高壓輸電線路在線監測系統

上官安琪

（武漢大學，武漢 430072）

近幾年，我國特高壓輸電技術發展較快，但與之適應的輸電線路在線監測技術起步較晚，監測裝置和監測系統尚不成熟，輸電線路抵御冰雪、大風等自然災害的能力較弱，這就要求我國必須發展智能輸電技術。輸電環節智能化有助于充分利用現有電網資源，大幅度提高輸電線路輸送能力，降低輸電成本；優化輸電網絡運行條件，充分發揮現有輸電線路的效率；提高電力系統穩定水平，促進智能電網的發展和互聯；實現狀態評估、故障診斷、狀態檢修和風險預警，實現對線路運行狀態的可控、能控和在控。

1 國內在線監測設備研發及應用現狀

最近幾年，隨著電力系統狀態檢修工作的開展和智能電網的建設，輸電線路在線監測技術得到迅速發展。2008年初的罕見冰雪災害發生后，國家電網公司、南方電網公司均加大了對輸電線路覆冰、舞動的研究投入，2010年國家智能電網規劃總報告中提出加大對輸電線路狀態監測裝置及其系統的研制開發，全面建成覆蓋全網范圍的總部和各網省公司輸電設備狀態監測系統。

從 1998年開始，國內高等院校及廠家陸續開展了對輸電線路在線監測方面的產品的研發，2000年各電力公司陸續安裝絕緣子泄漏電流在線系統，由于缺乏應有的判據一直處于停滯不前狀態；2002－2004年國內相繼研發成功了輸電線路圖像監測系統及輸電線路覆冰監測系統，目前國內應用量較大，據估計，覆冰監測裝置在國內總體應用量在1500余套左右，圖像監測裝置在3000套以上，以上兩種產品對線路覆冰監測及線路巡視維護提供了很大的作用。2004年后相關廠家陸續開發了線路微氣象監測系統、線路導線溫度監測系統、線路導線舞動監測系統等產品，均得到了一定量的應用。在線監測產品制造廠家達到10余家，監測裝置總體產品應用量達到1萬臺左右。從2008年開始，南方電網公司召集包括清華大學在內的10余廠家召開技術交流會，對在線監測的規約及通信標準做出了規定，2009年國家電網公司也啟動了相關標準的起草工作，目前各廠家的產品能夠達到中心兼容。

2 監測裝置各部分的功能與特點

BOOM-OLMS系列輸電線路狀態監測系統利用光纖傳感技術、電子測量技術、無線通信技術、太陽能新能源技術、軟件技術對導線覆冰、導線溫度、導線弧垂、導線微風振動、導線舞動、次檔距震蕩、導線張力、絕緣子串風偏（傾斜）、桿塔應力分布、桿塔傾斜、桿塔振動、桿塔基礎滑移、絕緣子污穢、環境氣象、圖像（視頻）、桿塔塔材被盜等進行監測。

圖1 高壓輸電線路在線監測系統功能模塊

2.1 監測裝置的電源

安裝在鐵塔上的監測裝置統一采用太陽能對蓄電池浮充的方式進行供電，針對我國西南、華東等日照照射相對較弱地區可采用太陽能及風能對蓄電池進行充電的方式進行供電。監測裝置安裝于鐵塔上，安裝較為困難。因此減小設備體積及重量成為監測裝置設計首要考慮的因素，采用超低功耗技術，裝置待機電流保持在20mA（12V）以內，因此在同等容量電源條件下，裝置可連續運行時間比目前市面廠家長30%以上。一般情況下數據采集裝置配置12V 33AH電池即可連續運行30天以上，裝置體積小、重量輕，有利于現場安裝。

2.2 監測裝置的通信

1）數據采集單元（導線溫度、導線舞動、導線張力、導線弧垂等）與塔上監測裝置之間采用 RF、Zigbee、WIFI等方式進行通信，通信距離1～3km。

2）塔上監測裝置與CMA（狀態監測代理）之間采用RJ45、RF、Zigbee、WIFI等方式進行通信。

3）CMA或集成有CMA功能的監測裝置與CAG（狀態信息接入網關機）之間采用OPGW、WIFI、GPRS/CDMA/3G、衛星等方式進行通信。具備光纖接入條件桿塔上的監測裝置，采用光端機將桿塔上的的數據傳輸至中心CAG，實現數據落地；不具備光纖接入條件桿塔上的監測裝置通過無線（WIFI）網絡將各監測裝置數據匯總至有光纖接入桿塔上的監測裝置，利用光交換機將無線監測裝置數據傳輸至中心CAG。

2.3 監測裝置的功能單元

輸電線路狀態監測系統包括覆冰、氣象、圖像（視頻）、導線溫度、導線微風振動、舞動、反外力破壞等產品，上述功能模塊可單獨使用也可任意組合使用。

1）輸電線路覆冰監測裝置

輸電線路覆冰在線監測系統通過全天候地采集運行狀態下輸電線路的絕緣子串拉力、絕緣子串風偏角、絕緣子串傾斜角、風速、風向、溫度、濕度等特征參數，將數據信息實時傳輸到分析處理中心，通過智能分析算法計算導線覆冰厚度；相關部門根據線路荷載、覆冰厚度及周邊氣象環境決定是否需要實施預防措施。拉力傳感器采用進口特種不銹鋼設計，具有抗腐蝕、耐磨、強度高、測量精確度高的特點；系統可結合局部氣象特點，對覆冰的發展趨勢進行預測。

2）輸電線路圖像/視頻監控系統

輸電線路圖像、視頻監控系統主要利用了先進的數字視頻壓縮技術、遠距離GPRS/CDMA/3G無線通信技術、新能源及低功耗應用技術、軟件技術、將電力桿塔、導線現場的圖像經過壓縮、分組后通過GPRS/CDMA等無線網絡傳輸到監控中心，從而實現對輸電線路周邊環境及環境參數的全天候監測。使線路管理人員在中央監控室即可看到桿塔現場信息，將事故消滅在萌芽狀態。裝置攝像機選用工業球形攝像機，機芯采用SONY CCD 芯片，具有清晰度高，抗電磁干擾的特點。

3）輸電線路導線溫度監測及動態增容系統

導線溫度在線監測系統通過實時監測輸電線路導線溫度、導線電流、日照、風速、風向、環境溫度等參數。系統主要由測溫單元、塔上監測裝置、通信基站和分析查詢系統四部分組成。其中體積小、重量輕的測溫單元安裝在輸電線路導線或金具上，實時采集導線及金具溫度，并通過Zigbee或RF射頻模塊將數據無線上傳至鐵塔上的監測裝置。

4）輸電線路導線對地距離（弧垂）監測系統

輸電線路導線弧垂監測裝置安裝在導線的弧垂最低處或需要監測的部位，采用高能電池或導線感應取能技術，實時測量導線對地距離的變化情況，可及時發現導線弧垂的變化，避免接地事故的發生，并可結合導線的溫度和氣象數據對導線預期弧垂進行計算，建立預警機制，確保線路運行和被跨越設備的安全。該模塊具有體積小、功耗低、測量距離遠、精度高、成本低的特點，可廣泛應用于35～1000kV的交直流輸電線路。

5）輸電線路防盜報警系統

“基于光纖檢測及圖像監測技術的輸電線路防盜報警監測系統”，運用光纖探測技術、圖像監測技術、現代通信技術、新能源技術、新軟件技術，使報警可靠性達98%以上，很好地解決了輸電線路防盜預警的難題，為國內首創。

系統由埋在鐵塔周圍（及塔基內部）的光纖傳感器、安裝在塔上的智能視頻監視及分析裝置組成。當有人靠近鐵塔或攀爬時，光纖報警器發出預警信號，并把預警信號傳輸給安裝在鐵塔上的圖像監測裝置，監測裝置收到報警信號后打開攝像機，啟動圖像監測功能，進行圖像連拍，將圖像傳輸至監控中心，并啟動現場語音告警。

6）光纖傳感報警原理

傳感光纖沒有受到外界干擾情況下，激光信號的傳播路徑，如圖2所示。

圖2

當傳感光纖受到振動或移動時，激光信號的傳輸相位發生了改變，如圖3所示。

圖3

當傳感光纖受到壓力形變時，激光信號傳輸相位也發生了改變，如圖4所示。

圖4

傳感光纖內激光信號相位的改變時通過光纖調制器輸出的光強與受到相應的振動對應。 通過對信號進行放大、濾波、數字化進入嵌入式DSP利用自適應軟件進行分析處理，進而判斷是否進行報警處理。

3 在線監測未來發展方向

在線監測技術作為智能輸電的關鍵技術之一，是目前國家智能電網建設的重要研究方向。未來輸電線路的監測技術主要向以下方向發展。

1）實用性，經過逐步的產品推廣應用，會出現一些主流的應用產品，如覆冰、氣象、圖像、舞動、導線溫度，而其他產品會逐步退出市場應用。

2）應用嵌入式系統為主要方向，ARM 等系統的應用會成為主流，這將有助于提高設備的可靠性，有利于設備功能的擴展，提供豐富的接口應用。

3）各種分析、計算、預警等計算模塊將隨著前端裝置CPU計算功能的加強進行遷移。

4）前端傳感器的標準會逐步統一，目前國網、南網只對整套裝置的通信協議作出相應規范而沒有對前端傳感器的規約及接口作出要求。

5）產品重量、體積會大幅度縮小，有利于現場安裝、施工方便，據個人看法，未來兩年內將會出現整套重量低于20kg的產品出現。

4 結論

綜上所述，建議國家電網公司相關部門進一步細化相關技術標準，統一傳感器接口標準，對設備的體積重量作出明確規定，對設備的無陽光工作時間做出強行測試，對入網設備的耐候性進行長期模擬測試等以提高設備的可靠性。

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