智能電網(wǎng)輸電線路在線監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

胡 博

（國(guó)網(wǎng)嵐皋縣供電公司，陜西 嵐皋 725400）

1 輸電線路在線監(jiān)測(cè)必要性以及基本參數(shù)

目前，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)存在檢修周期較短、設(shè)備斷電頻繁、維護(hù)成本高、維護(hù)工作量大以及供電可靠性差等問(wèn)題。在我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)中，由于我國(guó)電網(wǎng)的不斷發(fā)展，常規(guī)的檢修方法已不能保證電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全和可靠運(yùn)行[1]。

（1）電阻的計(jì)算。電阻計(jì)算公式為

式中：ρ表示電阻率，由導(dǎo)線所使用的材料決定；l表示導(dǎo)線長(zhǎng)度；S表示導(dǎo)線橫切面積。R1和R2分別表示導(dǎo)線在溫度t1和t2情況下電阻值；T表示電阻溫度系數(shù)，由導(dǎo)線材料決定；t1和t2分別表示溫度。

（2）電容。兩相輸電線路之間的電容計(jì)算為

式中：D表示輸電線之間的間距；ε0表示真空介電常數(shù)；r表示導(dǎo)線半徑。

2 輸電線路的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展時(shí)期

20世紀(jì)70年代，輸電線路檢測(cè)進(jìn)入試驗(yàn)階段，人們只是簡(jiǎn)單地對(duì)一些傳輸線的絕緣參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，如泄漏電流，以避免斷電。該階段儀器簡(jiǎn)陋、檢測(cè)項(xiàng)目不多、敏感性低[2]。20世紀(jì)80年代以來(lái)，各式各樣的特殊帶電試驗(yàn)設(shè)備相繼問(wèn)世，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)由模擬量檢測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字計(jì)量，脫離傳統(tǒng)的將儀表與檢測(cè)電路相連的常規(guī)計(jì)量方式，采用傳感器檢測(cè)[3]。20世紀(jì)90年代以來(lái)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為中心的多用途微型計(jì)算機(jī)聯(lián)用聯(lián)機(jī)監(jiān)控裝置應(yīng)運(yùn)而生。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、數(shù)字化的數(shù)據(jù)收集與處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各類測(cè)量資料的實(shí)時(shí)監(jiān)控，特點(diǎn)是信息量大、處理速度快等[4]。

3 輸電線路智能在線監(jiān)測(cè)

該系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)能供電、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸和自動(dòng)監(jiān)測(cè)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸變電線路的在線監(jiān)測(cè)。采用圖像視頻處理、超低功耗、無(wú)線通信以及太陽(yáng)能等技術(shù)，將監(jiān)視區(qū)域的視頻圖像、氣象信息、覆冰、絕緣子泄漏電流以及弧垂等信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至運(yùn)營(yíng)監(jiān)控中心，并將圖像、視頻信息、監(jiān)控器信息傳輸至各監(jiān)控員，從而達(dá)到全面監(jiān)視的目的。采用輸變電線路的智能化在線監(jiān)測(cè)，徹底替代手工巡查，及時(shí)排除停電事件，從而為電網(wǎng)監(jiān)控和運(yùn)行提供行之有效的方法[5]。該系統(tǒng)包括后臺(tái)管理平臺(tái)、通信網(wǎng)絡(luò)、前端監(jiān)視3個(gè)模塊。后臺(tái)管理平臺(tái)模塊包括監(jiān)測(cè)及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視、資料及影像資料的整理、資料查詢與統(tǒng)計(jì)、器材、使用者等；通信網(wǎng)路部一般采用碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）或5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行前端監(jiān)視及后臺(tái)管理平臺(tái)傳送資料及影像資料，并依實(shí)務(wù)需要采用已有的光纖網(wǎng)路及網(wǎng)橋；前端監(jiān)控系統(tǒng)采用攝像裝置及各類感測(cè)器采集影像及資料，再送至后臺(tái)管理平臺(tái)進(jìn)行后續(xù)的分析。前端的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用太陽(yáng)能與風(fēng)力發(fā)電，功率極小，即使在雨天也可使用。目前，高壓輸電管線的監(jiān)控多為巡視，其監(jiān)控手段有人工逐塔逐層觀測(cè)和直升機(jī)航測(cè)[6]。

人工逐塔法是由線路監(jiān)控者沿著一根一根的線路逐一進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)常要有維護(hù)人員爬上塔架進(jìn)行檢修，以確定塔臺(tái)接頭和電線絕緣狀況。這種計(jì)算不僅耗費(fèi)時(shí)間，而且工作量大，為員工帶來(lái)很多不確定的不穩(wěn)定因素[7]。

直升機(jī)航測(cè)的方式是采用直升機(jī)沿著飛行路線逐一進(jìn)行測(cè)量，并使用天文望遠(yuǎn)鏡和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)進(jìn)行空中飛行巡視。這種方式具有節(jié)省人力、縮短工期、擴(kuò)大視角等優(yōu)勢(shì)。但是，使用直升機(jī)進(jìn)行巡邏時(shí)成本較大，而且在空中巡邏時(shí)存在著較大的風(fēng)險(xiǎn)?；趯?duì)常規(guī)測(cè)試技術(shù)的理解，目前急需突破該技術(shù)的技術(shù)瓶頸?？茖W(xué)、安全、經(jīng)濟(jì)地保證電力系統(tǒng)的可靠度，已成為一種新的技術(shù)變革。在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的突破，為電網(wǎng)輸電線路監(jiān)控開辟一個(gè)嶄新的領(lǐng)域[8]。

4 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

當(dāng)前采用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)大多集中于對(duì)影響輸電線路正常運(yùn)轉(zhuǎn)及可能發(fā)生的各種故障進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。如對(duì)監(jiān)控線路絕緣、線路運(yùn)行和周圍的狀況以及線路的高電阻進(jìn)行探測(cè)和定位。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

4.1 導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

微風(fēng)振動(dòng)會(huì)引起高壓電線的疲勞斷裂，雖然從外表上對(duì)輸電線路的損害很小，但危險(xiǎn)性很大。輸電線路的微風(fēng)監(jiān)控裝置主要作用是輸電導(dǎo)線的導(dǎo)線監(jiān)控振動(dòng)器可對(duì)導(dǎo)線與線夾接觸以外的一定范圍內(nèi)的導(dǎo)線進(jìn)行監(jiān)控，特別是相關(guān)的天氣參數(shù)。監(jiān)控導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)進(jìn)行，不但減少因微風(fēng)的震動(dòng)而造成的危險(xiǎn)，而且為輸電線路的抗震設(shè)計(jì)工作提供一定的依據(jù)[9]。

4.2 導(dǎo)線風(fēng)偏舞動(dòng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

風(fēng)偏舞動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)由氣象采集單元、子站、風(fēng)偏采集單元和數(shù)據(jù)處理單元組成。其中氣象采集單元和子站一般布置在對(duì)應(yīng)的塔臺(tái)上，風(fēng)偏采集單元圍繞著線路進(jìn)行。氣象數(shù)據(jù)采集設(shè)備及風(fēng)偏計(jì)所采集的氣象數(shù)據(jù)，如風(fēng)偏角、氣象參數(shù)、氣象傾斜角等，由無(wú)線電傳輸至資料處理中心，并由資料處理裝置進(jìn)行處理。采用導(dǎo)線風(fēng)偏舞動(dòng)在線監(jiān)控，為電網(wǎng)的規(guī)劃和氣候條件等的規(guī)劃工作奠定基礎(chǔ)[10]。

4.3 電纜覆冰監(jiān)測(cè)

由于冷熱兩種動(dòng)力的交錯(cuò)作用，導(dǎo)致導(dǎo)線出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，在溫度很高的情況下，跨越的距離越遠(yuǎn)越會(huì)產(chǎn)生結(jié)冰，進(jìn)而引起線路失效。根據(jù)結(jié)冰特性，可將其分為雨凇、混合結(jié)冰、霧凇結(jié)冰以及結(jié)冰4類。受天氣、地形、道路特性等因素的制約，目前已有的監(jiān)測(cè)手段有天氣資料分析、監(jiān)控設(shè)備視頻觀測(cè)、弧垂監(jiān)測(cè)等。

4.4 桿塔傾斜監(jiān)測(cè)技術(shù)

在礦井開采區(qū)域上方架設(shè)的桿塔，受到自然力和重力等相關(guān)的影響，極易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，如發(fā)生錯(cuò)位、地面開裂、滑坡等地質(zhì)問(wèn)題，造成礦井采空區(qū)桿塔傾斜甚至地基發(fā)生位移，對(duì)輸電線路的安全構(gòu)成有極大的影響。通過(guò)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications，GSM），對(duì)塔架傾角設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警。桿塔傾斜監(jiān)測(cè)技術(shù)在220 kV高壓輸電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，能夠有效地檢測(cè)到桿塔的位移和傾角，從而保障輸電線路的安全運(yùn)行。

4.5 視頻在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

輸電線路中的監(jiān)控系統(tǒng)安裝在林區(qū)、居民區(qū)、交通事故易發(fā)區(qū)等場(chǎng)所，在線監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的危險(xiǎn)因素，并對(duì)其進(jìn)行及時(shí)整改。輸電線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用視頻壓縮技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等，可對(duì)輸電線路的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)和有關(guān)的環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。然而，目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀況仍然存在著傳輸量小、現(xiàn)場(chǎng)視頻無(wú)法自由控制、信號(hào)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)弱信號(hào)等問(wèn)題，而隨著5G網(wǎng)絡(luò)和CDMA網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，利用無(wú)線傳輸技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控輸電線路。視頻監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)框架

4.6 在線絕緣子監(jiān)測(cè)

通常，絕緣子的漏電信號(hào)主要分為穩(wěn)態(tài)漏電和局放漏電，局放信號(hào)的幅度與穩(wěn)態(tài)漏電信號(hào)相疊加。在絕緣子處靠近污閃時(shí)，會(huì)增加電平的振幅，使電場(chǎng)波形發(fā)生畸變。特征參量的改變是絕緣子工作狀況的一種表現(xiàn)形式，三相的諧波成分也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。絕緣子主要工作為配備絕緣子串聯(lián)型漏電感應(yīng)器，對(duì)表面穩(wěn)定和局部放電進(jìn)行監(jiān)控，以對(duì)其進(jìn)行表面污染狀態(tài)的分析及閃爍報(bào)警。最大的漏電振幅由監(jiān)控的平均漏電決定。

5 輸電線路在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

5.1 傳輸線絕緣子污穢在線監(jiān)測(cè)

通過(guò)使用絕緣漏電來(lái)判斷絕緣子有無(wú)被沾染，現(xiàn)場(chǎng)操作監(jiān)控分機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量絕緣子串，利用線纜或CDMA、5G網(wǎng)絡(luò)將故障信號(hào)傳遞給檢測(cè)中心，并與故障模式相配合。現(xiàn)已有模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色關(guān)聯(lián)系統(tǒng)、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)專家診斷模式，極大地改善了絕緣子的污染和電隔離判定準(zhǔn)確率。目前，利用光電傳感技術(shù)對(duì)等效附鹽濃度和灰密進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)已取得很大進(jìn)展。

5.2 傳輸線視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

現(xiàn)有可視化監(jiān)視系統(tǒng)主要包括影像與圖片2種，受監(jiān)控外機(jī)主供電、通信成本等限制，多數(shù)以靜態(tài)影像來(lái)判定線路狀態(tài)，如導(dǎo)線覆冰、洪水沖刷、地質(zhì)不良、火災(zāi)、通道樹木長(zhǎng)高、線路大跨越、導(dǎo)線懸掛異物、線路周圍建筑施工以及塔材被盜等問(wèn)題，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳送。但是，針對(duì)線路的舞動(dòng)等動(dòng)態(tài)信息的監(jiān)控，建議采用視頻監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行視視頻與信息傳送，5G建成將促進(jìn)無(wú)線電視技術(shù)的推廣，從而為輸電線路、線路的監(jiān)視和運(yùn)行提供新的途徑。

5.3 導(dǎo)線溫度以及在線增容采用在線監(jiān)測(cè)

現(xiàn)有擴(kuò)容技術(shù)有靜態(tài)的溫度升高和動(dòng)態(tài)的監(jiān)控2種。靜態(tài)升溫?cái)U(kuò)容技術(shù)是在現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范中將環(huán)境氣溫設(shè)定為40 ℃，使線路上的流速和光照強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范的要求，并將導(dǎo)線的最高溫度從70 ℃提升至80～90 ℃，以增加導(dǎo)線傳輸功率。動(dòng)態(tài)監(jiān)控是在輸電線路中設(shè)置在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)控導(dǎo)線的溫度、張力、弧垂等情況，還監(jiān)控氣象情況，并通過(guò)數(shù)學(xué)建模確定導(dǎo)線最大容許負(fù)荷，從而達(dá)到最大傳輸功率的目的。

5.4 輸電線路防盜報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

早期報(bào)警系統(tǒng)的基本原則是以紅外線探測(cè)（無(wú)源紅外線報(bào)警）、聲控探測(cè)、斷線報(bào)警監(jiān)控為基礎(chǔ)。目前，我國(guó)已研制出許多新型防盜系統(tǒng)，包括微波感應(yīng)式防盜系統(tǒng)、基于加速傳感器的防盜系統(tǒng)、基于振動(dòng)傳感器的防盜系統(tǒng)、感應(yīng)式防盜系統(tǒng)等。4種監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)大致相同，包括監(jiān)控分機(jī)、監(jiān)控中心和巡檢人員。監(jiān)控分機(jī)主要包括前端傳感部件、微處理器或數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Process，DSP），對(duì)桿塔周邊運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，判斷桿塔有無(wú)失竊的線路、位置、時(shí)間，并向現(xiàn)場(chǎng)巡查。

6 結(jié) 論

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有輸電線路的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀，多項(xiàng)技術(shù)已有較大進(jìn)展，但仍有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、技術(shù)穩(wěn)定性不足等問(wèn)題，因此需要技術(shù)人員不斷創(chuàng)新，為技術(shù)空白之處增添色彩。