高压输电线路在线监测系统

上官安琪

（武汉大学，武汉 430072）

近几年，我国特高压输电技术发展较快，但与之适应的输电线路在线监测技术起步较晚，监测装置和监测系统尚不成熟，输电线路抵御冰雪、大风等自然灾害的能力较弱，这就要求我国必须发展智能输电技术。输电环节智能化有助于充分利用现有电网资源，大幅度提高输电线路输送能力，降低输电成本；优化输电网络运行条件，充分发挥现有输电线路的效率；提高电力系统稳定水平，促进智能电网的发展和互联；实现状态评估、故障诊断、状态检修和风险预警，实现对线路运行状态的可控、能控和在控。

1 国内在线监测设备研发及应用现状

最近几年，随着电力系统状态检修工作的开展和智能电网的建设，输电线路在线监测技术得到迅速发展。2008年初的罕见冰雪灾害发生后，国家电网公司、南方电网公司均加大了对输电线路覆冰、舞动的研究投入，2010年国家智能电网规划总报告中提出加大对输电线路状态监测装置及其系统的研制开发，全面建成覆盖全网范围的总部和各网省公司输电设备状态监测系统。

从 1998年开始，国内高等院校及厂家陆续开展了对输电线路在线监测方面的产品的研发，2000年各电力公司陆续安装绝缘子泄漏电流在线系统，由于缺乏应有的判据一直处于停滞不前状态；2002－2004年国内相继研发成功了输电线路图像监测系统及输电线路覆冰监测系统，目前国内应用量较大，据估计，覆冰监测装置在国内总体应用量在1500余套左右，图像监测装置在3000套以上，以上两种产品对线路覆冰监测及线路巡视维护提供了很大的作用。2004年后相关厂家陆续开发了线路微气象监测系统、线路导线温度监测系统、线路导线舞动监测系统等产品，均得到了一定量的应用。在线监测产品制造厂家达到10余家，监测装置总体产品应用量达到1万台左右。从2008年开始，南方电网公司召集包括清华大学在内的10余厂家召开技术交流会，对在线监测的规约及通信标准做出了规定，2009年国家电网公司也启动了相关标准的起草工作，目前各厂家的产品能够达到中心兼容。

2 监测装置各部分的功能与特点

BOOM-OLMS系列输电线路状态监测系统利用光纤传感技术、电子测量技术、无线通信技术、太阳能新能源技术、软件技术对导线覆冰、导线温度、导线弧垂、导线微风振动、导线舞动、次档距震荡、导线张力、绝缘子串风偏（倾斜）、杆塔应力分布、杆塔倾斜、杆塔振动、杆塔基础滑移、绝缘子污秽、环境气象、图像（视频）、杆塔塔材被盗等进行监测。

图1 高压输电线路在线监测系统功能模块

2.1 监测装置的电源

安装在铁塔上的监测装置统一采用太阳能对蓄电池浮充的方式进行供电，针对我国西南、华东等日照照射相对较弱地区可采用太阳能及风能对蓄电池进行充电的方式进行供电。监测装置安装于铁塔上，安装较为困难。因此减小设备体积及重量成为监测装置设计首要考虑的因素，采用超低功耗技术，装置待机电流保持在20mA（12V）以内，因此在同等容量电源条件下，装置可连续运行时间比目前市面厂家长30%以上。一般情况下数据采集装置配置12V 33AH电池即可连续运行30天以上，装置体积小、重量轻，有利于现场安装。

2.2 监测装置的通信

1）数据采集单元（导线温度、导线舞动、导线张力、导线弧垂等）与塔上监测装置之间采用 RF、Zigbee、WIFI等方式进行通信，通信距离1～3km。

2）塔上监测装置与CMA（状态监测代理）之间采用RJ45、RF、Zigbee、WIFI等方式进行通信。

3）CMA或集成有CMA功能的监测装置与CAG（状态信息接入网关机）之间采用OPGW、WIFI、GPRS/CDMA/3G、卫星等方式进行通信。具备光纤接入条件杆塔上的监测装置，采用光端机将杆塔上的的数据传输至中心CAG，实现数据落地；不具备光纤接入条件杆塔上的监测装置通过无线（WIFI）网络将各监测装置数据汇总至有光纤接入杆塔上的监测装置，利用光交换机将无线监测装置数据传输至中心CAG。

2.3 监测装置的功能单元

输电线路状态监测系统包括覆冰、气象、图像（视频）、导线温度、导线微风振动、舞动、反外力破坏等产品，上述功能模块可单独使用也可任意组合使用。

1）输电线路覆冰监测装置

输电线路覆冰在线监测系统通过全天候地采集运行状态下输电线路的绝缘子串拉力、绝缘子串风偏角、绝缘子串倾斜角、风速、风向、温度、湿度等特征参数，将数据信息实时传输到分析处理中心，通过智能分析算法计算导线覆冰厚度；相关部门根据线路荷载、覆冰厚度及周边气象环境决定是否需要实施预防措施。拉力传感器采用进口特种不锈钢设计，具有抗腐蚀、耐磨、强度高、测量精确度高的特点；系统可结合局部气象特点，对覆冰的发展趋势进行预测。

2）输电线路图像/视频监控系统

输电线路图像、视频监控系统主要利用了先进的数字视频压缩技术、远距离GPRS/CDMA/3G无线通信技术、新能源及低功耗应用技术、软件技术、将电力杆塔、导线现场的图像经过压缩、分组后通过GPRS/CDMA等无线网络传输到监控中心，从而实现对输电线路周边环境及环境参数的全天候监测。使线路管理人员在中央监控室即可看到杆塔现场信息，将事故消灭在萌芽状态。装置摄像机选用工业球形摄像机，机芯采用SONY CCD 芯片，具有清晰度高，抗电磁干扰的特点。

3）输电线路导线温度监测及动态增容系统

导线温度在线监测系统通过实时监测输电线路导线温度、导线电流、日照、风速、风向、环境温度等参数。系统主要由测温单元、塔上监测装置、通信基站和分析查询系统四部分组成。其中体积小、重量轻的测温单元安装在输电线路导线或金具上，实时采集导线及金具温度，并通过Zigbee或RF射频模块将数据无线上传至铁塔上的监测装置。

4）输电线路导线对地距离（弧垂）监测系统

输电线路导线弧垂监测装置安装在导线的弧垂最低处或需要监测的部位，采用高能电池或导线感应取能技术，实时测量导线对地距离的变化情况，可及时发现导线弧垂的变化，避免接地事故的发生，并可结合导线的温度和气象数据对导线预期弧垂进行计算，建立预警机制，确保线路运行和被跨越设备的安全。该模块具有体积小、功耗低、测量距离远、精度高、成本低的特点，可广泛应用于35～1000kV的交直流输电线路。

5）输电线路防盗报警系统

“基于光纤检测及图像监测技术的输电线路防盗报警监测系统”，运用光纤探测技术、图像监测技术、现代通信技术、新能源技术、新软件技术，使报警可靠性达98%以上，很好地解决了输电线路防盗预警的难题，为国内首创。

系统由埋在铁塔周围（及塔基内部）的光纤传感器、安装在塔上的智能视频监视及分析装置组成。当有人靠近铁塔或攀爬时，光纤报警器发出预警信号，并把预警信号传输给安装在铁塔上的图像监测装置，监测装置收到报警信号后打开摄像机，启动图像监测功能，进行图像连拍，将图像传输至监控中心，并启动现场语音告警。

6）光纤传感报警原理

传感光纤没有受到外界干扰情况下，激光信号的传播路径，如图2所示。

图2

当传感光纤受到振动或移动时，激光信号的传输相位发生了改变，如图3所示。

图3

当传感光纤受到压力形变时，激光信号传输相位也发生了改变，如图4所示。

图4

传感光纤内激光信号相位的改变时通过光纤调制器输出的光强与受到相应的振动对应。 通过对信号进行放大、滤波、数字化进入嵌入式DSP利用自适应软件进行分析处理，进而判断是否进行报警处理。

3 在线监测未来发展方向

在线监测技术作为智能输电的关键技术之一，是目前国家智能电网建设的重要研究方向。未来输电线路的监测技术主要向以下方向发展。

1）实用性，经过逐步的产品推广应用，会出现一些主流的应用产品，如覆冰、气象、图像、舞动、导线温度，而其他产品会逐步退出市场应用。

2）应用嵌入式系统为主要方向，ARM 等系统的应用会成为主流，这将有助于提高设备的可靠性，有利于设备功能的扩展，提供丰富的接口应用。

3）各种分析、计算、预警等计算模块将随着前端装置CPU计算功能的加强进行迁移。

4）前端传感器的标准会逐步统一，目前国网、南网只对整套装置的通信协议作出相应规范而没有对前端传感器的规约及接口作出要求。

5）产品重量、体积会大幅度缩小，有利于现场安装、施工方便，据个人看法，未来两年内将会出现整套重量低于20kg的产品出现。

4 结论

综上所述，建议国家电网公司相关部门进一步细化相关技术标准，统一传感器接口标准，对设备的体积重量作出明确规定，对设备的无阳光工作时间做出强行测试，对入网设备的耐候性进行长期模拟测试等以提高设备的可靠性。

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