電力行業輸電線路在線監測技術的應用及展望

隨著電網的快速發展，輸電線路在線監測技術在保障電網安全運行、提高電網輸送能力等方面發揮著日益重要的作用。本文介紹了目前輸電線路在線監測技術的主要類型及其監測原理，并結合應用現狀，分析了存在的不足之處，探討了輸電線路在線監測技術的發展方向。

電力行業輸電線路在線監測技術的應用及展望

國網重慶市電力公司電力科學研究院 宋 偉、周 慶、鄧幫飛、張海兵、肖前波/文

一、引言

輸電線路在線監測技術的開發和推廣應用是電網安全運行、提高電網輸送能力的必然要求。架空輸電線路是電網資產最大，分布最廣，設備運行環境復雜、惡劣，外力影響因素多發的電力環節。由于輸電線路的設備安全問題大多無法通過肉眼發現，如導線運行溫度過高、弧垂變化、風偏放電、微風振動、桿塔傾斜等，因此，有必要在輸電線路上安裝相應的傳感設備，通過在線監測技術實現輸電線路設備危害的及時感應，判斷線路設備的運行狀態，對危急狀況進行及時預警。

二、輸電線路在線監測裝置的工作原理

輸電線路在線監測技術是在不影響設備運行的條件下，通過直接安裝在輸電線路上的監測設備，對線路運行狀態的特征量進行連續或定時記錄、傳輸及處理的技術。輸電線路在線監測是智能電網建設中輸電環節的重要組成部分，是實現輸電線路狀態檢修、提升輸電線路安全運行水平的重要技術手段。

輸電線路在線監測系統通常包含監測單元、在線監測基站、監測管理平臺等，是典型的二級網絡結構。其工作過程如下：在導地線、絕緣子、桿塔上安裝監測單元，實時或定時將受監控設備的狀態數據及氣象環境等信息，通過無線傳感器網絡發送至裝在桿塔上的在線監測基站，基站再通過無線傳輸通信網絡將信息數據發送至監測管理平臺，監測管理平臺對信息進行存儲、分析處理、顯示及預警。監測管理平臺也可發出控制指令，通過監測基站控制監測單元進行數據采集，或改變監測單元的工作狀態。

輸電線路在線監測技術包括：

1.導線覆冰監測

導線覆冰監測主要采用稱重法監測輸電線路等值覆冰厚度，監測的特征量主要有溫度、濕度、風向、風速、導線溫度、絕緣子縱向傾角、桿塔掛點處荷載等。通過在懸垂絕緣子串上安裝拉力傳感器、角傳感器，測量絕緣子串的縱向偏斜角度以及絕緣子串作用在桿塔掛點處的拉力大小，根據力矩平衡和力平衡條件，可以計算得到作用在絕緣子串上的導線綜合荷載大小。輸電線路覆冰時，作用在輸電桿塔上的綜合荷載包括垂直檔距內的導線荷載、覆冰荷載以及風荷載。風荷載可根據風速風向的測量結果，按照輸電線路設計規范計算得出；導線荷載可根據導線型號、桿塔檔距等設計參數計算得出。利用以上信息即可計算得到覆冰荷載，進而計算得到導線等效覆冰厚度。

2.現場污穢度監測

現場污穢度在線監測裝置主要采用光傳感器鹽密在線監測法，全天候地采集運行狀態下絕緣子串泄露電流和溫度、濕度等氣象參數。光傳感器測量鹽密是基于介質光波導中的光場分布理論和光能損耗機理。置于大氣中的低損耗石英棒是一個以棒為芯、大氣為包層的多模介質光波導。在石英棒上無污染時，由光波導中的基模和高次模共同傳輸光的能量，其中絕大部分光能在光波導的芯中傳輸，但有少部分光能將沿芯包界面的包層傳輸，光波傳輸過程中光的損耗很小。當石英玻璃棒上有污染時，由于污染物改變了高次模及基模的傳輸條件；同時，污染粒子對光能的吸收和散射等產生光能損耗；該裝置的光傳感器就是利用檢測、分析光能以及相關參數來測量“鹽密”。所使用的光傳感器對大氣中鹽污十分靈敏，它可以高精度測量鹽密，并不受人為因素的影響。將傳感器與絕緣子串處于相同環境，通過計算可得出絕緣子表面的鹽密值。

3.線路風偏監測

輸電線路風偏在線監測裝置包括檢測儀、氣象環境監測儀和監測中心，風偏檢測儀多采用雙軸角度傳感器，可以安裝在絕緣子低壓端或導線（跳線）上，以對輸電線路的絕緣子串風偏角、搖擺角和導線風偏角、搖擺角進行測量。氣象環境監測儀安裝在桿塔上，根據需要對現場溫度、風速、風向等微氣象參數進行實時監測，監測中心設置在線路運行單位。

4.微風振動監測

輸電線路導線微風振動的實時監測裝置是利用高精度加速度傳感器高速測量采樣周期內所有振動的波形，并對波形數據進行處理，獲得導線振動的頻率、振幅和各種頻率的振動次數，并可通過分析軟件進一步計算導線懸掛點出口處的動彎應變和應力以及被測導線大致的估算壽命。導線微風振動的實時監測裝置還配有氣象采集單元，用于提供線路當地的氣象參數，如溫度、濕氣、風速、風向、日照、雨量等，不同氣象條件的風速、特別是不同環境溫度將直接影響電線張力，從而影響導線的振動水平。所以通過氣象參數和導線振動數據的綜合，可以分析各種氣象條件下導線微風振動的實際情況。

5.導線舞動監測

導線舞動在線監測裝置主要通過在導線上安裝舞動在線監測裝置（數據采集終端），采集現場導線舞動的幅值、頻率、溫度、濕度、風速、風向等氣象參數。在一檔導線中安裝多個導線舞動采集單元的方式進行舞動監測，導線舞動采集單元可采集三個方向的加速度信息，通過對導線上監測點加速度的采集和分析，可利用相關數學模型分析出導線舞動監測點處的振動頻率、振幅等信息。通過一檔內多個舞動點處的加速度的計算分析，以及相應檔內的線路基本信息，可分析舞動線路的舞動半波數及可計算導線運行的軌跡相關參數。通過GPRS無線通訊網絡將有效參數傳往監控中心。后臺軟件分析系統利用趨勢分析技術、人工智能、模糊判斷、迭代技術等手段對數據和桿塔的設計參數進行分析處理，推導出輸電線路的舞動狀況。再根據現場氣象條件和近期氣象預報，預測舞動的發展趨勢；依據運行經驗和設計標準設定預報警值，采用多種方式預、報警。

6.導線溫度監測

導線溫度在線監測裝置主要采用接觸類導線溫度采集單元。接觸類導線溫度采集單元是指安裝在導線上的導線溫度采集單元，其測溫傳感元件與導線、金具表面可接觸；測溫時采用合理的固定方式，將鉑電阻、熱敏電阻、數字溫度傳感器等溫度傳感元件與導線、金具外表面充分接觸，經過傳感、信號處理和無線傳輸等，實時獲取監測點導線或金具表面溫度。

7.導線弧垂監測

導線弧垂在線監測裝置主要采用雙軸角度傳感器監測現場的弧垂、對地距離參數，根據模型進行相應分析計算，得到最小電氣間隙等，準確掌握現場的導線弧垂狀況。角度傳感器測量元件采用雙軸[x軸（橫線路方向）、y軸（順線路方向）]角度傳感器，根據測量重力加速度在加速度傳感器敏感軸x軸、y軸方向上的分量，即可計算出弧垂采集單元在兩個方向上的角度，進行依據桿塔的相關參數，可計算導線傾角，通過相關公式模型換算出弧垂值和對地距離。

8.桿塔傾斜監測

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。

9.圖像視頻監測

視頻監測裝置主要為攝像頭，攝像頭采用定焦鏡頭，免去自動對焦過程產生的額外功率消耗，視頻監控裝置分別安裝在輸電線路監視點附近的桿塔上，同一裝置上可以有1～3個攝像頭分別采集導線、地面和桿塔等的圖像信號。

圖像監測裝置采用CCD攝像機通過屏蔽雙絞線輸出的模擬視頻信號送入數據集中器的視頻處理傳輸模塊，進行視頻采樣、A/D轉換，將模擬視頻信號轉成數字信號，之后送入計算處理單元進行壓縮、存儲處理，最后將壓縮后的數字圖視頻信號通過CDMA/3G網絡傳送到監控中心。

表1 輸電線路在線監測裝置按電壓等級裝用情況

圖1 輸電線路在線監測裝置類型分布

圖2 輸電線路在線監測

10.微氣象監測

通過氣象傳感器，監測現場的風速、風向、氣溫、濕度、大氣壓強、降水量、光輻射等參數。采集裝置把采集到的參數通過公網向狀態監測系統發送，狀態監測系統完成對監測數據的轉換和處理。

三、在線監測裝置供電方式

輸電線路在線監測裝置一般安裝在野外環境，必須開發獨立的供電裝置為其供電。目前國內外輸電線路在線監測系統的供電方式主要包括用電流互感器從高壓導線取能方式、激光供能方式、蓄電池供電方式和太陽能供電方式等。

1.利用電流互感器感應供電

感應供電電源由感應裝置和電源整流電路組成。其中，感應裝置主要由鐵芯和環繞在鐵芯上的線圈組成，用于感應電力線周圍交變電磁場的能量，以交變電壓的形式送入電源整流電路進行處理，電源整流電路把交變的電壓轉為直流電壓給監測裝置提供電源。該方法必須經過整流、濾波、穩壓等環節，增加了誤差來源，降低了電源的穩定性能。

2.激光供能

激光供能是采用激光或其他光源從低壓側通過光纖將光能傳送至高壓側，再由光電轉換器件將光能轉換為電能，通過降壓后輸出穩定的直流電源。該方法的優點是通過光電轉換獲得的電源紋波小，但是壽命有限，造價高，維護困難。

3.蓄電池供電

蓄電池分為一次性蓄電池和可充電蓄電池。蓄電池輸出的電壓降隨著工作時間的增長會發生衰減，電池還會自放電，降低容量。由于一次性蓄電池的容量有限，而監測終端安裝在高壓架空導線上，短時間內無法更換電池，所以即使系統進行了低功耗處理，一次性蓄電池還是無法保證監測終端長時間的穩定工作；可充電蓄電池由于可循環充電，常作為輔助電源存儲電能，配合其他供電電源共同使用。

圖3 在線監測故 障裝置類型分布

圖4 在線監測故 障裝置

4.太陽能供電

太陽能供電主要通過太陽能—蓄電池組合供電方式供電。太陽能供電與蓄電池供電結合，白天有日照時太陽能陣列向負載供電，并向蓄電池充電，在夜晚或陰雨天缺乏日照時，由蓄電池向負載放電，以保證系統供電的連續和穩定。安裝在桿塔上的太陽能電池板把太陽能轉化為電能并儲存于主機箱內的蓄電池組內，為主機箱提供電源，可保證在冰、雨、無光照天氣下主機箱仍能持續工作。

四、監測信息的無線傳輸、處理及診斷技術

1.信息無線傳輸技術

在電力系統在線監測中常用的通信方式有電力線載波通信、光纖傳輸、CDMA、GPRS、Wi-Fi等。不同的通信方式在性能、特點和應用上都不同，數據傳輸率、網絡覆蓋面積、功耗和組網方式等方面也各有差異。由于輸電線路線路長、分布廣，輸電線路在線監測系統的信息通信主要通過無線通信方式，有CDMA、GPRS、Wi-Fi、ZigBee等。在一定信號覆蓋區域內，充分利用GPRS/CDMA公共網絡通信平臺，實現中心對多點的數據傳輸；在無移動信號覆蓋區域內，則可以借助無線數傳電臺，通過無線接力等方式實現數據傳輸。

2.信息處理及診斷技術

后臺數據處理及診斷系統主要有兩個作用：1）對實時監測數據進行分析和計算，給出實時的分析結果供線路運行管理人員參考；2）對歷史數據進行分析，給出某段時間線路的運行情況，給出預測分析結果，并及時發出預警信息，可防止事故的發生。對傳感器采集到的信號進行處理分析的目的是抑制干擾和提取信號特征，其方法可分為時域分析、頻域分析等。診斷技術的發展趨勢是傳感器的精密化與多維化、診斷理論與診斷模型的多元化、診斷技術的智能化。其中數學診斷方法有模糊診斷、灰色系統診斷、故障樹診斷、小波分析、混沌分析與分形特征提取等；智能診斷方法有模糊邏輯、神經網絡、進化計算和專家網絡等；以特征量性質的診斷方法有閾值診斷、時域波形診斷、頻域特征診斷和指紋診斷等。

五、在線監測裝置應用情況分析

1.安裝規模

某地區于2009年開始推廣輸電線路在線監測裝置應用，截至2015年底，共計在71條線路上安裝了導線覆冰、導線溫度、導線弧垂、導線舞動、桿塔傾斜、微氣象、微風振動、現場污穢度、風偏和圖像10類輸電線路在線監測裝置177套，各類型裝置數量如圖1所示，按電壓等級裝用情況如表1所示。在線監測裝置運行年限分布如圖2所示，其中運行年限在1年以內的在線裝置較多，占比33.33%。

2.裝置運行情況及分析

該地區輸電線路在線監測裝置故障較為頻繁，運行情況不甚理想。177套裝置中73套裝置出現過諸如供電、通訊和傳感器等問題故障而不能長期正常運行，故障裝置涉及除導線舞動外的其余9類輸電線路在線監測裝置，如圖3所示。其中，圖像和微氣象在線監測裝置故障數量較多，占比達到54.79%。2015年度裝置故障率達到0.87次/（臺?年）。

輸電線路在線監測裝置故障的主要技術原因是電源供電問題。輸電線路在線監測裝置主要是通過太陽能-蓄電池方式供電，受自然環境影響，裝置安裝地區春秋季節多陰雨，冬季易出現霧霾天氣，在這三個季節日照較少，這致使蓄電池儲能不足，形成了在春、秋、冬三個季節由于蓄電池電量不足輸電線路在線監測裝置無法正常工作，主要體現為輸電線路在線監測裝置通信故障、無法接收指令等，2015年供電問題造成故障次數占總故障次數的42.21%，輸電線路在線監測裝置運行穩定性受到極大影響。同時，蓄電池長期處于儲能不足狀態又易造成其壽命下降，惡性循環導致供電能力嚴重衰減，蓄電池壽命僅有3—5年左右。運行年限在5年以上的故障裝置占比達到35.62%，如圖4所示。

電源供電不僅易引起故障的產生，同時也限制了部分類型監測裝置的實時性。以圖像和視頻在線監測裝置為例，由于其運行耗能較高，僅通過蓄電池供電無法滿足實時在線的需要，圖像和視頻在線監測裝置都是定時進行監測，監測時間有限，對突發性事件無法做到及時發現。

在運行過程中，除電源供電問題外，監測數據可靠性差也造成運行過程中出現諸多問題。2015年，該地區輸電在線監測裝置共有12臺發出告警，但是由于數據準確性差造成有效報警率極低。這與部分類型監測量并不是直接獲取，與裝置安裝位置、數學計算模型等有關，這造成計算結果不能反映真實情況。以導線覆冰為例，其通過集成角度傳感器的拉力傳感器測量拉力大小，進而計算得到導線等效覆冰厚度，但是受外部環境影響和計算模型限制，導線覆冰監測數據與實地輸電線路覆冰情況差異較大。

針對在運行過程中暴露出來的問題，輸電線路在線監測技術可從以下兩個方面進行優化提升：

（1）電源供電能力提升。目前的太陽能-蓄電池供電方式不僅無法滿足全天候實時監測的需要，同時受地區日照條件的影響較大。可以從蓄電池儲能容量和充電方式兩方面進行提升，通過采用更高儲能密度的新材料作為儲能介質，提高蓄電池的儲能容量；發展感應供電和蓄電池供電結合的組合供電方式，利用電磁感應從輸電線路取能供電，在線路負荷電流較小或停運時，由蓄電池供電，由于感應供電需要整流、濾波、穩壓等，提高感應供電的穩定性和抗沖擊能力將是將是這種方式需要解決的關鍵問題。

（2）監測裝置監測準確性提升。目前監測準確性仍存在不足，導致未能準確掌握輸電設備狀態。可以從兩方面進行提升：一是改進基礎算法，針對不同的外部監測環境優化計算模型，獲得更加準確的處理數據，提高監測的準確性；二是提升數據分析能力，通過數據診斷方法和智能診斷方法，實現對輸電設備狀態的預測和故障原因的智能分析。

六、展望

在線監測技術在輸電線路中已經大范圍應用，已經開始逐步取代傳統的人工巡檢方式，但是由于應用時間較短，實時性和可靠性仍有待提高。隨著傳感器技術、裝置供電技術、信息傳輸處理及診斷技術等關鍵在線監測裝置關鍵技術的不斷發展和完善，在線監測技術將逐步實現對輸電線路的長期實時監測，提高輸電線路的運行管理水平，在保障電網安全運行、提高電網輸送能力等方面發揮日益重要的作用。