电力行业输电线路在线监测技术的应用及展望

随着电网的快速发展，输电线路在线监测技术在保障电网安全运行、提高电网输送能力等方面发挥着日益重要的作用。本文介绍了目前输电线路在线监测技术的主要类型及其监测原理，并结合应用现状，分析了存在的不足之处，探讨了输电线路在线监测技术的发展方向。

电力行业输电线路在线监测技术的应用及展望

国网重庆市电力公司电力科学研究院 宋 伟、周 庆、邓帮飞、张海兵、肖前波/文

一、引言

输电线路在线监测技术的开发和推广应用是电网安全运行、提高电网输送能力的必然要求。架空输电线路是电网资产最大，分布最广，设备运行环境复杂、恶劣，外力影响因素多发的电力环节。由于输电线路的设备安全问题大多无法通过肉眼发现，如导线运行温度过高、弧垂变化、风偏放电、微风振动、杆塔倾斜等，因此，有必要在输电线路上安装相应的传感设备，通过在线监测技术实现输电线路设备危害的及时感应，判断线路设备的运行状态，对危急状况进行及时预警。

二、输电线路在线监测装置的工作原理

输电线路在线监测技术是在不影响设备运行的条件下，通过直接安装在输电线路上的监测设备，对线路运行状态的特征量进行连续或定时记录、传输及处理的技术。输电线路在线监测是智能电网建设中输电环节的重要组成部分，是实现输电线路状态检修、提升输电线路安全运行水平的重要技术手段。

输电线路在线监测系统通常包含监测单元、在线监测基站、监测管理平台等，是典型的二级网络结构。其工作过程如下：在导地线、绝缘子、杆塔上安装监测单元，实时或定时将受监控设备的状态数据及气象环境等信息，通过无线传感器网络发送至装在杆塔上的在线监测基站，基站再通过无线传输通信网络将信息数据发送至监测管理平台，监测管理平台对信息进行存储、分析处理、显示及预警。监测管理平台也可发出控制指令，通过监测基站控制监测单元进行数据采集，或改变监测单元的工作状态。

输电线路在线监测技术包括：

1.导线覆冰监测

导线覆冰监测主要采用称重法监测输电线路等值覆冰厚度，监测的特征量主要有温度、湿度、风向、风速、导线温度、绝缘子纵向倾角、杆塔挂点处荷载等。通过在悬垂绝缘子串上安装拉力传感器、角传感器，测量绝缘子串的纵向偏斜角度以及绝缘子串作用在杆塔挂点处的拉力大小，根据力矩平衡和力平衡条件，可以计算得到作用在绝缘子串上的导线综合荷载大小。输电线路覆冰时，作用在输电杆塔上的综合荷载包括垂直档距内的导线荷载、覆冰荷载以及风荷载。风荷载可根据风速风向的测量结果，按照输电线路设计规范计算得出；导线荷载可根据导线型号、杆塔档距等设计参数计算得出。利用以上信息即可计算得到覆冰荷载，进而计算得到导线等效覆冰厚度。

2.现场污秽度监测

现场污秽度在线监测装置主要采用光传感器盐密在线监测法，全天候地采集运行状态下绝缘子串泄露电流和温度、湿度等气象参数。光传感器测量盐密是基于介质光波导中的光场分布理论和光能损耗机理。置于大气中的低损耗石英棒是一个以棒为芯、大气为包层的多模介质光波导。在石英棒上无污染时，由光波导中的基模和高次模共同传输光的能量，其中绝大部分光能在光波导的芯中传输，但有少部分光能将沿芯包界面的包层传输，光波传输过程中光的损耗很小。当石英玻璃棒上有污染时，由于污染物改变了高次模及基模的传输条件；同时，污染粒子对光能的吸收和散射等产生光能损耗；该装置的光传感器就是利用检测、分析光能以及相关参数来测量“盐密”。所使用的光传感器对大气中盐污十分灵敏，它可以高精度测量盐密，并不受人为因素的影响。将传感器与绝缘子串处于相同环境，通过计算可得出绝缘子表面的盐密值。

3.线路风偏监测

输电线路风偏在线监测装置包括检测仪、气象环境监测仪和监测中心，风偏检测仪多采用双轴角度传感器，可以安装在绝缘子低压端或导线（跳线）上，以对输电线路的绝缘子串风偏角、摇摆角和导线风偏角、摇摆角进行测量。气象环境监测仪安装在杆塔上，根据需要对现场温度、风速、风向等微气象参数进行实时监测，监测中心设置在线路运行单位。

4.微风振动监测

输电线路导线微风振动的实时监测装置是利用高精度加速度传感器高速测量采样周期内所有振动的波形，并对波形数据进行处理，获得导线振动的频率、振幅和各种频率的振动次数，并可通过分析软件进一步计算导线悬挂点出口处的动弯应变和应力以及被测导线大致的估算寿命。导线微风振动的实时监测装置还配有气象采集单元，用于提供线路当地的气象参数，如温度、湿气、风速、风向、日照、雨量等，不同气象条件的风速、特别是不同环境温度将直接影响电线张力，从而影响导线的振动水平。所以通过气象参数和导线振动数据的综合，可以分析各种气象条件下导线微风振动的实际情况。

5.导线舞动监测

导线舞动在线监测装置主要通过在导线上安装舞动在线监测装置（数据采集终端），采集现场导线舞动的幅值、频率、温度、湿度、风速、风向等气象参数。在一档导线中安装多个导线舞动采集单元的方式进行舞动监测，导线舞动采集单元可采集三个方向的加速度信息，通过对导线上监测点加速度的采集和分析，可利用相关数学模型分析出导线舞动监测点处的振动频率、振幅等信息。通过一档内多个舞动点处的加速度的计算分析，以及相应档内的线路基本信息，可分析舞动线路的舞动半波数及可计算导线运行的轨迹相关参数。通过GPRS无线通讯网络将有效参数传往监控中心。后台软件分析系统利用趋势分析技术、人工智能、模糊判断、迭代技术等手段对数据和杆塔的设计参数进行分析处理，推导出输电线路的舞动状况。再根据现场气象条件和近期气象预报，预测舞动的发展趋势；依据运行经验和设计标准设定预报警值，采用多种方式预、报警。

6.导线温度监测

导线温度在线监测装置主要采用接触类导线温度采集单元。接触类导线温度采集单元是指安装在导线上的导线温度采集单元，其测温传感元件与导线、金具表面可接触；测温时采用合理的固定方式，将铂电阻、热敏电阻、数字温度传感器等温度传感元件与导线、金具外表面充分接触，经过传感、信号处理和无线传输等，实时获取监测点导线或金具表面温度。

7.导线弧垂监测

导线弧垂在线监测装置主要采用双轴角度传感器监测现场的弧垂、对地距离参数，根据模型进行相应分析计算，得到最小电气间隙等，准确掌握现场的导线弧垂状况。角度传感器测量元件采用双轴[x轴（横线路方向）、y轴（顺线路方向）]角度传感器，根据测量重力加速度在加速度传感器敏感轴x轴、y轴方向上的分量，即可计算出弧垂采集单元在两个方向上的角度，进行依据杆塔的相关参数，可计算导线倾角，通过相关公式模型换算出弧垂值和对地距离。

8.杆塔倾斜监测

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。

9.图像视频监测

视频监测装置主要为摄像头，摄像头采用定焦镜头，免去自动对焦过程产生的额外功率消耗，视频监控装置分别安装在输电线路监视点附近的杆塔上，同一装置上可以有1～3个摄像头分别采集导线、地面和杆塔等的图像信号。

图像监测装置采用CCD摄像机通过屏蔽双绞线输出的模拟视频信号送入数据集中器的视频处理传输模块，进行视频采样、A/D转换，将模拟视频信号转成数字信号，之后送入计算处理单元进行压缩、存储处理，最后将压缩后的数字图视频信号通过CDMA/3G网络传送到监控中心。

表1 输电线路在线监测装置按电压等级装用情况

图1 输电线路在线监测装置类型分布

图2 输电线路在线监测

10.微气象监测

通过气象传感器，监测现场的风速、风向、气温、湿度、大气压强、降水量、光辐射等参数。采集装置把采集到的参数通过公网向状态监测系统发送，状态监测系统完成对监测数据的转换和处理。

三、在线监测装置供电方式

输电线路在线监测装置一般安装在野外环境，必须开发独立的供电装置为其供电。目前国内外输电线路在线监测系统的供电方式主要包括用电流互感器从高压导线取能方式、激光供能方式、蓄电池供电方式和太阳能供电方式等。

1.利用电流互感器感应供电

感应供电电源由感应装置和电源整流电路组成。其中，感应装置主要由铁芯和环绕在铁芯上的线圈组成，用于感应电力线周围交变电磁场的能量，以交变电压的形式送入电源整流电路进行处理，电源整流电路把交变的电压转为直流电压给监测装置提供电源。该方法必须经过整流、滤波、稳压等环节，增加了误差来源，降低了电源的稳定性能。

2.激光供能

激光供能是采用激光或其他光源从低压侧通过光纤将光能传送至高压侧，再由光电转换器件将光能转换为电能，通过降压后输出稳定的直流电源。该方法的优点是通过光电转换获得的电源纹波小，但是寿命有限，造价高，维护困难。

3.蓄电池供电

蓄电池分为一次性蓄电池和可充电蓄电池。蓄电池输出的电压降随着工作时间的增长会发生衰减，电池还会自放电，降低容量。由于一次性蓄电池的容量有限，而监测终端安装在高压架空导线上，短时间内无法更换电池，所以即使系统进行了低功耗处理，一次性蓄电池还是无法保证监测终端长时间的稳定工作；可充电蓄电池由于可循环充电，常作为辅助电源存储电能，配合其他供电电源共同使用。

图3 在线监测故 障装置类型分布

图4 在线监测故 障装置

4.太阳能供电

太阳能供电主要通过太阳能—蓄电池组合供电方式供电。太阳能供电与蓄电池供电结合，白天有日照时太阳能阵列向负载供电，并向蓄电池充电，在夜晚或阴雨天缺乏日照时，由蓄电池向负载放电，以保证系统供电的连续和稳定。安装在杆塔上的太阳能电池板把太阳能转化为电能并储存于主机箱内的蓄电池组内，为主机箱提供电源，可保证在冰、雨、无光照天气下主机箱仍能持续工作。

四、监测信息的无线传输、处理及诊断技术

1.信息无线传输技术

在电力系统在线监测中常用的通信方式有电力线载波通信、光纤传输、CDMA、GPRS、Wi-Fi等。不同的通信方式在性能、特点和应用上都不同，数据传输率、网络覆盖面积、功耗和组网方式等方面也各有差异。由于输电线路线路长、分布广，输电线路在线监测系统的信息通信主要通过无线通信方式，有CDMA、GPRS、Wi-Fi、ZigBee等。在一定信号覆盖区域内，充分利用GPRS/CDMA公共网络通信平台，实现中心对多点的数据传输；在无移动信号覆盖区域内，则可以借助无线数传电台，通过无线接力等方式实现数据传输。

2.信息处理及诊断技术

后台数据处理及诊断系统主要有两个作用：1）对实时监测数据进行分析和计算，给出实时的分析结果供线路运行管理人员参考；2）对历史数据进行分析，给出某段时间线路的运行情况，给出预测分析结果，并及时发出预警信息，可防止事故的发生。对传感器采集到的信号进行处理分析的目的是抑制干扰和提取信号特征，其方法可分为时域分析、频域分析等。诊断技术的发展趋势是传感器的精密化与多维化、诊断理论与诊断模型的多元化、诊断技术的智能化。其中数学诊断方法有模糊诊断、灰色系统诊断、故障树诊断、小波分析、混沌分析与分形特征提取等；智能诊断方法有模糊逻辑、神经网络、进化计算和专家网络等；以特征量性质的诊断方法有阈值诊断、时域波形诊断、频域特征诊断和指纹诊断等。

五、在线监测装置应用情况分析

1.安装规模

某地区于2009年开始推广输电线路在线监测装置应用，截至2015年底，共计在71条线路上安装了导线覆冰、导线温度、导线弧垂、导线舞动、杆塔倾斜、微气象、微风振动、现场污秽度、风偏和图像10类输电线路在线监测装置177套，各类型装置数量如图1所示，按电压等级装用情况如表1所示。在线监测装置运行年限分布如图2所示，其中运行年限在1年以内的在线装置较多，占比33.33%。

2.装置运行情况及分析

该地区输电线路在线监测装置故障较为频繁，运行情况不甚理想。177套装置中73套装置出现过诸如供电、通讯和传感器等问题故障而不能长期正常运行，故障装置涉及除导线舞动外的其余9类输电线路在线监测装置，如图3所示。其中，图像和微气象在线监测装置故障数量较多，占比达到54.79%。2015年度装置故障率达到0.87次/（台•年）。

输电线路在线监测装置故障的主要技术原因是电源供电问题。输电线路在线监测装置主要是通过太阳能-蓄电池方式供电，受自然环境影响，装置安装地区春秋季节多阴雨，冬季易出现雾霾天气，在这三个季节日照较少，这致使蓄电池储能不足，形成了在春、秋、冬三个季节由于蓄电池电量不足输电线路在线监测装置无法正常工作，主要体现为输电线路在线监测装置通信故障、无法接收指令等，2015年供电问题造成故障次数占总故障次数的42.21%，输电线路在线监测装置运行稳定性受到极大影响。同时，蓄电池长期处于储能不足状态又易造成其寿命下降，恶性循环导致供电能力严重衰减，蓄电池寿命仅有3—5年左右。运行年限在5年以上的故障装置占比达到35.62%，如图4所示。

电源供电不仅易引起故障的产生，同时也限制了部分类型监测装置的实时性。以图像和视频在线监测装置为例，由于其运行耗能较高，仅通过蓄电池供电无法满足实时在线的需要，图像和视频在线监测装置都是定时进行监测，监测时间有限，对突发性事件无法做到及时发现。

在运行过程中，除电源供电问题外，监测数据可靠性差也造成运行过程中出现诸多问题。2015年，该地区输电在线监测装置共有12台发出告警，但是由于数据准确性差造成有效报警率极低。这与部分类型监测量并不是直接获取，与装置安装位置、数学计算模型等有关，这造成计算结果不能反映真实情况。以导线覆冰为例，其通过集成角度传感器的拉力传感器测量拉力大小，进而计算得到导线等效覆冰厚度，但是受外部环境影响和计算模型限制，导线覆冰监测数据与实地输电线路覆冰情况差异较大。

针对在运行过程中暴露出来的问题，输电线路在线监测技术可从以下两个方面进行优化提升：

（1）电源供电能力提升。目前的太阳能-蓄电池供电方式不仅无法满足全天候实时监测的需要，同时受地区日照条件的影响较大。可以从蓄电池储能容量和充电方式两方面进行提升，通过采用更高储能密度的新材料作为储能介质，提高蓄电池的储能容量；发展感应供电和蓄电池供电结合的组合供电方式，利用电磁感应从输电线路取能供电，在线路负荷电流较小或停运时，由蓄电池供电，由于感应供电需要整流、滤波、稳压等，提高感应供电的稳定性和抗冲击能力将是将是这种方式需要解决的关键问题。

（2）监测装置监测准确性提升。目前监测准确性仍存在不足，导致未能准确掌握输电设备状态。可以从两方面进行提升：一是改进基础算法，针对不同的外部监测环境优化计算模型，获得更加准确的处理数据，提高监测的准确性；二是提升数据分析能力，通过数据诊断方法和智能诊断方法，实现对输电设备状态的预测和故障原因的智能分析。

六、展望

在线监测技术在输电线路中已经大范围应用，已经开始逐步取代传统的人工巡检方式，但是由于应用时间较短，实时性和可靠性仍有待提高。随着传感器技术、装置供电技术、信息传输处理及诊断技术等关键在线监测装置关键技术的不断发展和完善，在线监测技术将逐步实现对输电线路的长期实时监测，提高输电线路的运行管理水平，在保障电网安全运行、提高电网输送能力等方面发挥日益重要的作用。