懸掛稱重式自動觀冰系統應用研究進展

張桂華 孫兵

摘? 要：覆冰觀測自動化是輸電線路覆冰觀測研究手段的一次重大變革。該文簡要介紹了國內現有覆冰自動觀測研究的幾種方法，并著重介紹了懸掛稱重式覆冰自動觀測系統應用研究的進展情況，從背景、系統工作原理、系統設計、觀測研究等方面對此覆冰自動觀測系統平臺的優勢、階段性成果做了概述，同時分析了此覆冰自動觀測系統仍存在的問題，并展望了自動觀冰未來取代人工觀冰模式進行應用推廣的前景。

關鍵詞：覆冰自動觀測;懸掛式稱重法;拉力傳感器;數據獲取率;對比觀測;誤差分析

中圖分類號：TP368? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

我國是世界上導線覆冰最嚴重的國家之一，為了指導輸電線路氣象條件設計及減輕輸電線路覆冰災害影響，從20世紀80年代開始，我國在易覆冰多災害地區的重要輸電通道上建立人工觀冰站點，進行導線覆冰觀測及相應氣象觀測研究。研究主要內容為探索研究區域的覆冰機理、覆冰類型及時空分布規律、確定覆冰量級等，研究成果應用于區域電力輸電線路的勘測設計中，優化路徑、合理確定設計冰厚及冰區劃分取得了一定成效。

但是近年來，我國西南山區如四川多地輸變電工程仍然受到雨雪冰凍災害的影響并造成斷線、倒塔等嚴重事故。從后續分析、評估來看，大部分事故的原因是在設計階段因嚴重缺乏覆冰觀測資料而造成設計余度不足或考慮不周。由于導線覆冰問題十分復雜，我國環境地理條件復雜的西部絕大部分山區缺乏觀冰數據，而且受地域性限制，已獲得的導線覆冰資料和研究成果大部分還難以普遍應用到其他無資料地區，對輸電線路覆冰問題的認識還遠遠不能滿足電網發展的要求。

針對這一難題，最直接的辦法就是在易覆冰地區的輸電通道區域增加觀冰站點的密度。但是作為國內目前最為普遍的覆冰觀測方法，覆冰人工觀測選站選點外部制約因素較多，由于氣候、地形、交通等條件的限制，布點代表性和覆冰氣象資料的完整性難以得到保證，運行過程中人力物力資源投入大、后勤保障困難、安全風險較大，隨著我國輸電線路走廊環境的惡化，人工觀冰的局限性愈加明顯。在同等條件下，覆冰自動觀測可以覆蓋人工觀測難以到達的易覆冰地區，且節省大量的人力物力，并且可以實現24 h實時觀測，特定條件下具備明顯優勢。所以開展適合我國國情的無人值守覆冰自動觀測技術和設備開發應用研究迫在眉睫，其推廣應用有重大的實用意義，能解決國內送電線路覆冰觀測站點嚴重不足帶來的覆冰氣象資料匱乏和環境地理條件惡劣地點覆冰資料難以獲得等工程應用問題，產生倍增經濟效益。

1 懸掛稱重式自動觀冰系統介紹

懸掛稱重式自動觀冰系統采用了原理簡單、易于實施的拉力傳感器懸掛式稱重法，系統由觀測塔架平臺、電源組件、觀測裝置、無線通信網絡、監控中心組成。觀測裝置包括導線覆冰自動觀測、氣象要素自動觀測及圖像采集3個子系統。利用電子技術、測量技術、新能源技術、通信技術、軟件技術等現代化手段構成該系統，系統構成如圖1所示。

1.1 觀測塔架平臺

根據觀測研究實際需要，該系統設計的觀測塔架為桁架結構，與人工觀冰雨凇塔（架）類似，結構總體呈“L”形布置，布置為迎風向與順風向進行覆冰氣象觀測。該結構包括2個平面桁架、3個主柱及3個基礎。

平面桁架作為覆冰觀測設備的主要支撐部分，下部與主柱連接。針對設備儀器的型號、尺寸、安裝方式對角鋼進行了連接部位打孔等專門設計。該桁架結構由螺栓連接的型鋼組成，組裝單件重量輕，施工、安裝方便，對于交通不便的高山峻嶺地區覆冰觀測點的觀測使用具有良好的適應性。如圖2所示。

1.2 覆冰自動觀測系統

覆冰自動觀測系統采用了原理簡單、易于實施的拉力傳感器懸掛式稱重法。使用2個拉力傳感器懸掛一根長3 m的模擬導線，導線離地高度3 m，監測主機用于采集拉力傳感器測得的重量數據，再經過相關數學模型計算得出現場實時覆冰厚度。該系統采用小型高精度拉力傳感器，靈敏度和測量精度范圍符合觀冰站點覆冰觀測要求。為避免拉力傳感器在覆冰時與導線黏連引起測量誤差，拉力傳感器懸掛位置、拉線長度及防雪罩大小等具體設計環節在觀測試驗過程中進行了持續研究改進。

1.3 氣象要素自動觀測系統

為了認識并掌握研究區域覆冰的生成機理、時空分布規律、覆冰特性、微地形對覆冰影響，除了收集和積累覆冰重量數據資料，還需要在覆冰期內開展同期覆冰相關氣象要素的觀測。

氣象要素自動觀測系統的觀測設備主要為多要素自動氣象站，觀測要素包括溫度、濕度、氣壓、風速風向、日照等，數據采集時間間隔設置為10 min。

氣象數據由監測主機采集完成后通過GPRS通信網絡將數據傳輸至監控中心，中心利用軟件分析、數據庫技術實現對現場數據的分析處理，給出氣象參數信息。

1.4 圖像采集系統

在觀測塔上安裝高清攝像機，觀測模擬導線的覆冰全過程情況，具有遠程調節（焦距、光圈、景深、云臺預置位、大小、色度、對比度）功能。

根據在線監測攝像設備運行中存在易被冰雪覆蓋、無法拍攝清晰圖像的缺陷以及該系統研究過程中遇到的實際問題及改進試驗，最終圖像采集采用創新設計的伸縮式可加熱高清攝像系統，內置電機理論推力達90 kg，具有防冰雪功能。

圖像采集時間間隔設置為30 min，單個攝像頭拍照時間間隔設置為1 h，交替拍照，起止時間設置為7：00～18：00。

1.5 電源

系統電源采用超低功耗技術，裝置待機電流保持在100 mA以內，配置12V96AH電池，統一采用太陽能對蓄電池浮充的方式進行供電。

根據觀冰站區域覆冰期氣候條件及系統配置條件，該系統配置雙電源，每一套電源配置2塊電池及4塊17 V/80 W太陽能光伏板。一套電源為主機供電，另一套電源為攝像頭加熱供電。

2 觀測研究過程

觀冰站點冬季氣候環境惡劣，所以該文中自動觀冰系統首先研究驗證自動觀冰設備系統在具體惡劣環境下的實用性、穩定性及可靠性。其次，覆冰自動觀測值應能達到可以推廣應用的精度范圍，為了證明覆冰自動觀測值的準確度，須在同一觀冰點進行自動與人工覆冰對比觀測，積累足夠的對比樣本進行分析計算。

2.1 自動觀測場地簡介

四川西南部川滇交界某觀冰站，為四川西部水電送出南通道之一的前期覆冰觀測任務服務，其所在位置受區域地形作用和云貴靜止鋒影響，屬中高海拔特重覆冰山區，于2013年冬開始人工覆冰氣象觀測研究。自2015年起，利用此觀冰站作為該覆冰自動觀測系統的研究實驗基地，建成了覆冰自動觀測系統平臺，開展了2015～2016年度、2016～2017年度及2017～2018年度 3個年度的覆冰及氣象連續自動觀測，由于覆冰過程多、覆冰量級大，期間獲取了大量的連續覆冰過程的覆冰、氣象原始數據，并經過統計分析建立了資料數據庫。

2.2 系統的實用性、穩定性及可靠性研究

2.2.1 系統平臺實用性研究

該系統布置平臺在經過3個冬季的運行試驗后，取得了階段性成果，平臺的施工安裝及設備儀器的安裝拆卸方便易行，在復雜的重覆冰環境下未出現結構性問題，實用性及可操作性得到檢驗，安全可靠性有保障，已取得實用新型專利。

2.2.2 觀測系統穩定性及可靠性研究

系統在2015～2016年度運行過程中由于系統穩定性問題及通信信號強度問題，出現間歇性缺失數據，導致數據獲取率偏低，且數據記錄時間偶爾不準時。通過優化系統軟件設計，增強了系統穩定性，針對可能存在的穩定性問題，在原后臺主機24 h強制重啟的基礎上增加系統軟件控制強制重啟程序功能，可供研究人員靈活掌握重啟時機。2016～2017年度及2017～2018年度系統數據獲取率得到有效提升，達到了設定的目標要求，如圖3所示。

2.2.3 圖像采集系統實用性研究

圖像采集系統設備采用遮擋冰雪、鏡頭加熱等手段，在大覆冰過程中可拍攝清晰的覆冰照片，如圖4、圖5所示。由于較大覆冰條件下加熱攝像頭耗電量很大，為避免電量不足導致系統工作失效，系統設置為不加熱拍照，所以覆冰期照片數據實際獲取率比較低，僅為11.7%。但在覆冰過程中可根據實際需要在后臺監控中心采取人工操作加熱并拍照的命令，覆冰期各階段的覆冰照片都可以順利獲取，可以掌握覆冰全過程情況并達到監控目的。

2.2.4 系統存在問題

氣象要素觀測系統的溫濕度、氣壓及日照傳感器都能全天候正常工作，而超聲波風向風速儀在覆冰期內外露的感應元件會被冰雪覆蓋，無法正常讀取風速及風向數據。實驗過程中更換了不同類型的測風設備，依然無法消除冰雪遮擋的影響，目前暫時沒有好的解決方案。

2.3 覆冰自動觀測值誤差研究

2.3.1 覆冰自動和人工觀測結果對比分析

將2016～2017年度順風向和迎風向自動與人工同步觀測覆冰的標準冰厚對比，如圖6所示。

圖7的相關性分析結果顯示，迎風向導線人工與自動觀測標準冰厚數據相關系數R=0.988519。

圖8的相關性分析結果顯示，順風向導線人工與自動觀測標準冰厚數據相關系數R=0.991705，說明人工與自動對比觀測數據具有高度的線性正相關關系。

2.3.2 誤差原因分析

2.3.2.1 系統設計中存在的誤差

懸掛稱重式覆冰自動觀測方法簡單易行，但獲取準確重量的前提是處于靜風的理想狀態。在非靜風狀態下，由于受到風荷載的影響，會導致測重出現誤差。在未覆冰期，采集的覆冰讀數正負值均有顯示，經多樣本分析計算，誤差范圍在0～5%。

2.3.2.2 對比觀測方法存在的誤差

該系統人工和自動觀測模擬導線離地高度存在差別，由于微地形微氣象條件突出，會導致覆冰量級稍有差異。

所以覆冰人工觀測除了測取下方模擬導線覆冰以外，也應擇機人工測取上方導線上的覆冰，增加同根導線人工與自動同期觀測值的對比樣本。

根據已有的同步觀測對比樣本進行分析計算，以人工觀測值作為參考標準，自動觀測標準冰厚成果的平均誤差的精度范圍已達到10%以內。

同根導線對比觀測數據差值為2.0%，明顯小于2根導線對比觀測數據的差值8.3%，說明由于受研究地點微地形微氣象條件影響，2根模擬導線的離地高度差是導致對比數據差值的主要原因之一。另外，同根導線自動和人工觀測值仍有2%的差距，且自動觀測值都比人工觀測值偏大，說明風荷載對覆冰重量的觀測有加成影響但影響程度較小。

3 結語

通過該自動觀冰系統研究，對設備、系統等問題進行持續改進，截止目前，覆冰重量及溫度、濕度、氣壓等氣象數據獲取率均可穩定達到設定的目標值，系統的穩定性和可靠性基本達到要求。

覆冰自動觀測系統應用的布置平臺取得了階段性成果，可操作性得到檢驗。

拉力傳感器觀測的重量為導線凈重、冰重及風荷載之和，由于覆冰期測風儀器設備無法正常讀取風速及風向數據，所以無法剔除風荷載。但經過對比觀測分析，覆冰自動觀測與人工觀測數據具有高度的線性正相關關系，且誤差較小，達到了能夠應用的精度范圍。風荷載占比很小且難以準確計算，因此該系統自動觀測的覆冰總重不再計算、剔除風荷載。

改進建議：通過開發新型測風設備或將現有測風設備涂刷防結冰涂料等手段，研究消除覆冰影響，達到在覆冰期正常工作的目的。測試攝像系統耗電情況。改進其供電系統，設置覆冰期自動加熱功能，提高照片獲取率，提升自動化程度。改進系統布置平臺設計，將模擬導線離地高度改進為10 m標準高度。嘗試研究無通信信號地區的數據傳輸技術。

覆冰自動觀測在技術先進性、安全性及經濟性等方面相比人工觀測有明顯優勢，但覆冰人工觀測仍是目前國內最為成熟的覆冰觀測手段。覆冰自動觀測研究現階段仍存在待改進的問題，需要研究人員長期試驗研究并探索解決方案。覆冰自動觀測系統經過進一步研究驗證后，在未來很有可能會取代人工觀冰模式得到推廣應用。

參考文獻

[1]陳百煉，胡欣欣，陳林，等.導線覆冰自動觀測實驗與覆冰過程分析[J].冰川凍土，2016，38（1）：129-139.

[2]鄭利兵，陳林， 林云生，等.基于氣象規范的電線積冰自動監測系統的研究[J].氣象，2010，36（10）：97-101.

[3]徐青松，侯煒，王孟龍.架空輸電線路覆冰實時監測方案探討[J].浙江電力，2007，45（3）：9-12.

[4] 張予.架空輸電線路導線覆冰在線監測系統[J].高壓電技術，2008，34（9）：1992-1995.