關于輸電線路在線監測裝置的能源供給的改進

蔣仁杰

摘 要：在線監測系統在輸電線路的運維過程中，起到了信息的及時性，能實時動態的了解輸電線路自身的物理量的變化情況以及監測線路周邊環境的變化，由于電壓等級不同，在線監測裝置本身的供電，不能直接使用輸電線路上的電源。通過光伏和風力發電，起到能源供給的作用，在其光伏、風力發電的結構上進行改進，可以提高發電的效率，對于在線監測裝置的供電起到更加穩定的保證。

關鍵詞：輸電線路;運行維護;信息化

前言

我們身處的時代，智能化、物聯網等名詞都是這個時代的特征。隨著時代的發展，國內的電子信息技術早已突飛猛進，也讓我們的生活中的衣食住行等有了巨大的變化。各行各業也都在這樣的時代背景下，借助網絡信息技術、互聯網+的技術加持，實現自身多元化的轉型發展。我們電力行業的發展除了自身本來就具備的電力自動化屬性外，與信息化和物聯技術更是緊密相連。因此在信息化、智能化的方向，我們的電力行業還有更大的發展方向去探索。

結合自身崗位來談，作為一名送電線路工在線路運維中，面對的是自然環境的變化往往會給輸電線路的穩定運行帶來挑戰。例如：隨著架空輸電線路規模的不斷增長，森林覆蓋率的持續提高，因植物生長過高、風偏林木、林地山火導致的電網故障風險形勢嚴峻;另一方面由于樹障安全距離不足引發山火、涉電生產作業活動導致大面積山火的情況增多;山火引發的輸電線路短路跳閘;同樣，在每年冬春季節線路覆冰的挑戰，一旦線路覆冰嚴重，將導致導桿斷線的情況，對電力系統穩定運行產生嚴重影響。

在輸電線路防山火和防覆冰方面，我們用在線監測的技術手段去發現和防范問題的發生。以我們現在在500kV輸電線路上使用的運維自動化系統覆冰監測為例。

在日常的安裝和維護過程中，我們遇到的問題：因光伏板設計是固定位置的，在光照若的情況下，不能產生足夠的電量供給蓄電池，導致在線監測視頻中斷，導致輸電線路的防山火、防覆冰的運維中出現盲區。

因此，對于在線監測裝置的能源供給保證顯得十分關鍵，思路是：

1. 對作為提供能源的光伏板進行改進;

2. 加裝微型風力發電集成模塊作為能源的提供。

問題1：怎么對光伏板進行改進？

一年中太陽在地球圍繞太陽公轉的過程中，有近日點，有遠日點。隨著地球所處不同的公轉位置，在地球上不同位置不同時間，接收的太陽輻射是不同的。因此，我們根據與太陽輻射相關的幾個角度和函數，借助單片機/STM32、計數器芯片、晶振等硬件和C/C++語言編程，靠對電機轉動角度的控制，來實現：將光伏板變為實時可調整角度的過程，實現在365天無云層遮蔽的理想情況下，不同時間，都能獲得最大的光照，保障在線監測裝置不斷電。

相關角度：太陽入射角i、太陽赤緯角δ、地理緯度?、光伏板傾角β、光伏板方位角γ、太陽時角ω。具體公式：

Cosi=sinδsin?cosβ-sinδcos?sinβcosγ+cosδcos?cosβcosω

+cosδsin?sinβcosγcosω+cosδsinβsinγsinω

其中，在一年里不同的天n，當地太陽時ω、太陽赤緯角δ可以根據n來計算。

ω=北京時+E-4（120-L）

E=9.87sin2B-7.53cosB-1.5sinB

B=（360-（n-81））/364

δ=23.45sin（360×（284+n）/365）

由于加入了電機驅動部分和控制芯片，視情況而定，增加對應電壓等級的光伏板，并進行同樣的閉環控制。

問題2：加裝微型風力發電集成模塊作為能源的提供的具體過程是怎樣的？

在問題1中，我們考慮的是全年無云層遮擋的理想情況，但現云霧風雪是客觀存在的。所以，我們用微型風力發電集成模塊來作為光伏板供電之外的補充。我們有的桿塔上也有小型的風光補償裝置來為在線監測設備提供能量，但是其中的風力發電部分不具備自動轉向功能，不能根據風向的變化自動調整風扇的朝向，致使不論風大風小，都錯過最佳的進風角度，未能實現風能轉化為電能的能量最大化。

因此我們單獨設計一個風向變化的隨動系統，通過感知自然風力變化的角度，對應的將發電的風扇隨著調整到風力最大的方向，保證風力發電實時都能接受最大的風力發電狀態，實現對在線監測系統供電效率的最大化。

通過風向探測裝置，在水平方向和豎直方向兩個方向上各對應一個風力變化的角度變化量，這兩個在自然風力作用下形成的角度，可以通過光電編碼器來收集，通過光電轉換將輸出軸上幾何位置量轉換成脈沖或數字量。將采集到的這兩個值作為電機旋轉角度的輸入量。

在輸出量的表現，我們可以通過作用在控制發電風扇在水平、豎直兩個方向上電機的旋轉變化角度，來調整風扇接收最大風力的迎風面位置。

在輸入和輸出兩個量之間，就通過單片機編程以及相應的電子元器件來承接。

在控制過程的實現中，控制模塊能量可以通過風力發電來提供，也可以將光伏發電的能量作為備用或直接使用。

對于風力發電部分的改進，可將一個風扇改為體積更小、數量更多的微型風扇。轉動量的信息由多個微型小風扇共享，調整過程中可以考慮設計為兩個電機作用所有的微型風扇的角度變化，也可以設計為每一個微型風扇就對應兩個微型的電機。具體的設計視經濟實用性來考慮，控制成本最優。

多個微型風扇的發電，設計思路來源于太陽能光伏板上的光伏組件的設計，光伏組件由光伏組件片組合在一起構成，由于單片光伏電池片的電流和電壓都很小，所以要先串聯獲得高電壓，再并聯獲得高電流，通過一個二級管（防止電流回輸）輸出，再把光伏組件串聯、并聯組合起來，形成光伏組件陣列;與之不同的是，微型風扇產生的電是交流電，不同時間不同的風扇初相角也是不同的，不同時的交流電，不好控制。因此在微型風扇發電里，應當嵌入全波段整流，將產生的交流電充分利用。轉化為直流電，更好控制。進而通過不同的串聯、并聯的方式，形成一個微型風扇發電陣列。借助風力最大的自動調節，實現對在線監測裝置的最優化供電。

拓展延伸：

一提及風力發電，大家想到的是轉子葉片就長約20米的風力發電機，有著清潔、環境效益好、能源可再生、基建周期短、裝機規模靈活的優點，但也有噪聲大、占用土地面積大、不穩定、不可控、高成本的缺點。往往在風力要求上有嚴格要求。采用微型風扇以陣列的形式來發電，相較于傳統的大型風力發電更具有環境適應性，風力小于10m/s的地方也能發電，投資成本更加低廉。發電規模靈活可調整。在水電資源已經開發完后，風力發電是一個可靠的選擇，而在風力發電的投資成本、環境適應方面，微型風力發電集成陣列將會是一個具有發展前景的發展方向。

結語

綜上所述，通過對光伏發電和風力發電的改進，可以提高對在線監測裝置的供電可靠性，能源利用最大化。從而保證在線監測裝置的實時穩定運行，避免輸電線路運維中出現監測盲區，無死角的防范輸電線路來自自然環境的外部威脅。

參考文獻：

[1]張鶴飛.與太陽輻射量有關角度的定義和計算公式.西北工業大學

[2]任志斌.DSP控制技術與應用.中國電力出版社，2012.5.1

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