智能輸電線路狀態監測裝置可靠性分析

潘　凌，王　濤，陸宇航，胡玉梅，秦　歡

（1.國網新源控股有限公司技術中心，北京100161；2.國網錦州供電公司，遼寧錦州121000；3.國網北京市電力公司，北京100072）

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智能輸電線路狀態監測裝置可靠性分析

潘凌1，王濤2，陸宇航3，胡玉梅1，秦歡3

（1.國網新源控股有限公司技術中心，北京100161；2.國網錦州供電公司，遼寧錦州121000；3.國網北京市電力公司，北京100072）

摘要：介紹了目前智能輸電線路采用的狀態監測裝置運行現狀，并對導線溫度、弧垂、覆冰和微氣象、防外力破壞視頻、絕緣子污穢度、桿塔傾斜、風偏等輸電線路狀態監測裝置可靠性進行了研究分析，提出了有效的可靠性提升措施，最后對狀態監測裝置發展方向進行了分析和展望。

關鍵詞：輸電線路；狀態監測裝置；可靠性

0　前言

近年來，中國大力開展堅強的智能電網建設，圍繞智能電網推動能源互聯網的發展，不斷提高能源利用效率，促進能源生產和消費方式的變革。抽水蓄能具有運行方式靈活和反應快速的特點，是建設智能電網、保障電力系統安全穩定運行的最成熟、最經濟的大規模儲能工具，為特高壓遠距離輸電保駕護航，是智能電網的有機組成部分。智能輸電線路也是智能電網的重要組成部分，以先進材料、靈活調控和信息通信為支撐，綜合應用狀態監測、安全預警、動態增容等技術，具有安全可靠、信息融合、靈活高效、節能環保等特征。狀態監測技術是智能輸電線路重要基礎，能實現對輸電線路運行狀態的實時感知、監視預警等功能，在輸電線路上得到大量應用，但過去由于缺乏統一完善的技術標準和檢測體系，狀態監測裝置的質量參差不齊，運行安全性、可靠性、準確性得不到保證，不能真實有效的反映輸電線路實際運行狀況，一旦裝置誤報或者損壞，還會增加生產人員的運行維護工作量，提升狀態監測裝置的可靠性是智能輸電線路的重要研究方向。

1　輸電線路狀態監測裝置現狀

目前國家電網公司在運的主要輸電線路狀態監測裝置有圖像/視頻、微氣象、等值覆冰厚度、桿塔傾斜、絕緣子污穢度、導線溫度、弧垂、振動、舞動、風偏等，具備了數據展示、告警、分析等基本功能。狀態監測裝置已在系統110 kV以上交直流線路中得到了大量的應用，包括特高壓交、直流線路。截至2013年7月底，輸電線路在線監測裝置接入主站數10 000余套，實時接入裝置7 000多套，覆蓋線路數4 000條。從接入主站系統的在線監測裝置種類來看，圖像監測占35 %；視頻監測占13 %；微氣象監測占22 %；等值覆冰厚度監測占9 %；發現220 kV及以上輸電線路嚴重和危急缺陷300余次。狀態監測裝置由于長期暴露在自然環境中，在可靠性、使用壽命、準確性、穩定性方面與運行需求還存在較大差距，在通訊鏈路、電源選型等方面存在薄弱環節，平均無故障時間僅為1年左右，在低溫、覆冰等極端天氣下難以有效發揮作用，與一次設備長壽命、高可靠性相比，監測裝置運維矛盾十分突出，尚不能支撐大檢修體系建設的需要。

1.1微氣象監測

對33套微氣象監測裝置進行分析，其中浙江10套、湖北9套、河南8套、四川4套、寧夏2套，電壓等級覆蓋了交流1 000 kV、500 kV、330 kV、220 kV及直流±800 kV、±660 kV、±500 kV，接入率為99.47%、數據丟失率為3.58%、數據準確率為94.58%。

微氣象監測裝置主要采集線路安裝點附近的氣溫、降雨量、濕度、風速、風向、氣壓等氣象單元，可為線路設計提供線路走廊局部區域歷史氣象數據，可為線路故障跳閘原因的分析提供數據支持，是生產實際所需要的。尤其對處于覆冰區線路，通過溫度和濕度監測數據判斷線路是否具備覆冰條件具有重要作用，且目前技術已逐漸成熟，建議在覆冰區線路和微氣象區域繼續擴大使用，但微氣象監測中對降雨量、降水強度等的監測需求沒有溫濕度監測高，且易受污穢、覆蓋物、覆冰等野外環境的影響，難以準確測量，且無法開展數據比對。

1.2等值覆冰厚度監測

對30套等值覆冰厚度監測裝置進行分析，其中安徽10套、河南8套、湖北7套、四川3套、浙江2套，電壓等級覆蓋了交流1 000 kV、500 kV、220 kV、110kV及直流±800kV、±500kV，接入率為98.21%、數據丟失率為2.05 %、數據準確率為89.75 %。

等值覆冰厚度監測裝置的基本原理是采用拉力傳感器取代球頭掛環，來測量綜合懸掛載荷，再通過覆冰數學模型計算，并考慮無冰時的風荷載、覆冰時的風荷載，得到估算的標準覆冰厚度或近似冰密覆冰厚度。考慮到裝置在計算覆冰厚度的過程中桿塔檔距等基礎信息的準確性、拉力傳感器精度、風速傳感器精度以及傾角傳感器精度對結果均有較大影響，其計算過程中的不可控量較多，整個覆冰厚度的計算都是考慮理想的均勻覆蓋在導線表面，覆冰的物理參數也均是理想考慮，與線路實際運行情況多有不同，計算模型需進一步驗證和優化。等值覆冰厚度監測裝置通過率僅為50 %，體現在拉力傳感器和角度傳感器的準確度未達到要求，

1.3桿塔傾斜監測

對30套桿塔傾斜監測裝置進行分析，其中山西10套、浙江6套、河南5套、湖北5套、寧夏2套、陜西2套，電壓等級覆蓋了交流1000 kV、500 kV、220 kV、110 kV及直流±800 kV、±660 kV、±500 kV，接入率為99.51 %、數據丟失率為2.91 %、數據準確率為83.80 %。

桿塔傾斜監測裝置主要采集線路安裝點桿塔的縱向和橫向傾斜角度，通過這些數據判斷桿塔的傾斜狀況，有助于運維單位實時進行分析，了解線路桿塔的實時情況，尤其對于采空區、易滑坡區段的桿塔，符合生產實際所需要，但目前成熟度尚有所欠缺。

1.4視頻監測

對31套視頻監測裝置進行分析，其中安徽10套、湖北10套、寧夏9套、河南2套，電壓等級覆蓋了交流500 kV、110 kV及直流±800 kV、±660 kV、 ±500kV，接入率為94.99 %、數據丟失率為7.62 %、數據準確率為94.75 %。

視頻監測裝置主要通過各類攝像頭在不同的預置位對線路環境進行視頻/拍照，并將視頻和圖片上傳到輸變電設備狀態監測系統，其工作原理相對簡單直接。可觀察線路及塔下情況，對線路的防外破，防山火，導線覆冰、舞動以及通道樹木易生長地段監測有較好的監視效果。但也存在裝置耗電量較大、公網通信費用高，受帶寬影響無法長時間高清晰瀏覽等問題，目前主要采取的節電策略是裝置正常情況下處于休眠狀態，需要觀看視頻時對裝置進行喚醒操作，以節省裝置耗電量；視頻裝置接入需采用OPGW光纜地線接入系統，以滿足視頻的帶寬和安全接入要求。

1.5圖像監測

對22套圖像監測裝置進行分析，其中浙江10套、河南7套、湖北4套、安徽1套，電壓等級覆蓋了交流1 000 kV、500 kV、220 kV及直流±800 kV、±500 kV，接入率為95.74 %、數據丟失率為7.31 %、數據準確率為94.53 %。

圖像監測裝置主要拍攝線路安裝點附近的實時信息，通過這些數據量的采集，有助于運維單位第一時間了解線路桿塔通道附件的實時情況，及時發現安全隱患，避免安全事件發生，具有視頻監測同等作用又可降低網絡帶寬要求，對于外力破壞、施工建房、樹木生長等更有明顯優勢，圖像監測技術已逐漸成熟。

1.6導線溫度監測

對21套導線溫度監測裝置進行分析，其中浙江12套、湖北5套、寧夏3套、河南1套，電壓等級覆蓋了交流1 000 kV、500 kV、220 kV、110 kV及直流±800 kV、±500 kV，接入率為98.12 %、數據丟失率為4.35 %、數據準確率為97.84 %。

導線測溫裝置主要采集安裝桿塔導線的實時溫度，掌握線路運行情況及導線溫度，可為線路動態增容提供判據，具有一定應用價值，目前技術較為成熟。

1.7風偏監測

對21套風偏監測裝置進行分析，其中浙江11套、寧夏5套、湖北5套，電壓等級覆蓋了交流500kV、330 kV、220 kV及直流±500 kV，接入率為96.67 %、數據丟失率為5.43 %、數據準確率為96.52 %。

導線風偏監測裝置主要采集安裝桿塔絕緣串、跳線的偏斜角，可監測大風等異常天氣時的導線偏移量，其監測值對導線閃絡等故障的分析有一定作用。

1.8微風振動監測

對15套微風振動監測裝置進行分析，其中浙江6套、湖北5套、安徽3套、河南1套，電壓等級覆蓋了交流1 000 kV、500 kV及直流±800 kV、±500 kV，接入率為98.41 %、數據丟失率為6.24 %、數據準確率為95.14 %。

微風振動裝置主要通過彎曲振幅法等方法測量導地線在線夾出口89 mm處的動彎應變，主要用于跨越江河的大跨越或有過較大振動的大檔距線路，對于判斷導線線間閃絡、線間鞭擊、導線斷股等運行事件有較好的作用，但裝置傳感器是安裝在導線上，安裝和檢修維護均需結合線路停電進行，協調難度較大。

1.9舞動監測

對8套導線舞動測裝置進行分析，其中湖北5套、冀北3套，電壓等級為交流500kV、直流±800kV，接入率為76.50 %、數據丟失率為8.91 %、數據準確率為97.77 %。

導線舞動在線監測裝置主要作用就是實時檢測導線在垂直向及水平向的振動，包括振幅及振頻、波峰及波谷。該裝置由信息采集模塊、單片機、射頻通信模塊構成，信息采集模塊利用三維加速度傳感器配合陀螺儀拾取導線橫向舞動的軌跡，得到Z向（水平向）振幅及頻率，Y向（垂直向）振幅及頻率。單片機對采集的舞動數據進行處理，并通過射頻模塊用短距離無線的方式將數據傳送給桿塔的子站，然后通過GPRS傳至后臺系統。從原理上看，舞動監測裝置能夠反映運行線路導線的舞動情況，有效預警線路舞動，可減少人員現場巡檢的工作。

1.10導線弧垂監測

對7套導線弧垂監測裝置進行分析，其中浙江6套、寧夏1套，電壓等級為直流±660 kV、±500 kV，接入率為95.24 %、數據丟失率為1.23 %、數據準確率為85.71 %。

湯翠是第二天下午返回來的。院子平了，碎磚碎瓦也都被推走了，南菜已經天翻地覆了，過了今天，南菜恐怕只能在照片中看到了。幾臺鏟掘機還在工作，它們在破壞，也在建設。鏟掘機們張開巨大的鐵手，毫不費勁地插入堅硬的土地里。湯翠沒想到，新翻上來的土呈紅褐色，像人的血。湯翠暈血，趕緊閉上眼。

導線弧垂在線監測裝置主要是實時監測導線的弧垂變化情況，主要用于線路交叉跨越區域、動態增容等實時監測，保證線路的安全距離。但是由于是間接測量方法，弧垂的計算模型需要線路檔距、高差、導線型號等基礎數據支撐，計算過程中的不可控量較多，整個弧垂的計算模型和相關參數需進一步驗證和優化。

1.11污穢度監測

對2套污穢度監測裝置進行分析，其中湖北1套、山西1套，電壓等級為交流1 000 kV，接入率為100.00 %、數據丟失率為4.84 %、數據準確率為91.25 %。

絕緣子污穢度監測主要通過鹽密、灰密、氣溫、相對濕度等狀態量的監測，便于運行人員實時了解線路周邊環境，實用性較強，符合生產實際需要，但是成熟度不高。

2　狀態監測裝置可靠性存在問題分析

通過對國網公司輸電線路狀態監測裝置應用情況的分析，目前在標準體系建設、生產制造工藝、關鍵部件檢測等方面還存在問題，造成裝置可靠性無法滿足運維需求。

2.1標準體系建設方面

（1）部分裝置技術標準不完善。在線監測裝置現有標準體系中，在供電電源檢測、各類裝置專用檢測、通訊鏈路調試等方面存在標準缺失情況，相關工作無章可循。

（2）安裝調試、驗收、運維管理等環節標準缺失嚴重。各地區在安裝調試過程管控、裝置驗收項目、驗收標準、驗收方式以及裝置運維管理上存在較大差異，部分地區相關工作隨意性較大。數據應用標準有待進一步完善。

（3）主站系統建設標準存在缺失情況，主站系統存在功能單一、高級分析功能缺失、數據匯總分析功能無法適應海量數據分析需求、數據對比分析能力有限等情況，與實際設備監控需求存在差距。

（1）部分產品設計選型不當。

部分裝置硬件設計不合理，裝置內部功耗過大，影響裝置運行穩定；部分裝置內部電路板安裝結構設計不良，導致線路板安裝后產生彎曲應力后失效。蓄電池選型錯誤，在惡劣運行環境下，多種類型蓄電池性能下降明顯，無法滿足實際運行需求。此外，部分產品缺乏科學完善的充放電控制策略，不能科學有效的使用蓄電池，導致蓄電池性能無法發揮到最佳效用。部分裝置接口防護能力設計考慮不周，易出現過電壓引起電容燒壞，在接頭設計時多個端子選用相同型號，安裝過程易出現錯位安裝。防潮設計不當，密封處理不好，使裝置性能受到影響，如電路板的防潮濕處理不當，會引起內部銅皮的腐蝕。早期的裝置不具備遠程調試和軟件故障分析及故障報警的功能，裝置的運行狀態未知，不利于對裝置運行情況的掌握以及裝置的持續優化升級。部分圖像視頻監測裝置密封不好，水汽、昆蟲等進入前端攝像頭內部情況時有發生，導致攝像機部件失效或所拍攝的圖片模糊；此外，部分裝置防電磁干擾的設計不足，圖像出現條紋、圖像不清楚的情況，云臺誤動作情況偶爾發生。部分微氣象監測裝置強度設計不足，采用傳統機械式風速風向傳感器的尾翼和風杯在強風天氣下被吹斷。在長期運行中，易產生積污、銹蝕造成卡滯等問題，導致測量數據失真。

（2）生產工業化程度低。

部分生產廠家缺少必要的批量化、標準化工業生產規模與能力，仍采用手工作坊式加工，裝置運行穩定性較差。對裝置的標準化、模塊化、小型化的設計工作進展較慢。機箱內部端子采用的接插式組件固定不良，曾出現過端子排脫出以及個別端子接線脫落，導致現場調試時發現裝置不正常工作的情況。

（3）組件選材不合理。

部分生產廠家選擇的機箱和緊固件及接口件等部件質量差，緊固不嚴，致使接頭在應用過程中脫落；部分部件在惡劣運行環境下出現銹蝕；在野外紫外線輻射下，部分裝置選用的防護部件及外接電纜容易出現老化裸露現象。在電纜的選型方面對抗拉強度沒有進行充分的考慮，裝置安裝過程中出現斷線現象。部分生產廠家提供的太陽能組件輸出功率變化大，與蓄電池的匹配程度較低。部分生產廠家所選用熱敏電阻型式的傳感器用于監測導線溫度，不能滿足標準要求的測量范圍內的測量精度。

（4）零部件和裝置檢測不足。

部分生產廠家缺少必要的來料檢驗和出廠檢驗設備，在產品樣機研發階段對各元器件性能參數沒有深入研究與測試，驗證性試驗的種類和數量還不能滿足可靠性設計要求，如對等值覆冰厚度監測用拉力傳感器未進行必要的校零，導致所測得的拉力數據嚴重失真；此外，當工程項目實施較多時，存在裝置整體運行測試時間短、測試時間不充分的情況。生產廠家來料檢驗和出廠檢測指標體系及管理規程尚不健全，造成供貨質量、供貨周期上無法滿足生產進度要求，普遍存在供貨周期長、產品質量存在問題。部分生產廠家選用的元器件的供應商更換比較頻繁，使得元器件的貨源渠道不穩定，外委加工電路板時常發生虛焊、錯位等質量問題。

2.3產品到貨檢測環節

未建立完善的到貨檢驗體系。目前，多數網省公司裝置檢驗能力建設存在不同程度滯后，無法開展裝置安裝前性能檢測與裝置抽檢，再加上部分生產廠家缺少必要的裝置檢測手段，導致裝置在安裝后及裝置運行中出現故障概率較大。

2.4安裝調試與驗收環節

（1）安裝調試與驗收不規范。各廠家的裝置安裝調試差異性較大，部分生產廠家提供的裝置安裝等材料無法指導現場安裝工作，安裝前現場施工人員的培訓以及指導不到位，造成安裝裝置不規范，使得裝置運維存在安全隱患，如線上傳感器安裝緊固件復雜，不便于安裝操作；裝置安裝過程中安全性考慮不足，裝置吊裝時會與鐵塔發生碰撞，易造成裝置損壞；各地區對驗收周期、驗收項目與驗收標準選擇不一。

（2）通訊鏈路質量對裝置穩定運行影響較大。裝置受各電信廠商未移動網絡覆蓋區域影響較大，偏遠山區信號強度不能滿足數據通訊需求，信號強度弱、誤碼率高、通信速率低等現象時有發生。此外，移動通訊運營商在辦理內網卡時常出現IP綁定不正確、APN未正確設置等情況，由于缺少檢驗手段，對項目實施進度有較大影響。

（3）前端監測裝置與CMA裝置生產廠家設備供應存在不匹配現象。部分CMA設備生產廠家在設備供貨、加密芯片ID號碼確定等方面無法與裝置供貨時間匹配，影響整體工程進度。

2.5運行維護環節

在線監測裝置運維工作量大，涉及專業眾多，專業性強，目前，部分單位尚未明確劃分在線監測裝置的運行維護職責和制定運維管理制度，缺乏專門監測裝置運維隊伍和必要的運行維護能力。

2.6數據應用環節

各地區對監測裝置通訊規約理解差異較大，網絡架構、模型的計算方法選擇不同。同時主站系統功能有待進一步完善，主站系統尚未具備參數配置協議、報警參數配置協議、遠程升級協議等功能，裝置遠程軟件升級無法實現，功能有待進一步完善。

3　狀態監測裝置可靠性提升措施

3.1通用提升措施

（1）電源系統：從電池選型、功耗管理、電源控制、溫度保護4個方面對供電系統進行可靠性提升。為提高供電可靠性，應使用大容量蓄電池，并采用雙路備份供電模式。電源系統宜單獨設計，方便主控箱與電池箱的安裝與維護，根據不同的應用環境，配置不同類型和容量的電池保證供電的可靠性；最大限度降低系統功耗；選取智能型充放電控制器對電源的工作狀態進行實時監控，掌握電源的充放電狀態、電池電量等信息，進行科學的電源管理；針對不同的應用環境，設計保溫機箱，保證機箱內處于合適的溫度，提高電池的充放電性能。

（2）核心主控制器：核心主控制器就是在線監測主機，內部完成數據的采集、處理和數據上送等功能，是保證輸電線路狀態監測裝置工作可靠性的另外一個重要單元。主要的改進措施有：硬件功能單元應采用模塊化設計；采用高性能芯片，使CPU運行效率更高，內部連線進行簡化，降低靜態消耗電流；采用工業級或軍品級的元器件，加強傳感器抗干擾設計；提升通訊及數據傳輸能力。

（3）提升軟件的可靠性，從需求分析、前期設計到最后的測試，嚴格按照軟件工程的流程，提高程序的可靠性、接口規范性及代碼編寫效率，減少設備生產測試的復雜性，對所有數據都進行有效性檢查，對一般數據進行雙備份，對重要數據進行四備份，每次軟件版本升級都不會破壞原有的數據；提高代碼的可讀性、可移植性和軟件的質量，軟件模塊的分類清晰，相互之間獨立性強，耦合度低，方便后期的軟件維護、移植和升級。

（4）添加防雷模塊、系統監控模塊，充分提升產品可靠性。防雷模塊能有效地提高產品電磁兼容防護水平，在強干擾環境下提升產品防護水平。系統監控模塊完全獨立于主控電路，對主控電路進行實時監控，當主控電路出現異常時對其進行恢復操作。

此外，還應提高裝置抗電磁干擾能力和防護水平，對監測裝置機箱、外部線纜、數據集中器、硬件接口進行優化設計，提升設備的抗干擾能力，并進一步增強防水和防銹性能。

3.2專用提升措施

（1）微風振動監測可靠性提升措施。對于測量原理為加速度法的微風振動傳感器，由于線路發生微風振動時，導線和線夾還存在一個絕對值上的振動或者晃動，所以此方法采集不到導地線在線夾出口89 mm的相對振動位移。可采用懸臂梁法測量微風振動，此方法技術原理簡單、成熟，是國際上測量微風振動的主流方法。

（2）風偏角度測量傳感器不應采用中值標定法，其測量誤差較大；應提高角度傳感器的采集精度，改良風偏的標定方法，提高風偏監測裝置的測量精度。

（3）微氣象監測質量提升措施。微氣象監測裝置中的風速風向傳感器不應采用機械式風速風向傳感器。機械式傳感器長時間工作后，軸承中的潤滑油會老化，所以長時間工作后，風速測量的準確度會下降，而且機械式傳感器容易結冰，風杯會轉不動。為提高可靠性，宜采用沒有機械結構的超聲波風速風向傳感器。

（4）等值覆冰厚度監測質量提升措施。覆冰傳感器要開展拉力傾角總線器優化設計，提高傳感器的獨立性和可靠性，采用航空插頭，加強接口防護。

覆冰模型中，應全面考慮風載的影響，對裝置的監測模型進行優化，即當覆冰厚度達到一定程度后，考慮風載的影響，嵌入導線覆冰生長預警模型。

（5）導線溫度監測質量提升措施。針對現場實際情況，對導線溫度監測裝置中溫度傳感器進行優化，傳感器由熱敏電阻改為鉑電阻，提高監測裝置的測量范圍、精度。

（6）視頻與圖像監測主要應提升數據傳輸的可靠性。

（7）桿塔傾斜監測應提高精度、數據處理能力和增強穩定性，降低功耗，采用高精度帶處理芯片的雙軸傾角傳感器。

4　結論與展望

輸電線路狀態監測裝置需要繼續提高可靠性，規范裝置設計與選型，修訂完善在線監測標準體系，在海量數據處理、匯總分析、故障診斷、智能評估等方面深化狀態監測數據應用研究，提高監測數據的準確性和分析利用水平，完善主站系統功能，優化裝置告警閾值與策略，提升輸電線路智能化水平。

參考文獻：

[1]易輝.輸電線路狀態監測與狀態維修技術[J].線路通訊, 2003（5）.

[2]張成文，劉德玉.基于MT9075芯片的PCM線路測試儀的設計[J].電子器件，2005（12）.

[3]王曉希.特高壓輸電線路狀態監測技術的應用[J].電網技術，2007（11）.

[4]李先志，杜林，陳偉根，等.輸電線路狀態監測系統取能電源的設計新原理[J].電力系統自動化，2008（01）.

[5]吳波，盛戈皞，曾奕，等.多電池組太陽能光伏電源系統的設計與應用[J].電力電子技術，2008（02）.

[6]俞坤師，陳軒怒，劉飛.基于ZigBee輸電線路多元化在線監測系統的設計[J].電工技術，2009（02）.

作者簡介：潘凌（1975-），女，高級工程師，從事電力系統技術監督管理工作。

收稿日期：2016-01-25

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.04.014

中圖分類號：TM73

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2016）04-0041-05