輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)設計*

張運周，李 明

（廣東電網(wǎng)公司珠海供電局，廣東珠海 519000）

0 引言

由于我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對電力需求量的不斷增加，電力供不應求的矛盾日益突出。解決矛盾的方式有很多種，其中提高輸電線路的可靠性是一種經(jīng)濟和快捷的方式。輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)可以對輸電線路進行實時的、動態(tài)的監(jiān)控，是輸電線路穩(wěn)定、安全運行的保證，能夠提高輸電線路的可靠性[1]。

輸電線路振動、風偏、桿塔傾斜及氣象在線監(jiān)測系統(tǒng)包括微風振動、風偏、桿塔傾斜和氣象4 個子系統(tǒng)以及后臺專家分析軟件系統(tǒng)，通過監(jiān)測線路導線振動幅度、振動頻率、導線和絕緣子風偏角、桿塔傾斜角及現(xiàn)場氣象參數(shù)等運行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接收、顯示、在線分析和決策，為輸電線路生產(chǎn)管理和運行維護提供統(tǒng)一的數(shù)字化管理平臺，為全面、準確地分析與評估輸電線路安全運行狀態(tài)提供實時有效的數(shù)據(jù)依據(jù)和科學保證。

1 系統(tǒng)的設計要求

輸電線路振動、風偏、桿塔傾斜及氣象在線監(jiān)測系統(tǒng)設計本著合理、實用、可行、可靠的原則，為了使系統(tǒng)擴容方便、標準開放、功能全面，采用當今先進、成熟的技術(shù)設備，力求軟硬件系統(tǒng)具備最高的性能價格比。系統(tǒng)的設計具體要求如下：

（1）設計目標：系統(tǒng)應在任何時候能對輸電線路振動、風偏、桿塔傾斜及氣象等數(shù)據(jù)進行智能分析和監(jiān)測，以便及時了解線路的運行情況；

（2）通訊方式：系統(tǒng)應能兼容3G EVDO/WCDMA 通訊網(wǎng)絡，只要有3G EVDO/WCDMA 信號的地方均可使用，不用自建和維護通訊網(wǎng)絡，通訊距離不受限制；

（3）供電方式：采用太陽能及蓄電池電源供電；

（4）數(shù)據(jù)采集：系統(tǒng)可以采集現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)，通過無線公網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，并作出分析判斷；

（5）系統(tǒng)安裝：系統(tǒng)應能不停電即可安裝，安裝地點靈活方便，裝置拆卸方便，在該測點不需要監(jiān)控時可自行安裝到其他監(jiān)控點；

（6）抗高、低溫：系統(tǒng)自身能在低溫條件下工作；

（7）電磁兼容：系統(tǒng)安裝在線路塔基上，可以抗電磁干擾，電磁兼容強；

（8）防雷設計：室外設備要具有防雷設計；

（9）防水防腐：室外設備要具有防水防腐蝕設計。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案

整個系統(tǒng)由主站、子站、各種監(jiān)測儀以及電源系統(tǒng)組成。

在輸電線路導線上安裝振動監(jiān)測儀測量導線振動幅度、振動頻率，在絕緣子串和耐張塔跳線中間位置安裝風偏監(jiān)測儀測量絕緣子及導線風偏角，在桿塔上安裝桿塔傾斜監(jiān)測儀和氣象觀測裝置測量桿塔傾斜角及現(xiàn)場氣象參數(shù)，然后將這些測量的線路運行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)由監(jiān)測儀通過通信電纜或433 M/Zigbee 無線通信方式傳送到安裝在桿塔上的子站，再由子站通過GPRS 或者3G 方式將數(shù)據(jù)傳送到主站系統(tǒng)。

主站系統(tǒng)遵循先進、實用、經(jīng)濟、高效的原則，基于開放性結(jié)構(gòu)，充分滿足系統(tǒng)的維護、擴容和升級等方面的要求，支持第三方標準模型插件。在數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)滿足數(shù)據(jù)完整性和準確性要求，保證信息、分析結(jié)果的正確性。系統(tǒng)平臺充分考慮系統(tǒng)安全的要求，遵循電力二次系統(tǒng)安全防護的要求，并提供詳細的操作、運行日志，以便于發(fā)現(xiàn)應用系統(tǒng)的安全隱患。

子站是安裝于塔上的一種采集單元，由主控制單元、通信單元、電源控制單元、機箱構(gòu)成。子站主控制單元主要由數(shù)個功能模塊構(gòu)成，每個模塊采用標準化設計，根據(jù)監(jiān)測需求可以靈活配置及擴展。子站單元的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 子站單元的結(jié)構(gòu)圖

子站通信單元主要由子站與監(jiān)測儀、子站與主站通信兩部分組成，其中子站與監(jiān)測儀通信采用通信電纜或433 M/Zigbee無線通信方式[2]；子站與主站通信采用公網(wǎng)（GSM/GPRS/CDMA/3G）或者電力專網(wǎng)（OPGW 復合光纜配合WIFI/MESH 技術(shù)）。

子站電源控制單元采用太陽能+蓄電池方式，具有以下功能：對電源電壓監(jiān)測功能；低電壓保護功能；過電流保護功能；自動休眠的功能；具有智能電源管理功能。

根據(jù)系統(tǒng)設計要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。

3 無線通信網(wǎng)絡解決方案

輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的子站與主站之間的通信主要采用目前先進的3G 無線公網(wǎng)。在3G 未覆蓋區(qū)域，可以用GSM/GPRS 或者電力專網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。

3G無線公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是第三代移動通信技術(shù)的簡稱，是支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊技術(shù)，包括TD-SCDMA、W-CDMA、CDMA2000[3]。目前在南方一般采用中國電信的CDMA2000（3G-EVDO）網(wǎng)絡，在北方一般采用中國聯(lián)通的WCDMA 網(wǎng)絡。該技術(shù)是一項全新的網(wǎng)絡技術(shù)，可以為在線監(jiān)測系統(tǒng)同步實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程采集、傳輸、儲存和處理功能，具有傳輸距離遠、速度快、抗干擾能力強、無需鋪設電纜、投資成本低等優(yōu)勢。數(shù)據(jù)傳輸原理如圖3 所示。在移動3G 信號覆蓋區(qū)域內(nèi)，充分利用3G 公共網(wǎng)絡通信平臺，實現(xiàn)中心對多點的數(shù)據(jù)傳輸；在無移動信號覆蓋區(qū)域外，可以借助無線數(shù)傳電臺，通過無線與無線的接力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 數(shù)據(jù)傳輸原理圖

4 系統(tǒng)設計中采用的關(guān)鍵技術(shù)

（1）低功耗及新能源應用技術(shù)

由于監(jiān)測設備安裝在野外桿塔或者導線上，并需要對線路狀態(tài)進行長年24 小時不間斷監(jiān)測，所以設備供電是一個難題。目前主要有以下幾種方法。

一是使用高能鋰電池，但實際上由于鋰電池既不耐高溫也不耐低溫，故鋰電池在野外惡劣條件下的使用時間不長，不能滿足輸電線路設備長期無故障工作要求。

二是以太陽能電池對蓄電池進行浮充的供電方式，采用微處理器對電池特性進行檢測，按照蓄電池充放電特性曲線進行充電控制。桿塔傾斜監(jiān)測儀、氣象觀測裝置和子站系統(tǒng)采用這種方式供電。

由于安裝在輸電線路野外現(xiàn)場的監(jiān)測裝置沒有可供使用的交流電源，為此必須借助能量收集技術(shù)，開發(fā)獨立的供電裝置。目前在高壓輸電線路監(jiān)控項目主要利用太陽能電源裝置，以此解決監(jiān)測裝置的供電問題。

太陽能電源由太陽能電池板、蓄電池及充放電控制器。充放電控制器的功能是將太陽能電池板供給的電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流電壓，給監(jiān)測裝置供電，并給蓄電池充電，完成電能的存儲。在夜晚無法供給太陽能或陰天等氣候情況太陽能供給不足時由蓄電池繼續(xù)給監(jiān)測裝置供電。

三是高壓線路的導線取能方式，這種高壓導線感應取電的方式，給安裝在線路導線上的在線監(jiān)測儀供電，使用起來非常方便。振動監(jiān)測儀和風偏監(jiān)測儀采用這種方式供電。

（2）無線通信及抗干擾技術(shù)

監(jiān)測設備處于野外強電場環(huán)境中，工作條件惡劣，對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力要求較高，尤其是對通信鏈路信道的可靠性要求更高。

采用具有狀態(tài)監(jiān)測及自動重連功能的底層通信模塊，實時監(jiān)測線路狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)線路異常中斷，立即從信道路由表中查找新的鏈路進行自動重連，提高了遠程通信系統(tǒng)的可靠性和靈活性。系統(tǒng)應用底層通訊模塊開發(fā)遠程數(shù)據(jù)通信軟件，完成數(shù)據(jù)自動通信功能。

在高電壓、大電流的強電場環(huán)境中，以微電子線路為主體的微處理器、計算機及網(wǎng)絡等監(jiān)測裝置常受到強電磁輻射、雷電沖擊、高頻噪聲和諧波干擾等，引起系統(tǒng)可靠性降低，產(chǎn)生誤動作，甚至“死機”。為解決抗干擾問題，系統(tǒng)在硬件和軟件方面采用了相應措施。

在硬件方面，除少數(shù)傳感器外，數(shù)據(jù)采集單元都置于完全屏蔽的屏蔽盒中。傳感器的輸入接口，采取防滲、防串擾等措施，確保接口的可靠性；采用屏蔽盒內(nèi)多層隔離的方法，防止大信號串入燒壞核心電路；采用冗余設計，確保單個傳感器失效時，仍能正常工作。

在軟件方面，微處理器軟件除設置有常用的看門狗、防飛指令外，還設置有大量的錯誤陷阱及標志，一旦程序出現(xiàn)問題，系統(tǒng)都能采取復位、自動糾錯等方式自行維護，保證軟件正常運行。另外，對于一些重要數(shù)據(jù)和標志，設備還采用多重備份的方式進行保護。

（3）傳感器探測技術(shù)

傳感器是系統(tǒng)的首要部件，是能感受（或響應）規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件或裝置。傳感器應準確、快速地響應被測量的各種各樣的變動，主要通過其兩個基本特性——靜態(tài)特性和動態(tài)特性來反映被測量的這種變動性。

系統(tǒng)有微風振動傳感器、傾角傳感器、桿塔傾斜傳感器、風速風向傳感器、溫濕度傳感器和雨量傳感器，主要采集振動幅度、振動頻率、絕緣子及導線風偏角、桿塔傾斜角、風速、風向、溫度、濕度和雨量等數(shù)據(jù)。

（4）信號處理及診斷技術(shù)

對傳感器采集信號進行處理分析的目的是抑制干擾和提取信號特征，其方法可分時域分析、頻域分析等。

診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢是傳感器的精密化和多維化、診斷理論與診斷模型的多元化、診斷技術(shù)的智能化。其中，智能診斷方法有模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡、進化計算和專家系統(tǒng)等；以特征量性質(zhì)的診斷方法有閥值診斷、時域波形診斷、頻域特征診斷和指紋診斷等。

（5）監(jiān)控中心服務器軟件管理技術(shù)

控制中心的設計相對于監(jiān)測站的設計開發(fā)來講較為簡單，硬件設計少，除了普通微機（或工作站、工控機）外，還需要網(wǎng)絡接入設備?？刂浦行牡脑O計開發(fā)主要集中在應用軟件的設計開發(fā)上，一般是基于Windows 操作系統(tǒng)的。當前用于此類軟件開始、調(diào)試的工具較多，且功能強大，給控制中心軟件的設計帶來便利。

5 結(jié)論

系統(tǒng)的軟、硬件設計完成后，在實驗室進行了聯(lián)合調(diào)試，基本上達到了系統(tǒng)的設計要求。在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)除了本系統(tǒng)涉及到的振動、風偏、桿塔傾斜及氣象外，還有視頻、覆冰、污穢等等。要做到輸電線路在線數(shù)據(jù)全面監(jiān)控，還有許多工作要做。

［1］岳保梁，田中興.送電線路實用技術(shù)［M］.北京：中國科學技術(shù)出版社，1994.

［2］鄭亞茹，黃曙，王焱.基于無線傳感器網(wǎng)絡的高壓輸電線監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.廣東電力，2010，23（12）：78-82.

［3］鄧永紅.3G 技術(shù)綜述［J］.有線電視技術(shù)，2004（19）：5-11.