隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)在保障電網(wǎng)安全運行、提高電網(wǎng)輸送能力等方面發(fā)揮著日益重要的作用。本文介紹了目前輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)的主要類型及其監(jiān)測原理，并結(jié)合應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了存在的不足之處，探討了輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向。

電力行業(yè)輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用及展望

國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院 宋 偉、周 慶、鄧幫飛、張海兵、肖前波/文

一、引言

輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)和推廣應(yīng)用是電網(wǎng)安全運行、提高電網(wǎng)輸送能力的必然要求。架空輸電線路是電網(wǎng)資產(chǎn)最大，分布最廣，設(shè)備運行環(huán)境復(fù)雜、惡劣，外力影響因素多發(fā)的電力環(huán)節(jié)。由于輸電線路的設(shè)備安全問題大多無法通過肉眼發(fā)現(xiàn)，如導(dǎo)線運行溫度過高、弧垂變化、風(fēng)偏放電、微風(fēng)振動、桿塔傾斜等，因此，有必要在輸電線路上安裝相應(yīng)的傳感設(shè)備，通過在線監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)輸電線路設(shè)備危害的及時感應(yīng)，判斷線路設(shè)備的運行狀態(tài)，對危急狀況進(jìn)行及時預(yù)警。

二、輸電線路在線監(jiān)測裝置的工作原理

輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)是在不影響設(shè)備運行的條件下，通過直接安裝在輸電線路上的監(jiān)測設(shè)備，對線路運行狀態(tài)的特征量進(jìn)行連續(xù)或定時記錄、傳輸及處理的技術(shù)。輸電線路在線監(jiān)測是智能電網(wǎng)建設(shè)中輸電環(huán)節(jié)的重要組成部分，是實現(xiàn)輸電線路狀態(tài)檢修、提升輸電線路安全運行水平的重要技術(shù)手段。

輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)通常包含監(jiān)測單元、在線監(jiān)測基站、監(jiān)測管理平臺等，是典型的二級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其工作過程如下：在導(dǎo)地線、絕緣子、桿塔上安裝監(jiān)測單元，實時或定時將受監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)及氣象環(huán)境等信息，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至裝在桿塔上的在線監(jiān)測基站，基站再通過無線傳輸通信網(wǎng)絡(luò)將信息數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測管理平臺，監(jiān)測管理平臺對信息進(jìn)行存儲、分析處理、顯示及預(yù)警。監(jiān)測管理平臺也可發(fā)出控制指令，通過監(jiān)測基站控制監(jiān)測單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，或改變監(jiān)測單元的工作狀態(tài)。

輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)包括：

1.導(dǎo)線覆冰監(jiān)測

導(dǎo)線覆冰監(jiān)測主要采用稱重法監(jiān)測輸電線路等值覆冰厚度，監(jiān)測的特征量主要有溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、導(dǎo)線溫度、絕緣子縱向傾角、桿塔掛點處荷載等。通過在懸垂絕緣子串上安裝拉力傳感器、角傳感器，測量絕緣子串的縱向偏斜角度以及絕緣子串作用在桿塔掛點處的拉力大小，根據(jù)力矩平衡和力平衡條件，可以計算得到作用在絕緣子串上的導(dǎo)線綜合荷載大小。輸電線路覆冰時，作用在輸電桿塔上的綜合荷載包括垂直檔距內(nèi)的導(dǎo)線荷載、覆冰荷載以及風(fēng)荷載。風(fēng)荷載可根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向的測量結(jié)果，按照輸電線路設(shè)計規(guī)范計算得出；導(dǎo)線荷載可根據(jù)導(dǎo)線型號、桿塔檔距等設(shè)計參數(shù)計算得出。利用以上信息即可計算得到覆冰荷載，進(jìn)而計算得到導(dǎo)線等效覆冰厚度。

2.現(xiàn)場污穢度監(jiān)測

現(xiàn)場污穢度在線監(jiān)測裝置主要采用光傳感器鹽密在線監(jiān)測法，全天候地采集運行狀態(tài)下絕緣子串泄露電流和溫度、濕度等氣象參數(shù)。光傳感器測量鹽密是基于介質(zhì)光波導(dǎo)中的光場分布理論和光能損耗機(jī)理。置于大氣中的低損耗石英棒是一個以棒為芯、大氣為包層的多模介質(zhì)光波導(dǎo)。在石英棒上無污染時，由光波導(dǎo)中的基模和高次模共同傳輸光的能量，其中絕大部分光能在光波導(dǎo)的芯中傳輸，但有少部分光能將沿芯包界面的包層傳輸，光波傳輸過程中光的損耗很小。當(dāng)石英玻璃棒上有污染時，由于污染物改變了高次模及基模的傳輸條件；同時，污染粒子對光能的吸收和散射等產(chǎn)生光能損耗；該裝置的光傳感器就是利用檢測、分析光能以及相關(guān)參數(shù)來測量“鹽密”。所使用的光傳感器對大氣中鹽污十分靈敏，它可以高精度測量鹽密，并不受人為因素的影響。將傳感器與絕緣子串處于相同環(huán)境，通過計算可得出絕緣子表面的鹽密值。

3.線路風(fēng)偏監(jiān)測

輸電線路風(fēng)偏在線監(jiān)測裝置包括檢測儀、氣象環(huán)境監(jiān)測儀和監(jiān)測中心，風(fēng)偏檢測儀多采用雙軸角度傳感器，可以安裝在絕緣子低壓端或?qū)Ь€（跳線）上，以對輸電線路的絕緣子串風(fēng)偏角、搖擺角和導(dǎo)線風(fēng)偏角、搖擺角進(jìn)行測量。氣象環(huán)境監(jiān)測儀安裝在桿塔上，根據(jù)需要對現(xiàn)場溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等微氣象參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，監(jiān)測中心設(shè)置在線路運行單位。

4.微風(fēng)振動監(jiān)測

輸電線路導(dǎo)線微風(fēng)振動的實時監(jiān)測裝置是利用高精度加速度傳感器高速測量采樣周期內(nèi)所有振動的波形，并對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得導(dǎo)線振動的頻率、振幅和各種頻率的振動次數(shù)，并可通過分析軟件進(jìn)一步計算導(dǎo)線懸掛點出口處的動彎應(yīng)變和應(yīng)力以及被測導(dǎo)線大致的估算壽命。導(dǎo)線微風(fēng)振動的實時監(jiān)測裝置還配有氣象采集單元，用于提供線路當(dāng)?shù)氐臍庀髤?shù)，如溫度、濕氣、風(fēng)速、風(fēng)向、日照、雨量等，不同氣象條件的風(fēng)速、特別是不同環(huán)境溫度將直接影響電線張力，從而影響導(dǎo)線的振動水平。所以通過氣象參數(shù)和導(dǎo)線振動數(shù)據(jù)的綜合，可以分析各種氣象條件下導(dǎo)線微風(fēng)振動的實際情況。

5.導(dǎo)線舞動監(jiān)測

導(dǎo)線舞動在線監(jiān)測裝置主要通過在導(dǎo)線上安裝舞動在線監(jiān)測裝置（數(shù)據(jù)采集終端），采集現(xiàn)場導(dǎo)線舞動的幅值、頻率、溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象參數(shù)。在一檔導(dǎo)線中安裝多個導(dǎo)線舞動采集單元的方式進(jìn)行舞動監(jiān)測，導(dǎo)線舞動采集單元可采集三個方向的加速度信息，通過對導(dǎo)線上監(jiān)測點加速度的采集和分析，可利用相關(guān)數(shù)學(xué)模型分析出導(dǎo)線舞動監(jiān)測點處的振動頻率、振幅等信息。通過一檔內(nèi)多個舞動點處的加速度的計算分析，以及相應(yīng)檔內(nèi)的線路基本信息，可分析舞動線路的舞動半波數(shù)及可計算導(dǎo)線運行的軌跡相關(guān)參數(shù)。通過GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)將有效參數(shù)傳往監(jiān)控中心。后臺軟件分析系統(tǒng)利用趨勢分析技術(shù)、人工智能、模糊判斷、迭代技術(shù)等手段對數(shù)據(jù)和桿塔的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行分析處理，推導(dǎo)出輸電線路的舞動狀況。再根據(jù)現(xiàn)場氣象條件和近期氣象預(yù)報，預(yù)測舞動的發(fā)展趨勢；依據(jù)運行經(jīng)驗和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定預(yù)報警值，采用多種方式預(yù)、報警。

6.導(dǎo)線溫度監(jiān)測

導(dǎo)線溫度在線監(jiān)測裝置主要采用接觸類導(dǎo)線溫度采集單元。接觸類導(dǎo)線溫度采集單元是指安裝在導(dǎo)線上的導(dǎo)線溫度采集單元，其測溫傳感元件與導(dǎo)線、金具表面可接觸；測溫時采用合理的固定方式，將鉑電阻、熱敏電阻、數(shù)字溫度傳感器等溫度傳感元件與導(dǎo)線、金具外表面充分接觸，經(jīng)過傳感、信號處理和無線傳輸?shù)龋瑢崟r獲取監(jiān)測點導(dǎo)線或金具表面溫度。

7.導(dǎo)線弧垂監(jiān)測

導(dǎo)線弧垂在線監(jiān)測裝置主要采用雙軸角度傳感器監(jiān)測現(xiàn)場的弧垂、對地距離參數(shù)，根據(jù)模型進(jìn)行相應(yīng)分析計算，得到最小電氣間隙等，準(zhǔn)確掌握現(xiàn)場的導(dǎo)線弧垂?fàn)顩r。角度傳感器測量元件采用雙軸[x軸（橫線路方向）、y軸（順線路方向）]角度傳感器，根據(jù)測量重力加速度在加速度傳感器敏感軸x軸、y軸方向上的分量，即可計算出弧垂采集單元在兩個方向上的角度，進(jìn)行依據(jù)桿塔的相關(guān)參數(shù)，可計算導(dǎo)線傾角，通過相關(guān)公式模型換算出弧垂值和對地距離。

8.桿塔傾斜監(jiān)測

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。

9.圖像視頻監(jiān)測

視頻監(jiān)測裝置主要為攝像頭，攝像頭采用定焦鏡頭，免去自動對焦過程產(chǎn)生的額外功率消耗，視頻監(jiān)控裝置分別安裝在輸電線路監(jiān)視點附近的桿塔上，同一裝置上可以有1～3個攝像頭分別采集導(dǎo)線、地面和桿塔等的圖像信號。

圖像監(jiān)測裝置采用CCD攝像機(jī)通過屏蔽雙絞線輸出的模擬視頻信號送入數(shù)據(jù)集中器的視頻處理傳輸模塊，進(jìn)行視頻采樣、A/D轉(zhuǎn)換，將模擬視頻信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號，之后送入計算處理單元進(jìn)行壓縮、存儲處理，最后將壓縮后的數(shù)字圖視頻信號通過CDMA/3G網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心。

表1 輸電線路在線監(jiān)測裝置按電壓等級裝用情況

圖1 輸電線路在線監(jiān)測裝置類型分布

圖2 輸電線路在線監(jiān)測

10.微氣象監(jiān)測

通過氣象傳感器，監(jiān)測現(xiàn)場的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度、大氣壓強(qiáng)、降水量、光輻射等參數(shù)。采集裝置把采集到的參數(shù)通過公網(wǎng)向狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)完成對監(jiān)測數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和處理。

三、在線監(jiān)測裝置供電方式

輸電線路在線監(jiān)測裝置一般安裝在野外環(huán)境，必須開發(fā)獨立的供電裝置為其供電。目前國內(nèi)外輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的供電方式主要包括用電流互感器從高壓導(dǎo)線取能方式、激光供能方式、蓄電池供電方式和太陽能供電方式等。

1.利用電流互感器感應(yīng)供電

感應(yīng)供電電源由感應(yīng)裝置和電源整流電路組成。其中，感應(yīng)裝置主要由鐵芯和環(huán)繞在鐵芯上的線圈組成，用于感應(yīng)電力線周圍交變電磁場的能量，以交變電壓的形式送入電源整流電路進(jìn)行處理，電源整流電路把交變的電壓轉(zhuǎn)為直流電壓給監(jiān)測裝置提供電源。該方法必須經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)，增加了誤差來源，降低了電源的穩(wěn)定性能。

2.激光供能

激光供能是采用激光或其他光源從低壓側(cè)通過光纖將光能傳送至高壓側(cè)，再由光電轉(zhuǎn)換器件將光能轉(zhuǎn)換為電能，通過降壓后輸出穩(wěn)定的直流電源。該方法的優(yōu)點是通過光電轉(zhuǎn)換獲得的電源紋波小，但是壽命有限，造價高，維護(hù)困難。

3.蓄電池供電

蓄電池分為一次性蓄電池和可充電蓄電池。蓄電池輸出的電壓降隨著工作時間的增長會發(fā)生衰減，電池還會自放電，降低容量。由于一次性蓄電池的容量有限，而監(jiān)測終端安裝在高壓架空導(dǎo)線上，短時間內(nèi)無法更換電池，所以即使系統(tǒng)進(jìn)行了低功耗處理，一次性蓄電池還是無法保證監(jiān)測終端長時間的穩(wěn)定工作；可充電蓄電池由于可循環(huán)充電，常作為輔助電源存儲電能，配合其他供電電源共同使用。

圖3 在線監(jiān)測故 障裝置類型分布

圖4 在線監(jiān)測故 障裝置

4.太陽能供電

太陽能供電主要通過太陽能—蓄電池組合供電方式供電。太陽能供電與蓄電池供電結(jié)合，白天有日照時太陽能陣列向負(fù)載供電，并向蓄電池充電，在夜晚或陰雨天缺乏日照時，由蓄電池向負(fù)載放電，以保證系統(tǒng)供電的連續(xù)和穩(wěn)定。安裝在桿塔上的太陽能電池板把太陽能轉(zhuǎn)化為電能并儲存于主機(jī)箱內(nèi)的蓄電池組內(nèi)，為主機(jī)箱提供電源，可保證在冰、雨、無光照天氣下主機(jī)箱仍能持續(xù)工作。

四、監(jiān)測信息的無線傳輸、處理及診斷技術(shù)

1.信息無線傳輸技術(shù)

在電力系統(tǒng)在線監(jiān)測中常用的通信方式有電力線載波通信、光纖傳輸、CDMA、GPRS、Wi-Fi等。不同的通信方式在性能、特點和應(yīng)用上都不同，數(shù)據(jù)傳輸率、網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積、功耗和組網(wǎng)方式等方面也各有差異。由于輸電線路線路長、分布廣，輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的信息通信主要通過無線通信方式，有CDMA、GPRS、Wi-Fi、ZigBee等。在一定信號覆蓋區(qū)域內(nèi)，充分利用GPRS/CDMA公共網(wǎng)絡(luò)通信平臺，實現(xiàn)中心對多點的數(shù)據(jù)傳輸；在無移動信號覆蓋區(qū)域內(nèi)，則可以借助無線數(shù)傳電臺，通過無線接力等方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2.信息處理及診斷技術(shù)

后臺數(shù)據(jù)處理及診斷系統(tǒng)主要有兩個作用：1）對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計算，給出實時的分析結(jié)果供線路運行管理人員參考；2）對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出某段時間線路的運行情況，給出預(yù)測分析結(jié)果，并及時發(fā)出預(yù)警信息，可防止事故的發(fā)生。對傳感器采集到的信號進(jìn)行處理分析的目的是抑制干擾和提取信號特征，其方法可分為時域分析、頻域分析等。診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢是傳感器的精密化與多維化、診斷理論與診斷模型的多元化、診斷技術(shù)的智能化。其中數(shù)學(xué)診斷方法有模糊診斷、灰色系統(tǒng)診斷、故障樹診斷、小波分析、混沌分析與分形特征提取等；智能診斷方法有模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)化計算和專家網(wǎng)絡(luò)等；以特征量性質(zhì)的診斷方法有閾值診斷、時域波形診斷、頻域特征診斷和指紋診斷等。

五、在線監(jiān)測裝置應(yīng)用情況分析

1.安裝規(guī)模

某地區(qū)于2009年開始推廣輸電線路在線監(jiān)測裝置應(yīng)用，截至2015年底，共計在71條線路上安裝了導(dǎo)線覆冰、導(dǎo)線溫度、導(dǎo)線弧垂、導(dǎo)線舞動、桿塔傾斜、微氣象、微風(fēng)振動、現(xiàn)場污穢度、風(fēng)偏和圖像10類輸電線路在線監(jiān)測裝置177套，各類型裝置數(shù)量如圖1所示，按電壓等級裝用情況如表1所示。在線監(jiān)測裝置運行年限分布如圖2所示，其中運行年限在1年以內(nèi)的在線裝置較多，占比33.33%。

2.裝置運行情況及分析

該地區(qū)輸電線路在線監(jiān)測裝置故障較為頻繁，運行情況不甚理想。177套裝置中73套裝置出現(xiàn)過諸如供電、通訊和傳感器等問題故障而不能長期正常運行，故障裝置涉及除導(dǎo)線舞動外的其余9類輸電線路在線監(jiān)測裝置，如圖3所示。其中，圖像和微氣象在線監(jiān)測裝置故障數(shù)量較多，占比達(dá)到54.79%。2015年度裝置故障率達(dá)到0.87次/（臺?年）。

輸電線路在線監(jiān)測裝置故障的主要技術(shù)原因是電源供電問題。輸電線路在線監(jiān)測裝置主要是通過太陽能-蓄電池方式供電，受自然環(huán)境影響，裝置安裝地區(qū)春秋季節(jié)多陰雨，冬季易出現(xiàn)霧霾天氣，在這三個季節(jié)日照較少，這致使蓄電池儲能不足，形成了在春、秋、冬三個季節(jié)由于蓄電池電量不足輸電線路在線監(jiān)測裝置無法正常工作，主要體現(xiàn)為輸電線路在線監(jiān)測裝置通信故障、無法接收指令等，2015年供電問題造成故障次數(shù)占總故障次數(shù)的42.21%，輸電線路在線監(jiān)測裝置運行穩(wěn)定性受到極大影響。同時，蓄電池長期處于儲能不足狀態(tài)又易造成其壽命下降，惡性循環(huán)導(dǎo)致供電能力嚴(yán)重衰減，蓄電池壽命僅有3—5年左右。運行年限在5年以上的故障裝置占比達(dá)到35.62%，如圖4所示。

電源供電不僅易引起故障的產(chǎn)生，同時也限制了部分類型監(jiān)測裝置的實時性。以圖像和視頻在線監(jiān)測裝置為例，由于其運行耗能較高，僅通過蓄電池供電無法滿足實時在線的需要，圖像和視頻在線監(jiān)測裝置都是定時進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測時間有限，對突發(fā)性事件無法做到及時發(fā)現(xiàn)。

在運行過程中，除電源供電問題外，監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性差也造成運行過程中出現(xiàn)諸多問題。2015年，該地區(qū)輸電在線監(jiān)測裝置共有12臺發(fā)出告警，但是由于數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差造成有效報警率極低。這與部分類型監(jiān)測量并不是直接獲取，與裝置安裝位置、數(shù)學(xué)計算模型等有關(guān)，這造成計算結(jié)果不能反映真實情況。以導(dǎo)線覆冰為例，其通過集成角度傳感器的拉力傳感器測量拉力大小，進(jìn)而計算得到導(dǎo)線等效覆冰厚度，但是受外部環(huán)境影響和計算模型限制，導(dǎo)線覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)與實地輸電線路覆冰情況差異較大。

針對在運行過程中暴露出來的問題，輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)可從以下兩個方面進(jìn)行優(yōu)化提升：

（1）電源供電能力提升。目前的太陽能-蓄電池供電方式不僅無法滿足全天候?qū)崟r監(jiān)測的需要，同時受地區(qū)日照條件的影響較大?？梢詮男铍姵貎δ苋萘亢统潆姺绞絻煞矫孢M(jìn)行提升，通過采用更高儲能密度的新材料作為儲能介質(zhì)，提高蓄電池的儲能容量；發(fā)展感應(yīng)供電和蓄電池供電結(jié)合的組合供電方式，利用電磁感應(yīng)從輸電線路取能供電，在線路負(fù)荷電流較小或停運時，由蓄電池供電，由于感應(yīng)供電需要整流、濾波、穩(wěn)壓等，提高感應(yīng)供電的穩(wěn)定性和抗沖擊能力將是將是這種方式需要解決的關(guān)鍵問題。

（2）監(jiān)測裝置監(jiān)測準(zhǔn)確性提升。目前監(jiān)測準(zhǔn)確性仍存在不足，導(dǎo)致未能準(zhǔn)確掌握輸電設(shè)備狀態(tài)?？梢詮膬煞矫孢M(jìn)行提升：一是改進(jìn)基礎(chǔ)算法，針對不同的外部監(jiān)測環(huán)境優(yōu)化計算模型，獲得更加準(zhǔn)確的處理數(shù)據(jù)，提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性；二是提升數(shù)據(jù)分析能力，通過數(shù)據(jù)診斷方法和智能診斷方法，實現(xiàn)對輸電設(shè)備狀態(tài)的預(yù)測和故障原因的智能分析。

六、展望

在線監(jiān)測技術(shù)在輸電線路中已經(jīng)大范圍應(yīng)用，已經(jīng)開始逐步取代傳統(tǒng)的人工巡檢方式，但是由于應(yīng)用時間較短，實時性和可靠性仍有待提高。隨著傳感器技術(shù)、裝置供電技術(shù)、信息傳輸處理及診斷技術(shù)等關(guān)鍵在線監(jiān)測裝置關(guān)鍵技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，在線監(jiān)測技術(shù)將逐步實現(xiàn)對輸電線路的長期實時監(jiān)測，提高輸電線路的運行管理水平，在保障電網(wǎng)安全運行、提高電網(wǎng)輸送能力等方面發(fā)揮日益重要的作用。