智能電網輸配電線路在線監測與故障診斷綜合系統

白利軍

（呼和浩特供電局營銷配電處，呼和浩特 010050）

近幾年，智能電網越來越多的引起了人們的關注。智能電網建設涵蓋了電力系統發電、輸電、變電、配電、用戶、調度及通信各個環節。作為智能輸電環節關鍵技術之一的在線監測技術，在我國起步較晚，最近幾年國內部分高校和廠家陸續開展相關工作，開發了一些輸電線路在線監測裝置和系統，例如：覆冰監測，舞動監測、絕緣子污穢監測等[1]。但前期產品在裝置穩定性，工藝生產等方面存在一些不足，此外，智能化程度不高，不能滿足智能輸電的需要。為滿足智能輸電的要求，亟需建立一個覆蓋全國各網省公司的輸電線路綜合在線監測系統。

1 智能輸電

世界各國根據國情的不同，智能電網發展的側重點有所不同。歐美等發達國家電網格局已基本穩定，智能電網的研究重點放在配電和用電領域[2]；我國能源分布和電力負荷極度不平衡，此外在能源利用方面，風能、太陽能等可再生能源利用率較低，現階段我國智能電網圍繞清潔能源的有效利用以及堅強輸電網絡的建設和維護等方面。

輸電智能化主要體現在以下幾個方面：①廣泛采用柔性交流、直流輸電技術，充分利用現有電網資源，提高輸電線路穩定性和線路輸送能力，優化電網運行條件，降低輸電成本；②建設覆蓋全國的能源輸送通道，全面實現“西電東送，南北互供”；③建立覆蓋全國范圍的輸電線路狀態監測系統，實現對微氣象信息和設備運行狀態信息的集中實時采集，并給出災害預警信息，并在此基礎上建立國家防災預警體系[3-5]。

2 系統簡介與設計

2.1 系統簡介

1）系統構成

智能輸電線路綜合在線監測系統由國家電網總部、網省電網公司、地市局電網公司、線路監測分機、通信網絡、監測信息組成[3]，系統總體框圖如圖1所示。該系統綜合了現有的多個監測裝置的功能，實現了對影響絕緣子污穢、風偏、導線溫度、覆冰雪、舞動、桿塔防盜、桿塔傾斜的信息進行實時/定時采集。通過GPRS通信模塊發送至地市局監測中心，監測中心專家軟件則利用相應的監測信息根據不同的智能算法及其修正理論模型和試驗結果給出不同功能的監測判斷[3]。各地市局監控中心與網省公司監控中心采用LAN方式組網，省公司監測中心可以直接調用各地市局監測中心的設備狀態信息。各網省公司與國家電網總部也采用LAN方式組網，國家電網總部可以直接調用各網省公司的整體信息，便于統一管理。

圖1 輸電線路綜合在線監測系統總體框圖

2）系統功能

智能輸電線路綜合在線監測系統實現了對輸電線路微氣象信息和設備狀態信息的全面監控，其主要功能如下：①輸電線路微氣象區監測；②覆冰監測；③舞動監測；④微風振動監測；⑤導線溫度及動態增容監測；⑥絕緣子串風偏監測；⑦絕緣子串污穢監測；⑧桿塔防盜報警監測；⑨桿塔傾斜監測；⑩遠程圖像/視頻監控。

2.2 監測分機的設計

1）監測主分機設計

監測主分機主要用來完成對導線周圍微氣象信息、設備狀態相關參量的采集和節點加速度、溫度數據的無線傳輸。主要由微處理器、微氣象監測單元、絕緣子監測單元、桿塔監測單元、導線監測單元、視頻監測單元以及電源模塊、ZigBee模塊和GPRS通信模塊組成。其結構框圖如圖2所示。硬件設計的核心微處理器選用 TI公司的超低功耗16位MSP430單片機，具備超低功耗和豐富的外設，該微處理器除了活動模式外還有4種低功耗模式，在實現高性能的同時，降低系統功耗[7]，能滿足野外環境長期工作的需要。

2）監測副分機設計

圖2 輸電線路綜合在線監測裝置結構框圖

監測副分機主要用來實現對節點導線溫度和節點加速度的采集和無線傳輸，主要由CC2430、加速度傳感器、溫度傳感器和簡單外圍電路組成。ZigBee模塊硬件原理圖如圖3所示。在電路中非平衡變壓器由電容C21和電感L1、L2、L20以及一個PCB（印制板）微波傳輸線組成，整個結構滿足RF輸入/輸出匹配電阻（50Ω）的要求，R13為射頻單元提供合適的參考電流，阻值為43kΩ。內部T/R交換電路完成LNA和PA之間的交換。R12主要用來為芯片提供合適的參考電流，阻值為 56kΩ。用 1個32MHz的石英諧振器（Y2）和 2個電容（C36和 C37，22pF）構成一個32MHz的晶振電路，用1個32.768kHz的石英諧振器（Y1）和2個電容（C1和 C2，15pF）構成一個 32.768kHz的晶振電路。電容 C3和 C27（220nF）為電源濾波電容，以提高芯片工作的穩定性。整個無線ZigBee模塊接口電路采用兩排12腳標準的排針, 將CC2430單片機所有的21個IO引腳以及電源引腳、復位引腳全部引出，在應用中就可以根據實際情況進行相應的 IO功能定義,大大增強了無線ZigBee模塊的通用性以及互換性[10]。

圖3 無線ZigBee模塊硬件原理圖

3 專家軟件

監測量與故障之間缺乏一一對應關系，專家軟件中智能算法的設計是系統設計的難點，目前模糊控制、神經網絡、專家知識和小波分析等智能算法已經開始應用于在線監測[3]。專家軟件主要分為 4個處理單元：導線處理單元、桿塔處理單元、絕緣子處理單元和視頻處理單元。

3.1 導線處理單元

1）舞動監測：導線舞動分析采用三自由度數學模型[3]，三自由度模型是把覆冰的輸電導線簡化為一個同時具有垂直、水平及扭轉振動的系統，其 3個自由度的運動方程為

（1）垂直方向

（2） 水平方向

式中，mi為單位長度覆冰質量；0θ為初始覆冰角；r為導線半徑；R為特征半徑；U為風速；D為迎風尺寸，此處為導線直徑；θ為攻角；ρ為流體（此處為空氣）的密度；CL、CD為升力與阻力系數。

2）覆冰監測：根據線路導線覆冰后的重量變化以及絕緣子的傾斜/風偏角進行覆冰載荷（覆冰厚度、桿塔受力、導線應力等）計算，直接與線路設計參數比較，當覆冰達到預警值，及時給出報警信息。計算公式詳見參考文獻[3]。

3）溫度及動態增容監測[3]：增容技術的關鍵在于根據外界環境條件和導線本身特性，計算出導線載流量。導線載流量的計算公式很多，也很繁瑣，但在一定條件下，可將其簡化，當雷諾系數為100～3000時，即環境溫度為40℃、風速0.5m/s、導線溫度不超過120℃時，用于直徑4.2～100mm導線的載流量計算。其摩爾根簡化公式為

式中，I為安全載流量，A；θ為導線的溫升，℃；t0為環境溫度，℃；tc為導體穩態溫度，℃。

在實驗室假設氣象條件下，對該公式進行驗證發現，計算出的載流量和簡化前的公式計算出的載流量非常接近，采用摩爾根簡化公式可以充分保證導線運行的安全性[3]。

4）微風振動監測：通過監測導線的彎曲應變、導線溫度以及風速、風向等信息來計算輸電線路的微風振動頻率、振幅等情況，并通過相應算法判斷導線的疲勞磨損壽命，對線路安全運行進行評價，在疲勞損壞前給出預報警信息，及時采取措施，減少風振損失。

3.2 桿塔處理單元

1）防盜報警監測：監控中心接受到監測分機發送的短信，可以及時獲取現場信息。同時，專家軟件數據庫存儲桿塔的基本信息（線路、編號、位置等）以及各巡檢人員的手機號碼，監控中心定期向監測分機發出巡檢信息，若某監測分機沒有回復短信，則通知巡檢人員進行現場檢修[3]。

2）桿塔傾斜監測：暴雪、臺風等惡劣天氣容易導致桿塔傾斜，通過雙軸傾角傳感器測出桿塔在順線路方向和橫線路方向傾斜角度，進而計算出桿塔在順線路方向和橫線路方向的傾斜度和綜合傾斜度，當達到警戒值時給出報警信息[3]。

3）絕緣子處理單元

（1）風偏監測：根據風偏角計算模型以及最大風偏角修正方法[8]，繪制各項數據的曲線圖，結合風速、雨量等環境信息，得出風偏角的范圍。當風偏角超過預警值時，給出預警信息。

（2）污穢監測：泄流電流是判斷污穢的重要參數之一，通過數學分析和建模我們可以找到泄漏電流隨時間變化情況與電弧長度、污層電阻等的非線性關系[3]。其具體計算步驟如下

①選取參考序列

比較序列：

②數據規范化

數據規范化是為了消除數據量綱影響，合并數量級，使整個序列具有可比性，常用的有化均值化、區間值化和歸一化等方法。此處采用均值化法處理數據，按下式處理后得新序列：

③計算關聯系數

式中，ρ為分辨系數，它反映了系統各個因子對關聯度的間接影響程度，通常取ρ=0.5。

④求序列對序列的關聯度

⑤排關聯序或分析關聯矩陣

將Yij依大小順序排成一列，以明確各子序列的“主次”“優劣”關系，即與母序列變化狀態越接近者，關聯度越大。對于多序列比較則可生成關聯矩陣。

利用該方法量化分析了絕緣子泄漏電流變化與相對濕度、溫度、溫度變化率等氣象因素變化的接近程度，得出了各氣象因素均與泄漏電流相關，且相對濕度關聯度最大。

3.3 視頻處理單元

監控中心接收各裝置的數據，利用專家軟件植入的 HDevelop智能算法對視頻進行分析，并將信息存入數據庫中。用戶通過專家軟件系統可隨時查閱任意地點的圖像資料，結合環境信息，決定是否派人巡視。也可將多幅圖像進行對比，以觀察線路周圍樹木等的發展趨勢。

4 現場運行數據

系統在南方電網公司貴州110kV土楊松茅線等現場進行了測試與運行，獲得了較理想的結果，其部分運行數據如下：①為2009年1月31日－2月5日監測的現場微氣象信息，其中a為環境濕度變化，b為環境風速變化；②為2009年2月4－6日監測的現場導線數據，其中 a為導線溫度變化，b為導線最大拉力變化。通過分析數據可以看出系統可以精確的采集微氣象信息和設備狀態運行數據，為狀態檢修、災害預防提供了有效手段。

（1）現場微氣象數據

圖4

（2）現場導線數據

圖5

5 結論

1）系統采用ZigBee無線網絡和GPRS無線通信相結合的方式，解決了輸電線路在線監測領域中有線數據傳輸引入的困擾，特別是導線監測信息的采集和傳輸問題。

2）故障診斷理論模型的設計一直是制約在線監測技術發展的難點之一，本系統建立了導線舞動、覆冰、導線動態增容、絕緣子污穢等數學模型，通過神經網絡、小波變換等先進數據處理算法，實現輸電線路狀態的全面在線監測與預警。

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[7]沈建華,楊艷琴,翟驍曙編著.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京: 清華大學出版社,2004.

[8]王聲學,吳廣寧,范建斌,周軍,蔣偉.500 kV 輸電線路懸垂絕緣子串風偏閃絡的研究[J].電網技術,2008,32(9): 66-69.

[9]黃新波,劉家冰,王向利.基于 GSM SMS的絕緣子污穢在線遙測系統[J].廣東電力,2005,18(4):36-40.

[10]黃官寶.架空輸電線路舞動在線監測系統[D].西安：西安工程大學,2010.