基于LabVIEW軟件的輸電線路覆冰舞動災害在線監(jiān)測系統(tǒng)

摘 要： 輸電線路覆冰舞動災害是目前我國電網運行中面臨的主要災害之一，嚴重情況下會導致電網設施毀壞，產生巨大經濟損失。針對這一問題，研制了一種利用LabVIEW軟件及無線通信技術輸電線路覆冰舞動災害在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在硬件上采用工控機、PC工作站和服務器結合的方式，利用3G通信技術，對輸電線路舞動情況進行可視化在線監(jiān)控；同時，主控室軟件基于LabVIEW實現(xiàn)實時可視化接收數(shù)據，并建立了線路覆冰災害數(shù)據庫，根據不同時期監(jiān)測到的覆冰舞動情況、提出電網安全運行預防措施及建議。仿真和實驗驗證了該系統(tǒng)能夠準確、快捷地獲得覆冰舞動情況，可為電網安全運行提供重要支撐。

關鍵詞： 輸電線路； 覆冰舞動； LabVIEW； 監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號： TN98?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）02?0147?04

LabVIEW software based on?line monitoring system for overhead transmission line disaster caused by line icing and galloping

LI Hongjun1， QU Zhenjun2， LI Peng3

（1. Northeast Light Alloy Co.， Ltd.， Harbin 151000， China； 2. Jilin Electric Power Co.， Ltd.， Changchun 130000， China；

3. China EPRI Science and Technology Co.， Ltd.， Beijing 102200， China）

Abstract： The overhead transmission line disaster caused by line icing and galloping is one of the main disasters that the power grid operation in China is facing， which in severe cases can lead to the destruction of the power grid facilities， and cause great economic losses. To solve this problem， an on?line monitoring system applying with LabVIEW software and wireless communication technology for disaster caused by transmission line icing and galloping was developed， in which the combination of industrial computer， PC workstation and server is adopted for hardware， the visualization on?line monitoring of the transmission line galloping status is conducted with 3G communication technology. The master?control room software based on LabVIEW can receive real?time visualization data and establish the database of disaster caused by transmission line icing. The preventive measures and suggestions on the power network safe operation is proposed depending on icing and galloping status monitored at different periods. The simulation and experiment results verify that the system can obtain the icing and galloping situations accurately and quickly， which provides an important support for the safe operation of the power grid.

Keywords： transmission line； icing； galloping； LabVIEW； monitoring system

0 引 言

輸電線路覆冰舞動是目前高壓電網在運行中所面臨的一個災難性問題，由于其受氣候、地形等因素直接影響且產生機理復雜，很難對覆冰舞動災害做出準確預防，一旦線路覆冰發(fā)生舞動，將會引起倒塔、折塔、斷線等事故。在我國，對于線路巡視主要由人工現(xiàn)場觀測來實現(xiàn)，而覆冰產生大多是在地域荒涼、交通不便的地區(qū)，人工巡視難度大。因此，研發(fā)一種可以對輸電線路覆冰舞動情況進行在線監(jiān)測的系統(tǒng)是十分必要的，這對于提供輸電線路安全穩(wěn)定性具有重要實際意義。

在輸電線路覆冰機理研究方便，文獻[1]提出了一種在線測量輸電線路履冰厚度的新方法。文獻[2]建立了一個可以計算架空線路上積冰厚度的數(shù)值模型；文獻[3]介紹了中國輸電線路履冰的特點，分析了幾個由履冰引起的重大電力事故。文獻[4]研究發(fā)現(xiàn)冰的數(shù)量、類型、均勻度、導電性等會對擊穿電壓有非常明顯的影響。文獻[5]提出了根據線路導線懸掛點傾角和懸垂絕緣子串偏斜角進行輸電線路非均勻覆冰實時計算的模型和方法。在輸電線路覆冰在線監(jiān)測研究方面，已有諸多文獻開展了相關研究，例如文獻[6?10]對電網覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設思路和原則、結構、功能和關鍵技術進行來研究，提出了具有不同特點的輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)；文獻[11]介紹了通過遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)采集現(xiàn)場圖片，根據圖片直接分析導線的覆冰狀況的方法；文獻[12?15]分別利用全球移動通信系統(tǒng)、計算機圖形學及相應圖像識別技術，設計了具有不同特點的輸電線路覆冰圖像在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了輸電線路不同覆冰情況的可視化實時監(jiān)測。上述文獻主要是針對輸電線路覆冰進行的監(jiān)測，而針對覆冰舞動的監(jiān)測，仍需要進一步深入開展相關方面研究。

本文針對如何在線監(jiān)測覆冰舞動這一問題，提出了一種利用LabVIEW軟件及無線通信技術輸電線路覆冰舞動災害在線監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)在硬件上采用工控機、PC工作站和服務器結合的方式，利用3G通信技術，對輸電線路舞動情況進行可視化在線監(jiān)控；同時，主控室軟件基于LabVIEW實現(xiàn)實時可視化接收數(shù)據，并建立了線路覆冰災害數(shù)據庫，根據不同時期監(jiān)測到的覆冰舞動情況、提出電網安全運行預防措施及建議，可為電網安全運行提供重要支撐。

1 覆冰舞動災害在線監(jiān)控系統(tǒng)框架

本監(jiān)測系統(tǒng)框架設計主要側重于輸電線路覆冰舞動監(jiān)測，其整個系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 覆冰舞動災害在線監(jiān)控系統(tǒng)框架圖

輸電線路覆冰預警系統(tǒng)是一個實時的線路運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，在圖1中桿塔上安裝監(jiān)測傳感器用來監(jiān)測運行線路電測信號如電壓、電流、功率以及環(huán)境信號如溫度、濕度、風速等。攝像頭用來監(jiān)測實時的環(huán)境情況，監(jiān)測到的信號通過桿塔安裝的無線端傳輸信號，經由無線收發(fā)站向主工作站服務器傳輸實時監(jiān)測信號。主工作站服務器對接收到的現(xiàn)場信號進行處理后一方面，通過局域網傳送到總控屏與用戶監(jiān)視器中；另一方面經過電力系統(tǒng)數(shù)據網絡上傳到遠程客戶端，用滿足遠程處理要求。

2 軟硬件設計

2.1 軟件設計

輸電線路覆冰舞動災害在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件的設計是基于LabVIEW軟件技術。LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，廣泛地用于工業(yè)界、學術界和研究實驗室所，視為一個標準的數(shù)據采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足 GPIB，VXI，RS 232和 RS 485 協(xié)議的硬件及數(shù)據采集卡通信的全部功能。它還內置了便于應用TCP/IP，ActiveX等軟件標準的庫函數(shù)。這是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都易于掌握。

軟件設計主要包括數(shù)據庫服務器中的軟件、PC工作站和便攜式終端中的軟件兩大部分。系統(tǒng)軟件采用微軟推薦的三層結構進行設計，系統(tǒng)的軟件框圖如圖2所示。圖3為軟件系統(tǒng)中數(shù)據分析部分。

圖2 數(shù)據采集部分軟件

圖3 數(shù)據分析軟件部分

2.2 硬件設計

本監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計主要包含數(shù)據監(jiān)測終端模塊、數(shù)據通信模塊、PC工作站和通信通道的設計。

數(shù)據監(jiān)測終端放置在輸電線路，其主要功能在于監(jiān)測實際運行中的電氣量（包括電壓、電流、有功、無功及功率因數(shù)）。為了滿足數(shù)據存儲容量和通信通道的要求，在平時監(jiān)測過程中只考慮定時記錄及傳輸，發(fā)現(xiàn)異常運行狀態(tài)時，進行高采樣率采樣記錄原始采樣數(shù)據；同時，對于舞動的幅值及覆冰厚度也進行實時監(jiān)測。

覆冰舞動災害在線監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵技術有：現(xiàn)場監(jiān)測終端技術；無線通信技術和工作站后臺信號處理顯示技術。

2.2.1 現(xiàn)場監(jiān)測終端技術

現(xiàn)場監(jiān)測終端裝置的設計對于覆冰舞動災害在線監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計至關重要，準確實時的采樣數(shù)據是系統(tǒng)工作的前提，本文中的現(xiàn)場監(jiān)測終端系統(tǒng)構成如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場監(jiān)測終端構成框圖

2.2.2 無線通信技術

3G移動通信技術是一種網絡通信技術，稱為第三代移動通信（Third Generation Mobile Communication），3G是把無線通信與國際互聯(lián)網等多媒體通信結合起來的新一代移動通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了WAP（Wireless Application Protocol，無線應用協(xié)議）與Web（超文本信息系統(tǒng)）的結合，提供了高速的無線網絡通信和多媒體技術的應用。

2.2.3 工作站后臺信號處理顯示技術

工作站硬件配置：為保證一定的裕度，數(shù)據庫服務器配置500 GB硬盤，2個以太網口。

PC工作站共2臺，其中一臺放置在檢修試驗工區(qū)機房內，該工作站用作管理員工作站。當工作人員需要對系統(tǒng)進行更新或進行其他操作時，需在該工作站上完成；另一臺PC工作站設在檢修試驗工區(qū)會議室內，可根據需要決定是否把會議室的工作站接入大屏幕顯示。會議室的PC工作站配置了3G通信模塊，現(xiàn)場檢修人員需求助值班專家時，專家就進入會議室通過3G視頻通話與現(xiàn)場進行溝通。工作站的數(shù)據量與數(shù)據庫服務器中的基本相同，所以同樣配置了500 GB硬盤，2個以太網口。便攜式終端采用平板電腦。平板電腦帶電時間長，工作時可以不用插電源，攜帶和使用方便，能夠滿足本系統(tǒng)的需求。設計時考慮到目前市場上可供選擇的型號，選用了具有256 GB的存儲空間、配置3G通信模塊的產品。數(shù)據庫服務器和工作站之間的通信采用以太網。為了使便攜式終端下裝數(shù)據和上傳數(shù)據方便，機房內設置WiFi通信，當需要時便攜式終端不用接線即可和主站進行通信，而且WiFi通信相對USB接口速度更快。

工作站軟件配置：基于LabVIEW軟件的輸電線路覆冰舞動災害在線監(jiān)測系統(tǒng)，在Windows系統(tǒng)架構上進行監(jiān)測系統(tǒng)軟件的搭建。

3 實驗驗證及現(xiàn)場應用

3.1 實驗驗證

以現(xiàn)有實驗室模擬供電線路為例，如圖5所示，利用低溫試驗箱模擬外界運行環(huán)境，本文選取導線與第2節(jié)參數(shù)一致，受實驗條件限制，實驗室只能提供10 kV電源，因此為了和后續(xù)實驗驗證對比，本節(jié)的仿真系統(tǒng)采用供電電壓為10 kV的系統(tǒng)。

在模擬監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面中左半部分為現(xiàn)場電壓、電流、功率、溫度、風速等測量量的顯示，并設有超限報警功能。右半部分是攝像頭傳輸回來的現(xiàn)場視屏信號。在實驗室進行測試與模擬控制臺的信號對比分析后得出結論，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠準確實時的顯示現(xiàn)場信號，并在遇到情況時能夠做出報警動作。

圖5 實驗室模擬供電線路覆冰舞動災害在線監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 現(xiàn)場應用

該系統(tǒng)是在充分調查南方電網某省內輸電線路覆冰情況后，對數(shù)據進行分析并搭建了覆冰舞動災害在線監(jiān)控系統(tǒng)。自投入運行以來，經歷了一個完整的周期覆冰實驗。以110 kV電網為例，該線路在2014年1月16—18日經歷了一個完整的覆冰過程，16日晚21：12開始至17日凌晨4：32，環(huán)境溫度降低，導線拉力緩慢上升，攝像頭監(jiān)控圖像顯示線路開始緩慢結冰，但舞動現(xiàn)象并不明顯，此時電壓電流數(shù)值接近警戒值，監(jiān)控大廳屏幕警示燈閃爍，檢修人員待命。由于17日溫度回升，線路壓力降低，從攝像視屏中觀測可以看出覆冰緩慢消解，至18日警戒去除，恢復正常。整個時間段內，對覆冰與融冰過程實現(xiàn)全程監(jiān)控，也可對覆冰舞動進行準確預警，避免了檢修人員人工巡視，提高檢修效率。由此可知該覆冰舞動災害在線監(jiān)控系統(tǒng)中可行有效的。

4 結 語

本文針對輸電線路覆冰舞動在線監(jiān)測問題，提出了一種利用LabVIEW軟件及無線通信技術輸電線路覆冰舞動災害在線監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)在硬件上采用工控機、PC工作站和服務器結合的方式，利用3G通信技術，對輸電線路舞動情況進行可視化在線監(jiān)控；同時，主控室軟件基于LabVIEW實現(xiàn)實時可視化接收數(shù)據，并建立了線路覆冰災害數(shù)據庫，根據不同時期監(jiān)測到的覆冰舞動情況、提出電網安全運行預防措施及建議。通過實驗驗證了文中所研發(fā)的在線監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，為電網覆冰舞動的監(jiān)測提供了重要技術支撐。

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