懸掛稱重式自動觀冰系統(tǒng)應(yīng)用研究進(jìn)展

張桂華 孫兵

摘? 要：覆冰觀測自動化是輸電線路覆冰觀測研究手段的一次重大變革。該文簡要介紹了國內(nèi)現(xiàn)有覆冰自動觀測研究的幾種方法，并著重介紹了懸掛稱重式覆冰自動觀測系統(tǒng)應(yīng)用研究的進(jìn)展情況，從背景、系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)設(shè)計、觀測研究等方面對此覆冰自動觀測系統(tǒng)平臺的優(yōu)勢、階段性成果做了概述，同時分析了此覆冰自動觀測系統(tǒng)仍存在的問題，并展望了自動觀冰未來取代人工觀冰模式進(jìn)行應(yīng)用推廣的前景。

關(guān)鍵詞：覆冰自動觀測;懸掛式稱重法;拉力傳感器;數(shù)據(jù)獲取率;對比觀測;誤差分析

中圖分類號：TP368? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

我國是世界上導(dǎo)線覆冰最嚴(yán)重的國家之一，為了指導(dǎo)輸電線路氣象條件設(shè)計及減輕輸電線路覆冰災(zāi)害影響，從20世紀(jì)80年代開始，我國在易覆冰多災(zāi)害地區(qū)的重要輸電通道上建立人工觀冰站點(diǎn)，進(jìn)行導(dǎo)線覆冰觀測及相應(yīng)氣象觀測研究。研究主要內(nèi)容為探索研究區(qū)域的覆冰機(jī)理、覆冰類型及時空分布規(guī)律、確定覆冰量級等，研究成果應(yīng)用于區(qū)域電力輸電線路的勘測設(shè)計中，優(yōu)化路徑、合理確定設(shè)計冰厚及冰區(qū)劃分取得了一定成效。

但是近年來，我國西南山區(qū)如四川多地輸變電工程仍然受到雨雪冰凍災(zāi)害的影響并造成斷線、倒塔等嚴(yán)重事故。從后續(xù)分析、評估來看，大部分事故的原因是在設(shè)計階段因嚴(yán)重缺乏覆冰觀測資料而造成設(shè)計余度不足或考慮不周。由于導(dǎo)線覆冰問題十分復(fù)雜，我國環(huán)境地理?xiàng)l件復(fù)雜的西部絕大部分山區(qū)缺乏觀冰數(shù)據(jù)，而且受地域性限制，已獲得的導(dǎo)線覆冰資料和研究成果大部分還難以普遍應(yīng)用到其他無資料地區(qū)，對輸電線路覆冰問題的認(rèn)識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電網(wǎng)發(fā)展的要求。

針對這一難題，最直接的辦法就是在易覆冰地區(qū)的輸電通道區(qū)域增加觀冰站點(diǎn)的密度。但是作為國內(nèi)目前最為普遍的覆冰觀測方法，覆冰人工觀測選站選點(diǎn)外部制約因素較多，由于氣候、地形、交通等條件的限制，布點(diǎn)代表性和覆冰氣象資料的完整性難以得到保證，運(yùn)行過程中人力物力資源投入大、后勤保障困難、安全風(fēng)險較大，隨著我國輸電線路走廊環(huán)境的惡化，人工觀冰的局限性愈加明顯。在同等條件下，覆冰自動觀測可以覆蓋人工觀測難以到達(dá)的易覆冰地區(qū)，且節(jié)省大量的人力物力，并且可以實(shí)現(xiàn)24 h實(shí)時觀測，特定條件下具備明顯優(yōu)勢。所以開展適合我國國情的無人值守覆冰自動觀測技術(shù)和設(shè)備開發(fā)應(yīng)用研究迫在眉睫，其推廣應(yīng)用有重大的實(shí)用意義，能解決國內(nèi)送電線路覆冰觀測站點(diǎn)嚴(yán)重不足帶來的覆冰氣象資料匱乏和環(huán)境地理?xiàng)l件惡劣地點(diǎn)覆冰資料難以獲得等工程應(yīng)用問題，產(chǎn)生倍增經(jīng)濟(jì)效益。

1 懸掛稱重式自動觀冰系統(tǒng)介紹

懸掛稱重式自動觀冰系統(tǒng)采用了原理簡單、易于實(shí)施的拉力傳感器懸掛式稱重法，系統(tǒng)由觀測塔架平臺、電源組件、觀測裝置、無線通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心組成。觀測裝置包括導(dǎo)線覆冰自動觀測、氣象要素自動觀測及圖像采集3個子系統(tǒng)。利用電子技術(shù)、測量技術(shù)、新能源技術(shù)、通信技術(shù)、軟件技術(shù)等現(xiàn)代化手段構(gòu)成該系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

1.1 觀測塔架平臺

根據(jù)觀測研究實(shí)際需要，該系統(tǒng)設(shè)計的觀測塔架為桁架結(jié)構(gòu)，與人工觀冰雨凇塔（架）類似，結(jié)構(gòu)總體呈“L”形布置，布置為迎風(fēng)向與順風(fēng)向進(jìn)行覆冰氣象觀測。該結(jié)構(gòu)包括2個平面桁架、3個主柱及3個基礎(chǔ)。

平面桁架作為覆冰觀測設(shè)備的主要支撐部分，下部與主柱連接。針對設(shè)備儀器的型號、尺寸、安裝方式對角鋼進(jìn)行了連接部位打孔等專門設(shè)計。該桁架結(jié)構(gòu)由螺栓連接的型鋼組成，組裝單件重量輕，施工、安裝方便，對于交通不便的高山峻嶺地區(qū)覆冰觀測點(diǎn)的觀測使用具有良好的適應(yīng)性。如圖2所示。

1.2 覆冰自動觀測系統(tǒng)

覆冰自動觀測系統(tǒng)采用了原理簡單、易于實(shí)施的拉力傳感器懸掛式稱重法。使用2個拉力傳感器懸掛一根長3 m的模擬導(dǎo)線，導(dǎo)線離地高度3 m，監(jiān)測主機(jī)用于采集拉力傳感器測得的重量數(shù)據(jù)，再經(jīng)過相關(guān)數(shù)學(xué)模型計算得出現(xiàn)場實(shí)時覆冰厚度。該系統(tǒng)采用小型高精度拉力傳感器，靈敏度和測量精度范圍符合觀冰站點(diǎn)覆冰觀測要求。為避免拉力傳感器在覆冰時與導(dǎo)線黏連引起測量誤差，拉力傳感器懸掛位置、拉線長度及防雪罩大小等具體設(shè)計環(huán)節(jié)在觀測試驗(yàn)過程中進(jìn)行了持續(xù)研究改進(jìn)。

1.3 氣象要素自動觀測系統(tǒng)

為了認(rèn)識并掌握研究區(qū)域覆冰的生成機(jī)理、時空分布規(guī)律、覆冰特性、微地形對覆冰影響，除了收集和積累覆冰重量數(shù)據(jù)資料，還需要在覆冰期內(nèi)開展同期覆冰相關(guān)氣象要素的觀測。

氣象要素自動觀測系統(tǒng)的觀測設(shè)備主要為多要素自動氣象站，觀測要素包括溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速風(fēng)向、日照等，數(shù)據(jù)采集時間間隔設(shè)置為10 min。

氣象數(shù)據(jù)由監(jiān)測主機(jī)采集完成后通過GPRS通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，中心利用軟件分析、數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析處理，給出氣象參數(shù)信息。

1.4 圖像采集系統(tǒng)

在觀測塔上安裝高清攝像機(jī)，觀測模擬導(dǎo)線的覆冰全過程情況，具有遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)（焦距、光圈、景深、云臺預(yù)置位、大小、色度、對比度）功能。

根據(jù)在線監(jiān)測攝像設(shè)備運(yùn)行中存在易被冰雪覆蓋、無法拍攝清晰圖像的缺陷以及該系統(tǒng)研究過程中遇到的實(shí)際問題及改進(jìn)試驗(yàn)，最終圖像采集采用創(chuàng)新設(shè)計的伸縮式可加熱高清攝像系統(tǒng)，內(nèi)置電機(jī)理論推力達(dá)90 kg，具有防冰雪功能。

圖像采集時間間隔設(shè)置為30 min，單個攝像頭拍照時間間隔設(shè)置為1 h，交替拍照，起止時間設(shè)置為7：00～18：00。

1.5 電源

系統(tǒng)電源采用超低功耗技術(shù)，裝置待機(jī)電流保持在100 mA以內(nèi)，配置12V96AH電池，統(tǒng)一采用太陽能對蓄電池浮充的方式進(jìn)行供電。

根據(jù)觀冰站區(qū)域覆冰期氣候條件及系統(tǒng)配置條件，該系統(tǒng)配置雙電源，每一套電源配置2塊電池及4塊17 V/80 W太陽能光伏板。一套電源為主機(jī)供電，另一套電源為攝像頭加熱供電。

2 觀測研究過程

觀冰站點(diǎn)冬季氣候環(huán)境惡劣，所以該文中自動觀冰系統(tǒng)首先研究驗(yàn)證自動觀冰設(shè)備系統(tǒng)在具體惡劣環(huán)境下的實(shí)用性、穩(wěn)定性及可靠性。其次，覆冰自動觀測值應(yīng)能達(dá)到可以推廣應(yīng)用的精度范圍，為了證明覆冰自動觀測值的準(zhǔn)確度，須在同一觀冰點(diǎn)進(jìn)行自動與人工覆冰對比觀測，積累足夠的對比樣本進(jìn)行分析計算。

2.1 自動觀測場地簡介

四川西南部川滇交界某觀冰站，為四川西部水電送出南通道之一的前期覆冰觀測任務(wù)服務(wù)，其所在位置受區(qū)域地形作用和云貴靜止鋒影響，屬中高海拔特重覆冰山區(qū)，于2013年冬開始人工覆冰氣象觀測研究。自2015年起，利用此觀冰站作為該覆冰自動觀測系統(tǒng)的研究實(shí)驗(yàn)基地，建成了覆冰自動觀測系統(tǒng)平臺，開展了2015～2016年度、2016～2017年度及2017～2018年度 3個年度的覆冰及氣象連續(xù)自動觀測，由于覆冰過程多、覆冰量級大，期間獲取了大量的連續(xù)覆冰過程的覆冰、氣象原始數(shù)據(jù)，并經(jīng)過統(tǒng)計分析建立了資料數(shù)據(jù)庫。

2.2 系統(tǒng)的實(shí)用性、穩(wěn)定性及可靠性研究

2.2.1 系統(tǒng)平臺實(shí)用性研究

該系統(tǒng)布置平臺在經(jīng)過3個冬季的運(yùn)行試驗(yàn)后，取得了階段性成果，平臺的施工安裝及設(shè)備儀器的安裝拆卸方便易行，在復(fù)雜的重覆冰環(huán)境下未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性問題，實(shí)用性及可操作性得到檢驗(yàn)，安全可靠性有保障，已取得實(shí)用新型專利。

2.2.2 觀測系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性研究

系統(tǒng)在2015～2016年度運(yùn)行過程中由于系統(tǒng)穩(wěn)定性問題及通信信號強(qiáng)度問題，出現(xiàn)間歇性缺失數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)獲取率偏低，且數(shù)據(jù)記錄時間偶爾不準(zhǔn)時。通過優(yōu)化系統(tǒng)軟件設(shè)計，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性，針對可能存在的穩(wěn)定性問題，在原后臺主機(jī)24 h強(qiáng)制重啟的基礎(chǔ)上增加系統(tǒng)軟件控制強(qiáng)制重啟程序功能，可供研究人員靈活掌握重啟時機(jī)。2016～2017年度及2017～2018年度系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取率得到有效提升，達(dá)到了設(shè)定的目標(biāo)要求，如圖3所示。

2.2.3 圖像采集系統(tǒng)實(shí)用性研究

圖像采集系統(tǒng)設(shè)備采用遮擋冰雪、鏡頭加熱等手段，在大覆冰過程中可拍攝清晰的覆冰照片，如圖4、圖5所示。由于較大覆冰條件下加熱攝像頭耗電量很大，為避免電量不足導(dǎo)致系統(tǒng)工作失效，系統(tǒng)設(shè)置為不加熱拍照，所以覆冰期照片數(shù)據(jù)實(shí)際獲取率比較低，僅為11.7%。但在覆冰過程中可根據(jù)實(shí)際需要在后臺監(jiān)控中心采取人工操作加熱并拍照的命令，覆冰期各階段的覆冰照片都可以順利獲取，可以掌握覆冰全過程情況并達(dá)到監(jiān)控目的。

2.2.4 系統(tǒng)存在問題

氣象要素觀測系統(tǒng)的溫濕度、氣壓及日照傳感器都能全天候正常工作，而超聲波風(fēng)向風(fēng)速儀在覆冰期內(nèi)外露的感應(yīng)元件會被冰雪覆蓋，無法正常讀取風(fēng)速及風(fēng)向數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過程中更換了不同類型的測風(fēng)設(shè)備，依然無法消除冰雪遮擋的影響，目前暫時沒有好的解決方案。

2.3 覆冰自動觀測值誤差研究

2.3.1 覆冰自動和人工觀測結(jié)果對比分析

將2016～2017年度順風(fēng)向和迎風(fēng)向自動與人工同步觀測覆冰的標(biāo)準(zhǔn)冰厚對比，如圖6所示。

圖7的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，迎風(fēng)向?qū)Ь€人工與自動觀測標(biāo)準(zhǔn)冰厚數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)R=0.988519。

圖8的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，順風(fēng)向?qū)Ь€人工與自動觀測標(biāo)準(zhǔn)冰厚數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)R=0.991705，說明人工與自動對比觀測數(shù)據(jù)具有高度的線性正相關(guān)關(guān)系。

2.3.2 誤差原因分析

2.3.2.1 系統(tǒng)設(shè)計中存在的誤差

懸掛稱重式覆冰自動觀測方法簡單易行，但獲取準(zhǔn)確重量的前提是處于靜風(fēng)的理想狀態(tài)。在非靜風(fēng)狀態(tài)下，由于受到風(fēng)荷載的影響，會導(dǎo)致測重出現(xiàn)誤差。在未覆冰期，采集的覆冰讀數(shù)正負(fù)值均有顯示，經(jīng)多樣本分析計算，誤差范圍在0～5%。

2.3.2.2 對比觀測方法存在的誤差

該系統(tǒng)人工和自動觀測模擬導(dǎo)線離地高度存在差別，由于微地形微氣象條件突出，會導(dǎo)致覆冰量級稍有差異。

所以覆冰人工觀測除了測取下方模擬導(dǎo)線覆冰以外，也應(yīng)擇機(jī)人工測取上方導(dǎo)線上的覆冰，增加同根導(dǎo)線人工與自動同期觀測值的對比樣本。

根據(jù)已有的同步觀測對比樣本進(jìn)行分析計算，以人工觀測值作為參考標(biāo)準(zhǔn)，自動觀測標(biāo)準(zhǔn)冰厚成果的平均誤差的精度范圍已達(dá)到10%以內(nèi)。

同根導(dǎo)線對比觀測數(shù)據(jù)差值為2.0%，明顯小于2根導(dǎo)線對比觀測數(shù)據(jù)的差值8.3%，說明由于受研究地點(diǎn)微地形微氣象條件影響，2根模擬導(dǎo)線的離地高度差是導(dǎo)致對比數(shù)據(jù)差值的主要原因之一。另外，同根導(dǎo)線自動和人工觀測值仍有2%的差距，且自動觀測值都比人工觀測值偏大，說明風(fēng)荷載對覆冰重量的觀測有加成影響但影響程度較小。

3 結(jié)語

通過該自動觀冰系統(tǒng)研究，對設(shè)備、系統(tǒng)等問題進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，截止目前，覆冰重量及溫度、濕度、氣壓等氣象數(shù)據(jù)獲取率均可穩(wěn)定達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性基本達(dá)到要求。

覆冰自動觀測系統(tǒng)應(yīng)用的布置平臺取得了階段性成果，可操作性得到檢驗(yàn)。

拉力傳感器觀測的重量為導(dǎo)線凈重、冰重及風(fēng)荷載之和，由于覆冰期測風(fēng)儀器設(shè)備無法正常讀取風(fēng)速及風(fēng)向數(shù)據(jù)，所以無法剔除風(fēng)荷載。但經(jīng)過對比觀測分析，覆冰自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)具有高度的線性正相關(guān)關(guān)系，且誤差較小，達(dá)到了能夠應(yīng)用的精度范圍。風(fēng)荷載占比很小且難以準(zhǔn)確計算，因此該系統(tǒng)自動觀測的覆冰總重不再計算、剔除風(fēng)荷載。

改進(jìn)建議：通過開發(fā)新型測風(fēng)設(shè)備或?qū)F(xiàn)有測風(fēng)設(shè)備涂刷防結(jié)冰涂料等手段，研究消除覆冰影響，達(dá)到在覆冰期正常工作的目的。測試攝像系統(tǒng)耗電情況。改進(jìn)其供電系統(tǒng)，設(shè)置覆冰期自動加熱功能，提高照片獲取率，提升自動化程度。改進(jìn)系統(tǒng)布置平臺設(shè)計，將模擬導(dǎo)線離地高度改進(jìn)為10 m標(biāo)準(zhǔn)高度。嘗試研究無通信信號地區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

覆冰自動觀測在技術(shù)先進(jìn)性、安全性及經(jīng)濟(jì)性等方面相比人工觀測有明顯優(yōu)勢，但覆冰人工觀測仍是目前國內(nèi)最為成熟的覆冰觀測手段。覆冰自動觀測研究現(xiàn)階段仍存在待改進(jìn)的問題，需要研究人員長期試驗(yàn)研究并探索解決方案。覆冰自動觀測系統(tǒng)經(jīng)過進(jìn)一步研究驗(yàn)證后，在未來很有可能會取代人工觀冰模式得到推廣應(yīng)用。

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