智能电网的高级输电线路安全运行系统开发

杨启平，徐丹凤，董 辉，邓正文

(上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090)

为了确保电网运行的安全和可靠，满足人们对电能需求的快速增长，发展智能电网已成为电力系统的战略目标.随着计算机技术和通讯技术的不断发展，高速双路通讯、高级传感器和分布式计算机的电力传输和分配网络等技术已逐步应用于电网建设，这使得智能电网的实现成为可能.本文主要探讨了在智能电网背景下的高级输电运行中输电线路安全运行系统的开发.

1 智能电网的定义和特征

1.1 智能电网的定义

以物理电网为基础，将现代先进的网络技术、传感技术、计算机技术与物理电网高度集成而形成的新型智能化的电网被称为智能电网.为了电网的安全、可靠、经济、高效，以及环境友好、能适应电力市场化发展等目标，必须实现电网的智能化.

智能电网主要由以下4个部分组成:

(1)高级量测体系(Advanced Metering Infrastructure，AMI)用来测量、收集、储存、分析和运用用户用电信息的完整的网络处理系统，促使电力部门与用户负荷建立密切联系;

(2)高级配电运行(Advanced Distribution Operation，ADO)主要功能是使系统自愈;

(3)高级输电运行(Advanced Transmission Operation，ATO)强调阻塞管理和降低大规模停运的风险，实现输电系统(运行和资产管理)的优化;

(4)高级资产管理(Advanced Asset Management，AAM)与 AMI，ADO，ATO 相集成，可以大大改进电网的运行效率.

1.2 智能电网的特征

强大的智能电网具有如下特征:坚强(安全、可靠、高效、抵御攻击)，自愈，兼容，经济，优化，集成.这些特征从功能上描述了电网的特性.

智能电网主要强调自愈功能，自愈电网(包括对事故预测和决策)的目标是让电网具有自我预防和自我恢复的能力.电网自愈，即:实时掌握电网的运行状态，预测电网运行趋势，及时发现并快速诊断故障隐患，预防故障发生，并在没有或少量人工干预下，能够快速隔离故障，进行自我恢复，以避免大面积停电事故的发生.

1.3 高级输电运行技术

ATO技术是实现输电系统优化、保障电能正常输送的重要环节，它强调阻塞管理和降低大规模停运风险.智能电网的ATO技术在对输电线路进行在线监测、评估诊断与决策的研究、实现输电线路状态评估智能化、加快线路状态检修、加强全寿命周期管理，以及智能防灾技术的应用等方面具有积极的作用.

2 智能化输电线路安全运行系统

输电线路是电网的重要组成部分，为了实现远距离、大容量输电，增强输电线路防范措施［1］，减少各类运行故障，提高抵御各类灾害的能力和电网安全运行水平，必须建立输电线路综合防灾和安全保障信息共享机制和技术平台，以实现对线路影响较大的自然灾害信息的监测、分析、预报，提高线路综合防灾和安全运行保障水平［2］.

上海电力学院科研人员经过多年的研制，成功开发了一套新型高级输电线路安全运行监测系统.系统采用先进的传感器，并引入远程可视监测装置，通过高速通讯网络，对输电线路各状态参数进行在线监测.所构建的输电线路监测系统模型如图1所示.

图1 输电线路安全运行系统

本系统可实时掌握输电线路安全运行状态，它将获取的被测信号(电的或非电的)转换成单一的电磁(模拟)信号，并通过电缆或无线通讯设备传输到信号处理器.信号处理器由专用型集成电路运算放大器构成，其作用是将微弱的电磁信号放大.将信号处理器与快速A/D转换器连接.A/D转换器的作用是将随时间连续变化的模拟信号转换为时间离散的数字信号，并输入计算机系统.

2.1 输电线路的安全运行

为确保输电线路的安全运行，有必要对线路运行状态进行实时监测，及时掌握相关参数的变化，因此必须在输电线路上安装各类传感装置［3］，用于对输电线路的状态(导线温度、电流强度)和环境条件(温度、日照等)的全方位监测.在线监测设备主要包括安装检测导线温度的红外传感器、检测电流的互感器，以及监测环境变化的传感器等，如图2所示.

图2 传感装置线路安装示意

图2中，气象站主要用于测量输电线路运行工况，如气温、湿度、日照、风速等.目前，我国输电线路普遍采用钢芯铝绞线和钢芯合金绞线，从输电线路安全运行的角度来说，主要考虑发热对导线自身机械强度和对导线连接处两个因素的影响.本设计按导线允许温度限额为70℃的规定，在保持现有输电线路结构和确保电网安全运行的前提下，来提高线路输电能力.例如测试LGJQ2400/50钢芯铝绞线(环境温度为40℃;电压等级为500 kV;标准档距为400 m;风速0.5～35 m/s;日照100 W/m2;吸热系数0.95)，当温度由70℃上升到80℃或90℃时，导线输电量可从2 390 MW分别提高到2 780 MW和3 110 MW，而导线温度在70～90℃时，导线综合机械强度几乎不变.这样，在保障输电线路安全的同时，提高导线允许温度，可充分发挥线路输电能力，产生十分明显的经济和社会效益.近年来，国内一些大型电力设备厂商纷纷将目标锁定在新型传感器的开发应用上，在输电架空线铁塔上，将各类传感器的传感探头直接安装在输电线路的探测热点上，以取得运行时的相关监测信号.从监测效果来看，该方法非常有效，有进一步推广应用的价值.

2.2 输电线路设备的监测

2.2.1 绝缘子污闪的监测

绝缘子是用来支持导线的绝缘体，以保证导线与横担、杆塔有足够的绝缘，在运行中应能承受导线垂直方向的荷重和水平方向的拉力，以及日晒雨淋等气候变化和化学物质的腐蚀.绝缘子既要有良好的电气性能，又要有足够的机械强度.输电线路绝缘子在运行中的污闪会造成大面积停电，严重影响电网的可靠性和稳定性.目前，该领域的专家为防止污闪事故的发生，提出对绝缘子污秽的程度进行在线监测［4］，通过监测表征绝缘子污秽状态的物理量，来预诊断污闪发生的几率，并针对绝缘子污秽程度，作出判断和鉴定，及时提供防范污闪事故发生的方法和措施.由于绝缘子污闪一直是威胁输电线路安全的隐患，因此如何准确检测绝缘子的污秽程度是采取防污闪措施的前提.

国际大电网会议推荐最大泄漏电流法，即Ih法，利用流经绝缘子表面的泄漏电流值来表示绝缘子的污秽程度，以实现污秽程度自动检测和报警.由于泄漏电流测量相对方便，特别适合于在线监测.它利用安装在绝缘子上的电流传感器，实时监测泄漏电流的大小.常用的泄漏电流传感器测量电流的确定:绝缘子污闪临闪前，运行电压下泄漏电流的最大脉冲幅值为Ih，动态Ih值可根据现场记录数值和实验室测定来确定，有关文献把泄漏电流Ih报警值设为40 mA.但在干旱少雨地区，最大泄漏电流法不太适合.

2.2.2 避雷器的监测

避雷器作为输电线路安全运行重要保护设备，可有效限制线路的过电压，大大减少输电线路遭雷击的跳闸故障，保护电气设备.由于自然环境条件的不断恶化，雷击引起的输电线路掉闸故障日益增多，不仅影响设备的正常运行，而且极大地影响了日常的生产和生活.雷击已成为影响输电线路安全可靠运行的最主要因素.

目前，国外已将线路型合成绝缘金属氧化锌避雷器广泛用于输电线路的防雷，取得了很好的效果.加装避雷器以后，当输电线路遭受雷击时，雷击电流的分流将发生变化，一部分雷击电流从避雷线传入相临杆塔，一部分经塔体入地;当雷击电流超过一定值后，避雷器动作加入分流.这种分流的耦合作用将使导线电位提高，导线和塔顶之间的电位差小于绝缘子串的闪络电压，绝缘子不会发生闪络，因此线路避雷器具有很好的钳制电位的作用.

在输电线路上，近年来国内主要采用金属氧化锌避雷器［5］(Metal Oxide Arrester，MOA)，MOA具有优异的保护性能，但MOA运用于输电线路后，会因内部受潮、阀门片自身老化，以及环境污染等因素造成损坏，或发生爆炸事故.相关领域专家深入研究了 MOA在线监测机理，认为形成MOA故障的主要原因是避雷器污秽造成电阻性电流Ir增大，损耗剧增，引起热崩溃.因此，对MOA外表面的泄漏电流(阻性电流Ir)进行监测，有利于对MOA作出早期故障的预诊断［6］.《电力设备预防性试验规程》提出报警电流范围为:对110 kV及以上MOA电阻性电流Ir为300～500 μA，全电流为500～700 μA.而 Ir的实际控制值常定为 400 μA，全电流值超过 1 200 μA.目前，国内对MOA在线监测技术的开发已日渐成熟，通常将监测MOA的电流传感器安装在MOA相应部位，检测由避雷器污秽造成的电阻性电流Ir，以获取相关监测信息.采用的方法主要有全电流法、三次谐波法、基波法等.

2.2.3 输电线路远程视频监测

我国电力输电线路的迅速增长，给输电线路的巡视和监测带来不便.目前，人工巡视仍是其主要方式，但它已完全不适应智能电网发展的需要，特别是对人口密集地区和深山谷地线路的监测，传统人工巡视方式将被远程可视监测系统替代.

输电线路远程视频监测系统是在铁塔上安装多台不同类型的摄像机，分别监控不同的对象，通过高性能图像传感器(摄像头)获取现场图像，再经专用视频处理芯片(例如SAA71和FPGA系列)，将模拟视频信号数字化.现场采集监测信号经视频图像压缩、编码处理后，再通过无线通讯(如 GPRS，CDMA，3G)，将现场图像信号传输到监控中心，以实现对输电线路运行和周边环境的全天候监测.运行人员可以根据可视图像信息，及时掌握现场设备运行状况，以提高输电线路的安全性能，全面保障线路的可靠性，大大减轻线路巡视人员的劳动强度.

2.3 无线通讯的信号传输

在高级输电线路安全运行系统中，通过安装在输电线路各部位的先进传感器获取监测信号，实现远程数据和图像的传输.无线通信技术将现场取得的监测信号输送到监控中心，有效完成包括导线运行温度、环境状况、绝缘子泄漏电流、MOA等监测数据的实时传输.此外，系统还可实现远程设备的无人化巡视.

目前，信号传输采用通用分组无线业务，如GPRS，CDMA，3G，GSM，并通过 GGSN 与 Internet网相连，构成“中心计算机——多个用户点”的组网方式.GPRS具有高资源利用率、高传输速率、网络覆盖广等优势，目前已成为故障定位系统、输配电监测系统等无线传输通道的首选.运用基于GPRS网络的无线图像监控通讯技术，能够很好地解决输电线路及设备的数据信号的采集和传输问题.通过GPRS技术，集成对输电线路安全运行的在线监测技术，结合人工智能的故障诊断技术，建立一体化的监测信息平台，可以实现对输电线路的实时监测，大大提高输电线路的安全运行水平和智能化管理能力.因此，无线通信技术的推广应用是实现智能电网的关键.

3 输电线路故障的智能化诊断

在输电线路安全运行系统中，监控中心接收到由GPRS或CDMA或3G传输的信息，经智能化系统对输电线路运行状态的实时监测，利用监测数据进行连续的分析和判断，并对输电线路安全运行作出诊断，对输电线路潜伏性故障作出预警告示.智能化诊断系统由专家系统［7］和人工神经网络(ANN)［8］构成，主要用于监测电力输电线路安全运行状况和故障诊断［9］.

3.1 专家系统

输电线路故障诊断专家系统(TRLES)由知识库、数据库、解释机制、推理机和人机接口5部分组成，其中知识库是专家系统的核心.TRLES诊断着重围绕输电线路安全运行在线监测、绝缘子污闪在线监测、避雷器在线监测和远程可视监测等检测手段获得的数据，建立了专家系统的数据库，根据领域知识开发专家系统知识库，知识库由各模块构成，如图3所示.

图3 知识库模块

TRLES由输电线路安全运行模块、绝缘子污闪泄漏电流污闪模块、避雷器模块(包括全电流法、三次谐波法、基波法)、远程可视监测模块和综合分析模块组成.各模块间相互独立，由协调器控制和协调各模块的工作.当TRLES运行时，首先启动输电线路远程可视监测系统，获取现场可视图像，接着启动输电线路安全运行模块、绝缘子污闪泄漏电流污闪模块、避雷器模块，最后根椐各模块分析结果，启动综合分析模块进行全面判断，并给出诊断结论.TRLES对运行中输电线路故障作出早期诊断和实时监测，并对现场运行人员提供“咨询”意见.目前，TRLES系统已被有关供电部门采用，运行情况良好.

在运行中，TRLES显示出以下几个特点:

(1)知识库采用模块化结构，方便融入领域的新知识，有利于诊断功能的扩展;

(2)可用于诊断输电线路运行故障严重程度和性质、绝缘子泄漏电流引起的污闪，以及造成停电可能程度、避雷器损坏程度等，并进行输电线路的远程可视监测，使输电线路安全运行的可靠性增强，充分发挥其寿命期内应有的功能;

(3)充分利用VC++语言的特点，实现目标驱动的正向推理机制和深度搜索，建立强大的数据库，有利于用户随时调用分析;

(4)具有良好的人机接口，同时具有屏幕显示和打印的双重功能，操作、使用十分方便，以满足用户多方面的需要;可与电力系统内局域网、广域网连接，实现资源共享.

3.2 人工神经网络法

ANN的实质就是用来模拟人脑的信息处理功能，由于ANN本身就是简单的非线性函数的多次复合，无需建立物理模型和进行人工干预，具有自组织、自学习的能力，能映射高度非线性的输入/输出关系.ANN采用反向传播的BP网络，具有模式分类能力，能较好地处理故障诊断中的一些模糊问题.将ANN输入与故障症状的性质对应，建立模块结构，可以大大降低样本的训练过程，加快故障诊断的速度.ANN 的开发［10］，样本的训练是其成功的关键.目前，ANN正成为电力输电线路设备故障监测和诊断的一种理想工具.

本系统中人工神经网络的拓扑结构见图4.

图4 人工神经网络结构

ANN是由大量作为简单信息元的节点(神经元)广泛连接组成的复杂结构，由输入层、隐层和输出层组成.输入层节点接受来自外源的输入信号，考虑到电力输电设备特性和故障诊断中的特殊地位，选择监测信号作为ANN对应输入层节点的特征输入元素，将需要识别的模式输入节点后，由网络前向传播至各隐层节点，经隐层节点的激活函数作用后，再传播到输出层节点，最后经输出层，由节点提供输出信号.本ANN输出层节点选定为4个，分别对应运行中输电线路设备常见的4种状况:Y1为正常，Y2为过热，Y3为故障，Y4为老化.ANN样本的训练采用了普通的误差反向传播学习算法.在电力设备故障诊断中，用可能的故障及相应的警报信号作为输入特征数据来训练ANN样本，训练后即可根据警报信号，实时判断故障性质和故障严重程度.ANN经输出层节点的输出信息分别对应故障的状况:Y值的范围为0～1，当 Y2，Y3，Y4的值为 0.5 时，认为已存在故障，数值越趋近1，则反映电力输电线路故障程度越严重.

输电线路故障诊断人工神经网络(TRLANN)应用程序可对运行中的电力输电线路进行故障诊断和实行在线监测，经过现场运行和调试，该应用程序已趋完善.它具有以下3个优点［11］:

(1)能极大地减少计划停电的时间，提高电力系统运行的可靠性;

(2)能及早发现电力设备初期故障，并及时采取措施，降低设备损坏程度;

(3)能实现基本状态的维护，延长电力设备维护间隔和使用寿命;

TRLANN的开发是一个长期的渐进过程，需要不断改进、创新和完善，更需要在实践中接受检验.

3.3 智能化诊断实例

本文以上海某供电局2010年6月17日的输电架空线FXBX220/100型绝缘子泄漏电流在线测量数据为例，进行输电线路智能化系统诊断.FXBX220/100型绝缘子泄漏电流采样数据如表1所示.

表1 绝缘子泄漏电流采样数据

TRLES诊断结论:315#和365#绝缘子存在问题，315#绝缘子应清洗，365#绝缘子应更换(绝缘子泄漏电流Ih报警值设为40 mA).

TRLANN诊断结论:365#绝缘子的Y3值为0.917 5，表明故障性质趋于严重.

现场专家处理意见:365#绝缘子严重损坏，应更换.

4 结论

(1)电力输电线路安全运行系统的研究、开发和应用，在智能电网的高级输电运行中是一个必不可少的新课题，从开发工作的进展情况分析，潜力很大，系统可实现对输电线路日常安全运行全方位监视和输电线路无人化监视，以及对输电线路早期潜伏性故障作出诊断和预警.

(2)输电线路安全运行系统应该具有强大的自愈和抗外界干扰的能力，因此我们必须加强系统对线路运行状态的实时监测，利用监测数据进行连续的自分析、自诊断，及时发现输电线路故障隐患，并用自动控制手段将故障消灭在萌芽状态.此外，面对冰雪、地震等极端自然灾害，系统应具有较高的抗攻击能力，在输电线路发生故障导致停电后，系统能够快速反应，迅速、有序地恢复供电，最大限度降低停电影响.

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