高壓輸電線路在線監(jiān)測(cè)智能化研究

葉國慶, 鮑翔, 蔡正宜

(浙江捷安工程有限公司， 浙江 蘭溪 321100)

0 引言

電力輸送過程需基于高壓輸電線路完成,作為智能電網(wǎng)的核心構(gòu)成,高壓輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行與否會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)產(chǎn)生直接影響,規(guī)模及范圍不斷擴(kuò)大的電力系統(tǒng)對(duì)高壓輸電線路的監(jiān)測(cè)提出了更高的要求，設(shè)計(jì)并完善高壓輸電線路的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍然是目前研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。不斷發(fā)展完善的智能電網(wǎng)及動(dòng)態(tài)增容技術(shù)為輸電線路實(shí)時(shí)高效的監(jiān)測(cè)過程的實(shí)現(xiàn)提供了有力支撐,但目前由于受到技術(shù)及成本等限制,存在以單點(diǎn)監(jiān)測(cè)為主、尚未組網(wǎng)形成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等問題,輸電線路在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品及監(jiān)測(cè)過程的智能化、自動(dòng)化、互動(dòng)化水平還有待提高，需通過進(jìn)一步完善以降低實(shí)際使用過程中的故障率、使用及維護(hù)成本。

1 需求分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠采集、傳輸和處理包括溫度、濕度、光強(qiáng)等在內(nèi)的標(biāo)量數(shù)據(jù),并能夠獲取多媒體數(shù)據(jù)信息,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)感知區(qū)域全方位細(xì)粒度、精確的監(jiān)控過程。高壓輸電線路因受到分布廣、線路長、地形地貌復(fù)雜(部分地區(qū)環(huán)境惡劣)等因素的影響而易被破壞,進(jìn)而帶來經(jīng)濟(jì)損失。目前野外站點(diǎn)的線路運(yùn)行狀態(tài)的檢查方式仍以現(xiàn)場(chǎng)人工定期檢查方式為主，在增加監(jiān)測(cè)成本的同時(shí)不利于故障事件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理。因此，高壓輸電線路的在線監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵在于選擇合適的數(shù)據(jù)傳輸方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信,現(xiàn)有遠(yuǎn)程接入方式通常采用移動(dòng)通信網(wǎng)(如GPRS、CDMA)實(shí)現(xiàn)，存在的主要問題為:(1)部分區(qū)域尚未覆蓋移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，尤其是跨越環(huán)境惡劣地域(偏遠(yuǎn)山區(qū)、沙漠等)的特高壓輸電線路,移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)故障將無法使用;(2)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的全面性及可擴(kuò)展性較差，一個(gè)接入點(diǎn)通常僅能對(duì)一種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),難以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、全方位的監(jiān)控過程，需通過增加接入點(diǎn)數(shù)目的方式擴(kuò)大參數(shù)監(jiān)測(cè)范圍,不斷增加的監(jiān)測(cè)規(guī)模不利于實(shí)現(xiàn)高效實(shí)時(shí)的后端監(jiān)控功能;(3)大規(guī)模、長時(shí)間的使用成本較高;(4)傳輸速率受限，難以有效滿足高清的圖片及視頻傳輸需求。為此本文提出了一種高壓輸電線路智能化在線監(jiān)測(cè)方案,并重點(diǎn)討論了全參數(shù)在線監(jiān)測(cè)的實(shí)施過程[1]。

2 高壓輸電線路智能化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電網(wǎng)的智能化管理過程離不開對(duì)輸電線路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),通過對(duì)實(shí)時(shí)獲取的輸電線路數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析實(shí)現(xiàn)對(duì)電力資源的合理調(diào)配過程,為提高電力資源利用效率及故障監(jiān)測(cè)處理等提供參考。整個(gè)電網(wǎng)工作安全與效率同輸電線路的正常運(yùn)行密切相關(guān)，目前電網(wǎng)運(yùn)維過程中易出現(xiàn)多因素導(dǎo)致的高壓鐵塔及線路被破壞的問題(包括線路老化、天氣、環(huán)境、人為等),如果沒有得到及時(shí)有效的預(yù)防和處理將會(huì)不同程度的影響到電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，目前國內(nèi)針對(duì)高壓輸電線路的監(jiān)測(cè)方法普遍存在著監(jiān)測(cè)精度、穩(wěn)定性、傳輸速度、經(jīng)濟(jì)投入等方面的不足，限制了全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸電線路功能的實(shí)現(xiàn),影響了區(qū)域供電的可靠性[2]。

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求

(1) 支持遠(yuǎn)距離傳輸，高壓輸電線路中傳送距離一般同電壓等級(jí)成正比，220 kV的輸電線路較長,尤其是特高壓輸電線路可達(dá)到上千公里,可能穿越不同的區(qū)域,需以不同區(qū)域的實(shí)際情況為依據(jù)對(duì)相應(yīng)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行部署,重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域間的間隔可能較遠(yuǎn),需網(wǎng)絡(luò)支持遠(yuǎn)距離傳輸功能。(2)靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，滿足不同線路類型的監(jiān)測(cè)需求,連接不同變電站的輸電線路通常呈線性排布，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(安裝于桿塔上)則呈線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過采用同塔多回(多回輸電線路共用一個(gè)桿塔)的方式可節(jié)省占地資源，由三相導(dǎo)線和架空地線構(gòu)成一回線路,在需同時(shí)監(jiān)測(cè)多條輸電線路的情況下,使局部呈網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。(3)支持多種數(shù)據(jù)傳輸類型，具有較強(qiáng)的靈活性和可擴(kuò)展性,根據(jù)實(shí)際對(duì)輸電線路的分析可知污染、覆冰、振動(dòng)、外力破壞等是引起線路故障的主要因素，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大致可分為標(biāo)量數(shù)據(jù)類型(如鹽密泄漏電流、導(dǎo)線溫度等)、圖像類型(如導(dǎo)線覆冰、線下活動(dòng)等圖像)。異構(gòu)性的無線傳感器節(jié)點(diǎn)包含了標(biāo)量傳感器節(jié)點(diǎn)和圖像傳感器節(jié)點(diǎn)。除支持多種數(shù)據(jù)傳輸外,還需具有較高的傳輸帶寬以滿足規(guī)模不斷增加的監(jiān)控需求[3]。

2.2 高壓輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1) 高壓輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

以上述監(jiān)測(cè)需求為依據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(即無線傳感器節(jié)點(diǎn))進(jìn)行部署,無需各級(jí)桿塔均安裝，例如在水塘附近為防被水侵蝕將圖像采集終端安裝于桿塔上以便監(jiān)測(cè)塔基;在跨越立交橋部分為防導(dǎo)線下垂將采集終端安裝于導(dǎo)線上以便監(jiān)測(cè)導(dǎo)線弧垂等。監(jiān)測(cè)子站通常安裝在桿塔上且需位于無線傳感器節(jié)點(diǎn)附近,在對(duì)附近傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集的同時(shí),使呈現(xiàn)為簇頭節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)子站形成了無線多跳網(wǎng)絡(luò),由連接網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)(監(jiān)測(cè)網(wǎng)關(guān)，通常設(shè)在高壓變電站)將接收到的數(shù)據(jù)向后端的監(jiān)控中心傳送。支持遠(yuǎn)距離傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)子站能夠以監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布局為依據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)子站進(jìn)行靈活部署,確保各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均有能多跳連接到監(jiān)測(cè)網(wǎng)關(guān)的監(jiān)測(cè)子站相對(duì)應(yīng),使用監(jiān)測(cè)子站最少[4]。

(2) 異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本文所構(gòu)建的層次型異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

監(jiān)控中心負(fù)責(zé)對(duì)骨干網(wǎng)絡(luò)和子網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，子網(wǎng)為星形網(wǎng)絡(luò)采用Zig bee無線通信技術(shù)，由監(jiān)測(cè)子站和無線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成(節(jié)點(diǎn)1跳即可接入監(jiān)測(cè)子站)，帶寬可達(dá)250 kbit/s,可有效滿足小范圍網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的標(biāo)量數(shù)據(jù)傳輸(如溫度、弧垂等)及大量數(shù)據(jù)(如圖片、視頻等)的傳輸需求。基于IEEE 802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)的骨干網(wǎng)絡(luò)主要由監(jiān)測(cè)子站構(gòu)成，呈現(xiàn)簇頭節(jié)點(diǎn)形式的監(jiān)測(cè)子站具備較強(qiáng)的信息傳輸和處理能力,骨干網(wǎng)絡(luò)采用自組織網(wǎng)絡(luò)，通過配置高增益天線可有效滿足遠(yuǎn)距離傳輸需求，并且單跳鏈路具備較高的帶寬。作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要構(gòu)成，采集終端主要由傳感器、無線通信(支持Zig bee標(biāo)準(zhǔn))及電源幾個(gè)模塊構(gòu)成，以傳感器節(jié)點(diǎn)位置為依據(jù)確定電源模塊，位于桿塔上的采集終端可采用太陽能供電，位于導(dǎo)線上可使用電磁感應(yīng)電源。監(jiān)測(cè)子站主要由主控模塊(低功耗芯片)、通信模塊(包括Zig .TIFbee和IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn))及電源模塊構(gòu)成，放置于桿塔上的監(jiān)測(cè)子站可采用太陽能供電[5]。

呈線性或網(wǎng)狀排布的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)需對(duì)動(dòng)態(tài)路由協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮到數(shù)據(jù)傳輸量在單一的數(shù)據(jù)流向下越靠近匯聚節(jié)點(diǎn)越大,導(dǎo)致電能易耗盡,因此采用能耗受限的可靠路由協(xié)議，以鏈路傳輸狀態(tài)為依據(jù)對(duì)發(fā)送功率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),兼顧低能耗需求及傳輸速率和丟包率，為使由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大量聚集導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題得以有效避免,并能對(duì)報(bào)警事件進(jìn)行及時(shí)處理,設(shè)計(jì)了2種數(shù)據(jù)查詢方式：①事件驅(qū)動(dòng)，在傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到異常事件的情況下會(huì)及時(shí)產(chǎn)生具有高優(yōu)先級(jí)的報(bào)警數(shù)據(jù)包并向監(jiān)控中心上傳，各中間節(jié)點(diǎn)均需對(duì)報(bào)警數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先處理、轉(zhuǎn)發(fā)；②查詢驅(qū)動(dòng)，各傳感器節(jié)點(diǎn)向監(jiān)測(cè)子站周期性的上傳普通數(shù)據(jù)包(即收集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)),由監(jiān)測(cè)子站完成匯聚、緩存處理后傳送至監(jiān)控中心對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和分析。由監(jiān)控中心負(fù)責(zé)調(diào)度各監(jiān)測(cè)子站上傳時(shí)間,通過輪詢方式的使用可使網(wǎng)絡(luò)擁塞問題得以有效避免,采取時(shí)間及事件喚醒機(jī)制，上傳周期間隔內(nèi)保持睡眠狀態(tài)。此外還提供歷史數(shù)據(jù)查詢、故障點(diǎn)定位、數(shù)據(jù)可視化等功能。包括泄漏電流等在內(nèi)的特殊數(shù)據(jù)需結(jié)合專家知識(shí)進(jìn)一步處理[6]。

3 高壓輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

監(jiān)測(cè)子站由主板和子板構(gòu)成。結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)子站

采用低功耗芯片的主板微處理器(MCU)的主頻可達(dá)400 MHz，基于該芯片的嵌入式監(jiān)測(cè)子站的工作電流小于3 A、輸入電壓5V,存儲(chǔ)模塊由SDRAM和Flash存儲(chǔ)器構(gòu)成(分別為128 MB和32 MB )，包含串口和用于同子板通信的SPI接口各一個(gè)；主板提供電源實(shí)現(xiàn)了Zigbee協(xié)議棧,同時(shí)支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)；同主板相獨(dú)立的子板采用Zigbee通信模塊,并采用SPI接口同主板進(jìn)行通信，進(jìn)一步提升了監(jiān)測(cè)子站的靈活性；使用監(jiān)測(cè)子站中主板的匯聚節(jié)點(diǎn)接入到變電站(通過以太網(wǎng)接口)。將嵌入式Linux系統(tǒng)安裝于監(jiān)測(cè)子站上實(shí)現(xiàn)了匯聚節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)協(xié)、數(shù)據(jù)查詢協(xié)議等[7]。

(1) 高壓輸電線路電磁干擾問題的解決。遠(yuǎn)距離高壓輸電線路運(yùn)行時(shí)等同于一個(gè)很強(qiáng)的電磁輻射源,存在電暈危害、對(duì)無線電的電磁干擾等問題,電暈放電時(shí)的脈沖電流能量會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成高頻干擾,在超過20 MHz頻率后則幾乎為0，本文通過采用工作頻段均在2.4 GHz以上的Zig bee和IEEE 802.11協(xié)議使高壓輸電線路的電磁干擾問題得以有效避免。

(2) 監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電。桿塔上不能懸掛較長的導(dǎo)線,桿塔上使用電池時(shí)更換難度較大,且禁止從高壓輸電線路取電,可安裝于桿塔上的節(jié)點(diǎn),監(jiān)測(cè)子站和部分圖像傳感器節(jié)點(diǎn)可采用太陽能供電系統(tǒng)(和節(jié)點(diǎn)一起安放在塔上)，其所采用的免維護(hù)鉛酸蓄電池的容量根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算獲取(包括設(shè)備功耗和連續(xù)陰雨天數(shù))，選取太陽能電池組件則以發(fā)電量、電池電壓、設(shè)備功耗等為依據(jù)(連續(xù)陰雨天間的最短間隔期間)。合理的供電系統(tǒng)利用充足的光照即可有效滿足設(shè)備持續(xù)供電的需求。此外需注意根據(jù)桿塔對(duì)承重和抗風(fēng)要求設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)的體積和重量，導(dǎo)線溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可采用電磁感應(yīng)供電方式,避免對(duì)導(dǎo)線造成損傷。通過將蓄電池加裝于設(shè)備上以避免斷電情況(通常由輸電線路載荷不足、繼電保護(hù)跳閘引起)的出現(xiàn),蓄電池充電時(shí)由電磁感應(yīng)供電。為避免IEEE 802.11和802.15.4相互干擾,各自指定了固定的通信信道，各包含11個(gè)和16個(gè)信道,IEEE 802.11使用信道1,IEEE 802.15.4使用信道21或22,可以同時(shí)使用[8]。

(3) 傳輸距離。發(fā)送功率、天線增益等均會(huì)對(duì)傳輸距離產(chǎn)生影響,假設(shè)，f表示頻率，d和Pt分別表示傳輸距離和發(fā)送功率，發(fā)送及接收天線的增益分別由Gt和Gr表示，Δ表示無線鏈路的功率余量,發(fā)送及接收天線饋線的損耗分別由Lt和Lr表示，則傳輸距離的計(jì)算表達(dá)式[9]，如式(1)(單位：m)。

20lgd=Pt+Gt+Gr-(Lt+Lr)-Δ-20lgf-32.45

(1)

(4) 天線的安裝高度和方向，根據(jù)惠更斯—菲涅爾原理,假設(shè)，l表示波長,h表示天線架設(shè)高度，則h=0.5ld(頻率為2.412 GHz時(shí)l=0.125 m)。

D=1 km時(shí)h=5.6 m，傳輸距離同天線需架設(shè)高度成正比，可將天線安裝在桿塔上避免超過塔高,即處在桿塔的避雷區(qū)內(nèi)。

4 總結(jié)

為有效滿足電力系統(tǒng)對(duì)高壓輸電線路安全運(yùn)行的需求，本文主要對(duì)高壓輸電線路的智能化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，完成了全參數(shù)的線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建,以該線路布局及監(jiān)測(cè)參數(shù)的特點(diǎn)為依據(jù)完成了層次型異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，由負(fù)責(zé)采集圖像和標(biāo)量數(shù)據(jù)的子網(wǎng)和負(fù)責(zé)遠(yuǎn)距離可靠傳輸數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)構(gòu)成，重點(diǎn)解決了包括節(jié)點(diǎn)供電、傳輸距離、電磁兼容等在內(nèi)的關(guān)鍵問題，有效提高了高壓輸電線路的在線監(jiān)測(cè)質(zhì)量及效率。在節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用的同時(shí)提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可靠性,為完善高壓輸電線路的監(jiān)測(cè)功能提供參考。