基于多層架構(gòu)的輸電線路遷移改造監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

凌 宇，許斌斌，萬 新

（廣州供電局，廣東 廣州 510000）

傳統(tǒng)110 kV架空輸電線路已難以滿足城市新規(guī)劃、新建設(shè)的需要[1]。當(dāng)前，城郊架空輸電線路多集中在規(guī)劃的機(jī)動車道附近[2]。同時，大多數(shù)架空輸電線路將覆蓋人口相對密集地區(qū)。輸電架空線劃傷會影響整個電網(wǎng)的安全運(yùn)行，嚴(yán)重影響人們的生命財產(chǎn)安全[3]。所以有必要將架空輸電線路改造為電纜線路來滿足當(dāng)?shù)仉娏π枨蟆Ｒ酝O(shè)計(jì)的基于MEMS技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)[4]和用于傳輸線遷移改造的光纖傳感器[5]，具有高度集成化、多技術(shù)集成的特點(diǎn)，智能化算法的引入，使得電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)更具價值。但在監(jiān)控過程中容易受線路周圍環(huán)境的影響，導(dǎo)致監(jiān)控效果較差。為了進(jìn)一步提高監(jiān)控精度，提出了一種基于多層結(jié)構(gòu)的傳輸線遷移與轉(zhuǎn)換監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。110 kV架空輸電線路穿越市區(qū)，從安全角度考慮，會對當(dāng)?shù)卣w規(guī)劃產(chǎn)生一定影響，因此，為滿足當(dāng)?shù)仉娏π枨笤O(shè)計(jì)多層結(jié)構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)十分必要。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輸電線改造實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)是一個軟、硬件相結(jié)合的系統(tǒng)，主要包括監(jiān)控設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心服務(wù)器、線路監(jiān)控分析軟件等[6]。所設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)測設(shè)備包括監(jiān)測裝置和監(jiān)測基座，監(jiān)控器是安裝在導(dǎo)線、地線、絕緣子、桿塔等設(shè)備上，以各種原理通過通道向系統(tǒng)上層設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集裝置[7]。監(jiān)控臺是指數(shù)據(jù)集中器，收集數(shù)據(jù)的各數(shù)據(jù)采集單元，存儲并處理現(xiàn)場，通過通信網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控臺服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，或轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控設(shè)備的指令，控制數(shù)據(jù)采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和操作參數(shù)[8]。

通過通信網(wǎng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)存儲到監(jiān)控中心服務(wù)器上。監(jiān)控分析軟件能實(shí)時顯示和分析線路運(yùn)行數(shù)據(jù)，并能及時給出預(yù)警信息，有效預(yù)防各類事故發(fā)生[9-10]。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于實(shí)時監(jiān)測的各類專業(yè)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，已不能滿足電網(wǎng)信息化建設(shè)的需要，因此，對輸電線路實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行改造是歷史的必然[11]。傳輸線實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)負(fù)責(zé)線路上的設(shè)備轉(zhuǎn)換連接，通過設(shè)備管理模型和技術(shù)手段對線路進(jìn)行管理，以確保線路轉(zhuǎn)換連接的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[12]。

輸變電線路遷移改造實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)是對線路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、線路運(yùn)行管理、故障判斷等數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、綜合處理，為線路維護(hù)提供決策支持的知識模型[13]。圖2顯示了基于多層架構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。

圖2 基于多層架構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

線路整體運(yùn)行的實(shí)時監(jiān)控與管理系統(tǒng)由3部分組成，傳輸線數(shù)據(jù)采集平臺包括對實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和對電網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)其他信息如設(shè)備賬務(wù)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。收集微氣象、雷擊、導(dǎo)線溫度等實(shí)時監(jiān)測信息，對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理和存儲，并將其存儲在網(wǎng)格業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集成中心相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。

依據(jù)線路數(shù)據(jù)采集分析平臺，顯示線路運(yùn)行狀態(tài)信息。通過專業(yè)的電力傳輸GIS系統(tǒng)，為整個系統(tǒng)提供信息展示服務(wù)[14]。綜合考慮地理信息、電力設(shè)備基礎(chǔ)信息和實(shí)時設(shè)備信息，通過圖像直觀地顯示整個綜合系統(tǒng)。

2.1 實(shí)時數(shù)據(jù)展示模塊

鑒于實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的有效性要求較高，如何安全、實(shí)時、準(zhǔn)確地采集、接收和顯示實(shí)時數(shù)據(jù)，建立完整的數(shù)據(jù)通道，成為實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)中的首要問題[15]。

在傳輸線的實(shí)時監(jiān)控和動態(tài)擴(kuò)展系統(tǒng)中，導(dǎo)體溫度數(shù)據(jù)以GPRS(General Packet Radio Service)數(shù)據(jù)包的形式返回到中央服務(wù)器，然后解析并寫入數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包通過實(shí)時數(shù)據(jù)采集平臺進(jìn)入實(shí)時數(shù)據(jù)表。采用SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)實(shí)時采集和存儲測量的導(dǎo)線承載電流，并通過通用適配器訪問省局?jǐn)?shù)據(jù)庫中的實(shí)時數(shù)據(jù)。

2.2 線路參數(shù)管理模塊

該系統(tǒng)統(tǒng)一管理與電網(wǎng)監(jiān)控有關(guān)的線導(dǎo)體信息、線塔賬戶信息，為用戶查看線塔基本情況提供快捷準(zhǔn)確的信息服務(wù)。線性參量管理模塊可實(shí)現(xiàn)線、塔、線型等相關(guān)配置，并可對數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、修改和刪除。

2.3 線路監(jiān)控報警模塊

按照國標(biāo)要求，結(jié)合線區(qū)專家對設(shè)備監(jiān)測的線溫，分階段確定監(jiān)測指標(biāo)，設(shè)定相應(yīng)的監(jiān)測閾值，并通過條件查詢分析，判斷各指標(biāo)是否越界[16]。若認(rèn)為監(jiān)測數(shù)據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)，則發(fā)出禁止入內(nèi)警報，并以圖形顏色顯示相應(yīng)報警級別的狀態(tài)，如預(yù)警、報警等，結(jié)合當(dāng)前的測量電流和氣象信息給出促進(jìn)安全運(yùn)行的診斷，防止安全事故發(fā)生。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

系統(tǒng)是在傳輸線上安裝在線監(jiān)測裝置，對傳輸線的狀態(tài)、氣象條件和載流量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，根據(jù)導(dǎo)線本身的特性、導(dǎo)線的溫度、載流量理論、最大電流承載能力理論和隱藏載流能力計(jì)算導(dǎo)線載流量的實(shí)時計(jì)算模型，并不違背現(xiàn)行技術(shù)法規(guī)的規(guī)定[17]。利用已有的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通過實(shí)時計(jì)算分析，有效地提高了線路傳輸能力。其基本工作流程如下：

1）對傳輸線電流值、導(dǎo)線溫度值及周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，包括光照、環(huán)境溫度、風(fēng)速等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和采集。

2）根據(jù)以上測量數(shù)據(jù)和導(dǎo)線本身的特點(diǎn)，通過導(dǎo)線傳輸線的數(shù)學(xué)模型，實(shí)時計(jì)算導(dǎo)線的溫度、理論載流能力、最大理論載流能力和隱藏載流能力。

3）根據(jù)實(shí)時監(jiān)控分析和安全指標(biāo)，為調(diào)度人員提供調(diào)度決策參考。

3.2 動態(tài)增容監(jiān)測

依據(jù)測量得到的導(dǎo)線溫度及相應(yīng)的氣象資料，計(jì)算被選線路站在一定時間內(nèi)的理論最大容量及理論載流量，再根據(jù)測量得到的電流及相應(yīng)的氣象資料計(jì)算出導(dǎo)線溫度。并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)合歷史監(jiān)測信息和計(jì)算數(shù)據(jù)，對該線路運(yùn)行調(diào)度提供參考依據(jù)。

導(dǎo)線的傳輸能力取決于在已知環(huán)境溫度和給定導(dǎo)線工作溫度下的最大穩(wěn)態(tài)電流。在實(shí)際運(yùn)行中，影響導(dǎo)線載流量的主要因素是氣象和環(huán)境。在導(dǎo)線直徑一定的情況下，導(dǎo)線的容許溫度和邊界條件是影響其載流量的主要因素。

根據(jù)現(xiàn)有架空導(dǎo)線載流量的計(jì)算公式，其計(jì)算原理是根據(jù)導(dǎo)線發(fā)熱與散熱的熱平衡原理導(dǎo)出的。導(dǎo)體內(nèi)無電流時，導(dǎo)線溫度與周圍介質(zhì)溫度相等；電阻將電能轉(zhuǎn)換為熱能，當(dāng)電流通過時，引起溫度變化。所產(chǎn)生的熱能部分儲存在導(dǎo)線和絕緣材料中，剩余的熱能由絕緣材料傳導(dǎo)至導(dǎo)線或電纜的表面，并通過對流和輻射向周圍環(huán)境傳輸[18]。與此同時，陽光會使導(dǎo)線溫度發(fā)生變化。在導(dǎo)線穩(wěn)定之前，由于導(dǎo)線與絕緣體之間以及與周圍環(huán)境之間存在熱阻，導(dǎo)線的溫度升高，電阻率相應(yīng)增大，產(chǎn)生更多的熱能，所產(chǎn)生的能量就會傳遞給周圍的環(huán)境，而導(dǎo)線的溫度是恒定的。熱量平衡方程式為：

式（1）中，Wa表示電阻發(fā)熱功率；Wb表示輻射散熱功率；Wc表示對流散熱功率；Wd表示日照吸熱功率。

導(dǎo)線允許載流量計(jì)算公式為：

式（2）中，R表示某一溫度下的導(dǎo)線電阻。

4 實(shí)驗(yàn)分析

以某市供電局110 kV輸電線路遷移改造工程為例，對基于多層架構(gòu)的輸電線路遷移改造監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

4.1 實(shí)時數(shù)據(jù)采集

由于實(shí)際氣象條件比設(shè)定條件復(fù)雜，因此，需采集某條輸電線路遷移改造線路實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表1所示。

表1 實(shí)時數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

由表1可知實(shí)時采集風(fēng)速、環(huán)境溫度及日照強(qiáng)度實(shí)時數(shù)據(jù)，由此展開實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

4.2 風(fēng)速對載流量監(jiān)測影響

當(dāng)導(dǎo)線溫度為60℃時，風(fēng)速由0.4 m/s降至0.1 m/s，載流量也由80 A減少到30 A，以此為基礎(chǔ)，分別使用基于MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)[4]T1、引入光纖傳感設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)[5]T2和基于多層架構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)T3進(jìn)行風(fēng)速對載流量的監(jiān)測，結(jié)果如表2所示。

表2 風(fēng)速對3種系統(tǒng)載流量監(jiān)測情況

由表2可知，基于多層架構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)受到風(fēng)速影響，載流量由80 A減少到30 A，與理想情況一致；使用基于MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)受到風(fēng)速影響較大，載流量由80 A減少到65 A，監(jiān)測結(jié)果與理想狀態(tài)結(jié)果不一致；使用引入光纖傳感設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)受到風(fēng)速影響，載流量由80 A減少到50 A，比基于MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果更加精準(zhǔn)，但與基于多層架構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果相比，結(jié)果不精準(zhǔn)。

4.3 溫度與載流量監(jiān)測影響

環(huán)境溫度在0～35℃內(nèi)變換時，導(dǎo)線環(huán)境溫度升高，載流量減少較快，由800 A減少到400 A。以此為基礎(chǔ)，分別使用基于MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)T1、引入光纖傳感設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)T2和基于多層架構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)T3進(jìn)行溫度對載流量的監(jiān)測，結(jié)果如表3所示。

表3 溫度對3種系統(tǒng)載流量監(jiān)測情況

由表3可知，T1系統(tǒng)在溫度影響下對載流量的監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果不一致，當(dāng)溫度為35℃時，載流量監(jiān)測結(jié)果為450 A，與實(shí)際結(jié)果相差50 A；T2系統(tǒng)在溫度影響下對載流量的監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差較大，當(dāng)溫度為35℃時，載流量監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差200 A；T3系統(tǒng)與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果一致。

4.4 日照強(qiáng)度對載流量監(jiān)測影響

導(dǎo)線溫度為655℃時，日照強(qiáng)度由1 500 W/m2下降到700 W/m2，載流量由50 A增加至250 A。以此為基礎(chǔ)，分別使用基于MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)T1、引入光纖傳感設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)T2和基于多層架構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)T3進(jìn)行日照強(qiáng)度對載流量的監(jiān)測，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，T1系統(tǒng)在日照強(qiáng)度影響下對載流量的監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果在日照強(qiáng)度為700 W/m2時相差較大，最大為60 A；T2系統(tǒng)在日照強(qiáng)度影響下對載流量的監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果在日照強(qiáng)度為700 W/m2時相差較大，最大為160 A；T3系統(tǒng)與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果一致。

表4 日照強(qiáng)度對3種系統(tǒng)載流量監(jiān)測情況

綜上所述，基于多層架構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)在風(fēng)速、環(huán)境溫度和日照強(qiáng)度影響下，具有精準(zhǔn)的監(jiān)測效果。

5 結(jié)束語

文中提出了一種基于多層結(jié)構(gòu)的傳輸線遷移與轉(zhuǎn)換監(jiān)測系統(tǒng)，通過硬件和軟件設(shè)計(jì)，采用傳感器技術(shù)，綜合利用監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了傳輸線的監(jiān)測和改造。該系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)采用光纖技術(shù)，采用光纜電纜構(gòu)成有線網(wǎng)絡(luò)。由于其具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和容錯能力，從而保證了數(shù)據(jù)通道的可靠性。

當(dāng)前，由于傳感器的硬件成本和移動終端的通信成本等因素的限制，聯(lián)機(jī)監(jiān)測的應(yīng)用無法大規(guī)模實(shí)現(xiàn)，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是監(jiān)測數(shù)據(jù)不夠完整。因此，未來可引入傳感器技術(shù)，使其功能更加多樣化。