基于北斗定位和多傳感器融合技術(shù)的輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)研究

楊 晨， 汪 佳， 陳 陽， 李 雪， 蔡光柱

（國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司， 北京 100070）

0 引言

隨著東部沿海地區(qū)用電需求的急劇增加和風(fēng)能、光伏等可再生能源的規(guī)?；尤?，電網(wǎng)電源和負荷分布不均勻、電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不盡合理、線路負荷過載問題成為制約我國電力輸送容量的關(guān)鍵因素，新能源發(fā)電集中送出以及用電需求集中地區(qū)的特高壓電網(wǎng)輸送能力卡脖子問題不斷突出，因此提升特高壓輸電系統(tǒng)的傳輸調(diào)度能力成為亟待解決的重要課題。

考慮到用電負荷的波動不確定性和可再生能源的間歇性，輸電線路增容往往不需要全天候運行，通過新建輸電線路來提升電網(wǎng)傳輸能力，存在建設(shè)周期長、擠占耕地資源、投資回報長等缺點，因此國內(nèi)外眾多學(xué)者提出采用輸電線路動態(tài)增容技術(shù)[1]提升電網(wǎng)傳輸能力。其中文獻1[2]針對線路增容可靠性問題，分別從數(shù)據(jù)采集技術(shù)、感知分析技術(shù)、系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)和實際應(yīng)用4 個方面，指出現(xiàn)有輸電線路動態(tài)增容技術(shù)的研究重點和存在的局限。文獻2[3]設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的輸電線路動態(tài)增容監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架，并在實際線路上進行了驗證。文獻3[4]則提出在應(yīng)用層部署智能增容專家輔助分析決策，實現(xiàn)對輸電線路熱穩(wěn)定輸送能力的智能、快速、有效控制，提升了動態(tài)增容技術(shù)的智能化和實用性。文獻4[5]針對數(shù)據(jù)采集精度和時效性，提出一種基于實時閉環(huán)校核的載流量及弧垂計算模型修正方法，在動態(tài)校核線路載流量和導(dǎo)線弧垂的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對實時和預(yù)測載流量限額的滾動修正。

基于以上研究及存在問題，本文提出一種基于北斗定位和多傳感器融合技術(shù)的的輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)。依托多傳感器融合技術(shù)的動態(tài)增容一體化設(shè)備可實時采集導(dǎo)線電流、溫度、弧垂等信息；利用毫米波雷達穿透力強、準確度高的特點，與北斗定位[6]進行融合，獲取導(dǎo)線弧垂絕對三維位置信息；邊緣物聯(lián)代理裝置則依據(jù)高精度微氣象裝置采集導(dǎo)線附近溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、光輻射等環(huán)境氣象數(shù)據(jù)；然后依據(jù)動態(tài)增容算法模型[7]，經(jīng)過分析處理計算，得出輸電線路載流能力，線路增容信息在有信號區(qū)通過4G 模組，無信號區(qū)則采用北斗短報文傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)管理平臺，輸電線路動態(tài)增容平臺根據(jù)增容信息動態(tài)評估線路載流能力，調(diào)整線路的輸送載荷容量，在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定的要求下，最大限度地提高電網(wǎng)輸送能力，整合可再生能源，有效解決輸電線路輸送能力卡脖子問題，具有很好的經(jīng)濟應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 動態(tài)增容技術(shù)原理

輸電線路動態(tài)增容技術(shù)是指通過實時監(jiān)測輸電線路微氣象環(huán)境、導(dǎo)線溫度、導(dǎo)線電流和導(dǎo)線弧垂等數(shù)據(jù)，在不突破現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程和線路安全設(shè)計參數(shù)的前提下，確定線路當(dāng)前的熱穩(wěn)定限額和動穩(wěn)定限額，根據(jù)輸電線路動態(tài)增容模型獲取線路最大允許載流量，提升特高壓輸電系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸容量，具有極好的經(jīng)濟效益和社會效益。輸電線路動態(tài)增容模型是以導(dǎo)線和外界環(huán)境之間的熱平衡方程為基礎(chǔ)建立，需要監(jiān)測的參數(shù)包括環(huán)境溫度、風(fēng)速風(fēng)向、光輻射量、導(dǎo)線溫度、導(dǎo)線電流、導(dǎo)線弧垂等。輸電線路動態(tài)增容技術(shù)可以挖掘線路輸送電能的裕度，喚醒閑置的輸電網(wǎng)運行資源，使輸電線路利用更充分，全面提升輸電網(wǎng)使用效率。

1.2 總體架構(gòu)

輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)主要由動態(tài)增容一體化設(shè)備、邊緣物聯(lián)代理裝置和輸電線路動態(tài)增容平臺三部分組成?；诒倍范ㄎ缓投鄠鞲衅魅诤霞夹g(shù)的輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)的總體數(shù)據(jù)流程圖如圖1 所示。

圖1 總體數(shù)據(jù)流程

1.3 動態(tài)增容一體化設(shè)備

動態(tài)增容一體化設(shè)備由融合北斗定位、毫米波雷達以及羅氏線圈技術(shù)的數(shù)據(jù)采集單元，CT 取電模組與太陽能模組和主控板三部分組成，能夠同時監(jiān)測導(dǎo)線多種狀態(tài)參數(shù)的高集成度需求，并對參數(shù)進行關(guān)聯(lián)性分析，可實現(xiàn)導(dǎo)線狀態(tài)的一體化監(jiān)測?？煽康碾娫聪到y(tǒng)是保證裝置穩(wěn)定運行的必備條件，動態(tài)增容一體化設(shè)備采用太陽能取電和CT 感應(yīng)取電配合低溫鋰電池構(gòu)成雙保險穩(wěn)定的電源系統(tǒng)，解決了無光、低負荷、空載線路上設(shè)備取電難題，新型的供電方式提高了系統(tǒng)靈活性和穩(wěn)定性；為有效降低系統(tǒng)功耗，動態(tài)增容一體化設(shè)備裝置采用低功耗設(shè)計[8]，基于國產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)RT-Thread 開發(fā)，可以靈活設(shè)置各任務(wù)啟動、關(guān)閉和配置采樣周期，在非測量時間關(guān)閉各任務(wù)進程，進入低功耗休眠狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集單元可實時采集導(dǎo)線溫度、導(dǎo)線電流、導(dǎo)線弧垂對地距離、三維坐標等數(shù)據(jù)；毫米波雷達具有穿透力強、準確度高的特點，尤其適合監(jiān)測山區(qū)線路具有多個危險點的弧垂對地距離，與北斗定位進行融合，還可以獲取導(dǎo)線弧垂絕對三維位置信息，便于實時監(jiān)測線路動態(tài)增容時導(dǎo)線弧垂位置的動態(tài)變化；主控板負責(zé)導(dǎo)線工況、毫米波雷達、北斗定位數(shù)據(jù)的匯聚處理，檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過Lora 模組傳輸至邊緣物聯(lián)代理裝置，為輸電線路動態(tài)增容提供決策依據(jù)。如圖2、圖3 所示。

圖2 動態(tài)增容一體化設(shè)備電氣流程

圖3 產(chǎn)品實體照片

1.4 邊緣物聯(lián)代理裝置

邊緣物聯(lián)代理裝置[9]整體設(shè)計基于輕量化邊緣計算框架，采用國產(chǎn)瑞芯微主控芯片，其內(nèi)置2.0Tops算力加速器，滿足輸電線路動態(tài)增容算法對算力的需求。邊緣物聯(lián)代理裝置可實時接收微氣象模組采集的環(huán)境溫濕度、等效風(fēng)速、光輻射等監(jiān)測信息；在接收到動態(tài)增容一體化設(shè)備后，依據(jù)輸電線路動態(tài)增容算法模型，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理計算，得出輸電線路載流能力，對分析后的數(shù)據(jù)進行加密處理，然后將計算出的動態(tài)增容信息依據(jù)MQTT 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議通過4G 模組傳輸?shù)诫娏疚锫?lián)網(wǎng)管理平臺；針對無信號區(qū)數(shù)據(jù)通信，開發(fā)可插拔的北斗通信終端，根據(jù)不同場景選擇配置4G 模組或北斗通信終端，可以將動態(tài)增容信息封裝為北斗短報文數(shù)據(jù)報，通過北斗衛(wèi)星通信技術(shù)，實現(xiàn)無信號區(qū)線路狀態(tài)可靠監(jiān)測。邊緣物聯(lián)代理裝置采用定期主動上報線路狀態(tài)模式，具有通信傳輸雙向確認和重傳功能，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，設(shè)備實時在線，線路狀態(tài)可隨時掌控。裝置掛線使用后可自主運行，采用安全免維護設(shè)計，必要時可通過遠程無線維護運行參數(shù)，更新故障判據(jù)或升級軟件程序，方便靈活。如圖4 所示。

圖4 邊緣物聯(lián)代理裝置電氣流程

2 動態(tài)增容系統(tǒng)平臺

輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)平臺[10]接收邊緣物聯(lián)代理裝置傳來的線路動態(tài)增容信息，進行架空線路動態(tài)增容數(shù)據(jù)結(jié)果的展示，主要包括架空線路的線路載流量分析、動態(tài)負荷監(jiān)控、動態(tài)載流量上限預(yù)警、線路溫度預(yù)測、動態(tài)載流量預(yù)測、效益分析等功能模塊。在不突破現(xiàn)有線路安全規(guī)程的基礎(chǔ)上，軟件具備線路輸送能力實時計算模型、線路弧垂實時計算模型，具備實時采集線路在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、實時核算線路輸送能力與運行安全性評估能力；具備日前輸送能力預(yù)測等功能。在統(tǒng)一架構(gòu)下，以架空線路動態(tài)限額計算與實時評估軟件為基礎(chǔ)，部署動態(tài)增容分析模塊，模塊與調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)通，計算結(jié)果實時推送至省公司調(diào)度監(jiān)控平臺。

2.1 動態(tài)增容平臺系統(tǒng)組成

輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)包含總覽、增容分析、安全分析、告警管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)、增容數(shù)據(jù)、參數(shù)管理等模塊，該系統(tǒng)依據(jù)實時數(shù)據(jù)進行線路高溫預(yù)警、弧垂對地距離預(yù)警，并評估線路安全運行載流量和安全運行時間，為解決輸電通道負荷阻塞問題，實現(xiàn)輸電線路運行負荷的精細化、智能化管理提供動態(tài)、量化的技術(shù)支持。具體見圖5。

2.2 增容分析

根據(jù)用戶需求，實時展示某線路增容監(jiān)測點的各參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)具備即時數(shù)據(jù)回傳請求功能，可實現(xiàn)實時的線路增容信息采集功能，直觀的顯示線路的負荷、溫度、環(huán)境信息、導(dǎo)線弧垂和實時載流量等，建立輸電線路數(shù)據(jù)庫，為輸電線路的運行維護、輸送負荷調(diào)整、電網(wǎng)調(diào)度等工作提供數(shù)據(jù)支持，最終達到提高輸電線路輸送能力的目的。如圖6 所示。

圖6 輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)增容分析

2.3 安全分析

設(shè)置導(dǎo)線溫度限額和安全時間，計算在當(dāng)前氣象條件下，在設(shè)置的安全時間內(nèi)，導(dǎo)線溫度不會超過限額的安全電流限額。具體見圖7。

圖7 輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)安全分析

2.4 告警管理

根據(jù)動態(tài)增容模型計算導(dǎo)線最大負荷狀況，可預(yù)測線路導(dǎo)線溫度變化及弧垂變化，當(dāng)導(dǎo)線弧垂、導(dǎo)線溫度、氣象數(shù)據(jù)、導(dǎo)線負荷超過設(shè)定閾值時，記錄線路姿態(tài)并上傳至服務(wù)平臺運檢人員根據(jù)告警信息，對線路輸送負荷進行調(diào)整，指導(dǎo)調(diào)度部門合理調(diào)配線路輸送容量，有序開展輸電線路動態(tài)增容。具體如圖8 所示。

圖8 輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)告警管理

2.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)

動態(tài)增容系統(tǒng)平臺收集導(dǎo)線溫度、導(dǎo)線電流、氣象信息、導(dǎo)線弧垂及線路運行數(shù)據(jù)，最大程度減小環(huán)境變化引起的誤差，精準地模擬出導(dǎo)線實時的運動姿態(tài)，為輸電線路動態(tài)增容提供數(shù)據(jù)支持。見圖9。

圖9 輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 現(xiàn)場測試

2021 年5 月至今，輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)在容徐線進行實際現(xiàn)場掛載測試。實施動態(tài)增容改造后，在調(diào)度主站可自動實現(xiàn)動態(tài)增容斷面穩(wěn)定限額滾動更新，輸送容量可從2 185 MW 提升到穩(wěn)定限額2 629 MW，成功滿足沿線各區(qū)的供電需求，為大量外貿(mào)、化工企業(yè)的復(fù)工復(fù)產(chǎn)提供了堅強的電力保障，容徐線動態(tài)增容改造工程的實施，可以有效提升線路輸送能力，特別是在迎峰度夏期間，對緩解電力供應(yīng)緊張有著十分重大的意義。

4 結(jié)論

針對輸電線路動態(tài)增容存在的導(dǎo)線弧垂采集精度不足，無信號區(qū)無法傳輸、數(shù)據(jù)展示無法滿足需求等諸多問題，本文提出一種基于北斗定位和多傳感器融合技術(shù)的的輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)。依托多傳感器融合技術(shù)的動態(tài)增容一體化設(shè)備，可實時采集導(dǎo)線電流、溫度、弧垂等信息；北斗定位技術(shù)融合毫米波雷達，獲取導(dǎo)線弧垂對地距離和三維位置信息，可實時監(jiān)測線路增容時導(dǎo)線弧垂位置的動態(tài)變化；針對無信號區(qū)數(shù)據(jù)通信，開發(fā)可插拔的北斗通信終端，根據(jù)不同場景選擇配置4G 模組或北斗通信終端，可以將動態(tài)增容信息封裝為北斗短報文數(shù)據(jù)報，通過北斗衛(wèi)星通信技術(shù)，實現(xiàn)無信號區(qū)線路狀態(tài)可靠監(jiān)測。輸電線路動態(tài)增容平臺根據(jù)增容信息動態(tài)評估線路載流能力，調(diào)整線路的輸送載荷容量，整合可再生能源，有效提高輸電線路輸送能力。輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)在容徐線進行實際現(xiàn)場掛載測試，線路輸送容量提升了20.32%，特別是在迎峰度夏期間，可以有效提升線路輸送能力。