基于LabVIEW軟件的輸電線路覆冰舞動(dòng)災(zāi)害在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

摘 要： 輸電線路覆冰舞動(dòng)災(zāi)害是目前我國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行中面臨的主要災(zāi)害之一，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)施毀壞，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)這一問題，研制了一種利用LabVIEW軟件及無(wú)線通信技術(shù)輸電線路覆冰舞動(dòng)災(zāi)害在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在硬件上采用工控機(jī)、PC工作站和服務(wù)器結(jié)合的方式，利用3G通信技術(shù)，對(duì)輸電線路舞動(dòng)情況進(jìn)行可視化在線監(jiān)控；同時(shí)，主控室軟件基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可視化接收數(shù)據(jù)，并建立了線路覆冰災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)不同時(shí)期監(jiān)測(cè)到的覆冰舞動(dòng)情況、提出電網(wǎng)安全運(yùn)行預(yù)防措施及建議。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、快捷地獲得覆冰舞動(dòng)情況，可為電網(wǎng)安全運(yùn)行提供重要支撐。

關(guān)鍵詞： 輸電線路； 覆冰舞動(dòng)； LabVIEW； 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN98?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）02?0147?04

LabVIEW software based on?line monitoring system for overhead transmission line disaster caused by line icing and galloping

LI Hongjun1， QU Zhenjun2， LI Peng3

（1. Northeast Light Alloy Co.， Ltd.， Harbin 151000， China； 2. Jilin Electric Power Co.， Ltd.， Changchun 130000， China；

3. China EPRI Science and Technology Co.， Ltd.， Beijing 102200， China）

Abstract： The overhead transmission line disaster caused by line icing and galloping is one of the main disasters that the power grid operation in China is facing， which in severe cases can lead to the destruction of the power grid facilities， and cause great economic losses. To solve this problem， an on?line monitoring system applying with LabVIEW software and wireless communication technology for disaster caused by transmission line icing and galloping was developed， in which the combination of industrial computer， PC workstation and server is adopted for hardware， the visualization on?line monitoring of the transmission line galloping status is conducted with 3G communication technology. The master?control room software based on LabVIEW can receive real?time visualization data and establish the database of disaster caused by transmission line icing. The preventive measures and suggestions on the power network safe operation is proposed depending on icing and galloping status monitored at different periods. The simulation and experiment results verify that the system can obtain the icing and galloping situations accurately and quickly， which provides an important support for the safe operation of the power grid.

Keywords： transmission line； icing； galloping； LabVIEW； monitoring system

0 引 言

輸電線路覆冰舞動(dòng)是目前高壓電網(wǎng)在運(yùn)行中所面臨的一個(gè)災(zāi)難性問題，由于其受氣候、地形等因素直接影響且產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，很難對(duì)覆冰舞動(dòng)災(zāi)害做出準(zhǔn)確預(yù)防，一旦線路覆冰發(fā)生舞動(dòng)，將會(huì)引起倒塔、折塔、斷線等事故。在我國(guó)，對(duì)于線路巡視主要由人工現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而覆冰產(chǎn)生大多是在地域荒涼、交通不便的地區(qū)，人工巡視難度大。因此，研發(fā)一種可以對(duì)輸電線路覆冰舞動(dòng)情況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)是十分必要的，這對(duì)于提供輸電線路安全穩(wěn)定性具有重要實(shí)際意義。

在輸電線路覆冰機(jī)理研究方便，文獻(xiàn)[1]提出了一種在線測(cè)量輸電線路履冰厚度的新方法。文獻(xiàn)[2]建立了一個(gè)可以計(jì)算架空線路上積冰厚度的數(shù)值模型；文獻(xiàn)[3]介紹了中國(guó)輸電線路履冰的特點(diǎn)，分析了幾個(gè)由履冰引起的重大電力事故。文獻(xiàn)[4]研究發(fā)現(xiàn)冰的數(shù)量、類型、均勻度、導(dǎo)電性等會(huì)對(duì)擊穿電壓有非常明顯的影響。文獻(xiàn)[5]提出了根據(jù)線路導(dǎo)線懸掛點(diǎn)傾角和懸垂絕緣子串偏斜角進(jìn)行輸電線路非均勻覆冰實(shí)時(shí)計(jì)算的模型和方法。在輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)研究方面，已有諸多文獻(xiàn)開展了相關(guān)研究，例如文獻(xiàn)[6?10]對(duì)電網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)思路和原則、結(jié)構(gòu)、功能和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行來(lái)研究，提出了具有不同特點(diǎn)的輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；文獻(xiàn)[11]介紹了通過遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)采集現(xiàn)場(chǎng)圖片，根據(jù)圖片直接分析導(dǎo)線的覆冰狀況的方法；文獻(xiàn)[12?15]分別利用全球移動(dòng)通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及相應(yīng)圖像識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)了具有不同特點(diǎn)的輸電線路覆冰圖像在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了輸電線路不同覆冰情況的可視化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。上述文獻(xiàn)主要是針對(duì)輸電線路覆冰進(jìn)行的監(jiān)測(cè)，而針對(duì)覆冰舞動(dòng)的監(jiān)測(cè)，仍需要進(jìn)一步深入開展相關(guān)方面研究。

本文針對(duì)如何在線監(jiān)測(cè)覆冰舞動(dòng)這一問題，提出了一種利用LabVIEW軟件及無(wú)線通信技術(shù)輸電線路覆冰舞動(dòng)災(zāi)害在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)在硬件上采用工控機(jī)、PC工作站和服務(wù)器結(jié)合的方式，利用3G通信技術(shù)，對(duì)輸電線路舞動(dòng)情況進(jìn)行可視化在線監(jiān)控；同時(shí)，主控室軟件基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可視化接收數(shù)據(jù)，并建立了線路覆冰災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)不同時(shí)期監(jiān)測(cè)到的覆冰舞動(dòng)情況、提出電網(wǎng)安全運(yùn)行預(yù)防措施及建議，可為電網(wǎng)安全運(yùn)行提供重要支撐。

1 覆冰舞動(dòng)災(zāi)害在線監(jiān)控系統(tǒng)框架

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)主要側(cè)重于輸電線路覆冰舞動(dòng)監(jiān)測(cè)，其整個(gè)系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 覆冰舞動(dòng)災(zāi)害在線監(jiān)控系統(tǒng)框架圖

輸電線路覆冰預(yù)警系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)的線路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在圖1中桿塔上安裝監(jiān)測(cè)傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)運(yùn)行線路電測(cè)信號(hào)如電壓、電流、功率以及環(huán)境信號(hào)如溫度、濕度、風(fēng)速等。攝像頭用來(lái)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)的環(huán)境情況，監(jiān)測(cè)到的信號(hào)通過桿塔安裝的無(wú)線端傳輸信號(hào)，經(jīng)由無(wú)線收發(fā)站向主工作站服務(wù)器傳輸實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)。主工作站服務(wù)器對(duì)接收到的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行處理后一方面，通過局域網(wǎng)傳送到總控屏與用戶監(jiān)視器中；另一方面經(jīng)過電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上傳到遠(yuǎn)程客戶端，用滿足遠(yuǎn)程處理要求。

2 軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)

輸電線路覆冰舞動(dòng)災(zāi)害在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是基于LabVIEW軟件技術(shù)。LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語(yǔ)言的開發(fā)環(huán)境，廣泛地用于工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足 GPIB，VXI，RS 232和 RS 485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP，ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都易于掌握。

軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中的軟件、PC工作站和便攜式終端中的軟件兩大部分。系統(tǒng)軟件采用微軟推薦的三層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的軟件框圖如圖2所示。圖3為軟件系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分析部分。

圖2 數(shù)據(jù)采集部分軟件

圖3 數(shù)據(jù)分析軟件部分

2.2 硬件設(shè)計(jì)

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包含數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、PC工作站和通信通道的設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端放置在輸電線路，其主要功能在于監(jiān)測(cè)實(shí)際運(yùn)行中的電氣量（包括電壓、電流、有功、無(wú)功及功率因數(shù)）。為了滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量和通信通道的要求，在平時(shí)監(jiān)測(cè)過程中只考慮定時(shí)記錄及傳輸，發(fā)現(xiàn)異常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行高采樣率采樣記錄原始采樣數(shù)據(jù)；同時(shí)，對(duì)于舞動(dòng)的幅值及覆冰厚度也進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

覆冰舞動(dòng)災(zāi)害在線監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有：現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端技術(shù)；無(wú)線通信技術(shù)和工作站后臺(tái)信號(hào)處理顯示技術(shù)。

2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端裝置的設(shè)計(jì)對(duì)于覆冰舞動(dòng)災(zāi)害在線監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)至關(guān)重要，準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的采樣數(shù)據(jù)是系統(tǒng)工作的前提，本文中的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端構(gòu)成框圖

2.2.2 無(wú)線通信技術(shù)

3G移動(dòng)通信技術(shù)是一種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，稱為第三代移動(dòng)通信（Third Generation Mobile Communication），3G是把無(wú)線通信與國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信結(jié)合起來(lái)的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了WAP（Wireless Application Protocol，無(wú)線應(yīng)用協(xié)議）與Web（超文本信息系統(tǒng)）的結(jié)合，提供了高速的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信和多媒體技術(shù)的應(yīng)用。

2.2.3 工作站后臺(tái)信號(hào)處理顯示技術(shù)

工作站硬件配置：為保證一定的裕度，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器配置500 GB硬盤，2個(gè)以太網(wǎng)口。

PC工作站共2臺(tái)，其中一臺(tái)放置在檢修試驗(yàn)工區(qū)機(jī)房?jī)?nèi)，該工作站用作管理員工作站。當(dāng)工作人員需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更新或進(jìn)行其他操作時(shí)，需在該工作站上完成；另一臺(tái)PC工作站設(shè)在檢修試驗(yàn)工區(qū)會(huì)議室內(nèi)，可根據(jù)需要決定是否把會(huì)議室的工作站接入大屏幕顯示。會(huì)議室的PC工作站配置了3G通信模塊，現(xiàn)場(chǎng)檢修人員需求助值班專家時(shí)，專家就進(jìn)入會(huì)議室通過3G視頻通話與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行溝通。工作站的數(shù)據(jù)量與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中的基本相同，所以同樣配置了500 GB硬盤，2個(gè)以太網(wǎng)口。便攜式終端采用平板電腦。平板電腦帶電時(shí)間長(zhǎng)，工作時(shí)可以不用插電源，攜帶和使用方便，能夠滿足本系統(tǒng)的需求。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到目前市場(chǎng)上可供選擇的型號(hào)，選用了具有256 GB的存儲(chǔ)空間、配置3G通信模塊的產(chǎn)品。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和工作站之間的通信采用以太網(wǎng)。為了使便攜式終端下裝數(shù)據(jù)和上傳數(shù)據(jù)方便，機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置WiFi通信，當(dāng)需要時(shí)便攜式終端不用接線即可和主站進(jìn)行通信，而且WiFi通信相對(duì)USB接口速度更快。

工作站軟件配置：基于LabVIEW軟件的輸電線路覆冰舞動(dòng)災(zāi)害在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在Windows系統(tǒng)架構(gòu)上進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的搭建。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室模擬供電線路為例，如圖5所示，利用低溫試驗(yàn)箱模擬外界運(yùn)行環(huán)境，本文選取導(dǎo)線與第2節(jié)參數(shù)一致，受實(shí)驗(yàn)條件限制，實(shí)驗(yàn)室只能提供10 kV電源，因此為了和后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比，本節(jié)的仿真系統(tǒng)采用供電電壓為10 kV的系統(tǒng)。

在模擬監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面中左半部分為現(xiàn)場(chǎng)電壓、電流、功率、溫度、風(fēng)速等測(cè)量量的顯示，并設(shè)有超限報(bào)警功能。右半部分是攝像頭傳輸回來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)視屏信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試與模擬控制臺(tái)的信號(hào)對(duì)比分析后得出結(jié)論，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的顯示現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，并在遇到情況時(shí)能夠做出報(bào)警動(dòng)作。

圖5 實(shí)驗(yàn)室模擬供電線路覆冰舞動(dòng)災(zāi)害在線監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該系統(tǒng)是在充分調(diào)查南方電網(wǎng)某省內(nèi)輸電線路覆冰情況后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并搭建了覆冰舞動(dòng)災(zāi)害在線監(jiān)控系統(tǒng)。自投入運(yùn)行以來(lái)，經(jīng)歷了一個(gè)完整的周期覆冰實(shí)驗(yàn)。以110 kV電網(wǎng)為例，該線路在2014年1月16—18日經(jīng)歷了一個(gè)完整的覆冰過程，16日晚21：12開始至17日凌晨4：32，環(huán)境溫度降低，導(dǎo)線拉力緩慢上升，攝像頭監(jiān)控圖像顯示線路開始緩慢結(jié)冰，但舞動(dòng)現(xiàn)象并不明顯，此時(shí)電壓電流數(shù)值接近警戒值，監(jiān)控大廳屏幕警示燈閃爍，檢修人員待命。由于17日溫度回升，線路壓力降低，從攝像視屏中觀測(cè)可以看出覆冰緩慢消解，至18日警戒去除，恢復(fù)正常。整個(gè)時(shí)間段內(nèi)，對(duì)覆冰與融冰過程實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)控，也可對(duì)覆冰舞動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警，避免了檢修人員人工巡視，提高檢修效率。由此可知該覆冰舞動(dòng)災(zāi)害在線監(jiān)控系統(tǒng)中可行有效的。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)輸電線路覆冰舞動(dòng)在線監(jiān)測(cè)問題，提出了一種利用LabVIEW軟件及無(wú)線通信技術(shù)輸電線路覆冰舞動(dòng)災(zāi)害在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)在硬件上采用工控機(jī)、PC工作站和服務(wù)器結(jié)合的方式，利用3G通信技術(shù)，對(duì)輸電線路舞動(dòng)情況進(jìn)行可視化在線監(jiān)控；同時(shí)，主控室軟件基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可視化接收數(shù)據(jù)，并建立了線路覆冰災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)不同時(shí)期監(jiān)測(cè)到的覆冰舞動(dòng)情況、提出電網(wǎng)安全運(yùn)行預(yù)防措施及建議。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了文中所研發(fā)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，為電網(wǎng)覆冰舞動(dòng)的監(jiān)測(cè)提供了重要技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] WANG Xiaopeng， HU Jianlin， WU Bin， et al. Study on edge extraction methods for image?based icing on?line monitoring on overhead transmission lines [J]. High Voltage Engineering， 2008， 34（12）： 2687?2693.

[2] FARZANEH M， SAVADJIEV K. Statistical analysis of field data for precipitation icing accretion on overhead power lines [J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2005， 20（2）： 1080?1087.

[3] JIANG Xingliang， SHU Lichu， SIMA Wenxia， et al. Chinese transmission lines’ icing characteristics and analysis of severe ice accidents [J]. International Journal of Offshore and Polar Engineering， 2004， 14（3）： 196?201.

[4] FARZANEH M， KIERNICKI J. Flashover problems caused by iced build?up on insulators [J]. IEEE Electrical Insulation Magazine， 1995， 11（2）： 5?17.

[5] 徐青松，勞建明，侯煒，等.輸電線路非均勻覆冰的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和計(jì)算模型[J].高電壓技術(shù)，2010，36（11）：2865?2869.

[6] 吳婭，張峰，馮欽華.廣東電網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究及應(yīng)用[J].廣東電力，2009，22（5）：12?15.

[7] 呂玉祥，占子飛，馬維青，等.輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010（10）：196?200.

[8] 李銀華，韓郡業(yè)，王婷.架空電力線覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29（11）：112?115.

[9] 邢毅，曾奕，盛戈皞，等.基于力學(xué)測(cè)量的架空輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（23）：81?85.

[10] 張予.架空輸電線路導(dǎo)線覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].高電壓技術(shù)，2008，34（9）：1992?1995.

[11] LI Penghui， ZHAO Wenguang， WEN Yinping， et al. Application of digital image monitoring system to detecting a high voltage icing conductor [J]. Geo?spatial Information Science， 2009，12（1）：61?65.

[12] 黃新波，孫欽，程榮貴，等.導(dǎo)線覆冰的力學(xué)分析與覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31（14）：98?101.

[13] 李昭廷，郝艷捧，李立浧，等.利用遠(yuǎn)程系統(tǒng)的輸電線路覆冰厚度圖像識(shí)別[J].高電壓技術(shù)，2011，37（9）：2288?2293.

[14] 張成，盛戈皞，江秀臣，等.基于圖像處理技術(shù)的絕緣子覆冰自動(dòng)識(shí)別[J].華東電力，2009（1）：146?149.

[15] 陸佳政，張紅先，方針，等.自適應(yīng)分割閾值在覆冰厚度識(shí)別中的應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，2009，35（3）：563?567.