輸電線路在線監測與故障診斷技術研究

黃禮華，黃慶華

（1.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200063）

輸電線路在線監測與故障診斷技術研究

黃禮華1，黃慶華2

（1.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200063）

輸電線路在線監測系統是實施設備狀態檢修及全壽命周期管理的基礎，隨著各類監測、診斷技術的研究和發展，監測裝置的測量精度和評估準確度得到了一定提升。對比分析了當前主要輸電線路在線監測技術的研發進展，指出其存在的不足，并展望了在線監測技術的發展方向。

輸電線路；在線監測；信號變送；通信傳輸；智能診斷

0　引言

輸電線路主要由鐵塔、基礎、導線、地線、金具、絕緣子等組成，構成組件的類型較少，但絕對數量較大，線路的任何一處出現故障都可能引起整條線路的停運，對電力系統的沖擊巨大。隨著經濟和社會發展速度的加快，線路沿線污穢等級提升及鳥害影響造成的線路污閃問題日益明顯。局部環境和微氣象對線路安全運行的影響也是線路運行維護工作的重要難點。導線舞動和風偏所造成的危害也時有發生。對輸電線路進行在線監測與故障診斷是提高電力系統可靠度的重要措施。通過各類在線監測裝置及時評估線路存在的安全隱患并準確預警對輸電線路的安全可靠運行具有重要意義。

輸電線路在線監測與故障診斷是在不影響輸變電設備正常運行的條件下，對設備的電氣、機械等狀態參量進行連續或者分時檢測，獲取能表征設備電氣及機械性能等運行狀態的特征參量，并通過故障分析與診斷來評估設備的運行狀態。

一般而言，在線監測與故障診斷系統由4個部分構成，包括信號變送系統、數據采集系統、通信傳輸及數據處理和診斷系統，如圖1所示。以下重點研究信號變送系統中傳感器的選用、監測數據的通信傳輸以及故障診斷等內容。

1　信號變送系統研究現狀

目前技術較為成熟且應用較多的輸電線路在線監測與故障診斷裝置有3大類，具體如下：

（1）導線在線監測裝置類：包括導線覆冰監測、導線溫度監測、導線舞動及微風振動監測；

（2）桿塔在線監測裝置類：包括桿塔傾斜監測、視頻圖像監控；

（3）環境在線監測裝置類：雷電在線監測、微氣象環境監測、現場污穢度監測、山火在線監測。

以下重點分析絕緣子污穢、導線弧垂、導線舞動和風偏的信號變送系統研究進展。

圖1　在線監測與故障診斷系統組成

1.1絕緣子污穢在線監測

電力系統高壓運行經驗表明，污閃是影響線路外絕緣的主要問題。在嚴重污穢情況下，絕緣子電氣強度將大幅降低，污穢絕緣子在較低電壓條件下就會發生閃絡。根據相關統計數據，目前在電網事故中絕緣子污閃比例僅次于雷害，其造成的損失卻為雷害的10倍。

國內高壓絕緣子污穢在線監測的主要方法分為2類：一類為非接觸式監測法，另一類是接觸式監測法。從現有研究成果來看，目前并沒有統一的能精確表征絕緣子運行狀態的特征量，相關污穢閃絡機理的研究也沒有統一結論。非接觸式絕緣子在線監測方式，如超聲波、激光、紅外測溫、無線電波、電暈攝像機等都需要去現場進行逐個檢測，且存在造價高、環境干擾大、檢測不夠全面等缺點。國際大電網會議第33屆委員會推薦了等值鹽密法、表面污層電導率法、泄漏電流脈沖計數法、最大泄漏電流法和絕緣子污閃電位梯度法作為測量污穢度的方法。相關研究結果表明，綜合電壓、溫度和濕度等影響因素的泄漏電流能較為全面地描述絕緣子的污穢狀況，基于泄漏電流測量的傳感器也能達到很高的測量精度。因此，泄漏電流是目前檢測絕緣子污穢程度中最被認可的、最容易檢測和處理的特征量之一。

1.2導線弧垂在線監測

輸電線路的弧垂是線路設計和運行的重要指標之一。導線的動態增容、溫度、應力、覆冰厚度及環境風速等因素變化均會導致線路弧垂發生變化。運行經驗表明，導線弧垂過小會導致其應力增大，影響線路的機械特性；弧垂過大則會導致對地安全距離不足，影響線路的運行安全。

目前，常用的導線弧垂測量方法有4種：利用多顆衛星采用GPS監測導線弧垂；通過測量導線應力和溫度計算導線弧垂；通過攝影技術并進行圖像處理計算導線弧垂；通過測量導線懸掛點傾斜角計算導線弧垂。相比而言，基于導線傾角監測的方法有著算法簡單、監測精度高且投入成本低等優點，使其得到了相對廣泛的應用。

1.3導線舞動和風偏監測

在輸電線路實際運行環境中，經常會發生導線舞動現象。導線舞動具有振幅大、持續時間長等特點，頻繁發生舞動會導致相間閃絡及金具損壞，造成線路跳閘或引起導線損傷及倒塔等嚴重事故，給輸電線路帶來巨大的安全隱患。

對于導線舞動的機理，國外學者進行了大量的實驗和理論研究，提出了Den Hartog垂直舞動理論、O.Nigol扭轉舞動理論、P.Yu的偏心慣性耦合失穩說、陣風誘發說等。國內的相關研究，自1987年湖北中山口大跨越發生舞動而導致斷線后開始得到重視。

目前，對導線舞動監測主要有2種方式：一種是通過視頻采集和圖像識別技術的方法；另一種是通過傳感器采集導線舞動特征參數的方法。相比而言，基于圖像識別技術的舞動在線監測，雖然可根據直觀的視頻/圖像信息分析導線的舞動情況，但受限于現有圖像處理算法等因素，其精度還有待進一步提高。而基于位移傳感器、加速度傳感器的輸電導線舞動在線監測技術，可以實現對導線舞動特征參數，包括舞動的半波數、舞動頻率、舞動幅值、舞動時的導線張力等信息的監測，能更為全面、精確地反映現場實際情況；在傾角傳感器的配合下，還能實現對導線風偏的監測。

2　通信傳輸技術研究現狀

通信傳輸是在線監測與故障診斷系統中的重要環節。為了安全、穩定、高速地傳輸各類在線監測數據，需要綜合考慮監測裝置的通信協議、設備布點及裝置供電等一系列問題。

早期的信號傳輸主要采用GSM/GPRS/3G等無線公網方式，但是隨著在線監測裝置及各類監測數據的急劇增長，無線公網方式在傳輸帶寬、信號覆蓋面及運行維護成本等方面均無法滿足現有輸電線路在線監測技術的發展要求。

而且，隨著中短距離無線通信組網技術及光通信傳輸技術的發展，輸電線路在線監測數據傳輸逐漸向電力局域專網傳輸方式轉變，部分電網公司也開始了基于中短程無線及長距離光纖通信傳輸的混合組網應用試點。

目前，就技術發展而言，較為成熟的中短程無線組網技術有ZigBee，W i-Fi，W iMAX（全球微波互聯接入）等。可利用ZigBee技術的低功耗、低成本及W i-Fi，W iMAX技術的高帶寬、中距離傳輸等優點，在設備現場實現各類監測信息的就地匯聚，并通過遠距離通信傳輸技術實現與主控端數據處理與診斷系統間的信息交互。

在遠程通信傳輸技術方面，隨著OPGW光纜建設的全面覆蓋使得基于光傳輸技術的監測數據遠程傳輸成為可能。

利用隨線OPGW光纜中1-2根備用光纖芯構建的EPON（以太網無源光網絡）網絡能在安全性、可靠性及傳輸帶寬等方面滿足在線監測數據的傳輸要求，且其充分利用現有空閑光纖資源，建設成本較低，也無需為設備提供單獨電源。

除此之外，為減少輸電線路OPGW光纜破口數量，進一步保障數據傳輸的穩定性，實際應用中也有采用OPGW+光纖工業以太網交換機的組網傳輸方式。

3　故障診斷系統研究現狀

故障診斷是根據檢測系統提供的信息，包括監測到的數據和數據處理結果，對設備的健康狀態進行分析評估的方法。為了實現輸電設備診斷的自動化和智能化，很多智能診斷方法被引入到輸電線路在線監測裝置中。目前體系較為成熟的診斷方法主要有人工神經網絡診斷、模糊診斷、灰色系統診斷、粗糙集理論診斷、小波診斷和專家診斷等。

重慶大學的研究人員通過對污穢絕緣子閃絡機理的研究，提出了基于3特征量的神經網絡污穢度預測模型。華北電力大學的研究人員根據目前輸電線路在線監測系統存在的預測功能不完善，不能進行趨勢分析，狀態評估功能不夠完善，缺少狀態檢修建議等不足，設計了輸電線路在線監測評估輔助決策系統。通過構建基于Elman神經網絡結構的預測模型，實現了包括覆冰厚度、泄漏電流、桿塔傾斜角度等信息的趨勢預測，并構建了對應于輸電線路在線監測參數的基于多屬性模糊層次法的評估模型，根據不同的告警級別給出狀態檢修的建議。劉暢等人基于模糊馬爾科夫原理，以輸電線路年最大覆冰厚度值為基礎數據，對下一年或幾年的線路覆冰最大值進行預測，并根據多變量灰色預測模型，結合覆冰季節冰厚以及其他氣象數據，預測輸電線路的瞬時覆冰值。王峰等人根據搜集到的運行中輸電線路舞動數據，利用模糊綜合評判法對其舞動狀態進行了評估。

上述各種診斷方法均在一定程度上提高了在線監測裝置的自動化程度，但由于監測量與設備故障之間缺乏直接的對應關系，其分析準確度還有待進一步提高。

4　存在的問題及展望

4.1存在的問題

由于在線監測技術及相關裝置研究發展時間較短，且監測裝置運行環境惡劣，導致其在穩定性、可靠性及監測精度等方面還存在一定不足，主要體現在如下幾個方面：

（1） 監測裝置穩定性與可靠性不足。由于缺乏統一的行業標準，部分在線監測裝置制造標準偏低，直接導致相關裝置故障率較高，信息處理能力差，頻繁發生誤報警、漏報警等問題。

（2） 監測精度及電磁兼容性能不足。受限于當前傳感器技術發展水平及特征量選取等因素，部分在線監測裝置測量精度與離線測量結果存在較大偏差，且部分監測裝置抗電磁干擾性能較弱，使得測量結果可信度較低。

（3） 相關理論不夠完善。諸如污穢絕緣子閃絡和導線舞動等機理研究還未有統一的研究結論，對在線監測結果的準確性造成一定的影響。

（4） 故障診斷算法有待優化。目前部分故障診斷技術還停留在實驗室模擬或仿真分析階段，部分實際使用的診斷算法評估準確性還有待提高。

（5） 信息孤島問題突出。現有在線監測裝置大都根據某一類監測需求設計，從而導致監測信息重復性較高，且由于各類監測信息的數據格式和接口不同，使得信息交互困難，形成信息孤島。

4.2展望

為實現輸電設備的狀態檢修，需要輸電線路在線監測裝置提供穩定、準確、可靠、全面的監測信息。為此，需要對在線監測裝置質量保障、監測特征量選取、相關理論算法及信息融合等方面開展進一步的研究工作，其未來發展方向主要為：

（1） 在線監測裝置的統一化、標準化、集成化。以統一的標準打造各類在線監測產品線，保障監測裝置的穩定、可靠運行，并通過傳感器集成技術實現輸電線路在線監測裝置的低功耗、多參量、高精度監測。

（2） 監測技術多元化。緊隨相關技術發展水平，進一步研究機器人巡線、無人機巡線、光纖傳感器等新興監測技術，積極推進基于OPGW光纖的通信傳輸技術，實現輸電設備的全方位監測及監測信息的遠距離、大帶寬傳輸。

（3） 信息模型全景化。積極開展輸電設備全景信息模型研究工作，實現各類在線監測信息、自動化系統運行維護信息及資產管理信息的挖掘和融合，推進設備狀態檢修及全壽命周期管理的實施。

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2016-03-26。

黃禮華（1984-），男，工程師，主要從事電力系統二次規劃設計工作，email：w olfh lh@qq.com。

黃慶華（1987-），男，工程師，主要從事電力系統送電線路設計工作。