高壓輸電線路在線監測智能化研究

葉國慶, 鮑翔, 蔡正宜

(浙江捷安工程有限公司， 浙江 蘭溪 321100)

0 引言

電力輸送過程需基于高壓輸電線路完成,作為智能電網的核心構成,高壓輸電線路的安全穩定運行與否會對整個電網產生直接影響,規模及范圍不斷擴大的電力系統對高壓輸電線路的監測提出了更高的要求，設計并完善高壓輸電線路的在線監測系統仍然是目前研究的重點領域。不斷發展完善的智能電網及動態增容技術為輸電線路實時高效的監測過程的實現提供了有力支撐,但目前由于受到技術及成本等限制,存在以單點監測為主、尚未組網形成監測系統等問題,輸電線路在線監測產品及監測過程的智能化、自動化、互動化水平還有待提高，需通過進一步完善以降低實際使用過程中的故障率、使用及維護成本。

1 需求分析

無線傳感器網絡技術能夠采集、傳輸和處理包括溫度、濕度、光強等在內的標量數據,并能夠獲取多媒體數據信息,進而實現對感知區域全方位細粒度、精確的監控過程。高壓輸電線路因受到分布廣、線路長、地形地貌復雜(部分地區環境惡劣)等因素的影響而易被破壞,進而帶來經濟損失。目前野外站點的線路運行狀態的檢查方式仍以現場人工定期檢查方式為主，在增加監測成本的同時不利于故障事件的實時監測處理。因此，高壓輸電線路的在線監測的關鍵在于選擇合適的數據傳輸方式實現實時通信,現有遠程接入方式通常采用移動通信網(如GPRS、CDMA)實現，存在的主要問題為:(1)部分區域尚未覆蓋移動通信網絡，尤其是跨越環境惡劣地域(偏遠山區、沙漠等)的特高壓輸電線路,移動通信網絡故障將無法使用;(2)監測系統的全面性及可擴展性較差，一個接入點通常僅能對一種參數進行監測,難以實現多參數、全方位的監控過程，需通過增加接入點數目的方式擴大參數監測范圍,不斷增加的監測規模不利于實現高效實時的后端監控功能;(3)大規模、長時間的使用成本較高;(4)傳輸速率受限，難以有效滿足高清的圖片及視頻傳輸需求。為此本文提出了一種高壓輸電線路智能化在線監測方案,并重點討論了全參數在線監測的實施過程[1]。

2 高壓輸電線路智能化在線監測系統設計

電網的智能化管理過程離不開對輸電線路的實時監測,通過對實時獲取的輸電線路數據進行處理和分析實現對電力資源的合理調配過程,為提高電力資源利用效率及故障監測處理等提供參考。整個電網工作安全與效率同輸電線路的正常運行密切相關，目前電網運維過程中易出現多因素導致的高壓鐵塔及線路被破壞的問題(包括線路老化、天氣、環境、人為等),如果沒有得到及時有效的預防和處理將會不同程度的影響到電網的安全可靠運行，目前國內針對高壓輸電線路的監測方法普遍存在著監測精度、穩定性、傳輸速度、經濟投入等方面的不足，限制了全方位的實時監測輸電線路功能的實現,影響了區域供電的可靠性[2]。

2.1 無線傳感器網絡設計要求

(1) 支持遠距離傳輸，高壓輸電線路中傳送距離一般同電壓等級成正比，220 kV的輸電線路較長,尤其是特高壓輸電線路可達到上千公里,可能穿越不同的區域,需以不同區域的實際情況為依據對相應監測設備進行部署,重點監測區域間的間隔可能較遠,需網絡支持遠距離傳輸功能。(2)靈活的拓撲結構，滿足不同線路類型的監測需求,連接不同變電站的輸電線路通常呈線性排布，網絡節點(安裝于桿塔上)則呈線性拓撲結構，通過采用同塔多回(多回輸電線路共用一個桿塔)的方式可節省占地資源，由三相導線和架空地線構成一回線路,在需同時監測多條輸電線路的情況下,使局部呈網狀網絡拓撲結構。(3)支持多種數據傳輸類型，具有較強的靈活性和可擴展性,根據實際對輸電線路的分析可知污染、覆冰、振動、外力破壞等是引起線路故障的主要因素，監測數據大致可分為標量數據類型(如鹽密泄漏電流、導線溫度等)、圖像類型(如導線覆冰、線下活動等圖像)。異構性的無線傳感器節點包含了標量傳感器節點和圖像傳感器節點。除支持多種數據傳輸外,還需具有較高的傳輸帶寬以滿足規模不斷增加的監控需求[3]。

2.2 高壓輸電線路在線監測系統設計

(1) 高壓輸電線路在線監測系統架構

以上述監測需求為依據對監測點(即無線傳感器節點)進行部署,無需各級桿塔均安裝，例如在水塘附近為防被水侵蝕將圖像采集終端安裝于桿塔上以便監測塔基;在跨越立交橋部分為防導線下垂將采集終端安裝于導線上以便監測導線弧垂等。監測子站通常安裝在桿塔上且需位于無線傳感器節點附近,在對附近傳感器監測數據進行收集的同時,使呈現為簇頭節點的監測子站形成了無線多跳網絡,由連接網絡的匯聚節點(監測網關，通常設在高壓變電站)將接收到的數據向后端的監控中心傳送。支持遠距離傳輸的監測子站能夠以監測點的布局為依據對監測子站進行靈活部署,確保各監測點均有能多跳連接到監測網關的監測子站相對應,使用監測子站最少[4]。

(2) 異構無線傳感器網絡架構

本文所構建的層次型異構無線傳感器網絡的架構示意圖，如圖1所示。

圖1 無線傳感器網絡架構示意圖

監控中心負責對骨干網絡和子網進行監測，子網為星形網絡采用Zig bee無線通信技術，由監測子站和無線傳感器節點構成(節點1跳即可接入監測子站)，帶寬可達250 kbit/s,可有效滿足小范圍網絡內的標量數據傳輸(如溫度、弧垂等)及大量數據(如圖片、視頻等)的傳輸需求?；贗EEE 802.11b/g標準的骨干網絡主要由監測子站構成，呈現簇頭節點形式的監測子站具備較強的信息傳輸和處理能力,骨干網絡采用自組織網絡，通過配置高增益天線可有效滿足遠距離傳輸需求，并且單跳鏈路具備較高的帶寬。作為監測系統的主要構成，采集終端主要由傳感器、無線通信(支持Zig bee標準)及電源幾個模塊構成，以傳感器節點位置為依據確定電源模塊，位于桿塔上的采集終端可采用太陽能供電，位于導線上可使用電磁感應電源。監測子站主要由主控模塊(低功耗芯片)、通信模塊(包括Zig .TIFbee和IEEE 802.11標準)及電源模塊構成，放置于桿塔上的監測子站可采用太陽能供電[5]。

呈線性或網狀排布的監測網絡需對動態路由協議進行設計，考慮到數據傳輸量在單一的數據流向下越靠近匯聚節點越大,導致電能易耗盡,因此采用能耗受限的可靠路由協議，以鏈路傳輸狀態為依據對發送功率進行自動調節,兼顧低能耗需求及傳輸速率和丟包率，為使由監測數據大量聚集導致的網絡擁塞問題得以有效避免,并能對報警事件進行及時處理,設計了2種數據查詢方式：①事件驅動，在傳感器節點監測到異常事件的情況下會及時產生具有高優先級的報警數據包并向監控中心上傳，各中間節點均需對報警數據包進行優先處理、轉發；②查詢驅動，各傳感器節點向監測子站周期性的上傳普通數據包(即收集到的監測數據),由監測子站完成匯聚、緩存處理后傳送至監控中心對監測數據進行存儲、處理和分析。由監控中心負責調度各監測子站上傳時間,通過輪詢方式的使用可使網絡擁塞問題得以有效避免,采取時間及事件喚醒機制，上傳周期間隔內保持睡眠狀態。此外還提供歷史數據查詢、故障點定位、數據可視化等功能。包括泄漏電流等在內的特殊數據需結合專家知識進一步處理[6]。

3 高壓輸電線路在線監測系統的實現

監測子站由主板和子板構成。結構示意圖，如圖2所示。

圖2 監測子站

采用低功耗芯片的主板微處理器(MCU)的主頻可達400 MHz，基于該芯片的嵌入式監測子站的工作電流小于3 A、輸入電壓5V,存儲模塊由SDRAM和Flash存儲器構成(分別為128 MB和32 MB )，包含串口和用于同子板通信的SPI接口各一個；主板提供電源實現了Zigbee協議棧,同時支持IEEE 802.15.4標準；同主板相獨立的子板采用Zigbee通信模塊,并采用SPI接口同主板進行通信，進一步提升了監測子站的靈活性；使用監測子站中主板的匯聚節點接入到變電站(通過以太網接口)。將嵌入式Linux系統安裝于監測子站上實現了匯聚節點網關協、數據查詢協議等[7]。

(1) 高壓輸電線路電磁干擾問題的解決。遠距離高壓輸電線路運行時等同于一個很強的電磁輻射源,存在電暈危害、對無線電的電磁干擾等問題,電暈放電時的脈沖電流能量會對周圍環境造成高頻干擾,在超過20 MHz頻率后則幾乎為0，本文通過采用工作頻段均在2.4 GHz以上的Zig bee和IEEE 802.11協議使高壓輸電線路的電磁干擾問題得以有效避免。

(2) 監測設備的供電。桿塔上不能懸掛較長的導線,桿塔上使用電池時更換難度較大,且禁止從高壓輸電線路取電,可安裝于桿塔上的節點,監測子站和部分圖像傳感器節點可采用太陽能供電系統(和節點一起安放在塔上)，其所采用的免維護鉛酸蓄電池的容量根據實際情況計算獲取(包括設備功耗和連續陰雨天數)，選取太陽能電池組件則以發電量、電池電壓、設備功耗等為依據(連續陰雨天間的最短間隔期間)。合理的供電系統利用充足的光照即可有效滿足設備持續供電的需求。此外需注意根據桿塔對承重和抗風要求設計供電系統的體積和重量，導線溫度監測節點可采用電磁感應供電方式,避免對導線造成損傷。通過將蓄電池加裝于設備上以避免斷電情況(通常由輸電線路載荷不足、繼電保護跳閘引起)的出現,蓄電池充電時由電磁感應供電。為避免IEEE 802.11和802.15.4相互干擾,各自指定了固定的通信信道，各包含11個和16個信道,IEEE 802.11使用信道1,IEEE 802.15.4使用信道21或22,可以同時使用[8]。

(3) 傳輸距離。發送功率、天線增益等均會對傳輸距離產生影響,假設，f表示頻率，d和Pt分別表示傳輸距離和發送功率，發送及接收天線的增益分別由Gt和Gr表示，Δ表示無線鏈路的功率余量,發送及接收天線饋線的損耗分別由Lt和Lr表示，則傳輸距離的計算表達式[9]，如式(1)(單位：m)。

20lgd=Pt+Gt+Gr-(Lt+Lr)-Δ-20lgf-32.45

(1)

(4) 天線的安裝高度和方向，根據惠更斯—菲涅爾原理,假設，l表示波長,h表示天線架設高度，則h=0.5ld(頻率為2.412 GHz時l=0.125 m)。

D=1 km時h=5.6 m，傳輸距離同天線需架設高度成正比，可將天線安裝在桿塔上避免超過塔高,即處在桿塔的避雷區內。

4 總結

為有效滿足電力系統對高壓輸電線路安全運行的需求，本文主要對高壓輸電線路的智能化在線監測系統進行了研究和設計，完成了全參數的線路監測系統的構建,以該線路布局及監測參數的特點為依據完成了層次型異構無線傳感器網絡的構建，由負責采集圖像和標量數據的子網和負責遠距離可靠傳輸數據的骨干網構成，重點解決了包括節點供電、傳輸距離、電磁兼容等在內的關鍵問題，有效提高了高壓輸電線路的在線監測質量及效率。在節省運行費用的同時提高了系統的可擴展性、可靠性,為完善高壓輸電線路的監測功能提供參考。