基于多层架构的输电线路迁移改造监测系统设计

凌 宇，许斌斌，万 新

（广州供电局，广东 广州 510000）

传统110 kV架空输电线路已难以满足城市新规划、新建设的需要[1]。当前，城郊架空输电线路多集中在规划的机动车道附近[2]。同时，大多数架空输电线路将覆盖人口相对密集地区。输电架空线划伤会影响整个电网的安全运行，严重影响人们的生命财产安全[3]。所以有必要将架空输电线路改造为电缆线路来满足当地电力需求。以往设计的基于MEMS技术的监控系统[4]和用于传输线迁移改造的光纤传感器[5]，具有高度集成化、多技术集成的特点，智能化算法的引入，使得电力系统运行数据更具价值。但在监控过程中容易受线路周围环境的影响，导致监控效果较差。为了进一步提高监控精度，提出了一种基于多层结构的传输线迁移与转换监测系统的设计方案。110 kV架空输电线路穿越市区，从安全角度考虑，会对当地整体规划产生一定影响，因此，为满足当地电力需求设计多层结构监控系统十分必要。

1 监测系统总体结构设计

输电线改造实时监控系统是一个软、硬件相结合的系统，主要包括监控设备、通信网络、监控中心服务器、线路监控分析软件等[6]。所设计的监测系统总体结构如图1所示。

图1 监测系统总体结构

监测设备包括监测装置和监测基座，监控器是安装在导线、地线、绝缘子、杆塔等设备上，以各种原理通过通道向系统上层设备传输数据的数据采集装置[7]。监控台是指数据集中器，收集数据的各数据采集单元，存储并处理现场，通过通信网络向监控台服务器发送数据，或转发监控设备的指令，控制数据采集设备的运行状态和操作参数[8]。

通过通信网和数据处理系统，将采集到的实时数据存储到监控中心服务器上。监控分析软件能实时显示和分析线路运行数据，并能及时给出预警信息，有效预防各类事故发生[9-10]。

2 系统硬件结构设计

基于实时监测的各类专业实时监测系统，已不能满足电网信息化建设的需要，因此，对输电线路实时监测系统进行改造是历史的必然[11]。传输线实时监测系统负责线路上的设备转换连接，通过设备管理模型和技术手段对线路进行管理，以确保线路转换连接的安全经济运行[12]。

输变电线路迁移改造实时监控系统是对线路运行状态监测、线路运行管理、故障判断等数据进行整合、综合处理，为线路维护提供决策支持的知识模型[13]。图2显示了基于多层架构的监测系统硬件结构。

图2 基于多层架构的监测系统硬件结构

线路整体运行的实时监控与管理系统由3部分组成，传输线数据采集平台包括对实时监测数据的采集和对电网业务系统其他信息如设备账务数据的导入。收集微气象、雷击、导线温度等实时监测信息，对各种数据进行标准化处理和存储，并将其存储在网格业务数据集成中心相应的数据库中。

依据线路数据采集分析平台，显示线路运行状态信息。通过专业的电力传输GIS系统，为整个系统提供信息展示服务[14]。综合考虑地理信息、电力设备基础信息和实时设备信息，通过图像直观地显示整个综合系统。

2.1 实时数据展示模块

鉴于实时监测系统对数据的有效性要求较高，如何安全、实时、准确地采集、接收和显示实时数据，建立完整的数据通道，成为实时监测系统中的首要问题[15]。

在传输线的实时监控和动态扩展系统中，导体温度数据以GPRS(General Packet Radio Service)数据包的形式返回到中央服务器，然后解析并写入数据包，这些数据包通过实时数据采集平台进入实时数据表。采用SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统实时采集和存储测量的导线承载电流，并通过通用适配器访问省局数据库中的实时数据。

2.2 线路参数管理模块

该系统统一管理与电网监控有关的线导体信息、线塔账户信息，为用户查看线塔基本情况提供快捷准确的信息服务。线性参量管理模块可实现线、塔、线型等相关配置，并可对数据进行添加、修改和删除。

2.3 线路监控报警模块

按照国标要求，结合线区专家对设备监测的线温，分阶段确定监测指标，设定相应的监测阈值，并通过条件查询分析，判断各指标是否越界[16]。若认为监测数据超出标准，则发出禁止入内警报，并以图形颜色显示相应报警级别的状态，如预警、报警等，结合当前的测量电流和气象信息给出促进安全运行的诊断，防止安全事故发生。

3 软件部分设计

3.1 系统业务流程

系统是在传输线上安装在线监测装置，对传输线的状态、气象条件和载流量进行实时监测，根据导线本身的特性、导线的温度、载流量理论、最大电流承载能力理论和隐藏载流能力计算导线载流量的实时计算模型，并不违背现行技术法规的规定[17]。利用已有的运行经验，通过实时计算分析，有效地提高了线路传输能力。其基本工作流程如下：

1）对传输线电流值、导线温度值及周围环境数据，包括光照、环境温度、风速等进行实时监测和采集。

2）根据以上测量数据和导线本身的特点，通过导线传输线的数学模型，实时计算导线的温度、理论载流能力、最大理论载流能力和隐藏载流能力。

3）根据实时监控分析和安全指标，为调度人员提供调度决策参考。

3.2 动态增容监测

依据测量得到的导线温度及相应的气象资料，计算被选线路站在一定时间内的理论最大容量及理论载流量，再根据测量得到的电流及相应的气象资料计算出导线温度。并与实测数据进行对比分析，结合历史监测信息和计算数据，对该线路运行调度提供参考依据。

导线的传输能力取决于在已知环境温度和给定导线工作温度下的最大稳态电流。在实际运行中，影响导线载流量的主要因素是气象和环境。在导线直径一定的情况下，导线的容许温度和边界条件是影响其载流量的主要因素。

根据现有架空导线载流量的计算公式，其计算原理是根据导线发热与散热的热平衡原理导出的。导体内无电流时，导线温度与周围介质温度相等；电阻将电能转换为热能，当电流通过时，引起温度变化。所产生的热能部分储存在导线和绝缘材料中，剩余的热能由绝缘材料传导至导线或电缆的表面，并通过对流和辐射向周围环境传输[18]。与此同时，阳光会使导线温度发生变化。在导线稳定之前，由于导线与绝缘体之间以及与周围环境之间存在热阻，导线的温度升高，电阻率相应增大，产生更多的热能，所产生的能量就会传递给周围的环境，而导线的温度是恒定的。热量平衡方程式为：

式（1）中，Wa表示电阻发热功率；Wb表示辐射散热功率；Wc表示对流散热功率；Wd表示日照吸热功率。

导线允许载流量计算公式为：

式（2）中，R表示某一温度下的导线电阻。

4 实验分析

以某市供电局110 kV输电线路迁移改造工程为例，对基于多层架构的输电线路迁移改造监测系统设计合理性进行实验验证分析。

4.1 实时数据采集

由于实际气象条件比设定条件复杂，因此，需采集某条输电线路迁移改造线路实时数据进行统计分析，如表1所示。

表1 实时数据统计分析

由表1可知实时采集风速、环境温度及日照强度实时数据，由此展开实验验证分析。

4.2 风速对载流量监测影响

当导线温度为60℃时，风速由0.4 m/s降至0.1 m/s，载流量也由80 A减少到30 A，以此为基础，分别使用基于MEMS技术设计的监测系统[4]T1、引入光纤传感设计的监测系统[5]T2和基于多层架构的监测系统T3进行风速对载流量的监测，结果如表2所示。

表2 风速对3种系统载流量监测情况

由表2可知，基于多层架构监测系统受到风速影响，载流量由80 A减少到30 A，与理想情况一致；使用基于MEMS技术设计的监测系统受到风速影响较大，载流量由80 A减少到65 A，监测结果与理想状态结果不一致；使用引入光纤传感设计的监测系统受到风速影响，载流量由80 A减少到50 A，比基于MEMS技术设计的监测系统的监测结果更加精准，但与基于多层架构的监测系统的监测结果相比，结果不精准。

4.3 温度与载流量监测影响

环境温度在0～35℃内变换时，导线环境温度升高，载流量减少较快，由800 A减少到400 A。以此为基础，分别使用基于MEMS技术设计的监测系统T1、引入光纤传感设计的监测系统T2和基于多层架构的监测系统T3进行温度对载流量的监测，结果如表3所示。

表3 温度对3种系统载流量监测情况

由表3可知，T1系统在温度影响下对载流量的监测结果与实际结果不一致，当温度为35℃时，载流量监测结果为450 A，与实际结果相差50 A；T2系统在温度影响下对载流量的监测结果与实际结果相差较大，当温度为35℃时，载流量监测结果与实际结果相差200 A；T3系统与实际监测结果一致。

4.4 日照强度对载流量监测影响

导线温度为655℃时，日照强度由1 500 W/m2下降到700 W/m2，载流量由50 A增加至250 A。以此为基础，分别使用基于MEMS技术设计的监测系统T1、引入光纤传感设计的监测系统T2和基于多层架构的监测系统T3进行日照强度对载流量的监测，结果如表4所示。

由表4可知，T1系统在日照强度影响下对载流量的监测结果与实际结果在日照强度为700 W/m2时相差较大，最大为60 A；T2系统在日照强度影响下对载流量的监测结果与实际结果在日照强度为700 W/m2时相差较大，最大为160 A；T3系统与实际监测结果一致。

表4 日照强度对3种系统载流量监测情况

综上所述，基于多层架构的监测系统在风速、环境温度和日照强度影响下，具有精准的监测效果。

5 结束语

文中提出了一种基于多层结构的传输线迁移与转换监测系统，通过硬件和软件设计，采用传感器技术，综合利用监测数据，实现了传输线的监测和改造。该系统的通信网络采用光纤技术，采用光缆电缆构成有线网络。由于其具有很强的适应性和容错能力，从而保证了数据通道的可靠性。

当前，由于传感器的硬件成本和移动终端的通信成本等因素的限制，联机监测的应用无法大规模实现，出现该现象的主要原因是监测数据不够完整。因此，未来可引入传感器技术，使其功能更加多样化。