输电线路状态监测导线温度的系统设计

关卓林 王玉侠

摘要：为解决现有电网远距离供电时输送电容量因多种技术受限导致下降，从而不能满足电力用户需求的问题，在原有的输电线路上，采用分布式低功耗温度采集技术、通用分组无线服务技术GPRS（GeneralPacket RadioService）远程数据传输和输电线路动态增容技术，综合设计出一种能够对输电线路的电流和温度进行实时监测的系统，从而使该系统能及时、准确地反映输电线路各监控点的温度状况，通过远端数据反馈分析从而对电网进行参数调整，使系统在线监测的高效性、稳定性和可靠性得到提升。

关键词：高压输电线路;导线温度;在线监测;动态增容

随着用电负荷的变化和发展，多种技术受限导致降低了电力系统中输电线路的输电能力，进而大大降低了系统的输送容量，难以满足电力用户需要[1]。为了提高系统传输中的传输容量，主要方法包括静态提温增容技术和动态实时监测增容技术，由于后者具有安全、可靠等优点，应用更加广泛。利用动态增容技术的监测方法分别有基于气候监测、直接温度测量监测、导线弧垂测量监测以及导线张力测量监测的动态增容技术，经研究表明，采用基于直接对输电线路温度测量的动态增容技术是比较可行的方法，但在线监测系统在技术方面和管理方面任存在诸多待解决的问题[2]。本文提出一种基于导线温度状态监测的动态增容系统，主要实时监视导线温度，采集输电导线所处环境信息，通过GPRS无线传输模块向监控中心反馈数据[3，4]，能实时确定其传输功率极限、从而提前发现线路中监测部位的过热点，为动态提高输电线路容量及状态检修提供可靠的依据。

1 输电线路增容方法

1.1 静态提温增容技术

该技术的原理是突破行规限制，对于环境温度仍按40℃进行考虑，环境风速、光照强度也同样按行规要求计算，通过对导线的最高允许温度提出改进从而来实现输电容量的提升。通過实验证明，如果将温度提升一定裕度，输电线路的输送容量明显得到提高，从而带来较高的经济收益。但是，通过该技术提升输送容量，也会来带来一些负面影响：（1）输电线路的导线以及配套的金具使用寿命会受到影响;（2）温度提高同样会使导线的弧垂增加，导致对地以及交叉跨越的安全裕度得到不同程度的影响;（3）该技术提升载流量的同时，电能损耗也相应增加。

1.2 动态增容技术

该技术是通过输电线路上的测温终端，实时监测线路本身的状态和环境气象条件信息[5]。在保持现有行规的前提下，根据应用条件所选择增容模型，推导计算出导线各时刻的最大允许载流量，从而用以提升系统的输电容量。动态增容技术相较于静态增容技术很大程度上可以保证设备和系统的稳定、安全运行。

1.3 理论模型的建立

影响导线载流量的因素有多种，不同国家在计算载流量时考虑的因素也不一样，从而公式的系数也有所不同。本文使用的导线载流量公式是采用文献[6][7]介绍的通过热平衡原理推到得到提出的公式，如下式所示：

暂态相较于稳态是种动态的变化，决定因素有多种，因此要计算暂态下导线的载流量需要考虑多种情况，其中主要考虑的是施加负荷的影响。其计算公式由式（1-2）和（1-3）所示：

2  系统总体设计方案

本系统结构由近到远可看作三层，包括为近距离通信层、远距离通信层和控制层。系统组成主要包括测温终端、测温主机、基站和监控中心。结构图如图2-1所示

本系统具有完善的性能，采用新颖的无线通信模式和可靠的电源管理，可靠性得到提升，能适应野外环境，应用前景广泛。

3 系统硬件设计

3.1 测温终端硬件设计

一种温度信息采集设备，其内部结构为：（1）电源模块;（2）主控制器;（3）时钟控制模块;（4）接触式温度传感器;（5）近距离无线通信模块。组成框图如图3-1所示。

由于测温终端工作在高压环境，会受一定程度的影响，导致测量设备工作质量不佳。因此在设计该设备结构时，系统内部采取了光电隔离、电气绝缘和电磁屏蔽等措施，从而可以提升系统的鲁棒性。主控制器选用PIC16F876A芯片，其最大特点在于可实现在线调试和在线编程，采用目前应用较为成熟的数字式温度传感器DS18B20[15]，控制时钟模块选用时钟器件ISL12O26，来控制测温时间间隔。

3.2 测温主机硬件设计

测温主机用来接收该邻域的测温终端测量信息。内部结构为：（1）时钟和定时控制;（2）电源管理;（3）主控制器芯片;（4）光电隔离电路;（5）数据存储单元等。如图3-2所示。

4系统软件设计

4.1 测温终端主程序

系统测温终端的程序流程为：首先系统进行初始化;其次对时钟芯片初始化设置好系统的工作时间间隔;接着采集导线各点温度信息并通过近距离无线模块向邻域主机发送数据集;接着设置定时器参数，在设定时间段内等待接收主机的回应信号并进行判断处理;最终实现系统的低功耗控制。主流程图如图4所示。

4.2 测温主机主程序及中断程序

系统测温主机的程序流程为：首先系统进行初始化;其次调制系统的时钟芯片;紧其次对环境气象条件进行采样;最后呼叫所有基站和将采样数据一并发送给监控中心，并接收监控中心的控制命令。主程序流程和中断程序流程如图5所示。

结语

通过研究输电线路电流与导体温度之间的关系，提出了通过实时监测一定天气环境下的导体温度来计算线路隐式电容以实现传送容量扩展目的的想法。进而为电力系统输电线路动态增容技术提供科学参考值。系统特点：（1）系统整体功耗降低，减少无用功率;（2）监测温度系统硬件电路安全可靠，符合工程要求;（3）将短距离传输和远距离传输相结合，实现多种复杂通信;（4）系统整体运行稳定可靠。该系统不仅可以应用在线路监控，也可应用于其他电气设备温度监测中，应用前景广泛。

参考文献：

黄新波，陈荣贵，王孝敬.输电线路在线监测与故障诊断[M].北京：中国电力出版社，2008，10

杨鹏，房鑫炎.采用DTCR模型提高输电线输送容量[J].华东电力，2005，33（3）：11-14

张冰.输电线路输电容量动态增容监测技术的研究[D].北京：华北电力大学电力系，2006.

霍显丰，吴国忠.一种基于GPRS的输电线路温度智能监测系统[J].电工技术，2005，6：24-2.

徐青松，季洪献，侯炜，等.监测导线温度实现输电线路增容新技术[J].电力建设，2006，30（s）：171-176.

凌平，金衍，钱之银.提高输电线路输送容量动态监测增容技术的研究[J].华东电力，2007，40（l）：44-47.

黄新波，孙钦东，张冠军，等.输电线路实时增容技术的理论计算与应用研究[J].高电压技术，2008，6，34（6）.

作者简介：关卓林（1995—  ），男，汉族，安徽淮南人，本科，助理工程师，研究方向：输电线路运维检修。