高压输电线路安全监测系统设计与通信技术研究

蔡健 董啸 钟智

（1.国网青岛供电公司运维检修部 2.国网青岛供电公司 3.上海波汇科技股份有限公司）

高压输电线路安全监测系统设计与通信技术研究

蔡健1 董啸2 钟智3

（1.国网青岛供电公司运维检修部 2.国网青岛供电公司 3.上海波汇科技股份有限公司）

随着经济快速发展，社会各领域对电力能源需求量日渐增加，电力企业获得更多发展机遇的同时，也面临着输电线路安全、可靠性等挑战。受到雷击等自然灾害的影响，高压输电线路在运行过程中极易产生停电等问题，严重威胁电网安全运行。而监测系统与通信技术的应用，能够有效避免这一问题。本文将对当前我国高压线路安全监测现状进行分析，了解安全监测存在的问题，并在此基础上深入探讨高压输电线路安全监测系统的设计，以及通信技术在该系统中的应用。

高压输电线路；安全监测系统设计；通信技术

0 引言

高压输电线路作为电力系统运行的一部分，其运行状态好坏直接影响电力系统运行稳定性。对其状态进行实时监测是当前电网智能化建设的重中之重。电力系统运行过程中，提高输电线路管理水平对于输电线路状态监测信息的依赖性日渐明显，利用传感器网络等技术获得输电线路运行情况势在必行。因此加强对高压输电线路安全监测系统设计及通信技术的研究具有现实意义。

1 当前高压输电线路安全监测现状分析

近几年，我国电网规模日渐扩大，呈现多样化、复杂化等趋势。由于电网装备越多，突发故障造成的直接和间接损失也随之增加，促使检修技术进一步发展。而与之相对的监测技术也得到了一定发展，逐渐由定性向智能化方向发展[1]。然而，当前使用的监测系统存在一些不足之处，难以实现对输电线路的有效监测。如绝缘子监测能够准确判断绝缘子性能变化情况，但是由于安装、操作难度较大，难以实现在线监测目标。

2 高压输电线路安全监测系统设计方案

针对高压输电线路安全监测问题，笔者结合目前智能电网建设实际情况，综合考虑各方面影响因素，设计一个高压输电线路安全监测系统。

2.1 坚持合理原则，确定监测技术

监测技术作为安全监测系统设计的基础，准确、可靠的技术能够促使系统运行中发挥在线监测、预警作用。对于线路安全监测系统的设计，其涉及到的具体监测技术主要有以下几种：

1）雷电监测技术。国内外常见的雷电流监测方法有磁钢棒法、雷电定位系统等，但多用于雷电现象的研究[2]。建立在Rogowski线圈基础上的雷电监测法，由于自身具有成本低、安装简单等优势，适合在电力行业中推广，其中Rogowski线圈是一个均匀缠绕在环形非磁性骨架上的空心螺线管，受到外磁场及通流导体的影响较小，能够准确测出电流值，所以本系统采取该模式。

2）接地电阻监测技术。接地电阻是指电流经过接地电极进入到大地时，电极的电位与电流之间的比值。目前，三电极测量与钳式感应测量两种方法较为常见，且测量精度较高，适合电力行业[3]。此外，还包括绝缘子泄露电流与氧化锌避雷器阻性电流监测技术，上述技术都能够在线路安全监测系统中得到应用。

2.2 坚持全面原则，优化系统硬件设计

硬件设计作为整个监测系统的重点，只有具备可靠的硬件基础，才能够确保监测系统发挥有效性。基于电力系统运行现状，笔者采用STM32F103系列芯片作为主要处理器。首先，微处理器，采取该处理器，主要是由于其具备单周期乘法指令与硬件除法器，能够进行信号采集与自动化控制，为安全监测奠定了坚实的基础。其次，GΡRS通信终端设计，通信终端是监测系统的关键，其通过数据分析、备份等功能，能够及时将输电线路运行状态传递给工作人员，避免潜在故障的发生。主要由射频、GΡRS两个模块及接口电路等方面组成[4]。第三，雷电、绝缘子终端设计，该环节设计的重点在于信号调理电路，科学的信号调理，为线路安全监测工作赋予了即时性特点，显著提高了系统运行有效性。最后，接地电阻采集终端的设计，该环节主要是通过集成电路，产生较为固定的激励形式，通过对相应信号的检测等获取阻抗信息。

在节能减排号召下，对于监测系统电源的设计，笔者采取了符合可持续发展理念的太阳能供电方案。该方案主要由蓄电池、充电管理电路等构成，为系统稳定运行提供源源不断的动力。

2.3 坚持低耗能原则，完善系统软件设计

软件是整个系统的灵魂，其整体框架由前后台与操作系统两部分构成。从本质上来看，两部分均属于操作系统，但前者更加强调调度，且仅能够满足简单任务；而后者主要建立在任务调度基础之上，能够确保多个任务同时进行，对整个系统各方面进行有效的控制，促使其功能得到最大程度发挥，当前较为普遍的操作系统有Vxworks 等。

软件设计建立在技术基础之上，因此在设计中，各项技术的应用也就是软件设计，上文已经提到技术的应用，笔者在此主要强调GΡRS通信终端软件设计，作为检测与电力信息中心的纽带，GΡRS通信终端承担着信息采集、预警等责任，同时兼具数据安全管理功能。该环节主要涉及通信子程序、日历时钟等内容的设计[5]。另外，值得注意的是，要想实现软件设计低能耗目标，在具体设计中，可以采取多种方式完成设计目标，如将暂时闲置的外设集成电路关闭，节省电力能源的消耗；或者使用简单的函数代替复杂函数进行计算等。

2.4 采取有效措施，消除电容兼容问题

电力电子装置、仪表等受到工作环境等因素的限制，在功能设计过程中，电磁兼容问题不可忽视。通常情况下，对系统进行电磁兼容设计后，不但能够保障系统运行稳定性，且能够控制设计成本。电磁兼容控制是一项系统性工程，在系统设计、研制等全过程都应考虑电磁兼容问题。通常情况下，对于电磁兼容的控制措施很多，如抑制传播途径，通过滤波、屏蔽及搭线等形式，避免外界因素对系统运行产生消极影响；或者采取时间分割措施，当骚扰源较为活跃时，可以采取这种方式，停止信号发射，以避免受到信息传递受到损害[6]。此外，还可以采取电气隔离、频域管理等方式，提高系统运行稳定性。

3 通信技术在安全监测系统设计中的应用

提高监测系统网络化、实时性目标是智能电网建设的基本目标。而电力通信技术的引入成为实现这一目标的关键性要素。电力通信技术是确保电力系统稳定运行必不可少的一部分。在电力系统运行中，有效的通信手段，能够将控制中心的命令准确无误地传送至各个终端，在加快电力产业改革等方面具有非凡的意义。

3.1 通信技术分析

目前，移动与射频通信技术较为常见。前者具有成本低、维护方便等优势，已经在远程抄表、负荷控制等方面取得了显著成效。后者是指符合全球ISM射频通信标准的近距离通信技术，由于其技术发展较为成熟，在电站监测等领域具有应用广泛。

3.2 安全监测网络的设计

笔者在本文中对于安全监测网络的设计主要采取射频与GΡRS结合的通信技术，简而言之，是无线传感器与系统的有机整合，各个监测点能够独立运行，避免互相影响降低监测系统的有效性[7]。如将杆塔作为独立单元，将监测终端获得的数据信息汇集到GΡRS通信终端，及时将线路运行故障等传递给工作人员，为电力部门制定检修方案等提供了科学依据。

3.3 加强监测网络数据安全保障

GΡRS本身安全性较好，但其与互联网连接时，极易受到网络外部因素的威胁。为了避免对数据安全的影响，笔者采取加密算法对监测到的数据信息进行加密处理，以保障通信过程的安全、可靠性，如下图所示。

图 GPRS安全通信图

4 结束语

根据上文所述，智能电网作为电力行业改革的必然选择，其对电力系统运行提出了更高要求。当前，高压输电线路安全监测系统的重要性日渐突出。因此在电力产业发展过程中，我们要明确认识到智能电网的发展需求，并结合电力系统运行现状，适当增加人力、物力投入，加大对技术的研究力度，坚持合理性原则，选择适合的通信技术，逐渐构成线路安全监测系统，不断提高对线路运行状况的监督和控制，最大限度上减少电力系统的不稳定情况，从而为我国电力产业现代化、信息化及智能化建设奠定坚实的基础。

[1]胡毅，刘艳，苏梓铭.输电线路运行安全影响因素分析及防治措施[J].高电压技术,2014(11)：3491-3499.

[2]王乃永,邓育平,卫鹏等. 输电线路状态监测系统规范化设计与应用[J].电网与清洁能源,2014(10)：13-19.

[3]钟运平,张建伟,翟少磊，等.基于ZigBee技术输电线路在线监测系统的研究[J]. 电测与仪表,2013(5)：105-109.

[4]刘丽榕,王玉东,肖智宏等. 输电线路在线监测系统通信传输方式研究[J].电力系统通信,2011(4)：20-25.

[5]周伟才,谭卫成.高压架空输电线路视频在线监测系统研究[J].广东电力,2011(7)：41-44.

[6]刘锦,顾加强.基于J2EE的输电线路在线监测管理系统的设计与实现[J].计算机与现代化,2013(12)：196-200.

[7]王国胜,张广洲 输电线路超高监测系统的设计与应用[J].电瓷避雷器,2013(5)：112-118.

2015-11-05）