白利軍
(呼和浩特供電局營銷配電處,呼和浩特 010050)
近幾年,智能電網(wǎng)越來越多的引起了人們的關(guān)注。智能電網(wǎng)建設(shè)涵蓋了電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用戶、調(diào)度及通信各個環(huán)節(jié)。作為智能輸電環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)之一的在線監(jiān)測技術(shù),在我國起步較晚,最近幾年國內(nèi)部分高校和廠家陸續(xù)開展相關(guān)工作,開發(fā)了一些輸電線路在線監(jiān)測裝置和系統(tǒng),例如:覆冰監(jiān)測,舞動監(jiān)測、絕緣子污穢監(jiān)測等[1]。但前期產(chǎn)品在裝置穩(wěn)定性,工藝生產(chǎn)等方面存在一些不足,此外,智能化程度不高,不能滿足智能輸電的需要。為滿足智能輸電的要求,亟需建立一個覆蓋全國各網(wǎng)省公司的輸電線路綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)。
世界各國根據(jù)國情的不同,智能電網(wǎng)發(fā)展的側(cè)重點有所不同。歐美等發(fā)達(dá)國家電網(wǎng)格局已基本穩(wěn)定,智能電網(wǎng)的研究重點放在配電和用電領(lǐng)域[2];我國能源分布和電力負(fù)荷極度不平衡,此外在能源利用方面,風(fēng)能、太陽能等可再生能源利用率較低,現(xiàn)階段我國智能電網(wǎng)圍繞清潔能源的有效利用以及堅強輸電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和維護(hù)等方面。
輸電智能化主要體現(xiàn)在以下幾個方面:①廣泛采用柔性交流、直流輸電技術(shù),充分利用現(xiàn)有電網(wǎng)資源,提高輸電線路穩(wěn)定性和線路輸送能力,優(yōu)化電網(wǎng)運行條件,降低輸電成本;②建設(shè)覆蓋全國的能源輸送通道,全面實現(xiàn)“西電東送,南北互供”;③建立覆蓋全國范圍的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)對微氣象信息和設(shè)備運行狀態(tài)信息的集中實時采集,并給出災(zāi)害預(yù)警信息,并在此基礎(chǔ)上建立國家防災(zāi)預(yù)警體系[3-5]。
1)系統(tǒng)構(gòu)成
智能輸電線路綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)由國家電網(wǎng)總部、網(wǎng)省電網(wǎng)公司、地市局電網(wǎng)公司、線路監(jiān)測分機、通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測信息組成[3],系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。該系統(tǒng)綜合了現(xiàn)有的多個監(jiān)測裝置的功能,實現(xiàn)了對影響絕緣子污穢、風(fēng)偏、導(dǎo)線溫度、覆冰雪、舞動、桿塔防盜、桿塔傾斜的信息進(jìn)行實時/定時采集。通過GPRS通信模塊發(fā)送至地市局監(jiān)測中心,監(jiān)測中心專家軟件則利用相應(yīng)的監(jiān)測信息根據(jù)不同的智能算法及其修正理論模型和試驗結(jié)果給出不同功能的監(jiān)測判斷[3]。各地市局監(jiān)控中心與網(wǎng)省公司監(jiān)控中心采用LAN方式組網(wǎng),省公司監(jiān)測中心可以直接調(diào)用各地市局監(jiān)測中心的設(shè)備狀態(tài)信息。各網(wǎng)省公司與國家電網(wǎng)總部也采用LAN方式組網(wǎng),國家電網(wǎng)總部可以直接調(diào)用各網(wǎng)省公司的整體信息,便于統(tǒng)一管理。
圖1 輸電線路綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)總體框圖
2)系統(tǒng)功能
智能輸電線路綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對輸電線路微氣象信息和設(shè)備狀態(tài)信息的全面監(jiān)控,其主要功能如下:①輸電線路微氣象區(qū)監(jiān)測;②覆冰監(jiān)測;③舞動監(jiān)測;④微風(fēng)振動監(jiān)測;⑤導(dǎo)線溫度及動態(tài)增容監(jiān)測;⑥絕緣子串風(fēng)偏監(jiān)測;⑦絕緣子串污穢監(jiān)測;⑧桿塔防盜報警監(jiān)測;⑨桿塔傾斜監(jiān)測;⑩遠(yuǎn)程圖像/視頻監(jiān)控。
1)監(jiān)測主分機設(shè)計
監(jiān)測主分機主要用來完成對導(dǎo)線周圍微氣象信息、設(shè)備狀態(tài)相關(guān)參量的采集和節(jié)點加速度、溫度數(shù)據(jù)的無線傳輸。主要由微處理器、微氣象監(jiān)測單元、絕緣子監(jiān)測單元、桿塔監(jiān)測單元、導(dǎo)線監(jiān)測單元、視頻監(jiān)測單元以及電源模塊、ZigBee模塊和GPRS通信模塊組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。硬件設(shè)計的核心微處理器選用 TI公司的超低功耗16位MSP430單片機,具備超低功耗和豐富的外設(shè),該微處理器除了活動模式外還有4種低功耗模式,在實現(xiàn)高性能的同時,降低系統(tǒng)功耗[7],能滿足野外環(huán)境長期工作的需要。
2)監(jiān)測副分機設(shè)計
圖2 輸電線路綜合在線監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)框圖
監(jiān)測副分機主要用來實現(xiàn)對節(jié)點導(dǎo)線溫度和節(jié)點加速度的采集和無線傳輸,主要由CC2430、加速度傳感器、溫度傳感器和簡單外圍電路組成。ZigBee模塊硬件原理圖如圖3所示。在電路中非平衡變壓器由電容C21和電感L1、L2、L20以及一個PCB(印制板)微波傳輸線組成,整個結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50Ω)的要求,R13為射頻單元提供合適的參考電流,阻值為43kΩ。內(nèi)部T/R交換電路完成LNA和PA之間的交換。R12主要用來為芯片提供合適的參考電流,阻值為 56kΩ。用 1個32MHz的石英諧振器(Y2)和 2個電容(C36和 C37,22pF)構(gòu)成一個32MHz的晶振電路,用1個32.768kHz的石英諧振器(Y1)和2個電容(C1和 C2,15pF)構(gòu)成一個 32.768kHz的晶振電路。電容 C3和 C27(220nF)為電源濾波電容,以提高芯片工作的穩(wěn)定性。整個無線ZigBee模塊接口電路采用兩排12腳標(biāo)準(zhǔn)的排針, 將CC2430單片機所有的21個IO引腳以及電源引腳、復(fù)位引腳全部引出,在應(yīng)用中就可以根據(jù)實際情況進(jìn)行相應(yīng)的 IO功能定義,大大增強了無線ZigBee模塊的通用性以及互換性[10]。
圖3 無線ZigBee模塊硬件原理圖
監(jiān)測量與故障之間缺乏一一對應(yīng)關(guān)系,專家軟件中智能算法的設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的難點,目前模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家知識和小波分析等智能算法已經(jīng)開始應(yīng)用于在線監(jiān)測[3]。專家軟件主要分為 4個處理單元:導(dǎo)線處理單元、桿塔處理單元、絕緣子處理單元和視頻處理單元。
1)舞動監(jiān)測:導(dǎo)線舞動分析采用三自由度數(shù)學(xué)模型[3],三自由度模型是把覆冰的輸電導(dǎo)線簡化為一個同時具有垂直、水平及扭轉(zhuǎn)振動的系統(tǒng),其 3個自由度的運動方程為
(1)垂直方向
(2) 水平方向
式中,mi為單位長度覆冰質(zhì)量;0θ為初始覆冰角;r為導(dǎo)線半徑;R為特征半徑;U為風(fēng)速;D為迎風(fēng)尺寸,此處為導(dǎo)線直徑;θ為攻角;ρ為流體(此處為空氣)的密度;CL、CD為升力與阻力系數(shù)。
2)覆冰監(jiān)測:根據(jù)線路導(dǎo)線覆冰后的重量變化以及絕緣子的傾斜/風(fēng)偏角進(jìn)行覆冰載荷(覆冰厚度、桿塔受力、導(dǎo)線應(yīng)力等)計算,直接與線路設(shè)計參數(shù)比較,當(dāng)覆冰達(dá)到預(yù)警值,及時給出報警信息。計算公式詳見參考文獻(xiàn)[3]。
3)溫度及動態(tài)增容監(jiān)測[3]:增容技術(shù)的關(guān)鍵在于根據(jù)外界環(huán)境條件和導(dǎo)線本身特性,計算出導(dǎo)線載流量。導(dǎo)線載流量的計算公式很多,也很繁瑣,但在一定條件下,可將其簡化,當(dāng)雷諾系數(shù)為100~3000時,即環(huán)境溫度為40℃、風(fēng)速0.5m/s、導(dǎo)線溫度不超過120℃時,用于直徑4.2~100mm導(dǎo)線的載流量計算。其摩爾根簡化公式為
式中,I為安全載流量,A;θ為導(dǎo)線的溫升,℃;t0為環(huán)境溫度,℃;tc為導(dǎo)體穩(wěn)態(tài)溫度,℃。
在實驗室假設(shè)氣象條件下,對該公式進(jìn)行驗證發(fā)現(xiàn),計算出的載流量和簡化前的公式計算出的載流量非常接近,采用摩爾根簡化公式可以充分保證導(dǎo)線運行的安全性[3]。
4)微風(fēng)振動監(jiān)測:通過監(jiān)測導(dǎo)線的彎曲應(yīng)變、導(dǎo)線溫度以及風(fēng)速、風(fēng)向等信息來計算輸電線路的微風(fēng)振動頻率、振幅等情況,并通過相應(yīng)算法判斷導(dǎo)線的疲勞磨損壽命,對線路安全運行進(jìn)行評價,在疲勞損壞前給出預(yù)報警信息,及時采取措施,減少風(fēng)振損失。
1)防盜報警監(jiān)測:監(jiān)控中心接受到監(jiān)測分機發(fā)送的短信,可以及時獲取現(xiàn)場信息。同時,專家軟件數(shù)據(jù)庫存儲桿塔的基本信息(線路、編號、位置等)以及各巡檢人員的手機號碼,監(jiān)控中心定期向監(jiān)測分機發(fā)出巡檢信息,若某監(jiān)測分機沒有回復(fù)短信,則通知巡檢人員進(jìn)行現(xiàn)場檢修[3]。
2)桿塔傾斜監(jiān)測:暴雪、臺風(fēng)等惡劣天氣容易導(dǎo)致桿塔傾斜,通過雙軸傾角傳感器測出桿塔在順線路方向和橫線路方向傾斜角度,進(jìn)而計算出桿塔在順線路方向和橫線路方向的傾斜度和綜合傾斜度,當(dāng)達(dá)到警戒值時給出報警信息[3]。
3)絕緣子處理單元
(1)風(fēng)偏監(jiān)測:根據(jù)風(fēng)偏角計算模型以及最大風(fēng)偏角修正方法[8],繪制各項數(shù)據(jù)的曲線圖,結(jié)合風(fēng)速、雨量等環(huán)境信息,得出風(fēng)偏角的范圍。當(dāng)風(fēng)偏角超過預(yù)警值時,給出預(yù)警信息。
(2)污穢監(jiān)測:泄流電流是判斷污穢的重要參數(shù)之一,通過數(shù)學(xué)分析和建模我們可以找到泄漏電流隨時間變化情況與電弧長度、污層電阻等的非線性關(guān)系[3]。其具體計算步驟如下
①選取參考序列
比較序列:
②數(shù)據(jù)規(guī)范化
數(shù)據(jù)規(guī)范化是為了消除數(shù)據(jù)量綱影響,合并數(shù)量級,使整個序列具有可比性,常用的有化均值化、區(qū)間值化和歸一化等方法。此處采用均值化法處理數(shù)據(jù),按下式處理后得新序列:
③計算關(guān)聯(lián)系數(shù)
式中,ρ為分辨系數(shù),它反映了系統(tǒng)各個因子對關(guān)聯(lián)度的間接影響程度,通常取ρ=0.5。
④求序列對序列的關(guān)聯(lián)度
⑤排關(guān)聯(lián)序或分析關(guān)聯(lián)矩陣
將Yij依大小順序排成一列,以明確各子序列的“主次”“優(yōu)劣”關(guān)系,即與母序列變化狀態(tài)越接近者,關(guān)聯(lián)度越大。對于多序列比較則可生成關(guān)聯(lián)矩陣。
利用該方法量化分析了絕緣子泄漏電流變化與相對濕度、溫度、溫度變化率等氣象因素變化的接近程度,得出了各氣象因素均與泄漏電流相關(guān),且相對濕度關(guān)聯(lián)度最大。
監(jiān)控中心接收各裝置的數(shù)據(jù),利用專家軟件植入的 HDevelop智能算法對視頻進(jìn)行分析,并將信息存入數(shù)據(jù)庫中。用戶通過專家軟件系統(tǒng)可隨時查閱任意地點的圖像資料,結(jié)合環(huán)境信息,決定是否派人巡視。也可將多幅圖像進(jìn)行對比,以觀察線路周圍樹木等的發(fā)展趨勢。
系統(tǒng)在南方電網(wǎng)公司貴州110kV土楊松茅線等現(xiàn)場進(jìn)行了測試與運行,獲得了較理想的結(jié)果,其部分運行數(shù)據(jù)如下:①為2009年1月31日-2月5日監(jiān)測的現(xiàn)場微氣象信息,其中a為環(huán)境濕度變化,b為環(huán)境風(fēng)速變化;②為2009年2月4-6日監(jiān)測的現(xiàn)場導(dǎo)線數(shù)據(jù),其中 a為導(dǎo)線溫度變化,b為導(dǎo)線最大拉力變化。通過分析數(shù)據(jù)可以看出系統(tǒng)可以精確的采集微氣象信息和設(shè)備狀態(tài)運行數(shù)據(jù),為狀態(tài)檢修、災(zāi)害預(yù)防提供了有效手段。
(1)現(xiàn)場微氣象數(shù)據(jù)
圖4
(2)現(xiàn)場導(dǎo)線數(shù)據(jù)
圖5
1)系統(tǒng)采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和GPRS無線通信相結(jié)合的方式,解決了輸電線路在線監(jiān)測領(lǐng)域中有線數(shù)據(jù)傳輸引入的困擾,特別是導(dǎo)線監(jiān)測信息的采集和傳輸問題。
2)故障診斷理論模型的設(shè)計一直是制約在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的難點之一,本系統(tǒng)建立了導(dǎo)線舞動、覆冰、導(dǎo)線動態(tài)增容、絕緣子污穢等數(shù)學(xué)模型,通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換等先進(jìn)數(shù)據(jù)處理算法,實現(xiàn)輸電線路狀態(tài)的全面在線監(jiān)測與預(yù)警。
[1]黃新波,張國威.輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].廣東電力,2009,22(1):13-20.
[2]傅書逷.中國智能電網(wǎng)發(fā)展建議[J].電力系統(tǒng)自動化,2009,33(20):23-26.
[3]黃新波等.輸電線路在線監(jiān)測與故障診斷[M].北京:中國電力出版社,2008.
[4]國家電網(wǎng)智能化規(guī)劃總報告(征求意見稿).北京:國家電網(wǎng)公司,2010.
[5]陳輝祥.柔性交流輸電技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用[J].廣東電力,2002,15(6):11-14.
[6]黃新波,孫欽東,程容貴,等.導(dǎo)線覆冰的力學(xué)分析與覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動化,2007,31(14):98-101.
[7]沈建華,楊艷琴,翟驍曙編著.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應(yīng)用[M].北京: 清華大學(xué)出版社,2004.
[8]王聲學(xué),吳廣寧,范建斌,周軍,蔣偉.500 kV 輸電線路懸垂絕緣子串風(fēng)偏閃絡(luò)的研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2008,32(9): 66-69.
[9]黃新波,劉家冰,王向利.基于 GSM SMS的絕緣子污穢在線遙測系統(tǒng)[J].廣東電力,2005,18(4):36-40.
[10]黃官寶.架空輸電線路舞動在線監(jiān)測系統(tǒng)[D].西安:西安工程大學(xué),2010.