智能输电线路状态监测装置可靠性分析

潘　凌，王　涛，陆宇航，胡玉梅，秦　欢

（1.国网新源控股有限公司技术中心，北京100161；2.国网锦州供电公司，辽宁锦州121000；3.国网北京市电力公司，北京100072）



智能输电线路状态监测装置可靠性分析

潘凌1，王涛2，陆宇航3，胡玉梅1，秦欢3

（1.国网新源控股有限公司技术中心，北京100161；2.国网锦州供电公司，辽宁锦州121000；3.国网北京市电力公司，北京100072）

摘要：介绍了目前智能输电线路采用的状态监测装置运行现状，并对导线温度、弧垂、覆冰和微气象、防外力破坏视频、绝缘子污秽度、杆塔倾斜、风偏等输电线路状态监测装置可靠性进行了研究分析，提出了有效的可靠性提升措施，最后对状态监测装置发展方向进行了分析和展望。

关键词：输电线路；状态监测装置；可靠性

0　前言

近年来，中国大力开展坚强的智能电网建设，围绕智能电网推动能源互联网的发展，不断提高能源利用效率，促进能源生产和消费方式的变革。抽水蓄能具有运行方式灵活和反应快速的特点，是建设智能电网、保障电力系统安全稳定运行的最成熟、最经济的大规模储能工具，为特高压远距离输电保驾护航，是智能电网的有机组成部分。智能输电线路也是智能电网的重要组成部分，以先进材料、灵活调控和信息通信为支撑，综合应用状态监测、安全预警、动态增容等技术，具有安全可靠、信息融合、灵活高效、节能环保等特征。状态监测技术是智能输电线路重要基础，能实现对输电线路运行状态的实时感知、监视预警等功能，在输电线路上得到大量应用，但过去由于缺乏统一完善的技术标准和检测体系，状态监测装置的质量参差不齐，运行安全性、可靠性、准确性得不到保证，不能真实有效的反映输电线路实际运行状况，一旦装置误报或者损坏，还会增加生产人员的运行维护工作量，提升状态监测装置的可靠性是智能输电线路的重要研究方向。

1　输电线路状态监测装置现状

目前国家电网公司在运的主要输电线路状态监测装置有图像/视频、微气象、等值覆冰厚度、杆塔倾斜、绝缘子污秽度、导线温度、弧垂、振动、舞动、风偏等，具备了数据展示、告警、分析等基本功能。状态监测装置已在系统110 kV以上交直流线路中得到了大量的应用，包括特高压交、直流线路。截至2013年7月底，输电线路在线监测装置接入主站数10 000余套，实时接入装置7 000多套，覆盖线路数4 000条。从接入主站系统的在线监测装置种类来看，图像监测占35 %；视频监测占13 %；微气象监测占22 %；等值覆冰厚度监测占9 %；发现220 kV及以上输电线路严重和危急缺陷300余次。状态监测装置由于长期暴露在自然环境中，在可靠性、使用寿命、准确性、稳定性方面与运行需求还存在较大差距，在通讯链路、电源选型等方面存在薄弱环节，平均无故障时间仅为1年左右，在低温、覆冰等极端天气下难以有效发挥作用，与一次设备长寿命、高可靠性相比，监测装置运维矛盾十分突出，尚不能支撑大检修体系建设的需要。

1.1微气象监测

对33套微气象监测装置进行分析，其中浙江10套、湖北9套、河南8套、四川4套、宁夏2套，电压等级覆盖了交流1 000 kV、500 kV、330 kV、220 kV及直流±800 kV、±660 kV、±500 kV，接入率为99.47%、数据丢失率为3.58%、数据准确率为94.58%。

微气象监测装置主要采集线路安装点附近的气温、降雨量、湿度、风速、风向、气压等气象单元，可为线路设计提供线路走廊局部区域历史气象数据，可为线路故障跳闸原因的分析提供数据支持，是生产实际所需要的。尤其对处于覆冰区线路，通过温度和湿度监测数据判断线路是否具备覆冰条件具有重要作用，且目前技术已逐渐成熟，建议在覆冰区线路和微气象区域继续扩大使用，但微气象监测中对降雨量、降水强度等的监测需求没有温湿度监测高，且易受污秽、覆盖物、覆冰等野外环境的影响，难以准确测量，且无法开展数据比对。

1.2等值覆冰厚度监测

对30套等值覆冰厚度监测装置进行分析，其中安徽10套、河南8套、湖北7套、四川3套、浙江2套，电压等级覆盖了交流1 000 kV、500 kV、220 kV、110kV及直流±800kV、±500kV，接入率为98.21%、数据丢失率为2.05 %、数据准确率为89.75 %。

等值覆冰厚度监测装置的基本原理是采用拉力传感器取代球头挂环，来测量综合悬挂载荷，再通过覆冰数学模型计算，并考虑无冰时的风荷载、覆冰时的风荷载，得到估算的标准覆冰厚度或近似冰密覆冰厚度。考虑到装置在计算覆冰厚度的过程中杆塔档距等基础信息的准确性、拉力传感器精度、风速传感器精度以及倾角传感器精度对结果均有较大影响，其计算过程中的不可控量较多，整个覆冰厚度的计算都是考虑理想的均匀覆盖在导线表面，覆冰的物理参数也均是理想考虑，与线路实际运行情况多有不同，计算模型需进一步验证和优化。等值覆冰厚度监测装置通过率仅为50 %，体现在拉力传感器和角度传感器的准确度未达到要求，

1.3杆塔倾斜监测

对30套杆塔倾斜监测装置进行分析，其中山西10套、浙江6套、河南5套、湖北5套、宁夏2套、陕西2套，电压等级覆盖了交流1000 kV、500 kV、220 kV、110 kV及直流±800 kV、±660 kV、±500 kV，接入率为99.51 %、数据丢失率为2.91 %、数据准确率为83.80 %。

杆塔倾斜监测装置主要采集线路安装点杆塔的纵向和横向倾斜角度，通过这些数据判断杆塔的倾斜状况，有助于运维单位实时进行分析，了解线路杆塔的实时情况，尤其对于采空区、易滑坡区段的杆塔，符合生产实际所需要，但目前成熟度尚有所欠缺。

1.4视频监测

对31套视频监测装置进行分析，其中安徽10套、湖北10套、宁夏9套、河南2套，电压等级覆盖了交流500 kV、110 kV及直流±800 kV、±660 kV、 ±500kV，接入率为94.99 %、数据丢失率为7.62 %、数据准确率为94.75 %。

视频监测装置主要通过各类摄像头在不同的预置位对线路环境进行视频/拍照，并将视频和图片上传到输变电设备状态监测系统，其工作原理相对简单直接。可观察线路及塔下情况，对线路的防外破，防山火，导线覆冰、舞动以及通道树木易生长地段监测有较好的监视效果。但也存在装置耗电量较大、公网通信费用高，受带宽影响无法长时间高清晰浏览等问题，目前主要采取的节电策略是装置正常情况下处于休眠状态，需要观看视频时对装置进行唤醒操作，以节省装置耗电量；视频装置接入需采用OPGW光缆地线接入系统，以满足视频的带宽和安全接入要求。

1.5图像监测

对22套图像监测装置进行分析，其中浙江10套、河南7套、湖北4套、安徽1套，电压等级覆盖了交流1 000 kV、500 kV、220 kV及直流±800 kV、±500 kV，接入率为95.74 %、数据丢失率为7.31 %、数据准确率为94.53 %。

图像监测装置主要拍摄线路安装点附近的实时信息，通过这些数据量的采集，有助于运维单位第一时间了解线路杆塔通道附件的实时情况，及时发现安全隐患，避免安全事件发生，具有视频监测同等作用又可降低网络带宽要求，对于外力破坏、施工建房、树木生长等更有明显优势，图像监测技术已逐渐成熟。

1.6导线温度监测

对21套导线温度监测装置进行分析，其中浙江12套、湖北5套、宁夏3套、河南1套，电压等级覆盖了交流1 000 kV、500 kV、220 kV、110 kV及直流±800 kV、±500 kV，接入率为98.12 %、数据丢失率为4.35 %、数据准确率为97.84 %。

导线测温装置主要采集安装杆塔导线的实时温度，掌握线路运行情况及导线温度，可为线路动态增容提供判据，具有一定应用价值，目前技术较为成熟。

1.7风偏监测

对21套风偏监测装置进行分析，其中浙江11套、宁夏5套、湖北5套，电压等级覆盖了交流500kV、330 kV、220 kV及直流±500 kV，接入率为96.67 %、数据丢失率为5.43 %、数据准确率为96.52 %。

导线风偏监测装置主要采集安装杆塔绝缘串、跳线的偏斜角，可监测大风等异常天气时的导线偏移量，其监测值对导线闪络等故障的分析有一定作用。

1.8微风振动监测

对15套微风振动监测装置进行分析，其中浙江6套、湖北5套、安徽3套、河南1套，电压等级覆盖了交流1 000 kV、500 kV及直流±800 kV、±500 kV，接入率为98.41 %、数据丢失率为6.24 %、数据准确率为95.14 %。

微风振动装置主要通过弯曲振幅法等方法测量导地线在线夹出口89 mm处的动弯应变，主要用于跨越江河的大跨越或有过较大振动的大档距线路，对于判断导线线间闪络、线间鞭击、导线断股等运行事件有较好的作用，但装置传感器是安装在导线上，安装和检修维护均需结合线路停电进行，协调难度较大。

1.9舞动监测

对8套导线舞动测装置进行分析，其中湖北5套、冀北3套，电压等级为交流500kV、直流±800kV，接入率为76.50 %、数据丢失率为8.91 %、数据准确率为97.77 %。

导线舞动在线监测装置主要作用就是实时检测导线在垂直向及水平向的振动，包括振幅及振频、波峰及波谷。该装置由信息采集模块、单片机、射频通信模块构成，信息采集模块利用三维加速度传感器配合陀螺仪拾取导线横向舞动的轨迹，得到Z向（水平向）振幅及频率，Y向（垂直向）振幅及频率。单片机对采集的舞动数据进行处理，并通过射频模块用短距离无线的方式将数据传送给杆塔的子站，然后通过GPRS传至后台系统。从原理上看，舞动监测装置能够反映运行线路导线的舞动情况，有效预警线路舞动，可减少人员现场巡检的工作。

1.10导线弧垂监测

对7套导线弧垂监测装置进行分析，其中浙江6套、宁夏1套，电压等级为直流±660 kV、±500 kV，接入率为95.24 %、数据丢失率为1.23 %、数据准确率为85.71 %。

汤翠是第二天下午返回来的。院子平了，碎砖碎瓦也都被推走了，南菜已经天翻地覆了，过了今天，南菜恐怕只能在照片中看到了。几台铲掘机还在工作，它们在破坏，也在建设。铲掘机们张开巨大的铁手，毫不费劲地插入坚硬的土地里。汤翠没想到，新翻上来的土呈红褐色，像人的血。汤翠晕血，赶紧闭上眼。

导线弧垂在线监测装置主要是实时监测导线的弧垂变化情况，主要用于线路交叉跨越区域、动态增容等实时监测，保证线路的安全距离。但是由于是间接测量方法，弧垂的计算模型需要线路档距、高差、导线型号等基础数据支撑，计算过程中的不可控量较多，整个弧垂的计算模型和相关参数需进一步验证和优化。

1.11污秽度监测

对2套污秽度监测装置进行分析，其中湖北1套、山西1套，电压等级为交流1 000 kV，接入率为100.00 %、数据丢失率为4.84 %、数据准确率为91.25 %。

绝缘子污秽度监测主要通过盐密、灰密、气温、相对湿度等状态量的监测，便于运行人员实时了解线路周边环境，实用性较强，符合生产实际需要，但是成熟度不高。

2　状态监测装置可靠性存在问题分析

通过对国网公司输电线路状态监测装置应用情况的分析，目前在标准体系建设、生产制造工艺、关键部件检测等方面还存在问题，造成装置可靠性无法满足运维需求。

2.1标准体系建设方面

（1）部分装置技术标准不完善。在线监测装置现有标准体系中，在供电电源检测、各类装置专用检测、通讯链路调试等方面存在标准缺失情况，相关工作无章可循。

（2）安装调试、验收、运维管理等环节标准缺失严重。各地区在安装调试过程管控、装置验收项目、验收标准、验收方式以及装置运维管理上存在较大差异，部分地区相关工作随意性较大。数据应用标准有待进一步完善。

（3）主站系统建设标准存在缺失情况，主站系统存在功能单一、高级分析功能缺失、数据汇总分析功能无法适应海量数据分析需求、数据对比分析能力有限等情况，与实际设备监控需求存在差距。

（1）部分产品设计选型不当。

部分装置硬件设计不合理，装置内部功耗过大，影响装置运行稳定；部分装置内部电路板安装结构设计不良，导致线路板安装后产生弯曲应力后失效。蓄电池选型错误，在恶劣运行环境下，多种类型蓄电池性能下降明显，无法满足实际运行需求。此外，部分产品缺乏科学完善的充放电控制策略，不能科学有效的使用蓄电池，导致蓄电池性能无法发挥到最佳效用。部分装置接口防护能力设计考虑不周，易出现过电压引起电容烧坏，在接头设计时多个端子选用相同型号，安装过程易出现错位安装。防潮设计不当，密封处理不好，使装置性能受到影响，如电路板的防潮湿处理不当，会引起内部铜皮的腐蚀。早期的装置不具备远程调试和软件故障分析及故障报警的功能，装置的运行状态未知，不利于对装置运行情况的掌握以及装置的持续优化升级。部分图像视频监测装置密封不好，水汽、昆虫等进入前端摄像头内部情况时有发生，导致摄像机部件失效或所拍摄的图片模糊；此外，部分装置防电磁干扰的设计不足，图像出现条纹、图像不清楚的情况，云台误动作情况偶尔发生。部分微气象监测装置强度设计不足，采用传统机械式风速风向传感器的尾翼和风杯在强风天气下被吹断。在长期运行中，易产生积污、锈蚀造成卡滞等问题，导致测量数据失真。

（2）生产工业化程度低。

部分生产厂家缺少必要的批量化、标准化工业生产规模与能力，仍采用手工作坊式加工，装置运行稳定性较差。对装置的标准化、模块化、小型化的设计工作进展较慢。机箱内部端子采用的接插式组件固定不良，曾出现过端子排脱出以及个别端子接线脱落，导致现场调试时发现装置不正常工作的情况。

（3）组件选材不合理。

部分生产厂家选择的机箱和紧固件及接口件等部件质量差，紧固不严，致使接头在应用过程中脱落；部分部件在恶劣运行环境下出现锈蚀；在野外紫外线辐射下，部分装置选用的防护部件及外接电缆容易出现老化裸露现象。在电缆的选型方面对抗拉强度没有进行充分的考虑，装置安装过程中出现断线现象。部分生产厂家提供的太阳能组件输出功率变化大，与蓄电池的匹配程度较低。部分生产厂家所选用热敏电阻型式的传感器用于监测导线温度，不能满足标准要求的测量范围内的测量精度。

（4）零部件和装置检测不足。

部分生产厂家缺少必要的来料检验和出厂检验设备，在产品样机研发阶段对各元器件性能参数没有深入研究与测试，验证性试验的种类和数量还不能满足可靠性设计要求，如对等值覆冰厚度监测用拉力传感器未进行必要的校零，导致所测得的拉力数据严重失真；此外，当工程项目实施较多时，存在装置整体运行测试时间短、测试时间不充分的情况。生产厂家来料检验和出厂检测指标体系及管理规程尚不健全，造成供货质量、供货周期上无法满足生产进度要求，普遍存在供货周期长、产品质量存在问题。部分生产厂家选用的元器件的供应商更换比较频繁，使得元器件的货源渠道不稳定，外委加工电路板时常发生虚焊、错位等质量问题。

2.3产品到货检测环节

未建立完善的到货检验体系。目前，多数网省公司装置检验能力建设存在不同程度滞后，无法开展装置安装前性能检测与装置抽检，再加上部分生产厂家缺少必要的装置检测手段，导致装置在安装后及装置运行中出现故障概率较大。

2.4安装调试与验收环节

（1）安装调试与验收不规范。各厂家的装置安装调试差异性较大，部分生产厂家提供的装置安装等材料无法指导现场安装工作，安装前现场施工人员的培训以及指导不到位，造成安装装置不规范，使得装置运维存在安全隐患，如线上传感器安装紧固件复杂，不便于安装操作；装置安装过程中安全性考虑不足，装置吊装时会与铁塔发生碰撞，易造成装置损坏；各地区对验收周期、验收项目与验收标准选择不一。

（2）通讯链路质量对装置稳定运行影响较大。装置受各电信厂商未移动网络覆盖区域影响较大，偏远山区信号强度不能满足数据通讯需求，信号强度弱、误码率高、通信速率低等现象时有发生。此外，移动通讯运营商在办理内网卡时常出现IP绑定不正确、APN未正确设置等情况，由于缺少检验手段，对项目实施进度有较大影响。

（3）前端监测装置与CMA装置生产厂家设备供应存在不匹配现象。部分CMA设备生产厂家在设备供货、加密芯片ID号码确定等方面无法与装置供货时间匹配，影响整体工程进度。

2.5运行维护环节

在线监测装置运维工作量大，涉及专业众多，专业性强，目前，部分单位尚未明确划分在线监测装置的运行维护职责和制定运维管理制度，缺乏专门监测装置运维队伍和必要的运行维护能力。

2.6数据应用环节

各地区对监测装置通讯规约理解差异较大，网络架构、模型的计算方法选择不同。同时主站系统功能有待进一步完善，主站系统尚未具备参数配置协议、报警参数配置协议、远程升级协议等功能，装置远程软件升级无法实现，功能有待进一步完善。

3　状态监测装置可靠性提升措施

3.1通用提升措施

（1）电源系统：从电池选型、功耗管理、电源控制、温度保护4个方面对供电系统进行可靠性提升。为提高供电可靠性，应使用大容量蓄电池，并采用双路备份供电模式。电源系统宜单独设计，方便主控箱与电池箱的安装与维护，根据不同的应用环境，配置不同类型和容量的电池保证供电的可靠性；最大限度降低系统功耗；选取智能型充放电控制器对电源的工作状态进行实时监控，掌握电源的充放电状态、电池电量等信息，进行科学的电源管理；针对不同的应用环境，设计保温机箱，保证机箱内处于合适的温度，提高电池的充放电性能。

（2）核心主控制器：核心主控制器就是在线监测主机，内部完成数据的采集、处理和数据上送等功能，是保证输电线路状态监测装置工作可靠性的另外一个重要单元。主要的改进措施有：硬件功能单元应采用模块化设计；采用高性能芯片，使CPU运行效率更高，内部连线进行简化，降低静态消耗电流；采用工业级或军品级的元器件，加强传感器抗干扰设计；提升通讯及数据传输能力。

（3）提升软件的可靠性，从需求分析、前期设计到最后的测试，严格按照软件工程的流程，提高程序的可靠性、接口规范性及代码编写效率，减少设备生产测试的复杂性，对所有数据都进行有效性检查，对一般数据进行双备份，对重要数据进行四备份，每次软件版本升级都不会破坏原有的数据；提高代码的可读性、可移植性和软件的质量，软件模块的分类清晰，相互之间独立性强，耦合度低，方便后期的软件维护、移植和升级。

（4）添加防雷模块、系统监控模块，充分提升产品可靠性。防雷模块能有效地提高产品电磁兼容防护水平，在强干扰环境下提升产品防护水平。系统监控模块完全独立于主控电路，对主控电路进行实时监控，当主控电路出现异常时对其进行恢复操作。

此外，还应提高装置抗电磁干扰能力和防护水平，对监测装置机箱、外部线缆、数据集中器、硬件接口进行优化设计，提升设备的抗干扰能力，并进一步增强防水和防锈性能。

3.2专用提升措施

（1）微风振动监测可靠性提升措施。对于测量原理为加速度法的微风振动传感器，由于线路发生微风振动时，导线和线夹还存在一个绝对值上的振动或者晃动，所以此方法采集不到导地线在线夹出口89 mm的相对振动位移。可采用悬臂梁法测量微风振动，此方法技术原理简单、成熟，是国际上测量微风振动的主流方法。

（2）风偏角度测量传感器不应采用中值标定法，其测量误差较大；应提高角度传感器的采集精度，改良风偏的标定方法，提高风偏监测装置的测量精度。

（3）微气象监测质量提升措施。微气象监测装置中的风速风向传感器不应采用机械式风速风向传感器。机械式传感器长时间工作后，轴承中的润滑油会老化，所以长时间工作后，风速测量的准确度会下降，而且机械式传感器容易结冰，风杯会转不动。为提高可靠性，宜采用没有机械结构的超声波风速风向传感器。

（4）等值覆冰厚度监测质量提升措施。覆冰传感器要开展拉力倾角总线器优化设计，提高传感器的独立性和可靠性，采用航空插头，加强接口防护。

覆冰模型中，应全面考虑风载的影响，对装置的监测模型进行优化，即当覆冰厚度达到一定程度后，考虑风载的影响，嵌入导线覆冰生长预警模型。

（5）导线温度监测质量提升措施。针对现场实际情况，对导线温度监测装置中温度传感器进行优化，传感器由热敏电阻改为铂电阻，提高监测装置的测量范围、精度。

（6）视频与图像监测主要应提升数据传输的可靠性。

（7）杆塔倾斜监测应提高精度、数据处理能力和增强稳定性，降低功耗，采用高精度带处理芯片的双轴倾角传感器。

4　结论与展望

输电线路状态监测装置需要继续提高可靠性，规范装置设计与选型，修订完善在线监测标准体系，在海量数据处理、汇总分析、故障诊断、智能评估等方面深化状态监测数据应用研究，提高监测数据的准确性和分析利用水平，完善主站系统功能，优化装置告警阈值与策略，提升输电线路智能化水平。

参考文献：

[1]易辉.输电线路状态监测与状态维修技术[J].线路通讯, 2003（5）.

[2]张成文，刘德玉.基于MT9075芯片的PCM线路测试仪的设计[J].电子器件，2005（12）.

[3]王晓希.特高压输电线路状态监测技术的应用[J].电网技术，2007（11）.

[4]李先志，杜林，陈伟根，等.输电线路状态监测系统取能电源的设计新原理[J].电力系统自动化，2008（01）.

[5]吴波，盛戈皞，曾奕，等.多电池组太阳能光伏电源系统的设计与应用[J].电力电子技术，2008（02）.

[6]俞坤师，陈轩怒，刘飞.基于ZigBee输电线路多元化在线监测系统的设计[J].电工技术，2009（02）.

作者简介：潘凌（1975-），女，高级工程师，从事电力系统技术监督管理工作。

收稿日期：2016-01-25

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.04.014

中图分类号：TM73

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2016）04-0041-05