蔣仁杰

摘 要：在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在輸電線路的運(yùn)維過(guò)程中，起到了信息的及時(shí)性，能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的了解輸電線路自身的物理量的變化情況以及監(jiān)測(cè)線路周邊環(huán)境的變化，由于電壓等級(jí)不同，在線監(jiān)測(cè)裝置本身的供電，不能直接使用輸電線路上的電源。通過(guò)光伏和風(fēng)力發(fā)電，起到能源供給的作用，在其光伏、風(fēng)力發(fā)電的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，可以提高發(fā)電的效率，對(duì)于在線監(jiān)測(cè)裝置的供電起到更加穩(wěn)定的保證。

關(guān)鍵詞：輸電線路;運(yùn)行維護(hù);信息化

前言

我們身處的時(shí)代，智能化、物聯(lián)網(wǎng)等名詞都是這個(gè)時(shí)代的特征。隨著時(shí)代的發(fā)展，國(guó)內(nèi)的電子信息技術(shù)早已突飛猛進(jìn)，也讓我們的生活中的衣食住行等有了巨大的變化。各行各業(yè)也都在這樣的時(shí)代背景下，借助網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)+的技術(shù)加持，實(shí)現(xiàn)自身多元化的轉(zhuǎn)型發(fā)展。我們電力行業(yè)的發(fā)展除了自身本來(lái)就具備的電力自動(dòng)化屬性外，與信息化和物聯(lián)技術(shù)更是緊密相連。因此在信息化、智能化的方向，我們的電力行業(yè)還有更大的發(fā)展方向去探索。

結(jié)合自身崗位來(lái)談，作為一名送電線路工在線路運(yùn)維中，面對(duì)的是自然環(huán)境的變化往往會(huì)給輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)挑戰(zhàn)。例如：隨著架空輸電線路規(guī)模的不斷增長(zhǎng)，森林覆蓋率的持續(xù)提高，因植物生長(zhǎng)過(guò)高、風(fēng)偏林木、林地山火導(dǎo)致的電網(wǎng)故障風(fēng)險(xiǎn)形勢(shì)嚴(yán)峻;另一方面由于樹障安全距離不足引發(fā)山火、涉電生產(chǎn)作業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致大面積山火的情況增多;山火引發(fā)的輸電線路短路跳閘;同樣，在每年冬春季節(jié)線路覆冰的挑戰(zhàn)，一旦線路覆冰嚴(yán)重，將導(dǎo)致導(dǎo)桿斷線的情況，對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

在輸電線路防山火和防覆冰方面，我們用在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段去發(fā)現(xiàn)和防范問(wèn)題的發(fā)生。以我們現(xiàn)在在500kV輸電線路上使用的運(yùn)維自動(dòng)化系統(tǒng)覆冰監(jiān)測(cè)為例。

在日常的安裝和維護(hù)過(guò)程中，我們遇到的問(wèn)題：因光伏板設(shè)計(jì)是固定位置的，在光照若的情況下，不能產(chǎn)生足夠的電量供給蓄電池，導(dǎo)致在線監(jiān)測(cè)視頻中斷，導(dǎo)致輸電線路的防山火、防覆冰的運(yùn)維中出現(xiàn)盲區(qū)。

因此，對(duì)于在線監(jiān)測(cè)裝置的能源供給保證顯得十分關(guān)鍵，思路是：

1. 對(duì)作為提供能源的光伏板進(jìn)行改進(jìn);

2. 加裝微型風(fēng)力發(fā)電集成模塊作為能源的提供。

問(wèn)題1：怎么對(duì)光伏板進(jìn)行改進(jìn)？

一年中太陽(yáng)在地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的過(guò)程中，有近日點(diǎn)，有遠(yuǎn)日點(diǎn)。隨著地球所處不同的公轉(zhuǎn)位置，在地球上不同位置不同時(shí)間，接收的太陽(yáng)輻射是不同的。因此，我們根據(jù)與太陽(yáng)輻射相關(guān)的幾個(gè)角度和函數(shù)，借助單片機(jī)/STM32、計(jì)數(shù)器芯片、晶振等硬件和C/C++語(yǔ)言編程，靠對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)：將光伏板變?yōu)閷?shí)時(shí)可調(diào)整角度的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)在365天無(wú)云層遮蔽的理想情況下，不同時(shí)間，都能獲得最大的光照，保障在線監(jiān)測(cè)裝置不斷電。

相關(guān)角度：太陽(yáng)入射角i、太陽(yáng)赤緯角δ、地理緯度?、光伏板傾角β、光伏板方位角γ、太陽(yáng)時(shí)角ω。具體公式：

Cosi=sinδsin?cosβ-sinδcos?sinβcosγ+cosδcos?cosβcosω

+cosδsin?sinβcosγcosω+cosδsinβsinγsinω

其中，在一年里不同的天n，當(dāng)?shù)靥?yáng)時(shí)ω、太陽(yáng)赤緯角δ可以根據(jù)n來(lái)計(jì)算。

ω=北京時(shí)+E-4（120-L）

E=9.87sin2B-7.53cosB-1.5sinB

B=（360-（n-81））/364

δ=23.45sin（360×（284+n）/365）

由于加入了電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分和控制芯片，視情況而定，增加對(duì)應(yīng)電壓等級(jí)的光伏板，并進(jìn)行同樣的閉環(huán)控制。

問(wèn)題2：加裝微型風(fēng)力發(fā)電集成模塊作為能源的提供的具體過(guò)程是怎樣的？

在問(wèn)題1中，我們考慮的是全年無(wú)云層遮擋的理想情況，但現(xiàn)云霧風(fēng)雪是客觀存在的。所以，我們用微型風(fēng)力發(fā)電集成模塊來(lái)作為光伏板供電之外的補(bǔ)充。我們有的桿塔上也有小型的風(fēng)光補(bǔ)償裝置來(lái)為在線監(jiān)測(cè)設(shè)備提供能量，但是其中的風(fēng)力發(fā)電部分不具備自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能，不能根據(jù)風(fēng)向的變化自動(dòng)調(diào)整風(fēng)扇的朝向，致使不論風(fēng)大風(fēng)小，都錯(cuò)過(guò)最佳的進(jìn)風(fēng)角度，未能實(shí)現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的能量最大化。

因此我們單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)向變化的隨動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)感知自然風(fēng)力變化的角度，對(duì)應(yīng)的將發(fā)電的風(fēng)扇隨著調(diào)整到風(fēng)力最大的方向，保證風(fēng)力發(fā)電實(shí)時(shí)都能接受最大的風(fēng)力發(fā)電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電效率的最大化。

通過(guò)風(fēng)向探測(cè)裝置，在水平方向和豎直方向兩個(gè)方向上各對(duì)應(yīng)一個(gè)風(fēng)力變化的角度變化量，這兩個(gè)在自然風(fēng)力作用下形成的角度，可以通過(guò)光電編碼器來(lái)收集，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上幾何位置量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量。將采集到的這兩個(gè)值作為電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的輸入量。

在輸出量的表現(xiàn)，我們可以通過(guò)作用在控制發(fā)電風(fēng)扇在水平、豎直兩個(gè)方向上電機(jī)的旋轉(zhuǎn)變化角度，來(lái)調(diào)整風(fēng)扇接收最大風(fēng)力的迎風(fēng)面位置。

在輸入和輸出兩個(gè)量之間，就通過(guò)單片機(jī)編程以及相應(yīng)的電子元器件來(lái)承接。

在控制過(guò)程的實(shí)現(xiàn)中，控制模塊能量可以通過(guò)風(fēng)力發(fā)電來(lái)提供，也可以將光伏發(fā)電的能量作為備用或直接使用。

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電部分的改進(jìn)，可將一個(gè)風(fēng)扇改為體積更小、數(shù)量更多的微型風(fēng)扇。轉(zhuǎn)動(dòng)量的信息由多個(gè)微型小風(fēng)扇共享，調(diào)整過(guò)程中可以考慮設(shè)計(jì)為兩個(gè)電機(jī)作用所有的微型風(fēng)扇的角度變化，也可以設(shè)計(jì)為每一個(gè)微型風(fēng)扇就對(duì)應(yīng)兩個(gè)微型的電機(jī)。具體的設(shè)計(jì)視經(jīng)濟(jì)實(shí)用性來(lái)考慮，控制成本最優(yōu)。

多個(gè)微型風(fēng)扇的發(fā)電，設(shè)計(jì)思路來(lái)源于太陽(yáng)能光伏板上的光伏組件的設(shè)計(jì)，光伏組件由光伏組件片組合在一起構(gòu)成，由于單片光伏電池片的電流和電壓都很小，所以要先串聯(lián)獲得高電壓，再并聯(lián)獲得高電流，通過(guò)一個(gè)二級(jí)管（防止電流回輸）輸出，再把光伏組件串聯(lián)、并聯(lián)組合起來(lái)，形成光伏組件陣列;與之不同的是，微型風(fēng)扇產(chǎn)生的電是交流電，不同時(shí)間不同的風(fēng)扇初相角也是不同的，不同時(shí)的交流電，不好控制。因此在微型風(fēng)扇發(fā)電里，應(yīng)當(dāng)嵌入全波段整流，將產(chǎn)生的交流電充分利用。轉(zhuǎn)化為直流電，更好控制。進(jìn)而通過(guò)不同的串聯(lián)、并聯(lián)的方式，形成一個(gè)微型風(fēng)扇發(fā)電陣列。借助風(fēng)力最大的自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置的最優(yōu)化供電。

拓展延伸：

一提及風(fēng)力發(fā)電，大家想到的是轉(zhuǎn)子葉片就長(zhǎng)約20米的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，有著清潔、環(huán)境效益好、能源可再生、基建周期短、裝機(jī)規(guī)模靈活的優(yōu)點(diǎn)，但也有噪聲大、占用土地面積大、不穩(wěn)定、不可控、高成本的缺點(diǎn)。往往在風(fēng)力要求上有嚴(yán)格要求。采用微型風(fēng)扇以陣列的形式來(lái)發(fā)電，相較于傳統(tǒng)的大型風(fēng)力發(fā)電更具有環(huán)境適應(yīng)性，風(fēng)力小于10m/s的地方也能發(fā)電，投資成本更加低廉。發(fā)電規(guī)模靈活可調(diào)整。在水電資源已經(jīng)開(kāi)發(fā)完后，風(fēng)力發(fā)電是一個(gè)可靠的選擇，而在風(fēng)力發(fā)電的投資成本、環(huán)境適應(yīng)方面，微型風(fēng)力發(fā)電集成陣列將會(huì)是一個(gè)具有發(fā)展前景的發(fā)展方向。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的改進(jìn)，可以提高對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置的供電可靠性，能源利用最大化。從而保證在線監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，避免輸電線路運(yùn)維中出現(xiàn)監(jiān)測(cè)盲區(qū)，無(wú)死角的防范輸電線路來(lái)自自然環(huán)境的外部威脅。

參考文獻(xiàn)：

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