輸電線路遠程監控與故障預警在線監測控制器研究*

王志平 楊坤 陳光黎

（1.廣東省自動化研究所 2.中國科學院云計算產業技術創新與育成中心3.廣東工業大學自動化學院）

0 引言

隨著全球資源環境壓力的增大，供電可靠性要求不斷提高，電網運營面臨巨大挑戰。電力系統是由眾多發、送、輸、配、用電設備連接而成的大系統，這些設備的可靠性及運行狀況直接決定整個系統的穩定和安全，也決定著供電質量和供電可靠性。目前，我國智能電網建設工作已全面展開，輸變電設備狀態監測系統作為智能電網輸變電環節建設的重要組成部分，是實現輸變電設備狀態運行檢修管理，提升生產運行管理水平精益化的重要手段。然而輸電線路分布廣、范圍大，非常容易受到自然、氣象和工農業污染等影響。輸電線路的運行環境惡劣，運行狀態復雜多變，故需要對輸電線路進行遠程監控與故障預警，通過各種傳感器技術、廣域通信技術和信息處理技術，實現各類輸變電設備運行狀態的實時感知、監視預警、分析診斷和評估預測，提升電網智能化水平，提高其信息化、現代化、自動化智能化水平，同時提高整個輸電線路的安全性和可靠性[1-3]。

近幾年隨著電子、信息、傳感器、新能源、智能圖像處理等技術的發展，輸電線路的狀態監測由過去的單一監測污穢泄漏電流發展到全面監測輸電線路的各種運行狀態，如污穢、覆冰、積雪及應力、風擺等，并利用圖像信息直觀反映現場狀態；同時污穢的評定方法更加智能化，從單一診斷向全面綜合診斷發展，引入各種智能算法和開放式故障診斷專家系統，并實現了信息共享[4-8]。

本文研究的輸電線路遠程監控系統融合多種傳感器技術對輸電線路的運行狀態、微氣象信息和危險點圖像進行數據采集，并通過 GPRS/CDMA/EDGE/3G模塊傳回調度中心，實現對輸電線路實時遠程監控和故障預警。通過掌握線路運行狀況及周圍環境變化，發現設備缺陷和安全隱患，及時消除缺陷，預防事故發生，降低故障損失等手段，保證線路的安全和電力系統的穩定，達到電力系統“安全、經濟、高可靠性”的運行目標[9]。

1 輸電線路檢測技術及應用模式設計

1.1 輸電線路監測系統現狀

20世紀90年代，國外針對輸電線路在線檢測技術開展了系統研究，并且施以狀態分析和在線檢測為基礎狀態檢修以提高檢修效率。國外統計資料表明，在實施狀態檢修后能延長檢修周期，一般可使設備大修周期從3～5年延長到6年以上[10]。

國內的清華大學、西安交通大學、武漢大學、武漢高壓研究所等科研單位陸續開展了輸電在線監測技術的研究，并研發了具有完整功能的輸電線路在線監測技術[11]。目前，已經成熟或實際運行的在線檢測技術有：輸電線路絕緣子污穢在線監測系統、輸電線路氧化鋅避雷器在線監測系統、導線溫度及動態增容在線監測系統、輸電線路遠程可視監控系統、輸電線路覆冰雪在線監測系統、輸電線路防盜報警檢測系統等[12]。除了上述所列的在線監測技術外，雷擊定位、輸電線路桿塔傾斜、導線微風振動等在線監測系統也逐步在電力系統中得到應用。

1.2 應用模式設計

通過對上述系統進行研究和分析，結合輸電線路遠程監控與故障預警在線監測系統的需求，設計出輸電線路遠程監控系統的應用模式，如圖1所示。

圖1 輸電線路遠程監控系統應用模式

通過傾角檢測傳感器獲得輸電線路傾角數據；拉力傳感器采集輸電線路所承受的拉力數據；振動傳感器獲得輸電線路振動數據；微氣象監控系統獲得所安裝鐵塔的微氣象數據，上述數據通過接口進入在線監測控制器。同時，視頻卡和云臺實現視頻監控和遠程控制。為便于日后擴展，在線監測控制器自帶16路開關量輸入和輸出。通過GPRS/CDMA/EDGE/3G模塊將上述數據按照一定的通信協議傳輸到監控中心。監控中心管理軟件接收到數據后，按照協議對其進行解析、保存和展現。其中，在線監測控制器起著承上啟下的作用，所以本文重點研究該控制器。

2 在線監測控制器設計

2.1 在線監測控制器總體設計

在線監測控制器安裝在輸電線鐵塔上，與各傳感器和通信模塊連接，實現數據的采集和上傳。在線監測控制器采用終端主板外掛自制變送器的方式實現監測功能。調度中心通過GPRS/CDMA/EDGE/3G模塊與終端主板通信，依據通信協議實現對各監測對象的監測，對云臺等設備的操作控制以及對所有外部設備的電源管理控制等。其終端結構如圖2所示。

圖2 在線監測控制器終端結構

GPRS/CDMA/EDGE/3G模塊、嵌入式視頻卡通過RS232通訊接口；無線數傳模塊通過TTL電平的RS232通訊接口；微氣象監測、云臺和各自制變送器通過RS485通訊接口與終端主板相連。振動、拉力和傾角等物理量直接或由傳感器經自制變送器通過RS485總線與終端主板相連。振動、拉力和傾角等物理量的測量信號由在線監測控制器進行二次電路處理，就近將模擬信號轉換成數字信號。傾角檢測則采用專用芯片自制一體化的傳感變送器。

2.2 傳感器和變送器的研發

輸電線路遠程監控與故障預警所需要采集的數據類型和數量較多，有環境溫度、濕度、風速、風向、雨量、氣壓、日照、圖像數據、導線傾角、絕緣子串傾角、拉力、振動頻率、振動幅度、三相泄漏電流平均值（最大值）、三相超過3 mA/10 mA脈沖頻次、導線測點溫度、蓄電池電壓等，如表1所示。

采集這些數據的傳感器大都能通過采購獲得，但是由于安裝條件的限制，部分傳感器需自主開發，如：傾角傳感器、拉力傳感器、振動傳感器。另一方面，由于所采集數據的接口和信號類型較多，從系統的擴展、維護和數據采集速度方面考慮，需要開發一種變送器，將各種類型的信號（4 mA ～20 mA、1 V ～5 V、1 V～10 V等）轉換成數字信號，統一由RS485接口與在線監測控制器通信。自制傳感變送器如圖3所示。自制變送器遵循與傳感器以最短距離連接，體積盡量小的原則進行設計，同時采用低功耗設計，元器件采用工業級以上產品。

圖3 自制傳感變送器

2.3 在線監測控制器低功耗設計

安裝于輸電線塔的在線監測控制器、各種傳感器和變送器、無線通信等模塊由太陽能供電。本系統對功耗要求相當高，設計要求連續30天陰雨天氣的情況下，系統仍能正常工作，所以各種模塊的設計盡量選用低功耗、穩定性好的電子元器件。

表1 輸電線路遠程監控與故障預警在線監測控制器所需要采集的數據類型

2.4 在線監測控制器主處理器設計

在線監測控制器主處理器設計如圖4所示。在線監測控制器主處理器的特點有：1)CPU選用ARM或高性能AVR處理器，主頻不少于50 MB；2)FLASH不少于256 kB，RAM不少于64 kB，可擴展內存128 MB；3)采用串口擴展電路；4)開關量輸出，開關量輸出通過控制繼電器，實現加熱器控制、紅外控制等功能；5)太陽能電池電壓監測；6)外部電源管理，負責對所有外部設備的電源開關控制，根據調度中心的指令控制外部設備是否工作，以實現省電功能。

圖4 在線監測控制器主處理器設計圖

3 調度中心軟件設計

調度中心軟件通過GPRS/CDMA/EDGE/3G網絡與在線監測控制器連接實現雙向通信。本軟件采用Delphi軟件開發工具開發，MS SQL數據庫保存數據，具有自動和手動獲取數據、圖像采集、多媒體故障預警、分析預測、歷史信息統計等功能。

3.1 自動和手動獲取數據

在線監測控制器定時（時間間隔可調）傳輸數據和圖像信息到調度中心，調度中心軟件根據通信協議對數據包進行解包、保存和處理。同時支持手動發出數據召測命令，在線監測控制器接收命令后返回所需信息。圖5為調度中心軟件的測試軟件，提供請求導線拉力及傾角數據、請求氣象數據、請求導線移動數據、請求導線測溫數據等命令按鈕。

圖5 測試軟件數據顯示界面

3.2 圖像采集

在線監測控制器定時將采集的圖像通過GPRS/CDMA/EDGE/3G網絡傳輸到調度中心。調度中心軟件不但可以設置在線監測控制器攝像頭的色彩、圖像大小、亮度、對比度、飽和度等參數，而且可以控制云臺上、下、左、右等運動。

3.3 多媒體故障預警

通過設置拉力、傾斜角、風速、泄漏電流脈沖頻次、導線移動幅度、導線移動頻率、泄漏電流、風偏角、導線溫度等參數的報警值，使輸電線出現斷線之前能夠及時預警。當采集數據出現上述參數越限報警時，攝像頭會自動傳輸圖像到調度中心并且發出聲光報警。管理員通過本軟件了解現場各參數和圖像之后，決定是否采取相應的措施，以保證線路的安全和電力系統的穩定。

3.4 分析預測

處理和保存輸電線路狀態信息、微氣象信息和危險點圖像信息。分析覆冰引起的荷重及導線承受的拉力，分析和預測導線斷股、斷線的可能性，在適當時候給出故障預警；通過常年記錄，分析出基鐵塔處環境溫度、濕度變化規律及覆冰規律；通過檢測導線的振動與位移，分析導線舞動的幅度、頻度。

3.5 歷史信息統計

月、季度運行監測信息統計分析包括：月、季度鐵塔監測報警次數統計，月、季度鐵塔舞動記錄統計，冰雪季節，鐵塔覆冰記錄與統計；輸電線鐵塔經年運行歷史信息管理，輸電鐵塔基本信息，輸電鐵塔歷年運行信息，輸電鐵塔歷年泄漏故障信息；絕緣子泄漏狀態變化曲線等。

4 應用效果

輸電線路遠程監控與故障預警在線監測控制器已應用于某輸電線路鐵塔上，系統運行良好，完成了對輸電線路運行狀態、微氣象、絕緣子漏電等數據的實時監測。監測數據通過GPRS/CDMA/EDGE/3G等無線通訊方式，向調度中心發送。實踐證明在線監測控制器、變送器和傳感器達到如下技術指標和適用環境：1)抗干擾性能方面：靜電放電抗擾度為4級，射頻電磁場輻射抗擾度為3級；浪涌（沖擊）抗擾度為3級；工頻磁場抗擾度為5級；脈沖磁場抗擾度為5級；2)工作溫度為-40℃～+80℃；3)相對濕度為5%RH～100%RH；4)大氣壓力：86 kPa～106 kPa。

5 結語

本文提出的輸電線路遠程監控與故障預警在線監測控制器能夠實時采集輸電線路的運行狀態、微氣象信息和危險點圖像，不但降低了巡檢人員的工作量，而且能夠為管理人員進行決策提供實時數據。輸電線路遠程監控與故障預警在線監測控制器采用多重硬件及軟件保護措施，利用太陽能供電技術，能提高智能系統的運行可靠性和安全性，體現了其先進性；其安裝方便、性能優越、系統穩定，對輸電線路特殊環境起到遠程監控和故障預警作用。

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