地線融冰自動接線裝置合閘操作遠(yuǎn)控方案的研究

徐望圣 曹偉偉 譚 勁 陸桂來 顏 艷

地線融冰自動接線裝置合閘操作遠(yuǎn)控方案的研究

徐望圣1曹偉偉2譚 勁1陸桂來2顏 艷1

（1. 中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司貴陽局，貴陽 550081；2. 南京電力金具設(shè)計研究院有限公司，南京 211500）

為了實(shí)現(xiàn)對架空輸電線路地線的遠(yuǎn)程融冰，需對地線融冰自動接線裝置進(jìn)行改造。本文首先介紹了裝置改造的整體方案和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的操作流程，明確合閘操作在整個融冰操作中的重要性；其次通過對比現(xiàn)有的就地合閘操作方式，分析直接進(jìn)行遠(yuǎn)程合閘操作可能出現(xiàn)的故障及引起故障的原因；最后提出保留現(xiàn)有控制方式對電機(jī)的停轉(zhuǎn)控制和合閘信號的觸發(fā)，增加合閘時間-電源通斷管理和電機(jī)運(yùn)行電流監(jiān)測等措施來避免事故的發(fā)生，鐵塔上增設(shè)圖像采集設(shè)備輔助識別合閘狀態(tài)信息，提高遠(yuǎn)方判斷合閘到位的成功率。

地線融冰；遠(yuǎn)控改造；合閘信號；電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時間；過載電流；定位告警

0 引言

由輸電線路覆冰引發(fā)的事故嚴(yán)重危害到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。尤其嚴(yán)重的是2008年初，我國南方地區(qū)遭受百年一遇的特大冰凍自然災(zāi)害，全國共有近570個縣級線路和14個省級電網(wǎng)的用戶供電受到不同程度的影響[1]，119條500kV和343條220kV輸電線路受冰災(zāi)影響而停運(yùn)，分別占冰災(zāi)區(qū)同等電壓等級線路總條數(shù)的19.01%和9.38%[2]；因?yàn)?zāi)造成全國人民直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1 516.5億元人民幣，包括南方電網(wǎng)直接財產(chǎn)損失200億元以及國家電網(wǎng)公司直接財產(chǎn)損失104.5億元[3]。

2008年2月開始，南方電網(wǎng)公司對輸電線路的融冰方案進(jìn)行了大量的研究，并且通過在樞紐變電站安裝直流融冰裝置實(shí)現(xiàn)對進(jìn)出導(dǎo)線的融冰[4]。但是，由于地線本身不通電流，該直流融冰方式不能直接應(yīng)用于地線，需要使用人工接線的方式將融冰電流從導(dǎo)線引至地線。2013年9月，地線融冰自動接線裝置研制成功并掛網(wǎng)運(yùn)行，大大提高了地線融冰的自動化程度，保障了操作人員的安全。

1 地線融冰自動接線裝置的遠(yuǎn)程控制改造

地線融冰自動接線裝置在操作上與隔離開關(guān)極為相似，裝置的導(dǎo)電桿等同于可旋轉(zhuǎn)的隔離刀閘。圖1為裝置在鐵塔上的布置圖。在導(dǎo)電桿的末端通過軟銅絞線與鐵塔頂部的地線進(jìn)行連接，非融冰時，裝置處于分閘狀態(tài)，導(dǎo)電桿前端的觸頭通過鎖緊機(jī)構(gòu)懸掛于防護(hù)機(jī)構(gòu)中，當(dāng)需要融冰時，在塔底操作控制箱，傳動機(jī)構(gòu)即會帶動導(dǎo)電桿向安裝在導(dǎo)線上的合流線夾做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使導(dǎo)電桿端部上的觸頭插入合流線夾上的觸指，完成合閘，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線和地線之間的連接。在確認(rèn)合閘成功后，通知變電站打開融冰電源進(jìn)行融冰[5]。融冰結(jié)束后，再通過控制箱進(jìn)行分閘操作，導(dǎo)、地線之間的連接斷開。

圖1 裝置在鐵塔上的布置圖

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和自動化技術(shù)在輸電行業(yè)中的大力推廣，電網(wǎng)部門已經(jīng)可以通過在線監(jiān)測系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)和掌握輸電線路氣象環(huán)境、導(dǎo)線溫度[6]、導(dǎo)線舞動[7]、線路覆冰[8]、桿塔傾斜[9]、人為破壞和異物入侵等情況，同時也實(shí)現(xiàn)了對巡線無人機(jī)、電力巡檢機(jī)器人[10]等設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。通過多年的理論研究和實(shí)際應(yīng)用，對于線路設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和信號的在線采集、無線遠(yuǎn)程傳輸和監(jiān)控系統(tǒng)的建立，完成了一定的技術(shù)儲備。在此基礎(chǔ)上，2018年南方電網(wǎng)公司發(fā)布了《防冰抗冰三年行動方案》，指出要研究和推廣應(yīng)用防冰智能技術(shù)，其中，對于地線融冰自動接線裝置，提出要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和操作，并由超高壓輸電公司作為責(zé)任單位施行。

擬進(jìn)行的裝置遠(yuǎn)控改造，形成的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。在鐵塔側(cè)布置傳感設(shè)備、控制設(shè)備、加解密裝置、風(fēng)光互補(bǔ)電源系統(tǒng)等，變電站布置服務(wù)器、控制主機(jī)以及與鐵塔側(cè)對應(yīng)的加解密裝置等。鐵塔側(cè)的采集終端和電機(jī)等設(shè)備與主控制箱連接，主控制箱通過定向的APN專網(wǎng)與運(yùn)營商路由進(jìn)行通信，再通過數(shù)據(jù)專線實(shí)現(xiàn)運(yùn)營商路由到服務(wù)器的連接。

圖2 遠(yuǎn)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的操作流程如下：系統(tǒng)操作人員得到融冰指令，從控制主機(jī)遙控融冰接地開關(guān)分閘，確認(rèn)開關(guān)到位后，合地線融冰自動接線裝置，現(xiàn)場配備的狀態(tài)采集設(shè)備得到合閘信號后，傳送到控制主機(jī)。操作人員再通知變電站起動融冰電源，地線開始融冰。待結(jié)束后，融冰電源退出，再遙控地線融冰自動接線裝置分閘，合上接地開關(guān)，系統(tǒng)操作結(jié)束。

2 原有的就地執(zhí)行合閘操作的方式

在上述的融冰操作過程中，裝置是否完成合閘動作直接決定了線路能否接通融冰電流，是融冰操作至關(guān)重要的一步。

在現(xiàn)有的就地操作方式中，已經(jīng)設(shè)計了合閘到位時的電機(jī)保護(hù)和對合閘位置的判斷方式。

由于合流線夾是安裝在跳線上，而不同的鐵塔跳線的弧垂高度各不相同，所需裝置的導(dǎo)電桿長度也不相同，再加上起固定和支撐合流線夾作用的跳線串往往因不同鐵塔橫擔(dān)結(jié)構(gòu)的原因，需避開干涉與豎直方向呈一定角度安裝，這個角度由各個鐵塔橫擔(dān)結(jié)構(gòu)決定，基本上各不相同。由此造成合流線夾與裝置導(dǎo)電桿的相對位置往往也各不相同，不同鐵塔安裝的導(dǎo)電桿和動觸頭在合閘時的位移不是固定值，因此不宜采用角度或位移傳感器等方式進(jìn)行位置確認(rèn)。而觸頭和觸指的接觸力是固定的，即合閘力的大小和傳動機(jī)構(gòu)的扭矩是相對確定的，因此現(xiàn)階段采用了扭矩限制器控制合閘到位。合閘時，當(dāng)扭矩超過扭矩限制器的設(shè)定值時，扭矩限制器起動對電機(jī)的過載保護(hù)，激發(fā)限位開關(guān)發(fā)出信號，就地操作的電氣控制箱接收到信號之后，切斷電源，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。

在以往的現(xiàn)場操作中，扭矩限制器和限位開關(guān)結(jié)合的方式基本上能完成合閘到位信號的傳輸和控制電機(jī)自動停轉(zhuǎn)，但是也偶爾出現(xiàn)限位開關(guān)失靈導(dǎo)致的電機(jī)未自動停止的情況。就地操作時，現(xiàn)場的工作人員可以在塔下即時觀測到導(dǎo)電桿的位置狀態(tài)，如在合閘到位后電機(jī)還在旋轉(zhuǎn)，可以立即按下就地控制箱（如圖3所示）的急停按鈕，切斷電源使其停止。

圖3 就地控制箱

3 遠(yuǎn)控操作合閘過程可能出現(xiàn)的故障分析

地線融冰自動接線裝置在遠(yuǎn)方主機(jī)進(jìn)行控制操作時，由于裝置所處的鐵塔處已經(jīng)沒有工作人員在現(xiàn)場進(jìn)行觀察，極有可能發(fā)生未能察覺的合閘故障。

一是動靜觸頭合閘不到位。原因可能是安裝在跳線上的合流線夾由于大風(fēng)等原因?qū)е挛恢闷七^大，或者是導(dǎo)電桿上的動觸頭有覆冰，致使不能與靜觸頭有效接觸，如圖4所示。此情況使導(dǎo)電桿上的動觸頭受力于跳線、保護(hù)罩或者靜觸頭前端，在扭矩到達(dá)設(shè)定值時，同樣會激發(fā)限位開關(guān)發(fā)出合閘信號，使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。但此時的合閘信號是假信號，一旦通融冰的大電流會造成融冰不成功或者裝置、跳線局部發(fā)熱過高而損毀等事故。

二是合閘操作無法自動停止。原因可能是扭矩限制器或者限位開關(guān)故障。限位開關(guān)發(fā)生故障時，在扭矩限制器達(dá)到限定值產(chǎn)生分離后，導(dǎo)電桿停止轉(zhuǎn)動，但限位開關(guān)無法發(fā)出信號切斷電源，此時電機(jī)會一直轉(zhuǎn)動。而扭矩限制器若發(fā)生故障，在達(dá)到限定值之后不分離，導(dǎo)電桿會一直向前旋轉(zhuǎn)，使裝置和跳線發(fā)生機(jī)械破壞。

如出現(xiàn)上述合閘故障不能及時停止，輕則影響地線的融冰操作，重則破壞輸電線路，造成大面積、長時間的停電事故。

圖4 動觸頭碰觸屏蔽罩導(dǎo)致的合閘不到位

因此，為提高合閘的成功率，避免破壞裝置和導(dǎo)線，必須解決兩個問題：①使用合理有效的手段使電機(jī)及時停止轉(zhuǎn)動；②讓遠(yuǎn)方的操作人員及時了解當(dāng)前操作過程中的狀態(tài)。

4 遠(yuǎn)方執(zhí)行合閘操作的方案

4.1 兼容遠(yuǎn)方/就地兩種操作方式

為了提高地線融冰自動接線裝置操作的可靠性，在裝置新增遠(yuǎn)方操作方式的同時，需保留原有的就地操作方式，以備在傳輸通道、網(wǎng)關(guān)設(shè)備等原因造成遠(yuǎn)方操作失效時，可以由人工攜帶便攜式就地操作箱，到鐵塔下進(jìn)行地線融冰自動接線裝置的操作。所以，考慮到不同操作方式的兼容性，裝置的遠(yuǎn)控合閘仍采用扭矩限制器結(jié)合限位開關(guān)來實(shí)現(xiàn)到位信號的觸發(fā)和電機(jī)的停止轉(zhuǎn)動。

4.2 安裝戶外攝像機(jī)進(jìn)行輔助判斷

根據(jù)已分析的遠(yuǎn)控時易發(fā)生的兩種合閘故障，動靜觸頭合閘不到位時的危害相對較小，因其電機(jī)可以停止轉(zhuǎn)動，僅需新增非同源采集設(shè)備確認(rèn)限位開關(guān)發(fā)出的合閘信號的正確性，保證不在合閘未到位時通電，再由工作人員進(jìn)行排障處理即可。對于新增的另一種形式的采集設(shè)備，應(yīng)盡量避免高電壓、強(qiáng)磁場的影響，與合流線夾拉開距離，因此使用圖像傳感設(shè)備，即戶外攝像機(jī)進(jìn)行輔助合閘判斷最為合理。

4.3 編制程序進(jìn)行電機(jī)停轉(zhuǎn)和故障定位

合閘操作無法停止的故障，其危害較大。不管是扭矩限制器還是限位開關(guān)故障，都有一個共同特點(diǎn)，即導(dǎo)電桿到位以后，電機(jī)仍然在繼續(xù)轉(zhuǎn)動。只要采取手段使電機(jī)及時停轉(zhuǎn)，就能有效解決這個 問題。

電機(jī)的停轉(zhuǎn)可以通過對電源的管理來實(shí)現(xiàn)，但首先需要確定滿足切斷電源的前提條件。

假設(shè)系統(tǒng)從電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)即啟動計時，到電機(jī)停轉(zhuǎn)終止計時，將產(chǎn)生的這個時間參數(shù)定義為裝置的合閘時間。在同一套裝置的不同次操作中，正常的合閘時間應(yīng)該在一個較小范圍的區(qū)間內(nèi)。如果某次合閘時間已經(jīng)超出這個區(qū)間且仍在增長，即認(rèn)為本次操作已經(jīng)滿足主控板切斷電機(jī)電源的前提條件，此時應(yīng)立即執(zhí)行切斷電源操作，電機(jī)停轉(zhuǎn)。

上述步驟雖完成了電機(jī)的停轉(zhuǎn)，避免了更嚴(yán)重事故的發(fā)生，但是為了盡快處理故障，完成融冰工作，本系統(tǒng)需在設(shè)備故障時實(shí)現(xiàn)對故障點(diǎn)的初步判斷。經(jīng)過實(shí)測可知，電機(jī)在扭矩較大時，其電流處于過載狀態(tài)，數(shù)值往往是額定電流的數(shù)倍，可將此作為判斷故障點(diǎn)的依據(jù)。如果是由于限位開關(guān)引起的故障，動靜觸頭在合閘過程中，位置狀態(tài)依次從未接觸、接觸到合閘到位，電流的數(shù)值變化依次為額定電流、過載電流和額定電流；如果是由于扭矩限制器引起的故障，合閘過程中，由于電機(jī)在導(dǎo)電桿上的動觸頭接觸物體后仍然施加較大扭矩，電流的數(shù)值會一直停留在過載電流直至被切斷。

根據(jù)上文描述的電機(jī)電源控制和故障定位的運(yùn)行邏輯，編制合閘控制程序，寫入主控板，可以實(shí)現(xiàn)在合閘故障發(fā)生時自動停轉(zhuǎn)電機(jī)和在遠(yuǎn)方主機(jī)實(shí)時顯示設(shè)備故障報警的功能。

4.4 遠(yuǎn)方執(zhí)行合閘操作的方案綜述

綜上所述，設(shè)計遠(yuǎn)方執(zhí)行合閘操作的方案是，仍然用扭矩限制器和限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)電機(jī)停轉(zhuǎn)和信號發(fā)送；使用視頻攝像機(jī)進(jìn)行合閘位置的輔助判斷；在設(shè)備故障時由主控制板上的合閘程序執(zhí)行切斷電機(jī)電源操作，并向遠(yuǎn)方主機(jī)實(shí)時推送報警信息。此策略具體操作流程如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程控制合閘操作的流程圖

在控制主機(jī)發(fā)出合閘指令后，系統(tǒng)自動調(diào)用合閘程序，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，記錄電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時間。假設(shè)正常的合閘時間為0，誤差為Δ。當(dāng)合閘到位時間在預(yù)設(shè)的0Δ范圍內(nèi)，主控制板接收到合閘到位信號后自動觸發(fā)電機(jī)停轉(zhuǎn)，此時接入攝像機(jī)的視頻圖像，由工作人員進(jìn)行辨認(rèn)，確認(rèn)合閘到位后，裝置操作結(jié)束，通知融冰電源通電。如判斷裝置未能有效合閘，工作人員發(fā)出合閘未到位告警，避免融冰電源通電，同時派出排障人員進(jìn)行排障處理。當(dāng)在預(yù)設(shè)的合閘到位時間內(nèi)電機(jī)未能停轉(zhuǎn)，合閘程序啟動保護(hù)措施，并進(jìn)行故障分析和告警，具體的程序設(shè)定和執(zhí)行過程為：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，主控制板記錄電機(jī)的運(yùn)行電流，假設(shè)電機(jī)額定電流為0，根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置過載電流為50，電機(jī)在運(yùn)行到正常合閘時間0之后20s的時刻，由主控制板切斷電機(jī)電源。如在切斷之前，檢測到的電機(jī)運(yùn)行電流是過載電流（＞50），可自動判斷為扭矩限制器故障并向控制主機(jī)進(jìn)行告警；如在電源切斷之前，電機(jī)的運(yùn)行電流是額定電流，可自動判斷為限位開關(guān)故障并向控制主機(jī)進(jìn)行告警。排障人員根據(jù)告警提示的信息安排檢修工作，可盡快完成故障元件的修復(fù)。

5 合閘影像采集攝像機(jī)的選取和安裝

上述策略的實(shí)施需在鐵塔上新裝合閘影像采集攝像機(jī)。預(yù)裝的攝像機(jī)在選型上需要考慮戶外運(yùn)行時的各種不利因素：①針對不同角度太陽光照的情況，所選的攝像機(jī)需可在逆光環(huán)境下拍攝；②針對可能在夜間或光線不足的情況下工作，攝像機(jī)需具備高效紅外照射功能；③針對大霧天氣，需具備透霧功能；④針對冬季室外的低溫天氣，需支持低溫起動。另外其本身要滿足IP65以上的防護(hù)等級，以及要具備抗高電壓、抗高電磁干擾的能力，必要時按照國家標(biāo)準(zhǔn)和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行EMC測試。

圖6 戶外攝像機(jī)專用防護(hù)罩

攝像機(jī)設(shè)計專用室外防護(hù)罩進(jìn)行保護(hù)（如圖6所示），該防護(hù)罩有整體溫控功能，可在被冰雪包敷情況下加熱融化冰雪，同時還配置雨刷，可定期清除防護(hù)玻璃上的灰塵。

對于攝像機(jī)的安裝位置，經(jīng)過實(shí)測，選擇在鐵塔上正對合流線夾的位置向左或者向右偏移10°左右安裝，可完美避開導(dǎo)電桿對視線的阻擋，動靜觸頭接觸狀態(tài)顯示效果最佳，如圖7所示。

圖7 測試時攝像機(jī)偏移10°的顯示效果

本項目暫定在試運(yùn)行時選擇一條線路上的兩臺地線融冰自動接線裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程控制改造，因此在控制主機(jī)端由人工分辨合閘圖像完全可以實(shí)現(xiàn)對原有合閘信號的有效補(bǔ)充。但是若一條線路上的幾十甚至上百臺裝置都經(jīng)過改造后，遠(yuǎn)控系統(tǒng)接入更多的視頻圖像信息，工作人員如仍然用人工的方式進(jìn)行圖像判別，會極易忽略掉關(guān)鍵的信息。

在現(xiàn)有的輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)中，也存在同樣的問題。未經(jīng)處理的各種圖像信息大量匯集到運(yùn)檢人員面前，導(dǎo)致人工方式很難從海量的圖片中獲取有效信息，使監(jiān)測平臺使用效率非常低下。電網(wǎng)部門經(jīng)過大量研究后發(fā)現(xiàn)，解決此類問題最有效的方法是使用圖像識別技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)分類、檢測、識別和跟蹤，完成智能診斷和智能預(yù)警[11]。因此，同樣是通過采集圖像信息進(jìn)行識別，本遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)非常適合采用基于深度學(xué)習(xí)的圖像識別技術(shù)來判斷合閘是否到位。

可在試運(yùn)行后采集海量的地線融冰自動接線裝置合閘視頻圖像信息，使用大規(guī)模深層次卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型自動學(xué)習(xí)合閘圖像特征，并泛化到實(shí)際場景識別過程中，實(shí)現(xiàn)合閘狀態(tài)的自動識別。

6 結(jié)論

輸電線路地線融冰自動接線裝置的遠(yuǎn)程控制改造，可實(shí)現(xiàn)融冰現(xiàn)場無人值守，大幅提高地線融冰的工作效率，減少操作人員的工作量，保障了融冰工作人員的安全。而對該裝置遠(yuǎn)程控制的改造，最重要的一步是完成裝置的合閘并及時得知合閘信息。本文從以下幾點(diǎn)對裝置合閘操作的遠(yuǎn)控改造方案進(jìn)行論述：

1）為實(shí)現(xiàn)就地操作和遠(yuǎn)控操作的兼容性，裝置的遠(yuǎn)控合閘仍采用扭矩限制器結(jié)合限位開關(guān)來實(shí)現(xiàn)合閘到位信號的觸發(fā)。

2）通過在主控制板寫入合閘操作程序，可保障裝置在元器件發(fā)生故障時，能及時停止電機(jī)，并完成故障的定位報警，指導(dǎo)排障工作。

3）通過新裝合閘影像采集裝置，輔助判斷合閘狀態(tài)，可有效解決單一方式反饋信號易發(fā)生誤報的問題，確保了融冰過程的安全性。

本文所述方案還需經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用的驗(yàn)證，根據(jù)實(shí)際使用的情況來指導(dǎo)完成地線融冰自動接線裝置的遠(yuǎn)控改造。

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Research on remote control transformation scheme for closing operation of ground wire ice-melting automatic wiring device

XUWangsheng1CAO Weiwei2TAN Jin1LU Guilai2YAN Yan1

(1. China Southern Power Grid EHV Transmission Company Guiyang Bureau, Guiyang 550081；2. Nanjing Power Fitting Design & Research Institute Co., Ltd, Nanjing 211500)

In order to realize the long-distance ice-melting of overhead transmission lines, it is necessary to reform the automatic ice-melting wiring device. First of this paper, the whole scheme of the device modification and the operation flow of the remote control system are introduced, and the importance of the closing operation in the whole ice melting operation is clarified. Secondly, by comparing the existing on-the-spot closing operation mode, the paper analyzes the possible faults and causes of the remote closing operation. Finally, some measures are put forward to avoid the accident, such as keeping the existing control mode to control the motor's stop-turn and trigger the closing signal, increasing the closing time-power on-off management and monitoring the motor's running current, an image acquisition device is added to the tower to help identify the closing status information, so as to improve the success rate of judging the closing position from afar.

earth wire ice melting; remote control modification; closing signal; motor running time; overload current; locate and alarm

中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司科技項目（CGYKJXM20190267）

2020-07-13

2020-07-27

徐望圣（1982—），男，湖南省益陽市人，高級工程師，主要研究方向?yàn)檩旊娋€路運(yùn)行維護(hù)。