智能輸電線路技術(shù)在工程化應用中的策略

趙玉芳 趙宏宇 李 峰 趙文彬

（1.北京國網(wǎng)富達科技發(fā)展有限責任公司，北京100070；2.上海電力學院，上海200090）

0 引言

通過特高壓輸電技術(shù)，構(gòu)建堅強、智能的全球能源互聯(lián)網(wǎng)，是未來世界能源發(fā)展的重要方向[1-3]。隨著我國的輸電線路通道越來越長，覆蓋面積越來越大，輸電線路的運維和檢修工作量與日俱增。

目前，我國輸電線路維修的主要工作包括通道管理和線路檢修兩個大的門類，而頻繁遷改則給線路維修工作帶來了巨大的壓力[4]。

根據(jù)國家電網(wǎng)公司的統(tǒng)計結(jié)果，線路從業(yè)人員的規(guī)模在3萬人左右，一線工人的人數(shù)保持在2.4萬人左右，且呈現(xiàn)逐年遞減的趨勢；作為主網(wǎng)的500 kV（330 kV）等級線路規(guī)模每年凈增約3 000 km，220 kV電壓等級線路規(guī)模每年凈增約10 000 km。

傳統(tǒng)的維修模式越來越難以應對日益增長的輸電設備規(guī)模，已經(jīng)不能適應當前電力生產(chǎn)要求。傳統(tǒng)的巡檢管理方法經(jīng)常出現(xiàn)由于巡檢不到位、處理不及時而引發(fā)的線路事故。通過對輸電線路運行狀態(tài)的在線實時監(jiān)測，可減少傳統(tǒng)的巡檢管理的工作量和缺點，并預防及減少事故發(fā)生，提高輸電系統(tǒng)運行的安全性和可靠性[5]。輸電線路在線狀態(tài)監(jiān)測是智能輸電線路的重要組成部分。

2012年，國家電網(wǎng)公司運檢部組織各單位完成了系統(tǒng)內(nèi)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測裝置應用情況的調(diào)研[6]，報告顯示，在應用實踐中，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測裝置存在極端天氣條件下失效、供電電源可靠性差、通信故障頻繁等問題，各廠家的裝置故障類型基本一致，主要集中在以下三類：

（1）監(jiān)測裝置至外網(wǎng)前置（CAG）鏈路問題比較多，原因主要有現(xiàn)場網(wǎng)絡信號不穩(wěn)定，導致信號時斷時續(xù)，移動SIM卡故障以及國網(wǎng)富達的部分裝置通過前置機直接往主站系統(tǒng)傳數(shù)據(jù)的鏈路中斷等，此類問題數(shù)量為345個，占裝置問題數(shù)量的41.67%。

（2）監(jiān)測裝置硬件損壞，主要由裝置主控故障或傳感器故障導致，此類問題數(shù)量為308個，占裝置問題數(shù)量的37.20%。

（3）監(jiān)測裝置軟件程序不穩(wěn)定或缺陷，此類問題數(shù)量為175個，占裝置問題數(shù)量的21.13%。

鑒于此，本文將基于國網(wǎng)公司輸電線路運維檢修現(xiàn)狀，從業(yè)務分析出發(fā)，以安全生產(chǎn)為目標，以優(yōu)化資產(chǎn)管理為邊界條件，根據(jù)輸電線路的特點設計檢修策略，提出基于狀態(tài)監(jiān)測的輸電線路智能化運維管理框架，并對未來輸電線路運檢專業(yè)的發(fā)展道路進行探索。

1 智能化的輸電線路運維管理系統(tǒng)

輸電線路通道長，且覆蓋地域較大，因此掌握輸電線路的狀態(tài)是提高線路運行可靠性和合理安排檢修的關鍵，而且日常運行維護也占據(jù)了整體維修的絕大部分工作時間，因此，在日常運維環(huán)節(jié)運用狀態(tài)監(jiān)測手段可大幅提升生產(chǎn)效率，同時這也是實現(xiàn)輸電線路智能化運維管理的基礎。設備智能化是一個較為寬泛的概念，本文將輸電線路智能化定義為具有自感知能力的輸電線路智能化運維管理系統(tǒng)，這一系統(tǒng)建設的基本思路是運用狀態(tài)監(jiān)測手段提高監(jiān)視和維護水平，改善改造效果，達到降低線路跳閘風險的目標，其基本構(gòu)架如圖1所示。

圖1 輸電線路智能化運維管理系統(tǒng)

根據(jù)本文的論述，輸電線路智能化運維管理系統(tǒng)顯然更適用于高可靠性要求的輸電線路及輸電通道，其主要組成部分包括如下三個層次：快速響應的通信網(wǎng)絡、動態(tài)風險預評估手段、智能化運維管理的運作機制。

1.1 快速響應的通信網(wǎng)絡

通信網(wǎng)絡是輸電線路運維智能化的基礎，目前國網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)采用的通信方案大體有兩類，其中，應用最多的是利用公網(wǎng)APN方式，還有利用OPGW光纜的冗余纖芯進行通信的方式。本文根據(jù)快速響應的要求，嘗試提出兩種用于建立快速通信網(wǎng)絡的方案。

1.1.1 利用APN服務進行跨城市組網(wǎng)的方式

根據(jù)國網(wǎng)運檢部制定的“兩級部署、三層應用”的原則，目前各省電力公司已經(jīng)建立起了輸變電狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡，但該網(wǎng)絡是以省會的移動運營（中國移動、中國聯(lián)通、中國電信）商提供的APN服務作為基礎，數(shù)據(jù)從運營商服務器進入省公司通信堡壘機，再通過省公司安全接入平臺將數(shù)據(jù)接入電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)（內(nèi)網(wǎng)）。這種模式造成了通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)復雜，跨管理層級多，運行維護不便的缺點。

基于現(xiàn)狀事實，本文提出了一種快速響應網(wǎng)絡建設方案，如圖2所示，圖中灰色的部分為需要新建的設備，其余部分為現(xiàn)有設備。

圖2 快速響應網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖

從圖2中可以看出，僅僅需要在省檢分部所在地市的移動運營商機房建立托管或租用的APN服務器，監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)直接發(fā)送到本地運營服務商APN服務器，就能夠建立起一個由檢修分部全面管控的安全的專用網(wǎng)絡，必要時還可以將省檢分部與地市公司的輸電監(jiān)測快速網(wǎng)絡合建，以減少重復投資。

對于已經(jīng)安裝監(jiān)測裝置的情況，可以在檢修分部或地市公司開通直達省會運營服務商服務器的虛擬專用通道（必要時可以在兩端運行認證服務以進一步提高安全等級），相當于在分部或地市公司層面直接訪問位于省會城市的運營服務商APN服務器，從而形成一個快速響應的通信網(wǎng)，這個網(wǎng)絡幾乎不需要投資。

1.1.2 利用OPGW構(gòu)建光纖網(wǎng)絡的方式

利用開斷OPGW進行通信的方式，可以直接構(gòu)建快速響應網(wǎng)絡，在有條件的地區(qū)推薦直接采用市電作為通信和監(jiān)測裝置的電源，但應注意采取防雷擊和漏電保護等措施，確保安全供電。在沒有市電的條件下，推薦采用較大功率配置太陽能浮充系統(tǒng)，確保通信網(wǎng)絡可以24 h連續(xù)運行。

1.2 動態(tài)風險預評估手段

輸電線路的跳閘與氣象條件息息相關，而跳閘的風險是可以預先進行估計的，主要依據(jù)就是氣象預報和狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。輸電線路智能化的核心就體現(xiàn)在預評估技術(shù)方面，其基本思路如圖3所示。

動態(tài)風險預評估系統(tǒng)是實現(xiàn)輸電線路智能化的關鍵，是整個輸電線路智能化運維管理系統(tǒng)的前沿決策軟件，需要將線路設計、運行經(jīng)驗和信息技術(shù)結(jié)合起來，同時利用氣象、雷電、監(jiān)測等大量外部數(shù)據(jù)源進行支撐，因此，這一系統(tǒng)需要具備專業(yè)性、實時性及開放性等特點。

1.3 智能化運維管理的運作機制

智能化運維管理系統(tǒng)的需求來源于輸電線路的風險控制要求，針對不同的風險要求，結(jié)合架空輸電線路自身的狀態(tài)，可以產(chǎn)生不同的風險控制手段、資產(chǎn)優(yōu)化手段，但是這些手段的選取又會受到經(jīng)濟、技術(shù)和時間的限制，所以需要分時、分地、分情況給予不同解決方案。輸電線路智能化運維管理的運作機制可以用圖4進行示意。

圖3 動態(tài)風險預評估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 輸電線路智能化運維管理的運作機制

智能化運維的核心體現(xiàn)在線路風險狀態(tài)自動評估的功能方面，但為了確保這一核心功能能夠正常運轉(zhuǎn)，需要及時正確地給定邊界條件，而目前輸電線路重要通道管理工作恰好滿足這樣的運作體系。

在風險目標方面，首先由國網(wǎng)運檢部設定風險控制要求，也就是給定了通道的安全要求；接著省公司運檢部需要根據(jù)安全要求，確定省檢公司對于通道安全風險的控制指標；省檢根據(jù)控制指標和線路的實際情況確定各分部的工作重點和防范重點；各分部根據(jù)省檢確定的風險控制工作，安排執(zhí)行相應的管控措施。

在工作范圍方面，由省公司運檢部發(fā)起確定風險控制的范圍，再由省檢公司將控制范圍具體分配給各相關的分部。還有，由省檢公司確定控制的時間段，再由各分部根據(jù)范圍和時間制定風險控制策略。在決策的過程中，根據(jù)風險控制策略就能夠確定重點關注的狀態(tài)參數(shù)，同時也能夠根據(jù)氣象條件和氣候因素對可能發(fā)生的風險做出預估；預估結(jié)果通過省檢審查后，可直接上報或就地處理。雖然運作機制涉及的層面較多，但是由于全部的流程均可以在移動終端上完成，因此可以確保及時響應。

具備了風險的預估功能后，輸電線路就不再是一種被動故障的設備，而成為了一種具備自我感知和狀態(tài)預估能力的設備，能夠最大限度地減少無準備的故障跳閘，從而為電網(wǎng)的穩(wěn)定運行奠定堅實的基礎。

2 智能輸電線路技術(shù)的應用框架

智能輸電線路技術(shù)在應用中主要體現(xiàn)在自主的狀態(tài)管理和自主的風險分析兩個方面，從而對線路運維管理提供全面的技術(shù)支持，同時能夠促進運行經(jīng)驗和技術(shù)經(jīng)濟指標的正反饋，推動人員效率和經(jīng)濟效益的最大化，并達成安全性和經(jīng)濟性目標。應用框架如圖5所示。

圖5 智能輸電線路技術(shù)的應用框架示意圖

智能輸電技術(shù)的應用框架橫跨資產(chǎn)管理、風險評估和運行需求三個體系，縱向劃分為信息層、分析層和決策層三個層次；設備運檢專業(yè)相關的軟件模塊共有六個，分別為基本信息模塊、動態(tài)信息模塊、壽命模型模塊、風險分析模塊、技術(shù)經(jīng)濟分析模塊、檢修決策模塊；檢修決策和風險分析模塊提供與運行體系的信息接口，可以接收運行專業(yè)提供的風險預警，并在經(jīng)過分析后將檢修決策反饋至運行計劃，從而形成閉環(huán)。

在沒有運行體系接入的情況下，風險評估與資產(chǎn)管理模塊可以相輔相成，實現(xiàn)自主檢修決策與自主風險預警的功能。

3 智能輸電線路技術(shù)應用案例分析

為了進一步說明智能輸電線路技術(shù)應用的前景和整體思路，本文以某核電送出系統(tǒng)為例進行分析。該廠共有3個分廠，通過7回線路送出至3座500 kV變電站，拓撲如圖6所示。

二廠至喬司的線路是送出線路中投運時間最長的，此線路所在地區(qū)的部分時間北風也較強，圖7為兩地風玫瑰圖。

圖6 智能輸電線路技術(shù)的應用框架示意圖

圖7 核電廠地區(qū)常年風向玫瑰圖

二廠至喬司站使用的雙回路塔模擬點的具體位置如圖8所示，圖上的數(shù)字標號為疲勞分析的危險點。

圖8 輸電塔疲勞部位示意圖

可以根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范，估算輸電塔結(jié)構(gòu)疲勞壽命，具體方法是通過統(tǒng)計出各方向各風速下結(jié)構(gòu)構(gòu)件或節(jié)點連接的等效應力幅及相應的循環(huán)次數(shù)，按照Miner累積損傷準則計算出疲勞累積損傷，進而可以得到剩余壽命。表1列舉了典型構(gòu)件在不同工況下的損傷統(tǒng)計情況和疲勞壽命。

表1 輸電塔在風荷載單獨作用下的疲勞壽命

4 結(jié)語

本文框定了智能輸電線路技術(shù)的概念和定位。首先，基于國網(wǎng)公司輸電線路運維檢修現(xiàn)狀，從架空輸電線路運維體系和業(yè)務需求出發(fā)，提出了智能化輸電線路運維管理系統(tǒng)的概念；其次，在已建立的智能化輸電線路運維管理系統(tǒng)的基礎上，考慮輸電線路的狀態(tài)和風險問題，構(gòu)建有效的智能輸電線路技術(shù)應用框架；最終，以實際的輸電線路為例，利用智能輸電線路技術(shù)對桿塔進行剩余壽命分析，闡明了智能輸電線路的應用前景。智能輸電技術(shù)目前已經(jīng)在部分地市級運維單位開展了試點應用，并取得了一定的效果。智能化輸電線路運維管理系統(tǒng)的概念和應用框架為智能輸電線路在新形勢下開拓了新的發(fā)展思路和方向，希望本文的研究內(nèi)容能對智能輸電線路的建設有一定的指導意義。

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