智能电网输配电线路在线监测与故障诊断综合系统

白利军

（呼和浩特供电局营销配电处，呼和浩特 010050）

近几年，智能电网越来越多的引起了人们的关注。智能电网建设涵盖了电力系统发电、输电、变电、配电、用户、调度及通信各个环节。作为智能输电环节关键技术之一的在线监测技术，在我国起步较晚，最近几年国内部分高校和厂家陆续开展相关工作，开发了一些输电线路在线监测装置和系统，例如：覆冰监测，舞动监测、绝缘子污秽监测等[1]。但前期产品在装置稳定性，工艺生产等方面存在一些不足，此外，智能化程度不高，不能满足智能输电的需要。为满足智能输电的要求，亟需建立一个覆盖全国各网省公司的输电线路综合在线监测系统。

1 智能输电

世界各国根据国情的不同，智能电网发展的侧重点有所不同。欧美等发达国家电网格局已基本稳定，智能电网的研究重点放在配电和用电领域[2]；我国能源分布和电力负荷极度不平衡，此外在能源利用方面，风能、太阳能等可再生能源利用率较低，现阶段我国智能电网围绕清洁能源的有效利用以及坚强输电网络的建设和维护等方面。

输电智能化主要体现在以下几个方面：①广泛采用柔性交流、直流输电技术，充分利用现有电网资源，提高输电线路稳定性和线路输送能力，优化电网运行条件，降低输电成本；②建设覆盖全国的能源输送通道，全面实现“西电东送，南北互供”；③建立覆盖全国范围的输电线路状态监测系统，实现对微气象信息和设备运行状态信息的集中实时采集，并给出灾害预警信息，并在此基础上建立国家防灾预警体系[3-5]。

2 系统简介与设计

2.1 系统简介

1）系统构成

智能输电线路综合在线监测系统由国家电网总部、网省电网公司、地市局电网公司、线路监测分机、通信网络、监测信息组成[3]，系统总体框图如图1所示。该系统综合了现有的多个监测装置的功能，实现了对影响绝缘子污秽、风偏、导线温度、覆冰雪、舞动、杆塔防盗、杆塔倾斜的信息进行实时/定时采集。通过GPRS通信模块发送至地市局监测中心，监测中心专家软件则利用相应的监测信息根据不同的智能算法及其修正理论模型和试验结果给出不同功能的监测判断[3]。各地市局监控中心与网省公司监控中心采用LAN方式组网，省公司监测中心可以直接调用各地市局监测中心的设备状态信息。各网省公司与国家电网总部也采用LAN方式组网，国家电网总部可以直接调用各网省公司的整体信息，便于统一管理。

图1 输电线路综合在线监测系统总体框图

2）系统功能

智能输电线路综合在线监测系统实现了对输电线路微气象信息和设备状态信息的全面监控，其主要功能如下：①输电线路微气象区监测；②覆冰监测；③舞动监测；④微风振动监测；⑤导线温度及动态增容监测；⑥绝缘子串风偏监测；⑦绝缘子串污秽监测；⑧杆塔防盗报警监测；⑨杆塔倾斜监测；⑩远程图像/视频监控。

2.2 监测分机的设计

1）监测主分机设计

监测主分机主要用来完成对导线周围微气象信息、设备状态相关参量的采集和节点加速度、温度数据的无线传输。主要由微处理器、微气象监测单元、绝缘子监测单元、杆塔监测单元、导线监测单元、视频监测单元以及电源模块、ZigBee模块和GPRS通信模块组成。其结构框图如图2所示。硬件设计的核心微处理器选用 TI公司的超低功耗16位MSP430单片机，具备超低功耗和丰富的外设，该微处理器除了活动模式外还有4种低功耗模式，在实现高性能的同时，降低系统功耗[7]，能满足野外环境长期工作的需要。

2）监测副分机设计

图2 输电线路综合在线监测装置结构框图

监测副分机主要用来实现对节点导线温度和节点加速度的采集和无线传输，主要由CC2430、加速度传感器、温度传感器和简单外围电路组成。ZigBee模块硬件原理图如图3所示。在电路中非平衡变压器由电容C21和电感L1、L2、L20以及一个PCB（印制板）微波传输线组成，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻（50Ω）的要求，R13为射频单元提供合适的参考电流，阻值为43kΩ。内部T/R交换电路完成LNA和PA之间的交换。R12主要用来为芯片提供合适的参考电流，阻值为 56kΩ。用 1个32MHz的石英谐振器（Y2）和 2个电容（C36和 C37，22pF）构成一个32MHz的晶振电路，用1个32.768kHz的石英谐振器（Y1）和2个电容（C1和 C2，15pF）构成一个 32.768kHz的晶振电路。电容 C3和 C27（220nF）为电源滤波电容，以提高芯片工作的稳定性。整个无线ZigBee模块接口电路采用两排12脚标准的排针, 将CC2430单片机所有的21个IO引脚以及电源引脚、复位引脚全部引出，在应用中就可以根据实际情况进行相应的 IO功能定义,大大增强了无线ZigBee模块的通用性以及互换性[10]。

图3 无线ZigBee模块硬件原理图

3 专家软件

监测量与故障之间缺乏一一对应关系，专家软件中智能算法的设计是系统设计的难点，目前模糊控制、神经网络、专家知识和小波分析等智能算法已经开始应用于在线监测[3]。专家软件主要分为 4个处理单元：导线处理单元、杆塔处理单元、绝缘子处理单元和视频处理单元。

3.1 导线处理单元

1）舞动监测：导线舞动分析采用三自由度数学模型[3]，三自由度模型是把覆冰的输电导线简化为一个同时具有垂直、水平及扭转振动的系统，其 3个自由度的运动方程为

（1）垂直方向

（2） 水平方向

式中，mi为单位长度覆冰质量；0θ为初始覆冰角；r为导线半径；R为特征半径；U为风速；D为迎风尺寸，此处为导线直径；θ为攻角；ρ为流体（此处为空气）的密度；CL、CD为升力与阻力系数。

2）覆冰监测：根据线路导线覆冰后的重量变化以及绝缘子的倾斜/风偏角进行覆冰载荷（覆冰厚度、杆塔受力、导线应力等）计算，直接与线路设计参数比较，当覆冰达到预警值，及时给出报警信息。计算公式详见参考文献[3]。

3）温度及动态增容监测[3]：增容技术的关键在于根据外界环境条件和导线本身特性，计算出导线载流量。导线载流量的计算公式很多，也很繁琐，但在一定条件下，可将其简化，当雷诺系数为100～3000时，即环境温度为40℃、风速0.5m/s、导线温度不超过120℃时，用于直径4.2～100mm导线的载流量计算。其摩尔根简化公式为

式中，I为安全载流量，A；θ为导线的温升，℃；t0为环境温度，℃；tc为导体稳态温度，℃。

在实验室假设气象条件下，对该公式进行验证发现，计算出的载流量和简化前的公式计算出的载流量非常接近，采用摩尔根简化公式可以充分保证导线运行的安全性[3]。

4）微风振动监测：通过监测导线的弯曲应变、导线温度以及风速、风向等信息来计算输电线路的微风振动频率、振幅等情况，并通过相应算法判断导线的疲劳磨损寿命，对线路安全运行进行评价，在疲劳损坏前给出预报警信息，及时采取措施，减少风振损失。

3.2 杆塔处理单元

1）防盗报警监测：监控中心接受到监测分机发送的短信，可以及时获取现场信息。同时，专家软件数据库存储杆塔的基本信息（线路、编号、位置等）以及各巡检人员的手机号码，监控中心定期向监测分机发出巡检信息，若某监测分机没有回复短信，则通知巡检人员进行现场检修[3]。

2）杆塔倾斜监测：暴雪、台风等恶劣天气容易导致杆塔倾斜，通过双轴倾角传感器测出杆塔在顺线路方向和横线路方向倾斜角度，进而计算出杆塔在顺线路方向和横线路方向的倾斜度和综合倾斜度，当达到警戒值时给出报警信息[3]。

3）绝缘子处理单元

（1）风偏监测：根据风偏角计算模型以及最大风偏角修正方法[8]，绘制各项数据的曲线图，结合风速、雨量等环境信息，得出风偏角的范围。当风偏角超过预警值时，给出预警信息。

（2）污秽监测：泄流电流是判断污秽的重要参数之一，通过数学分析和建模我们可以找到泄漏电流随时间变化情况与电弧长度、污层电阻等的非线性关系[3]。其具体计算步骤如下

①选取参考序列

比较序列：

②数据规范化

数据规范化是为了消除数据量纲影响，合并数量级，使整个序列具有可比性，常用的有化均值化、区间值化和归一化等方法。此处采用均值化法处理数据，按下式处理后得新序列：

③计算关联系数

式中，ρ为分辨系数，它反映了系统各个因子对关联度的间接影响程度，通常取ρ=0.5。

④求序列对序列的关联度

⑤排关联序或分析关联矩阵

将Yij依大小顺序排成一列，以明确各子序列的“主次”“优劣”关系，即与母序列变化状态越接近者，关联度越大。对于多序列比较则可生成关联矩阵。

利用该方法量化分析了绝缘子泄漏电流变化与相对湿度、温度、温度变化率等气象因素变化的接近程度，得出了各气象因素均与泄漏电流相关，且相对湿度关联度最大。

3.3 视频处理单元

监控中心接收各装置的数据，利用专家软件植入的 HDevelop智能算法对视频进行分析，并将信息存入数据库中。用户通过专家软件系统可随时查阅任意地点的图像资料，结合环境信息，决定是否派人巡视。也可将多幅图像进行对比，以观察线路周围树木等的发展趋势。

4 现场运行数据

系统在南方电网公司贵州110kV土杨松茅线等现场进行了测试与运行，获得了较理想的结果，其部分运行数据如下：①为2009年1月31日－2月5日监测的现场微气象信息，其中a为环境湿度变化，b为环境风速变化；②为2009年2月4－6日监测的现场导线数据，其中 a为导线温度变化，b为导线最大拉力变化。通过分析数据可以看出系统可以精确的采集微气象信息和设备状态运行数据，为状态检修、灾害预防提供了有效手段。

（1）现场微气象数据

图4

（2）现场导线数据

图5

5 结论

1）系统采用ZigBee无线网络和GPRS无线通信相结合的方式，解决了输电线路在线监测领域中有线数据传输引入的困扰，特别是导线监测信息的采集和传输问题。

2）故障诊断理论模型的设计一直是制约在线监测技术发展的难点之一，本系统建立了导线舞动、覆冰、导线动态增容、绝缘子污秽等数学模型，通过神经网络、小波变换等先进数据处理算法，实现输电线路状态的全面在线监测与预警。

[1]黄新波,张国威.输电线路在线监测技术现状分析[J].广东电力,2009,22(1):13-20.

[2]傅书逷.中国智能电网发展建议[J].电力系统自动化,2009,33(20):23-26.

[3]黄新波等.输电线路在线监测与故障诊断[M].北京：中国电力出版社,2008.

[4]国家电网智能化规划总报告(征求意见稿).北京：国家电网公司,2010.

[5]陈辉祥.柔性交流输电技术的发展及其应用[J].广东电力,2002,15(6):11-14.

[6]黄新波,孙钦东,程容贵,等.导线覆冰的力学分析与覆冰在线监测系统[J].电力系统自动化,2007,31(14):98-101.

[7]沈建华,杨艳琴,翟骁曙编著.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京: 清华大学出版社,2004.

[8]王声学,吴广宁,范建斌,周军,蒋伟.500 kV 输电线路悬垂绝缘子串风偏闪络的研究[J].电网技术,2008,32(9): 66-69.

[9]黄新波,刘家冰,王向利.基于 GSM SMS的绝缘子污秽在线遥测系统[J].广东电力,2005,18(4):36-40.

[10]黄官宝.架空输电线路舞动在线监测系统[D].西安：西安工程大学,2010.