基于機(jī)載在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸電線(xiàn)路覆冰預(yù)測(cè)研究

李軍 莊紅軍 周海 候永洪 莫?jiǎng)?鐘以平

摘 ?要：針對(duì)目前覆冰在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法獲得精準(zhǔn)的線(xiàn)路微氣象和覆冰數(shù)據(jù)的問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)輸電線(xiàn)路覆冰機(jī)理的研究，提出一種適合機(jī)器人搭載的多傳感器輸電線(xiàn)路微氣象在線(xiàn)監(jiān)測(cè)模塊，并分析研究在極端條件下圖像獲取的辦法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)與冰層形成有關(guān)的微氣象參數(shù)和冰層厚度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。利用SOM對(duì)監(jiān)測(cè)模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用支持向量機(jī)預(yù)測(cè)架空輸電線(xiàn)路的覆冰厚度。機(jī)載微氣象在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，可為線(xiàn)路覆冰超早期預(yù)防及覆冰及時(shí)預(yù)警提供準(zhǔn)確信息，也為后期防冰除冰機(jī)器人的研制及其工作運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：機(jī)載在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng);輸電線(xiàn)路;微氣象;覆冰

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.52;TM755 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）17-0034-04

Abstract：Aiming at the problem that the on-line monitoring system of icing can’t obtain accurate micrometeorological and icing data of transmission line at present. Based on the study of icing mechanism of transmission line，a multi-sensor micro-meteorological on-line monitoring module for transmission line is proposed，and the method of image acquisition under extreme conditions is analyzed and studied. Real-time monitoring of micro-meteorological parameters and ice thickness related to ice formation is realized. SOM is used to analyze the data collected by the monitoring module，and support vector machine is used to predict the icing thickness of overhead transmission lines. The monitoring of on-line airborne micro-meteorological monitoring system can provide accurate information for ultra-early icing prevention and timely early warning，as well as data support for the development and operation of anti-icing and deicing robots in the later stage.

Keywords：airborne on-line monitoring system;transmission line;micrometeorology;icing

0 ?引 ?言

輸電線(xiàn)路覆冰和積雪經(jīng)常引起線(xiàn)路舞動(dòng)、跳閘、斷線(xiàn)、倒桿、絕緣子閃絡(luò)和通信中斷等事故。俄羅斯、加拿大、美國(guó)、日本、英國(guó)、芬蘭、冰島和我國(guó)在內(nèi)的諸多國(guó)家都曾因輸電線(xiàn)路覆冰引發(fā)安全事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。近年來(lái)，我國(guó)南方各省份因極端天氣的影響導(dǎo)致輸電線(xiàn)路大范圍覆冰。因覆冰程度超出桿塔所能承受的最大載荷，便出現(xiàn)了嚴(yán)重倒桿事故，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在電網(wǎng)工作人員進(jìn)行搶修輸電線(xiàn)路的過(guò)程中也出現(xiàn)了大量的人員傷亡[1-3]。輸電線(xiàn)路覆冰對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行存在極大的威脅，因此為減少覆冰事故發(fā)生世界各國(guó)對(duì)線(xiàn)路的氣象監(jiān)測(cè)、線(xiàn)路覆冰監(jiān)測(cè)、采取的防冰和除冰技術(shù)都做了大量的相關(guān)研究，也取得了一定的成果[4-6]。為防患于未然，對(duì)輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究便顯得極其重要。

現(xiàn)階段研究所獲得的數(shù)據(jù)是基于人工模擬天然氣候環(huán)境、天然試驗(yàn)場(chǎng)以及基于覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)這三種研究環(huán)境。在上述研究環(huán)境中所收集數(shù)據(jù)存在著模擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境具有一定差異，如文獻(xiàn)[7]重慶大學(xué)人工氣候室完成的環(huán)境參數(shù)對(duì)覆冰厚度影響的研究。在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)桿塔微氣象數(shù)據(jù)采集后，根據(jù)力學(xué)模型或圖像模型來(lái)分析線(xiàn)路覆冰數(shù)據(jù)。如文獻(xiàn)[8]提出的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量覆冰的相關(guān)參數(shù)，如氣象參數(shù)、絕緣子串拉力和絕緣子串傾角、導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)變、導(dǎo)線(xiàn)溫度等，通過(guò)相關(guān)力學(xué)公式計(jì)算覆冰情況，準(zhǔn)確性受限，覆冰前結(jié)水階段或輕覆冰情況下測(cè)量靈敏度受限，難以測(cè)量，目前只能得到覆冰厚度變化的大體趨勢(shì)，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量覆冰厚度。因此對(duì)輸電線(xiàn)路微氣象數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)量少，以及因觀測(cè)站無(wú)法移動(dòng)而不能確切收集到線(xiàn)路局部的覆冰數(shù)據(jù)，致使所觀測(cè)資料代表性差[8-11]。貴州電網(wǎng)圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)采集覆冰圖片直接分析導(dǎo)線(xiàn)的覆冰狀況。因貴州喀斯特復(fù)雜地貌環(huán)境，圖像監(jiān)控終端在惡劣氣象條件下（如90%濕度下）經(jīng)常被冰雪遮蔽和凍結(jié)而無(wú)法使用，實(shí)用性大打折扣。所以，圖像法只能作為導(dǎo)線(xiàn)覆冰在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的輔助手段。圖1為貴州電網(wǎng)覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用情況。

針對(duì)目前覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用情況，本文提出以輸電線(xiàn)路覆冰機(jī)理研究為基礎(chǔ)，研究適合機(jī)器人搭載的多傳感器微氣象在線(xiàn)監(jiān)測(cè)模塊。實(shí)現(xiàn)對(duì)與輸電線(xiàn)路覆冰形成相關(guān)的微氣象參數(shù)及冰厚等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為覆冰超早期預(yù)防及覆冰及時(shí)預(yù)警提供信息。

1 ?輸電線(xiàn)路產(chǎn)生覆冰的機(jī)理研究

目前建立的模型數(shù)據(jù)均是由來(lái)自于地面觀測(cè)、稱(chēng)重法等的間接數(shù)據(jù)建立起來(lái)的。本文關(guān)于覆冰機(jī)理的研究是建立在真實(shí)線(xiàn)路（運(yùn)行電壓和正常運(yùn)行電流下）實(shí)地直接測(cè)量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的，區(qū)別于實(shí)驗(yàn)室和試驗(yàn)基地非帶電運(yùn)行情況下的覆冰機(jī)理研究以及間接數(shù)據(jù)研究。通過(guò)研究機(jī)載微氣象模塊及抗覆冰攝像頭，可獲得線(xiàn)路微氣象情況遠(yuǎn)程精準(zhǔn)數(shù)值和觀冰直觀圖像，極大減輕觀冰勞動(dòng)強(qiáng)度，滿(mǎn)足指定環(huán)境的自然覆冰觀測(cè)的需要，彌補(bǔ)因大雪封山或特殊地形無(wú)法觀冰的不足。本研究將根據(jù)機(jī)載微氣象在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行覆冰機(jī)理的進(jìn)一步研究，有望提高覆冰機(jī)理的描述確程度。

2 ?輸電線(xiàn)路覆冰在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ?當(dāng)前監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

目前一些在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成和原理如下：該系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)分機(jī)、無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心組成。在線(xiàn)路塔架上安裝有監(jiān)控分機(jī)，它能夠采集拉力傳感器、角度傳感器和氣象參數(shù)（包括溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、大氣壓力等）的測(cè)量值。同時(shí)，圖像系統(tǒng)還可以采集現(xiàn)場(chǎng)圖像甚至視頻，通過(guò)GSM/CDMA等無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心主要負(fù)責(zé)將監(jiān)測(cè)分機(jī)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和打印。由監(jiān)控中心專(zhuān)家軟件判斷該線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)的覆冰厚度及絕緣子覆冰橋接情況，結(jié)合拍攝的現(xiàn)場(chǎng)圖像和視頻，可以更加準(zhǔn)確地分析現(xiàn)場(chǎng)覆冰狀況，預(yù)測(cè)未來(lái)的覆冰趨勢(shì)，并給出預(yù)警信息。[12-15]

然而當(dāng)前這種方式依然存在以下幾點(diǎn)不足：一是測(cè)量方式為間接測(cè)量，觀測(cè)到的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確;二是所得的數(shù)值是在整條線(xiàn)路覆冰均勻的假設(shè)下計(jì)算得到的，降低了覆冰情況的真實(shí)性和數(shù)據(jù)的豐富性;三是雖能及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，卻不能對(duì)其進(jìn)行處理，依然需要一段時(shí)間來(lái)處理。

2.2 ?機(jī)載微氣象在線(xiàn)監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

面對(duì)上述當(dāng)前輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，通過(guò)輸電線(xiàn)路覆冰機(jī)理的分析，研究適合機(jī)器人搭載的多傳感器輸電線(xiàn)路微氣象在線(xiàn)監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)與覆冰形成相關(guān)的微氣象參數(shù)及冰厚等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。圖2為防冰/除冰機(jī)器人總體布局。

建立輸電線(xiàn)路表面積水/覆冰增長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型，結(jié)合重覆冰條件下輸電線(xiàn)路圖像與視頻數(shù)據(jù)，判斷出線(xiàn)路積水、覆冰及覆冰厚度狀況，為覆冰超早期預(yù)防及覆冰及時(shí)預(yù)警提供信息。圖3為輸電線(xiàn)路覆冰監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)框圖。

機(jī)載在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如圖4所示。主要由微處理器、微氣象傳感器、預(yù)處理電路、供電系統(tǒng)、時(shí)鐘芯片、通信模塊等組成，完成機(jī)器人所處線(xiàn)路微氣象信息的采集、處理和傳輸。為了延長(zhǎng)作業(yè)時(shí)間、降低總功耗，模塊在不工作時(shí)應(yīng)處于休眠狀態(tài)，只有在發(fā)出特定指令下才被喚醒進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及通信。從測(cè)量方式上看，本方案屬于線(xiàn)路微氣象直接測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確;從安裝位置上看，安裝在移動(dòng)機(jī)器人上，可在一個(gè)檔距內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)測(cè)量，具有靈活性好、描述情況詳細(xì)、數(shù)據(jù)量大的優(yōu)點(diǎn)。

3 ?覆冰增長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型研究

機(jī)載在線(xiàn)監(jiān)測(cè)模塊為工具，獲得易形成覆冰季節(jié)的數(shù)據(jù)，研究大氣環(huán)境條件（風(fēng)速、氣溫、空氣中水滴的過(guò)冷度以及水滴大小等參數(shù)）對(duì)輸電線(xiàn)路覆冰的類(lèi)型、形狀、密度等的影響規(guī)律，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、修正、處理，建立適用于所研究的輸電線(xiàn)路主動(dòng)防冰/除冰機(jī)器人決策使用的輸電線(xiàn)路表面覆冰增長(zhǎng)模型。

監(jiān)測(cè)模塊在正常運(yùn)行時(shí)會(huì)收集到大量的微氣象數(shù)據(jù)，如果這些數(shù)據(jù)是由傳統(tǒng)方法聚類(lèi)的，則難以消除分類(lèi)過(guò)程中的隨機(jī)性，參與者的主觀不確定性和認(rèn)知上的模糊性。因此，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用來(lái)解決這些問(wèn)題[16]。

架空輸電線(xiàn)路的覆冰過(guò)程是一個(gè)極其復(fù)雜和不穩(wěn)定的過(guò)程，與許多因素有關(guān)，其在數(shù)值上表現(xiàn)為一個(gè)與多種因素相關(guān)的非線(xiàn)性的時(shí)間序列，具有動(dòng)態(tài)、突變及不確定性等特點(diǎn)。從整個(gè)覆冰過(guò)程來(lái)看，一次完整的覆冰過(guò)程，主要包括以下幾個(gè)階段：覆冰形成、覆冰的低速增長(zhǎng)、覆冰的高速增長(zhǎng)、覆冰的維持、覆冰的脫落。

基于SVM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的覆冰厚度預(yù)測(cè)程序流程的建立首先根據(jù)測(cè)量的微氣象參數(shù)（溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等）;然后判斷氣象條件是否滿(mǎn)足線(xiàn)路結(jié)冰條件，若不滿(mǎn)足，則返回初始化;若滿(mǎn)足，則進(jìn)入SVM進(jìn)行覆冰等級(jí)分析;最后進(jìn)行覆冰厚度判斷，判斷該監(jiān)測(cè)線(xiàn)路是否出現(xiàn)輕微覆冰、中度覆冰、嚴(yán)重覆冰、無(wú)覆冰等狀況。SVM覆冰厚度預(yù)測(cè)流程圖如圖5所示。

4 ?極端條件下輸電線(xiàn)路圖像獲取

通過(guò)機(jī)載攝像頭獲取輸電線(xiàn)路在易結(jié)冰情況下的圖像、視頻信息。而在實(shí)際應(yīng)用中，在某些氣象條件下攝像頭易覆冰導(dǎo)致無(wú)法獲取信息。所以攝像頭在極端條件下的防護(hù)就顯得極為重要。使用機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式解決攝像頭易覆冰而導(dǎo)致圖像、視頻模糊的難題，以提高攝像頭獲取信息的可靠性，主要包括使用保溫材料、加熱器件、以及密封結(jié)構(gòu)。在使用時(shí)將攝像頭伸出拍攝，在不用時(shí)收回保溫密封殼內(nèi)，從而保證圖像監(jiān)測(cè)的可靠性。

5 ?結(jié) ?論

本文通過(guò)對(duì)機(jī)載微氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理模型的研究闡述，為進(jìn)一步的詳細(xì)設(shè)計(jì)和運(yùn)行實(shí)驗(yàn)打下理論基礎(chǔ)。機(jī)載微氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)檔距輸電線(xiàn)路的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握線(xiàn)路周?chē)奈庀髣?dòng)態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)采集大量的氣象數(shù)據(jù)分析出線(xiàn)路覆冰狀況，進(jìn)而采取有效積雪預(yù)防措施。同時(shí)也可長(zhǎng)期收集線(xiàn)路氣象資料，為防冰/除冰機(jī)器人工作和輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)提供大量真實(shí)可靠數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡毅.電網(wǎng)大面積冰災(zāi)分析及對(duì)策探討 [J].高電壓技術(shù)，2008，34（2）：215-219.

[2] 黃筱婷，戴棟，李昊，等.基于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的輸電線(xiàn)路覆冰形態(tài)研究 [J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2013，7（1）：76-79.

[3] 黃新波，劉家兵，蔡偉，等.電力架空線(xiàn)路覆冰雪的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 [J].電網(wǎng)技術(shù)，2008（4）：23-28.

[4] 王少華.輸電線(xiàn)路典型覆冰事故及防治技術(shù)分析 [J].高壓電器，2010，46（10）：85-89.

[5] 王守禮.影響電線(xiàn)覆冰因素的研究與分析 [J].電網(wǎng)技術(shù)，1994（4）：18-24.

[6] 曹永興，張昌華，黃琦，等.輸電線(xiàn)路覆冰在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及預(yù)警技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 [J].華東電力，2011，39（1）：96-99.

[7] 蔣興良，申強(qiáng).環(huán)境參數(shù)對(duì)導(dǎo)線(xiàn)覆冰厚度影響的試驗(yàn)分析 [J].高電壓技術(shù)，2010，36（5）：1096-1100.

[8] 黃新波，孫欽東，程榮貴，等，導(dǎo)線(xiàn)覆冰的力學(xué)分析與覆冰在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007（14）：98-101.

[9] 王敩青，戴棟，郝艷捧，等.基于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸電線(xiàn)路覆冰數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析 [J].高電壓技術(shù)，2012，38（11）：3000-3007.

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

[11] 姚陳果，張磊，李成祥，等.基于力學(xué)分析和弧垂測(cè)量的導(dǎo)線(xiàn)覆冰厚度測(cè)量方法 [J].高電壓技術(shù)，2013，39（5）：1204-1209.

[12] 劉春城，劉佼.輸電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)覆冰機(jī)理及雨凇覆冰模型 [J].高電壓技術(shù)，2011，37（1）：241-248.

[13] 黃新波，孫欽東，丁建國(guó)，等.基于GSM/SMS的輸電線(xiàn)路覆冰在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) [J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2008，28（5）：72-76.

[14] 黃文燾，邰能靈，胡炎，等.架空輸電線(xiàn)路覆冰在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) [J].水電能源科學(xué)，2012，30（10）：157-160.

[15] 孟毅，陳繼東，胡丹暉.架空輸電線(xiàn)路覆冰在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行 [J].中國(guó)電力，2011，44（5）：38-40.

[16] 馮曉蒲.基于實(shí)際負(fù)荷曲線(xiàn)的電力用戶(hù)分類(lèi)技術(shù)研究 [D].保定：華北電力大學(xué)，2011.

作者簡(jiǎn)介：李軍（1982-），男，漢族，湖南株洲人，工程

師，碩士，研究方向：繼電保護(hù)、電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù);莊紅軍（1988-），男，漢族，江蘇揚(yáng)州人，工程師，本科，研究方向：輸電線(xiàn)路運(yùn)行維護(hù)、電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)。