特高压输电线路在线监测设计方案的技术研究

芦 灯 翟 彬 王爱华 张燕燕

1.山东电力工程咨询院有限公司 山东 济南 250013

2.国网技术学院 山东 济南 250002

0 引言

由于智能电网的优越性，建设以信息化、自动化、数字化、互动化为特征的坚强智能电网已成为国家电网公司的战略发展目标，作为电力输送物理通道的输电线路，是坚强智能电网的基本保证和重要组成部分。尤其是近年来高速发展的特高压交、直流输电线路，具有安全重要等级极高、地域分布广泛、运行条件复杂、易受自然环境影响和外力破坏、巡检维护工作量大等特点，因此在工程设计和建设初期，就应该以智能电网线路环节发展目标为指导，利用先进的通信、信息和控制等技术，实现线路安全化的要求。

要保证特高压线路运行安全，实现线路运行状态的可控、能控、在控，须通过线路巡检、在线监测、试验、科学运维等手段，进行线路状态评价、风险评估、故障诊断，实现线路运行状态化和运维智能化。通过安装在线监测及智能巡检系统、使用先进智能监测设备、汇集状态信息进行输电线路设备运行状态评估，发现输电网运行隐患并借助巡检系统及时进行信息交互、故障处理，是提高输电网安全稳定运行水平的切实需要，也是发展智能电网的需要［1-3］。本文就在线监测和线路运维现状进行了论述，对常用的在线监测装置及布置原则进行了分析，对比了5.8G无线专网、光通信和 GPRS／3G 3种通信方式的优缺点。最后，对基于OPGW电力专网的通信方案和基于无线公网的通信方案两种组网方案进行了比较，推出了较优的组网方案。

1 现状分析

1.1 线路运维现状

从特高压线路检修、巡视工作的现状来看，存在着如下一些问题：

1）特高压线路往往远离人口密集区，线路所处的特殊地理位置，给工作人员的检修、巡视工作带来了极大的困难。工作人员到达较远桩位难度大，巡检效率低。

2）输电线路环境气候多变，有时气候晴朗、温暖，有时会变得阴云密布、寒气袭人，偶尔还会下起大雨，很难把握检修、巡视时的天气情况。

3）在无人区没有手机信号，与外面完全失去联系，发生人身安全问题时搜救无法展开，检修人员之间靠“吼”来相互联络。

4）对交通工具要求很高．有的桩位有时有路，有时则无路可行，一般车辆无法越过河槽和沙坝。

5）巡检人员在现场无法跟主站人员进行有效的视频语音即时直观沟通，一般是靠电话联系。且在恶劣气候作用时监测地点，公网可能首先失效，从而使现场人员与主站人员之间会失去通信信道，无法了解现场设备情况。

由此可见，传统的运维模式已不满足特高压电网发展的要求，输电线路在线监测技术因此应运而生。

1.2 在线监测现状

目前，输电线路在线监测项目主要包括：输电线路（微）气象监测装置、微风振动监测装置、等值覆冰厚度监测装置、导线舞动监测装置、导线弧垂监测装置、风偏监测装置、绝缘子污秽度监测装置、杆塔倾斜监测装置、图像视频监控装置等。这些监测项目中，图像视频监控比重较大，且对掌握现场设备情况极为重要。但一般的通讯手段只能传输图像，不能传输视频，且在线监测装置的布点受到公网无线信号覆盖程度的制约［4-6］。

目前输电线路在线监测点的数据回传方式普遍是借助无线公网GPRS/3G通信方式实现的，这种数据传输方式存在3个问题：

1）信号覆盖问题：GPRS/3G网络在人口密集城镇地区和开阔地带覆盖较好，但是公网信号在偏远山区覆盖较差，且特高压线路多在人烟稀少地区穿行，因此，监测点分布完全受制于GPRS/3G网络覆盖情况。

2）传输带宽问题：GPRS传输带宽一般最大不超过170kbps，3G网络传输带宽稍大，最理想情况能够达到2～3Mbps，但是目前3G信号一般只在城区覆盖，郊区信号覆盖较弱，偏远山区通常无3G网络覆盖。目前输电线路在线监测系统视频监控普遍只能传输图像，无法传输视频，就是因为存在传输带宽限制因素。

3）传输时延问题：GPRS/3G网络是采用运营商无线公众网后通过运营商内部网关与电力网络连接，数据通过的处理环节较多，运营商无法保证业务的质量，传输丢包和时延较为严重，时延通常为秒级或更久，画面的流畅程度不能满足需求。

运营商无线公网带宽小，不适合实时视频应用，但是可以作为带宽较小的导线监控设备通信使用，比如：导线温度、导线电流、导线舞动。而视频监控考虑到清晰度、实时性的要求，建议采用5.8G无线专网和OPGW光缆配合实现。

2 在线监测装置

2.1 在线监测装置推荐安装类型

对输电线路上所安装的设备类型的确定可参考智能电网输电线路在线监测系统建设原则及技术规范，目前主要相关的技术文件有《输变电设备在线监测系统技术导则》、《统一坚强智能电网新建输电线路建设设计有关要求》，按照以上技术文件及建议，应用较广的主要有以下几种设备。

1）视频图像监控系统

可监控变电站周围环境及线路设施安全；监测线路重要交叉跨越或跨江和湖泊大档距；监测线路导线跨越林区树木生长情况和山火情况，可预防因树木生长过快对线路产生影响，也可形成线路沿线的火灾预警系统，监测采石场，人口稠密区等地区，可有效防止大型机械作业或人为因素对线路安全运行构成的威胁，技术较成熟。如表1所示：

表1 视频图像监控系统相关技术指标

2）微气象监测装置

及时掌握现场微气象区参数，可为线路安全运行维护提供精确的数据指导，也可为线路设计积累数据参数。如表2所示：

表2 微气象监测装置相关技术指标

3）导线风偏监测装置

可及时监测现场导线风偏、绝缘子串风偏、跳线风偏的情况，便于运维人员对风偏的判断和防范提供依据。如表3所示：

表3 导线风偏监测装置相关技术指标

4）导线温度监测装置

可及时监测导线温度，为研究环境气象条件对导线载流量的影响提供第一手的数据资料，为实时提高输送容量提供定量的参考依据。如表4所示：

表4 导线温度监测装置相关技术指标

5）导线微风振动监测装置

用于判断线路微风振动的水平和导线的疲劳寿命，为导线风振研究，提供基础信息。如表5所示：

表5 导线微风振动监测装置相关技术指标

6）杆塔倾斜监测装置

可及时监测杆塔不均匀下沉、倾斜情况，提前进行预警，有效地降低了线路安全运行的威胁。如表6所示：

表6 杆塔倾斜监测装置相关技术指标

7）污秽情况在线监测装置

监测线路绝缘子盐密、灰密情况，积累沿线污秽变化资料，提高线路运行安全。如表7所示：

表7 污秽情况在线监测装置相关技术指标

8）舞动在线监测装置

实时监测导线舞动情况，包括测量导线摆幅等第一手资料，为运行人员提供第一手数据。如表8所示：

表8 舞动在线监测装置相关技术指标

9）覆冰在线监测装置

主要安装在易产生重冰的区域内，测量因覆冰引起的导线张力变化情况，为运行人员提供实时可靠资料。如表9所示：

表9 覆冰在线监测装置相关技术指标

2.2 在线监测装置布置原则

1）导线温度在线监测装置宜安装在需要按允许运行温度选择导线的大跨越线路，以及跨越主干铁路、高速公路、桥梁、河流、海域等区域的重要跨越段。

2）导线弧垂在线监测装置宜安装在需验证新型导线弧垂特性的线路区段和线路附近障碍物较多的区段。

3）导线覆冰在线监测装置宜安装在重冰区部分区段线路和迎风山坡、垭口、风道、大水面附近等易覆冰特殊地理环境区，还可安装在与冬季主导风向夹角大于45°的线路易覆冰舞动区。

4）微风振动在线监测装置宜安装在跨越通航江河、湖泊、海峡等的大跨越和可观测到较大振动的档距。

5）舞动在线监测装置宜安装在曾经发生舞动的区域，也可安装在与冬季主导风向夹角大于45°或者档距较大的线路，还可安装在大跨越或易发生舞动的微地形、微气象区的输电线路。

6）杆塔倾斜在线监测装置宜安装在采空区、沉降区，以及不良地质区段如土质松软区、淤泥区、易滑坡区、风化岩山区或丘陵等。

7）微气象在线监测装置宜安装在大跨越、易覆冰区和强风区等特殊区域区段（高海拔地区的迎风山坡、垭口、风道、水面附近、积雪或覆冰时间较长的地区），也可安装在因气象因素导致故障 （如风偏、非同期摇摆、脱冰跳跃、舞动等）频发的线路区段，还可在传统气象监测盲区对于行政区域交界、人烟稀少区、高山大岭区等无气象监测台站的区域。

8）风偏在线监测装置宜安装在易发生风偏放电的直线塔悬垂串或耐张塔跳线，也可安装在常年基本与主导风向（大风条件下）垂直的档距或常年风速过大的地区的线路，还可安装在易对边坡风偏放电的线路。

9）图像／视频在线监测装置宜安装在外力破坏易发区（违章建房、开山炸石、吊车施工等外力破坏易发区域）、火灾易发区、易覆冰区、通道树木（竹）易生长区、偏远不易到达区和其他线路危险点、缺陷易发区段。

3 通信设计方案

3.1 通信方案比较

1）5.8G无线专网

优点：工作频率范围：（5725～5850）MHz，设备可以在125MHz范围内自动选择干净的信道进行通信，避免干扰；传输距离远，理想状态点对多点可覆盖25km，点对点可传输50km；可以作为光纤的延伸，最大限度减少OPGW的开口，减少施工困难；带宽大，最大可提供200Mbps的带宽，可根据业务类型选择合适带宽的无线设备，节约成本；无线专网设备，得到中国电科院信息安全实验室的安全认证，信息安全有保障；接口丰富，兼容性好，可以灵活组网，设备安装较方便，对线路本体影响少。

缺点：受地形影响，需要提前对无线信号菲涅尔区进行仿真设计。

费用：系统可以通过变电站架设基站覆盖杆塔，也可以供给OPGW开口将业务接入光纤。组网灵活，设备费用低。系统无需任何后期无线通讯费用。

2）光通信

优点：光纤通信质量高；带宽可以得到充足保障，适合大数据量业务；数据安全可以得到有效保障。

缺点：需要对OPGW光缆中若干芯进行断开接续，施工和维护困难；如果视频、通信节点距离OPGW光缆距离较远时，无法直接接入，安装依赖性较强；

费用：前期硬件投入相对较大，后期运维费用较少，无通信费用。

3）GPRS/3G

优点：通讯设备安装方便，对线路本体影响少；通讯测试方便，各设备间通讯情况较独立；设备成本低。

缺点：GPRS/3G网络覆盖不到的地方，信号难以传输到后端；数据经公网传输，相对于专用网络数据的安全性、时延相对较差；GRPS带宽不能满足视频监控传输需求；后期维护量大，且不断产生通讯费用。

费用：前期硬件投入相对较小，后期运维较大，视频通信持续产生较大通讯费用。

3.2 通信组网方式

1）基于OPGW电力专网的通信方案

线路OPGW光缆覆盖条件好，且具备较多空余纤芯资源，利用OPGW光纤传输信息具有带宽高、通道封闭、安全可靠等特点，可采用基于OPGW电力专网的通信方案。将OPGW光缆作为主要传输方式，为保证主干电路的可靠性，在OPGW不能破口的杆塔监测点利用无线接入方式就近接入附近的光纤通信专网，最终利用主干通信电路传至相关监控中心。

2）基于无线公网的通信方案

因输电线路OPGW光纤资源紧张而无法协调给线路在线监测业务，或者因线路已投运开断困难情况下，可考虑基于无线公网的通信传输方案。在线监测装置可通过无线公网GPRS/3G网络将监测数据回传至输变电在线监测中心，并通过安全接入平台接入系统。对于无线公网覆盖不到或信号较差的地段可采用无线专网接力到信号好的地方再接入无线公网。利用无线公网作为数据传输通道，在系统投运后，需要不断向电信部门缴纳大量通信费用。另外，线路监测数据经公网传输，相对于电力专网传输其安全性也较差。

3.3 优选方案

综上所述，对于特高压输电线路OPGW光缆覆盖条件好，且具备较多空余纤芯资源，采用“光纤通信为主，无线通信为辅”的通信方案具有很大的优势。现阶段新建的特高压线路，基本都预留了充足的光缆资源，采用“光纤通信为主，无线通信为辅”的通信方案还可大大提高光缆的利用率。

在有OPGW光缆接续盒的塔上安装塔上一体化通信设备。在没有光缆接续盒的监测塔上安装无线终端，利用无线方式将数据传送至附近一体化通信设备。一体化通信终端利用沿线OPGW光缆逐跳传输线路在线监测数据。线路在线监测数据最终直接通过光缆或利用无线方式引入变电站，利用变电站内已有SDH光传输链路将线路监测信息送至调控中心的监测系统主站。如图1所示。

图1 通信组网方案示意图

1）数据集中

在线监测装置的数据接入与集中由一体化通信装置来实现，一体化通信装置内置各种通信模块，具有无线微功率窄带、无线宽带接入能力，并提供多种有线通信接口。线路在线监测装置（CMD）采集输电线路实时状态数据，通过微功耗无线通信方式或有线通信方式（RJ45、RS485）将数据集中至一体化通信装置。

2）数据远传

利用光纤方式，共占用4根光纤（有2根作为备用）作为传输通道，采用一体化通信装置内的光传输设备将汇集后的数据发送至下一个一体化通信装置内，逐段将数据传输至变电站内SDH设备。利用SDH链路将数据发送至监控中心。

4 结束语

近年来特高压输电线路发展极为迅速，投运线路规模大幅增加，造成巡视、检修工作量增加，而现有的运行维护方式已经不能满足这一需求，因此实施科学的运行维护策略—输电线路在线监测势在必行。本文就在线监测和线路运维现状进行了论述，对常用的在线监测装置及布置原则进行了分析，对比了5.8G无线专网、光通信和GPRS/3G 3种通信方式的优缺点。最后，经比较，采用“光纤通信为主，无线通信为辅”的通信方案具有较大的优势，在广泛推广特高压线路在线监测技术应用上具有一定的意义。

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