輸電線路預(yù)警系統(tǒng)研究

劉 文，袁建華

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院電氣工程系，湖北宜昌443002）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟實力加強，電網(wǎng)得到不斷發(fā)展，輸電線路走廊區(qū)域不斷擴大，由此帶來更多的電網(wǎng)安全運行問題。從國家電網(wǎng)公司近幾年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，造成線路跳閘的各種原因中，外力破壞的次數(shù)上升趨勢明顯，成為除雷害以外線路運行的最大安全隱患。外力破壞故障主要由違章施工作業(yè)，盜竊、破壞電力設(shè)施，房障、樹障、交叉跨越公路，在輸電線路下焚燒農(nóng)作物，山林失火等造成。盡可能地避免外力對輸電線路的危害，是保障電網(wǎng)安全運行的重要保證［8］。

近年來國家電網(wǎng)公司在特高壓輸電技術(shù)國際會議上正式發(fā)布了“堅強智能電網(wǎng)”發(fā)展戰(zhàn)略。通過研究設(shè)計高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時、準確、高效的反應(yīng)線路運行參數(shù)，減少巡線工作量，加快修復(fù)速度，減小停電損失。文獻［4］研究基于小波變換的直流輸電線路故障定位技術(shù)。文獻［7］采用輸電線路上已有的OPGW光纜、接頭包資源來部署光纖以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)對輸電線路風(fēng)偏舞動、覆冰、桿塔傾斜等在線監(jiān)測。

這些文獻主要考慮故障發(fā)生后，對故障點進行定位，對于外力破壞的監(jiān)測較少。基于此，本文提出輸電線路預(yù)警系統(tǒng)，利用超聲波測距、GPS定位技術(shù)和聲波報警裝置，實現(xiàn)對外力破壞的實時監(jiān)測，避免外力對輸電線路的影響，保障大電網(wǎng)安全。

1 系統(tǒng)工作原理

不論是違章作業(yè)、盜竊、還是樹障、房障和在輸電線路下焚燒農(nóng)作物等，輸電線路外力破壞故障存在的顯著特點即存在人員靠近輸電線路鐵塔附近，處于國家標準規(guī)范規(guī)定的安全范圍以內(nèi)。本系統(tǒng)通過超聲波測距模塊在線監(jiān)測有無人員及施工作業(yè)車輛靠近或處于輸電線路絕緣安全范圍以內(nèi)，當人員或施工作業(yè)車輛處于危險區(qū)域，系統(tǒng)立刻觸發(fā)聲波報警裝置及時響應(yīng)，遠端中心監(jiān)控室通過GPS定位系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)警報所在地區(qū)，當警報持續(xù)時間超過規(guī)定值，施工維修人員能及時到達故障點，防止輸電線路發(fā)生破壞，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

輸電線路預(yù)警系統(tǒng)主要包括：超聲波測距模塊、GPS模塊和聲波報警裝置，該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個監(jiān)測系統(tǒng)安裝在輸電線路鐵塔橫檔附近，通過監(jiān)測移動物體與輸電線路鐵塔絕緣安全距離，達到報警效果。

2.1 超聲波測距模塊

超聲波是指頻率高于20 k Hz的聲波。超聲波指向性強，在介質(zhì)中傳播距離遠，可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計方便、計算處理簡單，并且在測量精度方面也能達到要求［12］。

圖1 輸電線路預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

超聲波測距模塊中超聲波傳感器包括超聲波發(fā)送器和接收器。根據(jù)輸電線路規(guī)程規(guī)范，輸電線路鐵塔絕緣安全距離一般比較小，不超過10 m，因此該系統(tǒng)中超聲波傳感器選常用的壓電式超聲波換能器，即發(fā)射超聲波時將電能轉(zhuǎn)換成發(fā)射超聲波而在收到回波的時候則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。

超聲波測距的原理一般采用時間差測距法。測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間乘以超聲波的速度，得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播時碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為v，根據(jù)計時器記錄時間差△t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離S。超聲波測距模塊可實現(xiàn)2 cm～7 m的非接觸測距功能，供電電壓為5 V，靜態(tài)功耗低于3 m A，支持GPIO通信模式，工作穩(wěn)定可靠。

超聲波發(fā)射模塊電路如圖2所示，升壓變壓器可自制，線圈線徑為0.8 mm，初級線圈匝數(shù)為50，次級線圈匝數(shù)為350。從P35端輸入40 k Hz的控制信號。

圖2 超聲波傳感器發(fā)射模塊電路圖

2.2 聲光報警裝置

聲光報警模塊內(nèi)有電磁線圈和發(fā)光二極管、喇叭等，其工作原理簡單且模塊化程度較高，可以非常方便從市場上獲得成品，將其通過細導(dǎo)線接入主機即可。聲光報警模塊接收主機的命令，啟動并作出相應(yīng)報警動作。

2.3 GPS模塊

GPS模塊主要是通過GPS接收機與衛(wèi)星之間進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)報警定位功能，減少巡線工作量。定位原理一般由公式（1）～（4）［6］確定。輸電線路工程中根據(jù)地形及電壓等級情況，各基桿塔之間檔距一般較大，而且現(xiàn)今GPS模塊定位精度較高一般在10 m以內(nèi)，不會出現(xiàn)由于檔距問題而出現(xiàn)定位偏差情況。本系統(tǒng)中GPS模塊選用MEB-1280GPS，MEB-1280模塊是全球體積最小的GPS模塊，定位精度高（3 m），不會受到城市綠化樹木的影響。當超聲波測距傳感器檢測到移動物體出現(xiàn)在鐵塔絕緣安全距離以內(nèi)時，聲波報警裝置立即響應(yīng)，同時GPS模塊通過衛(wèi)星和接收機之間的數(shù)據(jù)聯(lián)系，確定報警具體位置，并通過移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將GPS數(shù)據(jù)傳送到中心數(shù)據(jù)庫中。

式中，Xi，Yi，Zi為第i顆衛(wèi)星的空間坐標；X，Y，Z為GPS接收機的地理坐標；C為GPS信號傳播速度；Vti為衛(wèi)星鐘差；Vt0為接收機鐘差。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

當系統(tǒng)中超聲波傳感器模塊監(jiān)測到有移動物體靠近鐵塔時，通過其測距功能，判斷該移動物體是否滿足在鐵塔絕緣距離以外，如果檢測到移動物體與鐵塔絕緣距離小于規(guī)范要求7 m，則系統(tǒng)立刻發(fā)出指令，聲光報警裝置響應(yīng)動作，對移動物體發(fā)出警報。如果警報時間持續(xù)較長，超過系統(tǒng)設(shè)定值，則GPS定位系統(tǒng)將警報所在區(qū)域數(shù)據(jù)傳送至中心管理系統(tǒng)。反之，GPS模塊不動作。該系統(tǒng)詳細流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

隨著我國電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行變得十分重要。如何避免故障、快速定位故障區(qū)域，減少檢修時間，防止大面積長時間停電變得十分重要。基于外力破壞故障是電力系統(tǒng)中導(dǎo)致跳閘的重要因素，通過輸電線路預(yù)警系統(tǒng)，能在一定程度上避免外力對電網(wǎng)的影響，通過GPS定位功能快速到達預(yù)警地區(qū)，減小巡檢時間，加快故障修復(fù)速度。該預(yù)警系統(tǒng)可以保障電力系統(tǒng)的安全運行，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性。

［1］邵天曉.架空送電線路的電線力學(xué)計算（第二版）［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［2］GB50061-2010.66 k V及以下架空電力線路設(shè)計規(guī)范［S］.2010.

［3］GB50545-2010.110 k V-750k V架空輸電線路設(shè)計規(guī)范［S］.2010.

［4］Ping Chen，Bingyin Xu，Jing Li，Yaozhong Ge.Modern travelling wave based fault location techniques for HVDC transmission lines［J］.Transactions of Tianjin University，2008，14（2）：139-143.

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［8］陳景彥，白俊峰.輸電線路運行維護理論與技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2009.

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