輸電線路智能在線監(jiān)測方案運用及研究

羅 鈺

（中國能源建設集團湖南科鑫電力設計有限公司，湖南 長沙 410007）

0 引 言

由于輸電線路所處環(huán)境和運行維護工作的特殊性，其管理模式一直以來比較傳統(tǒng)化、粗放化。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷發(fā)展、設備技術含量的不斷提高以及堅強智能電網(wǎng)建設的需要，對輸電線路精細化、信息化管理的要求越來越高。傳統(tǒng)的輸電線路管理模式逐漸不適應現(xiàn)代企業(yè)管理的需要，必須對智能化的輸電線路進行深入研究與應用。智能輸電線路主要以信息通信為基礎，綜合應用狀態(tài)監(jiān)測、安全預警、動態(tài)擴容等技術，具有安全可靠、信息交融、便捷高效以及節(jié)能環(huán)保等特征[1]。

1 輸電監(jiān)測裝置(系統(tǒng))現(xiàn)狀

輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)可以提高輸電線路運行的安全性和可靠性，已于2000年左右在國內開始研究。近年來，多個省電力公司在輸電線路中應用了在線監(jiān)測技術，目前的監(jiān)測方式及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理方法能滿足對輸電線路的運行參數(shù)的監(jiān)測要求，在輸電線路上應用完全具有可行性[2]。

從2005年開始，湖南省電力有限公司就針對湖南省輸電線路開展了狀態(tài)監(jiān)測工作。根據(jù)湖南省典型地形氣候條件，已經展開了災害典型因素數(shù)據(jù)的監(jiān)測，成立了監(jiān)測預警維護中心，并在近幾年的防凍融冰工作中發(fā)揮重要作用。各類監(jiān)測裝置運行狀況良好，特別是覆冰/圖像監(jiān)測系統(tǒng)基本覆蓋了湖南電網(wǎng)的500 kV和220 kV的重要線路和易覆冰段，能實時準確的監(jiān)測線路覆冰狀況，對防凍融冰工作起到重要的指導作用。在2008年南方地區(qū)電網(wǎng)覆冰期間，及時準確地監(jiān)視到了現(xiàn)場覆冰情況，為抗冰保網(wǎng)工作提供重要決策依據(jù)。

目前，輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)主要有輸電線路覆冰/圖像監(jiān)測系統(tǒng)、氣象監(jiān)測系統(tǒng)、泄露電流監(jiān)測系統(tǒng)以及微風振動監(jiān)測系統(tǒng)，其具體布置需根據(jù)輸電線路現(xiàn)場特點開展[3]。

2 輸電監(jiān)測裝置(系統(tǒng))存在的問題

目前已經投運的輸電監(jiān)測裝置(系統(tǒng))運行過程主要有以下問題。

（1）覆冰/圖像監(jiān)測系統(tǒng)。湖南電力有限公司應用200多套自主研制開發(fā)的圖像視頻在線監(jiān)測裝置，應用在重要的易覆冰線路、跨高速公路/鐵路線路、微地形微氣象明顯區(qū)域線路。自2005年至今，設備運行狀況良好，但存在網(wǎng)絡信息差，數(shù)據(jù)傳輸不及時，隨著視頻圖像監(jiān)測設備數(shù)量的增加，海量數(shù)據(jù)傳輸通信問題日益突出。同時存在惡劣氣候條件下特別是霧天攝像頭看不清導線和絕緣子的情況。

（2）微風振動監(jiān)測裝置。湖南電力有限公司應用微風振動監(jiān)測裝置2套，應用于大跨越、易發(fā)生防振錘滑移區(qū)域，主要問題是數(shù)據(jù)的傳輸通道需要經過中國電力科學研究院的服務器轉接，目前僅有1套裝置能正?；貍鲾?shù)據(jù)。

（3）氣象監(jiān)測系統(tǒng)。主要對微氣候山區(qū)進行溫度、濕度、風速、風向數(shù)據(jù)采集，采集的溫度、濕度數(shù)據(jù)對覆冰預測和覆冰發(fā)展趨勢進行數(shù)據(jù)支撐，而風速和風向能體現(xiàn)覆冰方向。主要問題是采用傳統(tǒng)機械式的氣象傳感器，如風速和風向傳感器，容易遭受損壞。

3 相關生產系統(tǒng)運行現(xiàn)狀

湖南省根據(jù)輸電線路運行的特點和監(jiān)測裝置的布點初步建設了1個預警分析系統(tǒng)。預警分析系統(tǒng)是為現(xiàn)有裝置的運行、維護、應用服務，是湖南省電網(wǎng)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測運行維護中心的核心系統(tǒng)。目前，湖南省電網(wǎng)輸電線路監(jiān)測的預警系統(tǒng)主要包括覆冰預警系統(tǒng)、氣象預警系統(tǒng)和山火預警系統(tǒng)。

（1）覆冰預警分析。利用覆冰預警系統(tǒng)分析歷年冰凍發(fā)展規(guī)律，實現(xiàn)對每個冬季電網(wǎng)覆冰形式進行預測。結合大范圍的天氣變化趨勢及桿塔微地形氣候特征，對大范圍的冰凍發(fā)展趨勢和局部微地形覆冰情況進行預測預報。實現(xiàn)自動識別裝置采集的現(xiàn)場覆冰圖片，得到現(xiàn)場覆冰數(shù)據(jù)，并通過預警分析平臺預測未來覆冰變化趨勢，及時發(fā)布預警信息，為跨區(qū)電網(wǎng)輸電線路抗冰提供技術支持。覆冰預警系統(tǒng)具體結構如圖1所示。

圖1 覆冰預警系統(tǒng)結構

目前在運行的服務器共3臺，放置在湖南電科院計算機房，其中2臺冰情服務器上安裝了防外力系統(tǒng)和微風振動系統(tǒng)，運行在外網(wǎng)用來采集目前正在運行的在線監(jiān)測裝置的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，另1臺服務器運行在內網(wǎng)，通過手工將外網(wǎng)數(shù)據(jù)導入到內網(wǎng)服務器上進行數(shù)據(jù)展示。

（2）氣象預警分析。通過獲取現(xiàn)場氣象數(shù)據(jù)，結合大范圍天氣實況數(shù)據(jù)，通過預警分析系統(tǒng)得到未來3天的天氣變化趨勢，主要包括溫度變化（溫區(qū)圖）、降水趨勢（雨區(qū)圖）、覆冰厚度等，便于運行維護人員分析災害發(fā)展趨勢。

（3）山火預警分析。利用衛(wèi)星接收裝置，接收氣象衛(wèi)星的紅外數(shù)據(jù)，采用計算機數(shù)字處理技術對火點進行識別，并對火點中的非山火點進行剔除，計算出火點的準確位置（經緯度），在地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）地圖上標注火點，直觀展示其與輸電線路的位置關系。同時通過預警分析平臺（山火預測算法），結合山火時空分布規(guī)律，對近期可能發(fā)生的大面積山火進行預測預警。

湖南電網(wǎng)山火監(jiān)測預警中心隸屬湖南省電力有限公司，由國網(wǎng)輸變電設備防冰減災技術重點實驗室負責建設與運行，專門從事電網(wǎng)山火中期及短期預測預警，服務于湖南電網(wǎng)的山火減災工作。2009年國網(wǎng)輸變電設備防冰減災技術重點實驗室建成了覆蓋湖南電網(wǎng)，集網(wǎng)絡技術、地理信息技術、專業(yè)衛(wèi)星監(jiān)測技術、紅外遙感技術以及圖像監(jiān)控技術等技術為一體的輸電線路山火監(jiān)測及預警系統(tǒng)。

國網(wǎng)輸電線路山火監(jiān)測預警中心采用集中部署方式。中心站部署于國網(wǎng)輸變電設備防災減災技術實驗室，通過獲得的衛(wèi)星數(shù)據(jù)對國網(wǎng)多省份的輸電線路進行山火的監(jiān)測與預警。

4 智能在線監(jiān)測建設方案

4.1 智能在線監(jiān)測系統(tǒng)

智能在線監(jiān)測系統(tǒng)是利用先進的測量、信息通信、控制、太陽能光伏發(fā)電供能等技術，對覆冰、圖像視頻、絕緣子污穢、山火等參數(shù)進行集中實時監(jiān)測，提升設備狀態(tài)監(jiān)測水平及狀態(tài)評估數(shù)據(jù)可靠性。

輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)采用兩級結構（見圖2），由線上監(jiān)測點、線路監(jiān)測基站和當?shù)乇O(jiān)測站組成，其中線上監(jiān)測點包括導線覆冰監(jiān)測裝置、山火監(jiān)測裝置等，線路監(jiān)測基站一般在鐵塔上，當?shù)乇O(jiān)測點位于本部的機房。

圖2 系統(tǒng)結構框架

首先通過監(jiān)測裝置采集各種線路運行參數(shù)，再將線路運行參數(shù)通過無線傳感器，傳送給線路監(jiān)測基站，線路監(jiān)測基站再通過光纖復合架空地線（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW）光纜發(fā)送給當?shù)乇O(jiān)測中心，當?shù)乇O(jiān)測中心收到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行分析，判斷線路安全運行狀態(tài)況及發(fā)展趨勢[4]。

狀態(tài)監(jiān)測作用包括：（1）采集絕緣子串相關參數(shù)，結合輸電線路計算的狀態(tài)方程，分析線路參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，計算導線覆冰后的各種技術參數(shù)。如果超過限值，及時發(fā)出預警信息，通知運檢單位及時采取措施，避免覆冰倒塔、舞動等危害的發(fā)生。（2）通過對紅外、紫外光譜的識別，獲取山火點的具體經緯信息，實現(xiàn)山火點準確定位并顯示，同時結合現(xiàn)有的各種專題底圖如湖南電網(wǎng)地理界線圖進行匹配，搜尋山火點附近位置的輸電線路，由此判斷山火造成附近線路故障情況，提供在線預警功能。（3）通過對現(xiàn)場污穢物、溫度、濕度的實時監(jiān)測，能有效地減少由于絕緣子閃絡引起的電力事故。（4）在圖形平臺上展示全局雷擊數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雷擊位置的快速定位。（5）通過在線監(jiān)測積累原始數(shù)據(jù)資料，可以讓運檢部門確定合適的檢修時間、并做好預防措施。

4.2 智能在線監(jiān)測主要內容

某220 kV線路位于湖南省郴州市南山縣、臨武縣境內，海拔300～700 m。局部地形、地貌復雜，氣象條件差異較大，根據(jù)線路狀態(tài)監(jiān)測需求，全線共設置7套監(jiān)測裝置。智能在線監(jiān)測系統(tǒng)主要配置以下幾種類型監(jiān)測裝置，各裝置的功能可獨立使用，也可自由組合。監(jiān)測裝置如圖3所示。

圖3 監(jiān)測裝置

4.3 智能在線監(jiān)測布置原則

輸電線路覆冰在線監(jiān)測子系統(tǒng)一般安裝在易產生覆冰的地方，如線路與主風向夾角大于45°、迎風坡、埡口、風道以及大水面附近等，結合以點代面的原則，本工程在每個冰區(qū)各安裝1套覆冰在線監(jiān)測裝置。

輸電線路遠程視頻監(jiān)測子系統(tǒng)一般安裝在易發(fā)生線路災害和線路重要區(qū)域，如覆冰區(qū)、導線舞動區(qū)、火災易發(fā)區(qū)、樹木(竹)易生長區(qū)、線路大跨越區(qū)、沿線建筑物施工等易受影響區(qū)、山川河流等人員不易到達區(qū)以及偏遠地區(qū)。

輸電線路絕緣子污穢監(jiān)測子系統(tǒng)一般安裝在污染等級較大的地區(qū)。

輸電線路山火監(jiān)測子系統(tǒng)一般安裝在森林茂盛、易引發(fā)火災的地區(qū)。

4.4 在線監(jiān)測設備應用參數(shù)要求

在線監(jiān)測設備應用需具備的參數(shù)如表1所示。

表1 在線監(jiān)測設備應用條件參數(shù)

4.5 智能在線監(jiān)測信息傳輸

線路在線監(jiān)測裝置可以記錄輸電線路運行的原始數(shù)據(jù)，通過無線通信方式或有線通信方式將數(shù)據(jù)集中至通信裝置；安裝在線路沿線的視頻監(jiān)測裝置采集到現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過寬帶無線接入方式將視頻數(shù)據(jù)集中至塔上的通信裝置。

線路兩側配置的一體化通信裝置匯聚了輸電線路原始數(shù)據(jù)后通過光纖復合相線（Optical Phase Conductor，OPPC）光纜采用接力方式將線路兩側的數(shù)據(jù)分別接入線路起止點，除視頻外的監(jiān)測數(shù)據(jù)接入安置在變電站的檢測裝置中的通信管理體系架構（Communication Management Architecture，CMA），通過CMA匯集并進行規(guī)范化處理后，通過綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)傳送至省公司輸變電設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主站；視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)接入部署在變電站的視頻服務器，通過2 Mb/s專線通道接入省公司電網(wǎng)視頻監(jiān)控平臺，在線監(jiān)測主站再通過線路視頻監(jiān)控平臺來記錄視頻內容[5]。

5 結 論

在不斷推進“兩型三新”輸電線路的同時，適應輸電線路運行、檢修新模式的要求，把工程建成以安全可靠、信息交融、便捷高效、節(jié)能環(huán)保為特征的新一代智能輸電線路。所采用的技術是以信息通信為基礎，綜合應用狀態(tài)監(jiān)測、安全預警等技術，對提高輸電線路的安全運行具有重要意義。