地线融冰自动接线装置就地电源系统的设计

徐望圣 曹伟伟 胡 江 孙运涛 刘 洋

地线融冰自动接线装置就地电源系统的设计

徐望圣1曹伟伟2胡 江1孙运涛2刘 洋1

（1. 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司贵阳局，贵阳 550081；2. 南京电力金具设计研究院有限公司，南京 211500）

为了实现对输电线路地线融冰的远程控制，必须对布置在铁塔上的地线融冰自动接线装置进行就地供电。本文首先将远控系统的各用电设备按照持续用电和间断用电进行分类，绘制了系统电源树；其次通过分析输电线路常用的不同在线供电方式，得出光伏储能方式是目前的最优选择；最后通过计算完成了对电源系统的储能电池和光伏方阵的配置，并指出需搭配智能电源管理系统，以保障电源系统的长期无故障运行。

光伏储能；持续在线工作；间断性工作；磷酸铁锂电池；智能电源管理

0 引言

建国以来，我国有记载的输电线路覆冰事故达上千次，其中较为严重的当属2008年初，华中、华东和南方等区域发生的大面积冰灾，造成了国内15座500kV变电站停电，86座220kV变电站停电；119条500kV输电线路停运，343条220kV输电线路停运；678基500kV杆塔倒塔，295基受损，1 432基220kV杆塔倒塔，586基受损[1]，严重危害了我国电力系统的安全运行。

据统计，我国输电线路覆冰事故多发生在高海拔地区，如云南、贵州、四川、湖南和湖北等省，而且有如下几个特点：①持续时间长，往往会持续一个月甚至更长时间；②覆冰事故在某一固定地区频繁发生，如1961—1989年，云南省35～220kV输电线路先后发生覆冰事故达到101次[2]；③覆冰事故发生时机械故障和电气故障并存，不仅会造成金具损坏、导线断线、杆塔倒杆和绝缘子串损毁等机械事故，还会因导线弧垂增大，导致导线对地距离或者导线间距减小，造成放电和烧毁导线的电气事故[3]。

由于多年来深受覆冰事故的侵害，国家电网和南方电网一直致力于输电线路防冰、抗冰和除冰技术的研究和应用，特别是在除冰方面，形成了热力除冰、机械除冰和自然脱冰三大主流技术[4-8]，解决了大部分的输电线路导线覆冰问题。同时，对于地线本身不通过电流，覆冰时无法依靠自身发热融除冰雪的难题，南方电网公司通过使用输电线路地线融冰自动接线装置，将导线的融冰电流引至地线，实现了地线的热力除冰[9]。

随着越来越多的地线融冰自动接线装置被安装在铁塔上，为了便于对输电线路铁塔地线融冰自动接线装置进行集中管理，同时提高装置操作的智能化水平，以电力物联网的形式建立一套地线融冰自动接线装置远程控制系统势在必行。本文拟通过分析和计算完成就地电源系统的设计，为地线融冰自动接线装置实现远程控制解决现场铁塔侧用电设备的供电难题。

1 地线融冰自动接线装置远程控制系统

地线融冰自动接线装置如图1所示，具有性能稳定可靠、自动化程度高、操作简便等优点。在需要融冰时，操作人员直接携带控制箱到塔底连上控制线进行操作，无需登塔即可进行导线和地线的连接。

图1 地线融冰自动接线装置在铁塔上的安装图

拟采用的地线融冰自动接线装置远程控制系统，通过在铁塔侧布置传感设备、控制设备、加解密设备和通信设备等采集现场的状态参数、控制装置的运行、收发信号及数据，在变电站布置服务器、控制主机等对铁塔侧的装置和设备进行控制和管理。铁塔侧和变电站通过定向的APN专网进行通信，其工作原理如图2所示。但是由于地线融冰自动接线装置的安装位置比较偏僻，常在无人的山区，没有配网线路的布置，需在现场安装合适的就地电源系统，使铁塔侧的装置本体和新布置的各种设备可以长期稳定运行。

图2 远程控制系统工作原理图

2 远程控制系统铁塔侧的设备用电情况

上述远程控制系统的铁塔侧用电设备主要有两类：①持续在线工作的设备；②在融冰时才开启运行的设备。

2.1 持续在线工作的设备

本系统的铁塔侧要时刻保持和变电站的通信，完成传输现场状态数据和接收变电站指令的工作。因此，网关需要时刻处于发射和接收状态，一直处于在线工作模式。值得注意的是，拟采用的网关兼有纵向加密功能，可同时满足数据与信号加解密和远端通信的需求。

环境状态传感器主要采集铁塔侧的风速、风向、温度和湿度等环境参数，为工作人员提供即时的气象数据，为线路覆冰的判断提供参考。为了能在铁塔所在地区气候发生骤变时产生快速反馈，环境状态传感器的数据需实时更新。

地线融冰自动接线装置拟采用LoRa无线霍尔传感器进行开关合闸状态的采集，传感器本身内置电池，不用另行设计供电接口，但是其信号发射之后，需要在主控制箱使用对应的LoRa接收网关进行信号的接收，该网关也需处于持续运行状态。

拟采用的上述设备的用电参数见表1。

表1 持续在线工作的设备用电参数

2.2 间断性工作的设备

出于节约能源和保护输电线路运行安全考虑，本系统部分设备在平时处于断电状态，需要融冰时再远控电源接通。如进行地线融冰操作时需驱动的接地开关电动机、地线融冰自动接线装置的主电动机和闭锁电动机。另外现场还在铁塔上布置一台户外摄像机，使其在地线融冰自动接线装置动作时全程进行视频传输，平时也不需打开。

上述间断性工作的设备用电参数见表2。

2.3 其他设备

还有分合闸行程开关、主控板上的CPU、以太网接口、RS 485接口和RS 232接口等元器件也需要消耗电能，但是由于耗电极少，在配置整体电源容量时通过适当放大余量，即可满足需求。综合以上的分类和叙述，本系统电源树如图3所示。

表2 间断性工作的设备用电参数

图3 远程控制系统电源树

3 就地电源系统的设计和计算

3.1 在线供电方式的比较与选取

目前常用的输电线路在线监测系统供电方式，主要有如下几种：①光伏储能系统，利用太阳的辐射能转化成电能进行供电；②风力储能系统，利用风力发电机将风能转化成电能进行供电；③风光互补储能电源系统，综合前两种的优势可实现白天和夜间的持续储能进行供电[10]；④导线感应取能电源系统，利用在导线上安装的感应线圈或电流互感器将高电压转化成可直接使用的低电压进行供电[11]。

风力储能系统和风光互补储能系统，在冻雨多发的地区，风机极易被冰冻住导致不能有效取能，且安装融冰装置的位置一般山区较多，风力资源相对匮乏，不适合使用；对于导线取能的方式，适用于直接安装在导线上的传感设备，而地线融冰自动接线装置安装在接地的铁塔上，感应电场较低，取能效率严重不足，如通过将取能装置安装在导线上，再拉电线给用电设备供电，则会有使铁塔带电的安全隐患。

因此，经综合比较，最适合本文远控系统的在线供电方式为光伏储能方式，通过在现场布置太阳能光伏板，结合储能电池给系统的各种设备供电。

3.2 储能电池的选型和计算

1）电池的选型

目前常在低温条件下使用的储能电池有铅酸电池、磷酸铁锂电池和三元锂电池等[12-13]。铅酸电池虽然价格低廉、材料丰富，但是相同电池容量的情况下，铅酸电池的质量往往是其他两种电池的3倍以上，安装在铁塔上极其不便，而且其污染性较大，使用寿命较短，需经常进行更换维护。三元锂电池的能量密度是三种储能电池中最高的，但根据近年在工业上实际使用的情况来看，其稳定性较差，易发生自燃事故。磷酸铁锂电池在输电行业有多年的成功使用经验，性能相比三元锂电池更加稳定，虽然其价格较高，但是其循环寿命次数可达2 000次，是三元锂电池的2倍，是铅酸电池的7～10倍，从全寿命周期来看，更适用于本系统的使用。

2）电池的容量计算

电源系统的电池容量需满足在最恶劣的储能条件下，能供应各设备在最大连续阴雨天内的正常运行。首先，主要集中用电的时间在冬季，因此，在光伏储能的设计上，应以光照条件最差的冬季为参考。其次，从国内太阳辐照度数据来看，五类地区的贵州、四川等地最差，最具有代表性。以贵州为例，查询该地记录的历年气象数据，冬季最多连续阴雨天数为20天，在此期间需要进行的融冰次数不超过10次。以此作为计算的输入条件。

将设备最高额定电压48V作为电池组的额定电压，按照上文中对用电设备的分类，对于持续在线工作的设备，所需电能

式中：为安全系数，取值在1.1～1.2之间，本计算取1.2；L为持续在线工作的设备日平均耗电量（A·h），按表1计算；L为最长连续阴雨天数，按20天计算；0为温度修正系数，大于0℃取1，在-10℃～0℃之间取1.1，低于-10℃取1.2，本计算取1.1；C为蓄电池放电深度，锂电池取0.85。

计算得C=93.95A·h。

对于间断性工作设备，所需电量

式中：K为一次融冰过程中接地开关电动机消耗的电量，已知电动机功率为370W，分合闸共运行1min，则一次所需电量0.128A·h；Z为一次融冰过程装置主电动机消耗的电量，已知电动机功率为375W，分合闸共运行6min，则一次所需电量0.781A·h；B为一次融冰过程闭锁电动机消耗的电量，已知电动机功率为24W，开闭锁共运行2min，则一次所需电量0.017A·h；S为一次融冰过程摄像机消耗的电量，已知摄像机功率为6W，分合闸共运行10min，则一次所需电量0.021A·h；为20天内融冰的次数，由上文得知为10。

计算得D=14.71A·h。

按式（3）求和

计算得，所需电池组总容量为=108.66A·h。

3）电池的最终配置

根据计算结果，应至少选择110A·h的蓄电池作为系统的电源。

3.3 光伏方阵的设计和计算

由太阳能组件组成的方阵，不仅要能满足各终端设备的日常持续在线供电的要求，还要能在两次最长连续阴雨天的间隔期间，补足储能电池在连续阴雨天内所消耗的电量。

按式（4）计算电池每天需要充电的电量

式中：H为持续在线工作设备日耗电量，由上文知H=CL=4.7A·h；C为两次最长连续阴雨天之间可进行光伏储能的天数，根据贵州地区情况拟设定为7。

计算得R=20.41A·h，即3 526.85kW·h。

要使供电系统达到平衡状态，需要光伏方阵的发电量满足储能电池的充电量，即

式中：为光伏方阵中太阳能光伏板的块数；为单块光伏板的日发电量（kW·h）；1为蓄电池的充电效率，一般为90%～95%，本计算取90%；2为光伏组件受板间连线损失等影响的输出功率系数，按95%。

单块光伏板的日发电量

式中：为倾斜面日总辐照量，查询全国主要城市太阳能辐射资料，得贵州地区12月、1月、2月的日平均总辐照量分别为6.421MJ/m2、5.381MJ/m2和6.774MJ/m2，可粗算得冬季日平均太阳总辐照量为6.192MJ/m2；0为单块光伏板的面积（m2）；为光伏板的转化效率，按多晶硅光伏板的效率，约为19%；0为光伏板受安装角度和位置影响的效率系数，参照并网光伏电站的折算系数，取0.88。

假设光伏方阵总面积为，则

结合式（5）—式（7）得，=3.98m2。

由于要在铁塔上安装，考虑铁塔上不宜使用单块较大的组件，应使用小块组件的串并联构成光伏方阵。拟选择型号为TDP—160W—36的光伏板，尺寸为1 480mm（长）×680mm（宽）×40mm（高），计算得0=1.01m2，=4。

根据计算结果，选择4块光伏板可满足对储能电池的充电要求。

3.4 电源系统的智能管理

本电源系统需考虑地线融冰自动接线装置远程控制操作的特殊性，其在春季、夏季和秋季由于气候温暖，不需进行装置操作，光伏方阵的发电量远大于现场设备的使用量，容易导致储能电池的过充现象；储能电池如长期处于饱和状态，易引起高温发热，更有甚者导致电池自燃，严重威胁输电线路的正常运行；而在冬季线路覆冰频繁的时候，现场设备集中耗电，电池剩余电量较少，易引起储能电池的过放现象；另外如果锂电池遇到极端低温状态（-20℃以下），很可能会无法充放电。

因此，为了避免上述危害的产生，同时实现电源系统的充电和放电状态的可测可控，应设置智能电源管理模块，完成下列工作。

1）光伏组件发电量和储能电池用电量的监测管理，并在控制主机显示预估的电池剩余电量、可使用天数及装置可进行融冰操作的次数。

2）电池电压的实时监测管理，并在低电压、过电压时进行告警。

3）结合电气箱内的泄放电阻进行电池的活化管理，可根据电池的充电状态启动自动活化，也可以在变电站进行远程启动和停止活化操作。

4）定期进行电源系统的自动评估工作，指导电池的维护，在电池处于异常状态时进行报警，必要时提醒更换电池。

4 结论

太阳能发电和储能电池结合的方式能够为地线融冰自动接线装置远程控制系统提供就地电源，使其完成远程控制操作，可有效解决现有就地操作方式带来的融冰效率不高、操作人员劳动强度大、人身和设备有安全隐患等问题。本文通过分析和计算，对该供电方式进行了论述：

1）通过对不同在线取能供电方案的对比，得出光伏储能供电的形式更适合于本系统的使用。

2）通过对电源系统的计算，选择电池额定电压48V、额定容量110A·h的磷酸铁锂电池作为储能电池，光伏阵列采用4块160W光伏板进行组合，可有效维持冬季的融冰工作。

3）基于就地电源长期无故障供电的考虑，需对电源系统进行智能电源管理。

按照以上设计配置的就地电源系统目前正在试制中，待完成后，即会在实际工程中进行安装使用，验证理论设计的正确性。

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Design of local power supply system for ground wire deicing automatic wiring device

XUWangsheng1CAO Weiwei2HU Jiang1SUN Yuntao2LIU Yang1

(1. China Southern Power Grid EHV Transmission Company Guiyang Bureau, Guiyang 550081;2. Nanjing Power Fitting Design & Research Institute Co., Ltd, Nanjing 211500)

In order to realize the remote control of transmission line ice-melting, it is necessary to supply power to the ground line ice-melting automatic wiring device arranged on the tower. In this paper, firstly, the power equipment of the remote control system is classified according to the continuous and intermittent power consumption, and the system power tree is drawn. Secondly, by analyzing different on-line power supply modes commonly used in transmission lines, it is concluded that photovoltaic energy storage mode is the best choice at present. Finally, the configuration of storage battery and photovoltaic array is completed by calculation, and it is pointed out that the intelligent power management system is needed to ensure the long-term trouble-free operation of the power supply system.

photovoltaic energy storage; continuous on-line work; intermittent work; lithium iron phosphate battery; intelligent power management

中国南方电网有限责任公司超高压输电公司科技项目（CGYKJXM20190267）

2020-07-31

2020-08-10

徐望圣（1982—），男，湖南省益阳市人，高级工程师，主要研究方向为输电线路运行维护。