風(fēng)電場輸電線路覆冰在線監(jiān)測技術(shù)評述

華能國際電力股份有限公司湖南清潔能源分公司 何 勇 廖建林 鄭新建 付 達 胡照宇

目前，風(fēng)電場輸電線路覆冰在線監(jiān)測技術(shù)主要采用的是無人機、紅外線、聲波、電容傳感器等多種技術(shù)手段。其中，無人機技術(shù)是一種有效的方法，可通過空中懸停的方式，快速準(zhǔn)確地獲取輸電線路的覆冰情況。同時，無人機技術(shù)可通過高清相機、紅外相機等設(shè)備，對輸電線路進行多角度、多維度的檢測，提高了監(jiān)測效率和精度。

另外，紅外線技術(shù)也是一種常用的輸電線路覆冰在線監(jiān)測技術(shù)。紅外線技術(shù)可通過檢測輸電線路表面的溫度變化，來判斷是否存在覆冰情況。這種技術(shù)具有非接觸式、高效率、高精度等特點，可在不影響輸電線路正常運行的情況下，及時發(fā)現(xiàn)覆冰情況，為輸電線路的安全運行提供可靠的保障。本文結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢，對未來風(fēng)電場輸電線路覆冰在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向進行了初步探討，以更好地看待未來技術(shù)的發(fā)展趨勢和方向[1-3]。

1 監(jiān)測方法

1.1 常用的監(jiān)測方法

風(fēng)電場輸電線路覆冰是一個嚴(yán)重的問題，因為覆冰會導(dǎo)致輸電線路的斷裂和故障，從而影響風(fēng)電場的發(fā)電能力。為了解決這一問題，需要采用在線監(jiān)測技術(shù)來監(jiān)測輸電線路的覆冰情況，以便及時采取措施防止故障的發(fā)生。常用的監(jiān)測方法包括機械監(jiān)測和光學(xué)監(jiān)測。機械監(jiān)測主要采用機械傳感器來監(jiān)測輸電線路的振動和形變，從而判斷是否存在覆冰情況。該方法的優(yōu)點是精度高、可靠性強，但缺點是需要安裝大量傳感器，成本較高。光學(xué)監(jiān)測則利用紅外線攝像機來監(jiān)測輸電線路的溫度變化，從而判斷是否存在覆冰情況。這種方法的優(yōu)點是無需接觸輸電線路，不會對線路造成損害，但缺點是受天氣條件影響較大，容易出現(xiàn)誤差。

除了以上兩種常用的監(jiān)測方法，還有一些新興的監(jiān)測技術(shù)，如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、聲波傳感器技術(shù)等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可通過無線傳感器節(jié)點來監(jiān)測輸電線路的振動、溫度等參數(shù)，實現(xiàn)對輸電線路的實時監(jiān)測。聲波傳感器技術(shù)則利用聲波傳感器來監(jiān)測輸電線路的振動，從而判斷是否存在覆冰情況。這些新興的監(jiān)測技術(shù)具有成本低、安裝方便、實時性強等優(yōu)點，但需要進一步完善和驗證。

為了監(jiān)測風(fēng)電場輸電線路覆冰狀況，傳統(tǒng)的測量懸垂絕緣子串垂直荷載的方法是通過球頭掛環(huán)來實現(xiàn)，但在覆冰及彎曲風(fēng)等復(fù)雜氣象條件下的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性存在一定的局限性。目前，拉力傳感器的應(yīng)用可替代傳統(tǒng)的球頭掛環(huán)，通過測量懸垂絕緣子串的傾角、垂直方向的靜態(tài)分析等方式，來計算線路由于覆冰所增加的垂直荷載。該方法可有效地識別導(dǎo)線和地線的覆冰狀態(tài)，確保輸電線路的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。在測量穩(wěn)態(tài)覆冰時，通常使用稱重法，但其并未考慮導(dǎo)線舞動所產(chǎn)生的大振幅低頻率影響。為了排除導(dǎo)線舞動的影響，可通過檢測突變的拉力值進行相應(yīng)的調(diào)整[4]。

綜上所述，風(fēng)電場輸電線路覆冰在線監(jiān)測技術(shù)是解決風(fēng)電場輸電線路故障的重要手段。常用的監(jiān)測方法包括機械監(jiān)測和光學(xué)監(jiān)測，還有一些新興的監(jiān)測技術(shù)。針對不同的應(yīng)用場景，需要選擇合適的監(jiān)測方法，并進行系統(tǒng)化的監(jiān)測和分析，以便及時采取措施防止故障的發(fā)生。

1.2 稱重法

1.2.1 計算模型

本文研究了風(fēng)偏對覆冰荷載的影響，并通過靜力學(xué)分析建立了豎直方向上的平衡方程，從而得到了單位導(dǎo)線長度的覆冰荷載。利用這個結(jié)果計算等效覆冰厚度時，采用了如圖1所示的合理稱重法計算流程。

圖1 輸電線路等覆蓋冰厚度計算流量

1.2.2 靜力學(xué)計算模型的科學(xué)性

本文中，將壓力和角度感知器裝置放置在垂直懸線器的近地端，以檢測該懸線器的壓力、傾斜和氣流飄移。視懸線器為一剛性管道，考慮了懸掛導(dǎo)線產(chǎn)生的垂直荷載、懸線器和懸掛導(dǎo)線所受的風(fēng)載荷，以及由于懸掛導(dǎo)線縱向張力不平衡所引起的縱向荷載，綜合影響會使懸線器產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，形成如圖2中所示的狀態(tài)。

圖2 懸垂絕緣子串受力分析

在圖2中，OD表示懸線器；F表示壓力；Gc表示懸掛導(dǎo)線的垂直荷載；Gi表示懸線器自重垂直荷載（不考慮由于懸掛導(dǎo)線增加的垂直載荷，將其視為線路懸掛導(dǎo)線垂直載荷）；Fwc和Fsc分別代表增加的氣流飄移在垂直導(dǎo)線方向和順線方向的分量；Fwi和Fsi分別代表懸掛導(dǎo)線的氣流飄移在垂直導(dǎo)線方向和順線方向的分量；代表懸線器的氣流漂移角度；θ代表懸線器的傾斜角度；θ'代表偏移后懸線器與導(dǎo)線方向垂直的平面夾角。該偏移角度θ'與角度傳感器測得的風(fēng)偏角和傾斜角θ之間存在如下關(guān)系：

假設(shè)在某一時間段內(nèi)，風(fēng)壓基本恒定，當(dāng)外力的作用增強時，絕緣子串會開始往垂直于導(dǎo)線方向擺動，并且按照剛體力學(xué)的原理進行運動。隨著運動的進行，絕緣子串的向心加速度和運動速度將會逐漸增加，而切向加速度的大小則會逐漸減小，直到為零。因此，在外力平衡狀態(tài)下，絕緣子串所受到的其他外力合力除了拉力F之外，方向與F完全相反，大小也不相同，進而影響向心加速度的大小。因此，向心加速度大小為：

代入式（1），并對式（2）做簡單變換可得F為：

式中：R為絕緣子串和金具的總長度；v為絕緣子串高壓端的運動速度。為了研究絕緣子串在平衡狀態(tài)下的運動速度v，研究人員分析了最大風(fēng)偏角和平衡狀態(tài)下的風(fēng)偏角差數(shù)據(jù)，并發(fā)現(xiàn)測量時間段內(nèi)風(fēng)壓相對穩(wěn)定，且風(fēng)偏角變化非常小。在110～500kV線路上，角度差的最大值不超過5?；谶@些數(shù)據(jù)，研究人員利用能量守恒原理對絕緣子串高壓端的運動速度進行了大致推斷，有助于更深入地研究絕緣子串的運動特性。

1.3 圖像監(jiān)測法

對于導(dǎo)線覆冰的評估，可通過使用攝像機實時采集線路監(jiān)控圖像，并通過人工定性分析來實現(xiàn)。然而，采用圖像處理技術(shù)可準(zhǔn)確地對導(dǎo)線覆冰進行定量識別。圖像監(jiān)測法能夠?qū)€路覆冰圖像進行分割和覆冰邊緣的提取。通過比較覆冰前后的輪廓，可有效地判斷導(dǎo)線的覆冰程度。這是一種有效的技術(shù)流程，如圖3所示。

圖3 圖像監(jiān)測法流程

在本研究中，使用粗糙集理論和Gouraud陰影算法進行導(dǎo)線覆冰厚度的估算。為了獲取實際的覆冰厚度，為了識別導(dǎo)線和絕緣子串的覆冰厚度，本研究采用了小波變換邊緣檢測和浮動閾值法邊緣跟蹤相結(jié)合的技術(shù)，并應(yīng)用圖像平滑處理、閾值變換和輪廓跟蹤等算法。在南方電網(wǎng)輸電線路現(xiàn)場監(jiān)測圖像的基礎(chǔ)上，使用鄰域平均值濾波、自適應(yīng)閾值圖像分割和基于LoG算子的邊緣檢測技術(shù)，成功地檢測了線路覆冰和絕緣子覆冰厚度。

然而，該方法的應(yīng)用受到一定條件的限制：在線路結(jié)冰時，攝像頭的表面也會被冰覆蓋，這將導(dǎo)致所拍攝的圖像變得模糊，難以識別；當(dāng)前，攝像機所拍攝的圖像分辨率較低，這將對圖像處理后的精度帶來重大的負面影響；現(xiàn)場拍攝角度會對導(dǎo)線覆冰的識別產(chǎn)生限制，自然環(huán)境中存在冰凌的情況也會導(dǎo)致導(dǎo)線覆冰形狀的不規(guī)則。因此，采用二維圖像對導(dǎo)線覆冰進行處理時，與實際情況存在一定差異；攝像機監(jiān)測有一定范圍限制，當(dāng)檔距增大或環(huán)境氣候不理想（如出現(xiàn)霧氣）時，監(jiān)測效果可能無法全面覆蓋，并且可能無法有效監(jiān)測不均勻覆冰情況。

2 微波技術(shù)應(yīng)用

微波技術(shù)是目前應(yīng)用較為廣泛的一種監(jiān)測方法。微波技術(shù)和電容傳感器技術(shù)也是一些常用的在線監(jiān)測技術(shù)。微波技術(shù)通過檢測輸電線路表面的振動頻率，來判斷是否存在覆冰情況。電容傳感器技術(shù)則通過檢測輸電線路表面的電容變化，來判斷是否存在覆冰情況。這些技術(shù)手段雖然在監(jiān)測效率和精度上相對較低，但是其具有簡單易用、成本低廉等優(yōu)點，可在一定程度上滿足輸電線路覆冰在線監(jiān)測的需求[5]。

微波技術(shù)的主要原理。在監(jiān)測區(qū)域中發(fā)射微波信號，并接收反射信號，通過對微波信號的變化來評估區(qū)域冰雪厚度信息。由于微波波長短、頻度高，適合在風(fēng)電場中進行細小檢測。本文根據(jù)江蘇省揚中市風(fēng)電場輸電線路覆冰監(jiān)測試驗，微波技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測到輸電線路的冰雪厚度和溫度，確保輸電線路的安全運行。值得一提的是，微波技術(shù)具有較高的自動化程度，便于全天候監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理。同時，微波技術(shù)可檢測不同類型、厚度、形狀的覆冰，適用范圍廣，容易實現(xiàn)快速預(yù)警和分析處理。

除了微波技術(shù)，其他監(jiān)測方法如紅外線輻射測溫、紅外熱像技術(shù)等同樣可應(yīng)用于風(fēng)電場輸電線路覆冰監(jiān)測中。但相對于微波技術(shù)，這些方法監(jiān)測的范圍較窄，在不同溫度、風(fēng)速、濕度等復(fù)雜環(huán)境下監(jiān)測效果稍遜一籌。另外，雖然微波技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電場輸電線路覆冰監(jiān)測獲得了較好的效果，但其實際應(yīng)用面臨的問題也不容忽視。例如，微波信號的傳輸距離、穿透水分等問題需要進一步優(yōu)化和完善。這也需要技術(shù)人員在實際應(yīng)用中不斷深入探究，創(chuàng)新微波技術(shù)的應(yīng)用方式，使其更好地適應(yīng)于各種復(fù)雜環(huán)境下的在線監(jiān)測需求。

綜上所述，微波技術(shù)在風(fēng)電場輸電線路覆冰在線監(jiān)測中的應(yīng)用展現(xiàn)了其巨大的優(yōu)勢。但繼續(xù)完善和創(chuàng)新技術(shù)，解決實際存在的問題是相關(guān)研究人員需要不斷突破的難題。只有如此，才能更好地保障風(fēng)電場輸電線路的安全、高效運行?？傊?，微波技術(shù)的應(yīng)用在風(fēng)電場輸電線路覆冰在線監(jiān)測中具有重要價值。

微波技術(shù)在輸電線路覆冰在線監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用，并在其中扮演了重要角色。通過微波信號的發(fā)射和接收，可不接觸地實現(xiàn)輸電線路的覆冰監(jiān)測，從而實時掌握線路冰雪狀況，及時開展維護工作，保證線路的正常運行。微波技術(shù)在輸電線路覆冰監(jiān)測中的應(yīng)用具有很多獨特優(yōu)勢，可大大提高工作效率和線路安全可靠運行水平。同時，將微波技術(shù)與人工智能技術(shù)等其他技術(shù)結(jié)合起來，也是實現(xiàn)輸電線路覆冰監(jiān)測領(lǐng)域進一步發(fā)展的重要途徑，將有助于提高輸電線路的可靠性和安全性，推動能源行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。