輸電線路狀態(tài)監(jiān)測導線溫度的系統(tǒng)設計

關卓林 王玉俠

摘要：為解決現(xiàn)有電網(wǎng)遠距離供電時輸送電容量因多種技術受限導致下降，從而不能滿足電力用戶需求的問題，在原有的輸電線路上，采用分布式低功耗溫度采集技術、通用分組無線服務技術GPRS（GeneralPacket?RadioService）遠程數(shù)據(jù)傳輸和輸電線路動態(tài)增容技術，綜合設計出一種能夠對輸電線路的電流和溫度進行實時監(jiān)測的系統(tǒng)，從而使該系統(tǒng)能及時、準確地反映輸電線路各監(jiān)控點的溫度狀況，通過遠端數(shù)據(jù)反饋分析從而對電網(wǎng)進行參數(shù)調整，使系統(tǒng)在線監(jiān)測的高效性、穩(wěn)定性和可靠性得到提升。

關鍵詞：高壓輸電線路;導線溫度;在線監(jiān)測;動態(tài)增容

隨著用電負荷的變化和發(fā)展，多種技術受限導致降低了電力系統(tǒng)中輸電線路的輸電能力，進而大大降低了系統(tǒng)的輸送容量，難以滿足電力用戶需要[1]。為了提高系統(tǒng)傳輸中的傳輸容量，主要方法包括靜態(tài)提溫增容技術和動態(tài)實時監(jiān)測增容技術，由于后者具有安全、可靠等優(yōu)點，應用更加廣泛。利用動態(tài)增容技術的監(jiān)測方法分別有基于氣候監(jiān)測、直接溫度測量監(jiān)測、導線弧垂測量監(jiān)測以及導線張力測量監(jiān)測的動態(tài)增容技術，經研究表明，采用基于直接對輸電線路溫度測量的動態(tài)增容技術是比較可行的方法，但在線監(jiān)測系統(tǒng)在技術方面和管理方面任存在諸多待解決的問題[2]。本文提出一種基于導線溫度狀態(tài)監(jiān)測的動態(tài)增容系統(tǒng)，主要實時監(jiān)視導線溫度，采集輸電導線所處環(huán)境信息，通過GPRS無線傳輸模塊向監(jiān)控中心反饋數(shù)據(jù)[3，4]，能實時確定其傳輸功率極限、從而提前發(fā)現(xiàn)線路中監(jiān)測部位的過熱點，為動態(tài)提高輸電線路容量及狀態(tài)檢修提供可靠的依據(jù)。

1?輸電線路增容方法

1.1?靜態(tài)提溫增容技術

該技術的原理是突破行規(guī)限制，對于環(huán)境溫度仍按40℃進行考慮，環(huán)境風速、光照強度也同樣按行規(guī)要求計算，通過對導線的最高允許溫度提出改進從而來實現(xiàn)輸電容量的提升。通過實驗證明，如果將溫度提升一定裕度，輸電線路的輸送容量明顯得到提高，從而帶來較高的經濟收益。但是，通過該技術提升輸送容量，也會來帶來一些負面影響：（1）輸電線路的導線以及配套的金具使用壽命會受到影響;（2）溫度提高同樣會使導線的弧垂增加，導致對地以及交叉跨越的安全裕度得到不同程度的影響;（3）該技術提升載流量的同時，電能損耗也相應增加。

1.2?動態(tài)增容技術

該技術是通過輸電線路上的測溫終端，實時監(jiān)測線路本身的狀態(tài)和環(huán)境氣象條件信息[5]。在保持現(xiàn)有行規(guī)的前提下，根據(jù)應用條件所選擇增容模型，推導計算出導線各時刻的最大允許載流量，從而用以提升系統(tǒng)的輸電容量。動態(tài)增容技術相較于靜態(tài)增容技術很大程度上可以保證設備和系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運行。

1.3?理論模型的建立

影響導線載流量的因素有多種，不同國家在計算載流量時考慮的因素也不一樣，從而公式的系數(shù)也有所不同。本文使用的導線載流量公式是采用文獻[6][7]介紹的通過熱平衡原理推到得到提出的公式，如下式所示：

暫態(tài)相較于穩(wěn)態(tài)是種動態(tài)的變化，決定因素有多種，因此要計算暫態(tài)下導線的載流量需要考慮多種情況，其中主要考慮的是施加負荷的影響。其計算公式由式（1-2）和（1-3）所示：

2??系統(tǒng)總體設計方案

本系統(tǒng)結構由近到遠可看作三層，包括為近距離通信層、遠距離通信層和控制層。系統(tǒng)組成主要包括測溫終端、測溫主機、基站和監(jiān)控中心。結構圖如圖2-1所示

本系統(tǒng)具有完善的性能，采用新穎的無線通信模式和可靠的電源管理，可靠性得到提升，能適應野外環(huán)境，應用前景廣泛。

3?系統(tǒng)硬件設計

3.1?測溫終端硬件設計

一種溫度信息采集設備，其內部結構為：（1）電源模塊;（2）主控制器;（3）時鐘控制模塊;（4）接觸式溫度傳感器;（5）近距離無線通信模塊。組成框圖如圖3-1所示。

由于測溫終端工作在高壓環(huán)境，會受一定程度的影響，導致測量設備工作質量不佳。因此在設計該設備結構時，系統(tǒng)內部采取了光電隔離、電氣絕緣和電磁屏蔽等措施，從而可以提升系統(tǒng)的魯棒性。主控制器選用PIC16F876A芯片，其最大特點在于可實現(xiàn)在線調試和在線編程，采用目前應用較為成熟的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20[15]，控制時鐘模塊選用時鐘器件ISL12O26，來控制測溫時間間隔。

3.2?測溫主機硬件設計

測溫主機用來接收該鄰域的測溫終端測量信息。內部結構為：（1）時鐘和定時控制;（2）電源管理;（3）主控制器芯片;（4）光電隔離電路;（5）數(shù)據(jù)存儲單元等。如圖3-2所示。

4系統(tǒng)軟件設計

4.1?測溫終端主程序

系統(tǒng)測溫終端的程序流程為：首先系統(tǒng)進行初始化;其次對時鐘芯片初始化設置好系統(tǒng)的工作時間間隔;接著采集導線各點溫度信息并通過近距離無線模塊向鄰域主機發(fā)送數(shù)據(jù)集;接著設置定時器參數(shù)，在設定時間段內等待接收主機的回應信號并進行判斷處理;最終實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗控制。主流程圖如圖4所示。

4.2?測溫主機主程序及中斷程序

系統(tǒng)測溫主機的程序流程為：首先系統(tǒng)進行初始化;其次調制系統(tǒng)的時鐘芯片;緊其次對環(huán)境氣象條件進行采樣;最后呼叫所有基站和將采樣數(shù)據(jù)一并發(fā)送給監(jiān)控中心，并接收監(jiān)控中心的控制命令。主程序流程和中斷程序流程如圖5所示。

結語

通過研究輸電線路電流與導體溫度之間的關系，提出了通過實時監(jiān)測一定天氣環(huán)境下的導體溫度來計算線路隱式電容以實現(xiàn)傳送容量擴展目的的想法。進而為電力系統(tǒng)輸電線路動態(tài)增容技術提供科學參考值。系統(tǒng)特點：（1）系統(tǒng)整體功耗降低，減少無用功率;（2）監(jiān)測溫度系統(tǒng)硬件電路安全可靠，符合工程要求;（3）將短距離傳輸和遠距離傳輸相結合，實現(xiàn)多種復雜通信;（4）系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)不僅可以應用在線路監(jiān)控，也可應用于其他電氣設備溫度監(jiān)測中，應用前景廣泛。

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作者簡介：關卓林（1995—??），男，漢族，安徽淮南人，本科，助理工程師，研究方向：輸電線路運維檢修。