地線融冰自動接線裝置就地電源系統(tǒng)的設(shè)計

徐望圣 曹偉偉 胡 江 孫運濤 劉 洋

地線融冰自動接線裝置就地電源系統(tǒng)的設(shè)計

徐望圣1曹偉偉2胡 江1孫運濤2劉 洋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）

為了實現(xiàn)對輸電線路地線融冰的遠程控制，必須對布置在鐵塔上的地線融冰自動接線裝置進行就地供電。本文首先將遠控系統(tǒng)的各用電設(shè)備按照持續(xù)用電和間斷用電進行分類，繪制了系統(tǒng)電源樹；其次通過分析輸電線路常用的不同在線供電方式，得出光伏儲能方式是目前的最優(yōu)選擇；最后通過計算完成了對電源系統(tǒng)的儲能電池和光伏方陣的配置，并指出需搭配智能電源管理系統(tǒng)，以保障電源系統(tǒng)的長期無故障運行。

光伏儲能；持續(xù)在線工作；間斷性工作；磷酸鐵鋰電池；智能電源管理

0 引言

建國以來，我國有記載的輸電線路覆冰事故達上千次，其中較為嚴重的當(dāng)屬2008年初，華中、華東和南方等區(qū)域發(fā)生的大面積冰災(zāi)，造成了國內(nèi)15座500kV變電站停電，86座220kV變電站停電；119條500kV輸電線路停運，343條220kV輸電線路停運；678基500kV桿塔倒塔，295基受損，1 432基220kV桿塔倒塔，586基受損[1]，嚴重危害了我國電力系統(tǒng)的安全運行。

據(jù)統(tǒng)計，我國輸電線路覆冰事故多發(fā)生在高海拔地區(qū)，如云南、貴州、四川、湖南和湖北等省，而且有如下幾個特點：①持續(xù)時間長，往往會持續(xù)一個月甚至更長時間；②覆冰事故在某一固定地區(qū)頻繁發(fā)生，如1961—1989年，云南省35～220kV輸電線路先后發(fā)生覆冰事故達到101次[2]；③覆冰事故發(fā)生時機械故障和電氣故障并存，不僅會造成金具損壞、導(dǎo)線斷線、桿塔倒桿和絕緣子串損毀等機械事故，還會因?qū)Ь€弧垂增大，導(dǎo)致導(dǎo)線對地距離或者導(dǎo)線間距減小，造成放電和燒毀導(dǎo)線的電氣事故[3]。

由于多年來深受覆冰事故的侵害，國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)一直致力于輸電線路防冰、抗冰和除冰技術(shù)的研究和應(yīng)用，特別是在除冰方面，形成了熱力除冰、機械除冰和自然脫冰三大主流技術(shù)[4-8]，解決了大部分的輸電線路導(dǎo)線覆冰問題。同時，對于地線本身不通過電流，覆冰時無法依靠自身發(fā)熱融除冰雪的難題，南方電網(wǎng)公司通過使用輸電線路地線融冰自動接線裝置，將導(dǎo)線的融冰電流引至地線，實現(xiàn)了地線的熱力除冰[9]。

隨著越來越多的地線融冰自動接線裝置被安裝在鐵塔上，為了便于對輸電線路鐵塔地線融冰自動接線裝置進行集中管理，同時提高裝置操作的智能化水平，以電力物聯(lián)網(wǎng)的形式建立一套地線融冰自動接線裝置遠程控制系統(tǒng)勢在必行。本文擬通過分析和計算完成就地電源系統(tǒng)的設(shè)計，為地線融冰自動接線裝置實現(xiàn)遠程控制解決現(xiàn)場鐵塔側(cè)用電設(shè)備的供電難題。

1 地線融冰自動接線裝置遠程控制系統(tǒng)

地線融冰自動接線裝置如圖1所示，具有性能穩(wěn)定可靠、自動化程度高、操作簡便等優(yōu)點。在需要融冰時，操作人員直接攜帶控制箱到塔底連上控制線進行操作，無需登塔即可進行導(dǎo)線和地線的連接。

圖1 地線融冰自動接線裝置在鐵塔上的安裝圖

擬采用的地線融冰自動接線裝置遠程控制系統(tǒng)，通過在鐵塔側(cè)布置傳感設(shè)備、控制設(shè)備、加解密設(shè)備和通信設(shè)備等采集現(xiàn)場的狀態(tài)參數(shù)、控制裝置的運行、收發(fā)信號及數(shù)據(jù)，在變電站布置服務(wù)器、控制主機等對鐵塔側(cè)的裝置和設(shè)備進行控制和管理。鐵塔側(cè)和變電站通過定向的APN專網(wǎng)進行通信，其工作原理如圖2所示。但是由于地線融冰自動接線裝置的安裝位置比較偏僻，常在無人的山區(qū)，沒有配網(wǎng)線路的布置，需在現(xiàn)場安裝合適的就地電源系統(tǒng)，使鐵塔側(cè)的裝置本體和新布置的各種設(shè)備可以長期穩(wěn)定運行。

圖2 遠程控制系統(tǒng)工作原理圖

2 遠程控制系統(tǒng)鐵塔側(cè)的設(shè)備用電情況

上述遠程控制系統(tǒng)的鐵塔側(cè)用電設(shè)備主要有兩類：①持續(xù)在線工作的設(shè)備；②在融冰時才開啟運行的設(shè)備。

2.1 持續(xù)在線工作的設(shè)備

本系統(tǒng)的鐵塔側(cè)要時刻保持和變電站的通信，完成傳輸現(xiàn)場狀態(tài)數(shù)據(jù)和接收變電站指令的工作。因此，網(wǎng)關(guān)需要時刻處于發(fā)射和接收狀態(tài)，一直處于在線工作模式。值得注意的是，擬采用的網(wǎng)關(guān)兼有縱向加密功能，可同時滿足數(shù)據(jù)與信號加解密和遠端通信的需求。

環(huán)境狀態(tài)傳感器主要采集鐵塔側(cè)的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和濕度等環(huán)境參數(shù)，為工作人員提供即時的氣象數(shù)據(jù)，為線路覆冰的判斷提供參考。為了能在鐵塔所在地區(qū)氣候發(fā)生驟變時產(chǎn)生快速反饋，環(huán)境狀態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)需實時更新。

地線融冰自動接線裝置擬采用LoRa無線霍爾傳感器進行開關(guān)合閘狀態(tài)的采集，傳感器本身內(nèi)置電池，不用另行設(shè)計供電接口，但是其信號發(fā)射之后，需要在主控制箱使用對應(yīng)的LoRa接收網(wǎng)關(guān)進行信號的接收，該網(wǎng)關(guān)也需處于持續(xù)運行狀態(tài)。

擬采用的上述設(shè)備的用電參數(shù)見表1。

表1 持續(xù)在線工作的設(shè)備用電參數(shù)

2.2 間斷性工作的設(shè)備

出于節(jié)約能源和保護輸電線路運行安全考慮，本系統(tǒng)部分設(shè)備在平時處于斷電狀態(tài)，需要融冰時再遠控電源接通。如進行地線融冰操作時需驅(qū)動的接地開關(guān)電動機、地線融冰自動接線裝置的主電動機和閉鎖電動機。另外現(xiàn)場還在鐵塔上布置一臺戶外攝像機，使其在地線融冰自動接線裝置動作時全程進行視頻傳輸，平時也不需打開。

上述間斷性工作的設(shè)備用電參數(shù)見表2。

2.3 其他設(shè)備

還有分合閘行程開關(guān)、主控板上的CPU、以太網(wǎng)接口、RS 485接口和RS 232接口等元器件也需要消耗電能，但是由于耗電極少，在配置整體電源容量時通過適當(dāng)放大余量，即可滿足需求。綜合以上的分類和敘述，本系統(tǒng)電源樹如圖3所示。

表2 間斷性工作的設(shè)備用電參數(shù)

圖3 遠程控制系統(tǒng)電源樹

3 就地電源系統(tǒng)的設(shè)計和計算

3.1 在線供電方式的比較與選取

目前常用的輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)供電方式，主要有如下幾種：①光伏儲能系統(tǒng)，利用太陽的輻射能轉(zhuǎn)化成電能進行供電；②風(fēng)力儲能系統(tǒng)，利用風(fēng)力發(fā)電機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能進行供電；③風(fēng)光互補儲能電源系統(tǒng)，綜合前兩種的優(yōu)勢可實現(xiàn)白天和夜間的持續(xù)儲能進行供電[10]；④導(dǎo)線感應(yīng)取能電源系統(tǒng)，利用在導(dǎo)線上安裝的感應(yīng)線圈或電流互感器將高電壓轉(zhuǎn)化成可直接使用的低電壓進行供電[11]。

風(fēng)力儲能系統(tǒng)和風(fēng)光互補儲能系統(tǒng)，在凍雨多發(fā)的地區(qū)，風(fēng)機極易被冰凍住導(dǎo)致不能有效取能，且安裝融冰裝置的位置一般山區(qū)較多，風(fēng)力資源相對匱乏，不適合使用；對于導(dǎo)線取能的方式，適用于直接安裝在導(dǎo)線上的傳感設(shè)備，而地線融冰自動接線裝置安裝在接地的鐵塔上，感應(yīng)電場較低，取能效率嚴重不足，如通過將取能裝置安裝在導(dǎo)線上，再拉電線給用電設(shè)備供電，則會有使鐵塔帶電的安全隱患。

因此，經(jīng)綜合比較，最適合本文遠控系統(tǒng)的在線供電方式為光伏儲能方式，通過在現(xiàn)場布置太陽能光伏板，結(jié)合儲能電池給系統(tǒng)的各種設(shè)備供電。

3.2 儲能電池的選型和計算

1）電池的選型

目前常在低溫條件下使用的儲能電池有鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池等[12-13]。鉛酸電池雖然價格低廉、材料豐富，但是相同電池容量的情況下，鉛酸電池的質(zhì)量往往是其他兩種電池的3倍以上，安裝在鐵塔上極其不便，而且其污染性較大，使用壽命較短，需經(jīng)常進行更換維護。三元鋰電池的能量密度是三種儲能電池中最高的，但根據(jù)近年在工業(yè)上實際使用的情況來看，其穩(wěn)定性較差，易發(fā)生自燃事故。磷酸鐵鋰電池在輸電行業(yè)有多年的成功使用經(jīng)驗，性能相比三元鋰電池更加穩(wěn)定，雖然其價格較高，但是其循環(huán)壽命次數(shù)可達2 000次，是三元鋰電池的2倍，是鉛酸電池的7～10倍，從全壽命周期來看，更適用于本系統(tǒng)的使用。

2）電池的容量計算

電源系統(tǒng)的電池容量需滿足在最惡劣的儲能條件下，能供應(yīng)各設(shè)備在最大連續(xù)陰雨天內(nèi)的正常運行。首先，主要集中用電的時間在冬季，因此，在光伏儲能的設(shè)計上，應(yīng)以光照條件最差的冬季為參考。其次，從國內(nèi)太陽輻照度數(shù)據(jù)來看，五類地區(qū)的貴州、四川等地最差，最具有代表性。以貴州為例，查詢該地記錄的歷年氣象數(shù)據(jù)，冬季最多連續(xù)陰雨天數(shù)為20天，在此期間需要進行的融冰次數(shù)不超過10次。以此作為計算的輸入條件。

將設(shè)備最高額定電壓48V作為電池組的額定電壓，按照上文中對用電設(shè)備的分類，對于持續(xù)在線工作的設(shè)備，所需電能

式中：為安全系數(shù)，取值在1.1～1.2之間，本計算取1.2；L為持續(xù)在線工作的設(shè)備日平均耗電量（A·h），按表1計算；L為最長連續(xù)陰雨天數(shù)，按20天計算；0為溫度修正系數(shù)，大于0℃取1，在-10℃～0℃之間取1.1，低于-10℃取1.2，本計算取1.1；C為蓄電池放電深度，鋰電池取0.85。

計算得C=93.95A·h。

對于間斷性工作設(shè)備，所需電量

式中：K為一次融冰過程中接地開關(guān)電動機消耗的電量，已知電動機功率為370W，分合閘共運行1min，則一次所需電量0.128A·h；Z為一次融冰過程裝置主電動機消耗的電量，已知電動機功率為375W，分合閘共運行6min，則一次所需電量0.781A·h；B為一次融冰過程閉鎖電動機消耗的電量，已知電動機功率為24W，開閉鎖共運行2min，則一次所需電量0.017A·h；S為一次融冰過程攝像機消耗的電量，已知攝像機功率為6W，分合閘共運行10min，則一次所需電量0.021A·h；為20天內(nèi)融冰的次數(shù)，由上文得知為10。

計算得D=14.71A·h。

按式（3）求和

計算得，所需電池組總?cè)萘繛?108.66A·h。

3）電池的最終配置

根據(jù)計算結(jié)果，應(yīng)至少選擇110A·h的蓄電池作為系統(tǒng)的電源。

3.3 光伏方陣的設(shè)計和計算

由太陽能組件組成的方陣，不僅要能滿足各終端設(shè)備的日常持續(xù)在線供電的要求，還要能在兩次最長連續(xù)陰雨天的間隔期間，補足儲能電池在連續(xù)陰雨天內(nèi)所消耗的電量。

按式（4）計算電池每天需要充電的電量

式中：H為持續(xù)在線工作設(shè)備日耗電量，由上文知H=CL=4.7A·h；C為兩次最長連續(xù)陰雨天之間可進行光伏儲能的天數(shù)，根據(jù)貴州地區(qū)情況擬設(shè)定為7。

計算得R=20.41A·h，即3 526.85kW·h。

要使供電系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)，需要光伏方陣的發(fā)電量滿足儲能電池的充電量，即

式中：為光伏方陣中太陽能光伏板的塊數(shù)；為單塊光伏板的日發(fā)電量（kW·h）；1為蓄電池的充電效率，一般為90%～95%，本計算取90%；2為光伏組件受板間連線損失等影響的輸出功率系數(shù)，按95%。

單塊光伏板的日發(fā)電量

式中：為傾斜面日總輻照量，查詢?nèi)珖饕鞘刑柲茌椛滟Y料，得貴州地區(qū)12月、1月、2月的日平均總輻照量分別為6.421MJ/m2、5.381MJ/m2和6.774MJ/m2，可粗算得冬季日平均太陽總輻照量為6.192MJ/m2；0為單塊光伏板的面積（m2）；為光伏板的轉(zhuǎn)化效率，按多晶硅光伏板的效率，約為19%；0為光伏板受安裝角度和位置影響的效率系數(shù)，參照并網(wǎng)光伏電站的折算系數(shù)，取0.88。

假設(shè)光伏方陣總面積為，則

結(jié)合式（5）—式（7）得，=3.98m2。

由于要在鐵塔上安裝，考慮鐵塔上不宜使用單塊較大的組件，應(yīng)使用小塊組件的串并聯(lián)構(gòu)成光伏方陣。擬選擇型號為TDP—160W—36的光伏板，尺寸為1 480mm（長）×680mm（寬）×40mm（高），計算得0=1.01m2，=4。

根據(jù)計算結(jié)果，選擇4塊光伏板可滿足對儲能電池的充電要求。

3.4 電源系統(tǒng)的智能管理

本電源系統(tǒng)需考慮地線融冰自動接線裝置遠程控制操作的特殊性，其在春季、夏季和秋季由于氣候溫暖，不需進行裝置操作，光伏方陣的發(fā)電量遠大于現(xiàn)場設(shè)備的使用量，容易導(dǎo)致儲能電池的過充現(xiàn)象；儲能電池如長期處于飽和狀態(tài)，易引起高溫發(fā)熱，更有甚者導(dǎo)致電池自燃，嚴重威脅輸電線路的正常運行；而在冬季線路覆冰頻繁的時候，現(xiàn)場設(shè)備集中耗電，電池剩余電量較少，易引起儲能電池的過放現(xiàn)象；另外如果鋰電池遇到極端低溫狀態(tài)（-20℃以下），很可能會無法充放電。

因此，為了避免上述危害的產(chǎn)生，同時實現(xiàn)電源系統(tǒng)的充電和放電狀態(tài)的可測可控，應(yīng)設(shè)置智能電源管理模塊，完成下列工作。

1）光伏組件發(fā)電量和儲能電池用電量的監(jiān)測管理，并在控制主機顯示預(yù)估的電池剩余電量、可使用天數(shù)及裝置可進行融冰操作的次數(shù)。

2）電池電壓的實時監(jiān)測管理，并在低電壓、過電壓時進行告警。

3）結(jié)合電氣箱內(nèi)的泄放電阻進行電池的活化管理，可根據(jù)電池的充電狀態(tài)啟動自動活化，也可以在變電站進行遠程啟動和停止活化操作。

4）定期進行電源系統(tǒng)的自動評估工作，指導(dǎo)電池的維護，在電池處于異常狀態(tài)時進行報警，必要時提醒更換電池。

4 結(jié)論

太陽能發(fā)電和儲能電池結(jié)合的方式能夠為地線融冰自動接線裝置遠程控制系統(tǒng)提供就地電源，使其完成遠程控制操作，可有效解決現(xiàn)有就地操作方式帶來的融冰效率不高、操作人員勞動強度大、人身和設(shè)備有安全隱患等問題。本文通過分析和計算，對該供電方式進行了論述：

1）通過對不同在線取能供電方案的對比，得出光伏儲能供電的形式更適合于本系統(tǒng)的使用。

2）通過對電源系統(tǒng)的計算，選擇電池額定電壓48V、額定容量110A·h的磷酸鐵鋰電池作為儲能電池，光伏陣列采用4塊160W光伏板進行組合，可有效維持冬季的融冰工作。

3）基于就地電源長期無故障供電的考慮，需對電源系統(tǒng)進行智能電源管理。

按照以上設(shè)計配置的就地電源系統(tǒng)目前正在試制中，待完成后，即會在實際工程中進行安裝使用，驗證理論設(shè)計的正確性。

[1] 王曉峰. 復(fù)合絕緣子交流覆冰試驗方法[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2009.

[2] 陳剛. 移動式220kV輸電線路直流融冰裝置研制[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2012.

[3] 蔣興良, 張志勁, 胡琴, 等. 再次面臨電網(wǎng)冰雪災(zāi)害的反思與思考[J]. 高電壓技術(shù), 2018, 44(2): 463-469.

[4] 蔣興良, 畢聰來, 王涵, 等. 倒T型布置對絕緣子串覆冰及其交流閃絡(luò)特性的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2019, 34(17): 3713-3720.

[5] 李隆基, 高群, 孔相歡, 等. 防冰雪復(fù)合絕緣子懸掛方式優(yōu)化及其影響因素分析[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報, 2019, 31(6): 74-79.

[6] 高露, 趙利, 毛鵬梟, 等. 新型三臂高壓線除冰機器人設(shè)計[J]. 機械工程與自動化, 2018(1): 118-119.

[7] 許逵, 馬曉紅, 饒崇林, 等. 全橋MMC型和晶閘管整流型直流融冰技術(shù)的研究與比較[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2020, 14(4): 45-53.

[8] 代洲, 馬曉紅, 周羽生, 等. 輸電線路高頻融冰大功率激勵電源設(shè)計與控制方法[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2018, 12(5): 30-36.

[9] 方伊莉, 顧莉, 李其, 等. 地線融冰自動接線裝置設(shè)計與分析[J]. 機電信息, 2016(27): 98-99.

[10] 施翔, 王雅斌, 姚磊, 等. 風(fēng)光互補一體供電系統(tǒng)在輸電線路中的研究與應(yīng)用[J]. 電氣應(yīng)用, 2015, 34(增刊2): 746-748.

[11] 謝彥斌. 高壓架空輸電線路在線取能方法研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2017.

[12] 殷艷花, 竇銀科, 左廣宇, 等. 極地超低溫環(huán)境下磷酸鐵鋰電池容量估計[J]. 電源技術(shù), 2020, 44(5): 666-668.

[13] 郎春艷. 羅卜爾思.某三元材料鋰離子電池低溫性能研究[J]. 機械與電子, 2016, 34(5): 7-12.

Design of local power supply system for ground wire deicing automatic wiring device

XUWangsheng1CAO Weiwei2HU Jiang1SUN Yuntao2LIU Yang1

(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 remote control of transmission line ice-melting, it is necessary to supply power to the ground line ice-melting automatic wiring device arranged on the tower. In this paper, firstly, the power equipment of the remote control system is classified according to the continuous and intermittent power consumption, and the system power tree is drawn. Secondly, by analyzing different on-line power supply modes commonly used in transmission lines, it is concluded that photovoltaic energy storage mode is the best choice at present. Finally, the configuration of storage battery and photovoltaic array is completed by calculation, and it is pointed out that the intelligent power management system is needed to ensure the long-term trouble-free operation of the power supply system.

photovoltaic energy storage; continuous on-line work; intermittent work; lithium iron phosphate battery; intelligent power management

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）

2020-07-31

2020-08-10

徐望圣（1982—），男，湖南省益陽市人，高級工程師，主要研究方向為輸電線路運行維護。