華能國(guó)際電力股份有限公司湖南清潔能源分公司 何 勇 廖建林 鄭新建 付 達(dá) 胡照宇

目前，風(fēng)電場(chǎng)輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要采用的是無(wú)人機(jī)、紅外線、聲波、電容傳感器等多種技術(shù)手段。其中，無(wú)人機(jī)技術(shù)是一種有效的方法，可通過(guò)空中懸停的方式，快速準(zhǔn)確地獲取輸電線路的覆冰情況。同時(shí)，無(wú)人機(jī)技術(shù)可通過(guò)高清相機(jī)、紅外相機(jī)等設(shè)備，對(duì)輸電線路進(jìn)行多角度、多維度的檢測(cè)，提高了監(jiān)測(cè)效率和精度。

另外，紅外線技術(shù)也是一種常用的輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。紅外線技術(shù)可通過(guò)檢測(cè)輸電線路表面的溫度變化，來(lái)判斷是否存在覆冰情況。這種技術(shù)具有非接觸式、高效率、高精度等特點(diǎn)，可在不影響輸電線路正常運(yùn)行的情況下，及時(shí)發(fā)現(xiàn)覆冰情況，為輸電線路的安全運(yùn)行提供可靠的保障。本文結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)未來(lái)風(fēng)電場(chǎng)輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了初步探討，以更好地看待未來(lái)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和方向[1-3]。

1 監(jiān)測(cè)方法

1.1 常用的監(jiān)測(cè)方法

風(fēng)電場(chǎng)輸電線路覆冰是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)楦脖鶗?huì)導(dǎo)致輸電線路的斷裂和故障，從而影響風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電能力。為了解決這一問(wèn)題，需要采用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)輸電線路的覆冰情況，以便及時(shí)采取措施防止故障的發(fā)生。常用的監(jiān)測(cè)方法包括機(jī)械監(jiān)測(cè)和光學(xué)監(jiān)測(cè)。機(jī)械監(jiān)測(cè)主要采用機(jī)械傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)輸電線路的振動(dòng)和形變，從而判斷是否存在覆冰情況。該方法的優(yōu)點(diǎn)是精度高、可靠性強(qiáng)，但缺點(diǎn)是需要安裝大量傳感器，成本較高。光學(xué)監(jiān)測(cè)則利用紅外線攝像機(jī)來(lái)監(jiān)測(cè)輸電線路的溫度變化，從而判斷是否存在覆冰情況。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需接觸輸電線路，不會(huì)對(duì)線路造成損害，但缺點(diǎn)是受天氣條件影響較大，容易出現(xiàn)誤差。

除了以上兩種常用的監(jiān)測(cè)方法，還有一些新興的監(jiān)測(cè)技術(shù)，如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、聲波傳感器技術(shù)等。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可通過(guò)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)輸電線路的振動(dòng)、溫度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。聲波傳感器技術(shù)則利用聲波傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)輸電線路的振動(dòng)，從而判斷是否存在覆冰情況。這些新興的監(jiān)測(cè)技術(shù)具有成本低、安裝方便、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但需要進(jìn)一步完善和驗(yàn)證。

為了監(jiān)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)輸電線路覆冰狀況，傳統(tǒng)的測(cè)量懸垂絕緣子串垂直荷載的方法是通過(guò)球頭掛環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但在覆冰及彎曲風(fēng)等復(fù)雜氣象條件下的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性存在一定的局限性。目前，拉力傳感器的應(yīng)用可替代傳統(tǒng)的球頭掛環(huán)，通過(guò)測(cè)量懸垂絕緣子串的傾角、垂直方向的靜態(tài)分析等方式，來(lái)計(jì)算線路由于覆冰所增加的垂直荷載。該方法可有效地識(shí)別導(dǎo)線和地線的覆冰狀態(tài)，確保輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。在測(cè)量穩(wěn)態(tài)覆冰時(shí)，通常使用稱重法，但其并未考慮導(dǎo)線舞動(dòng)所產(chǎn)生的大振幅低頻率影響。為了排除導(dǎo)線舞動(dòng)的影響，可通過(guò)檢測(cè)突變的拉力值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整[4]。

綜上所述，風(fēng)電場(chǎng)輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是解決風(fēng)電場(chǎng)輸電線路故障的重要手段。常用的監(jiān)測(cè)方法包括機(jī)械監(jiān)測(cè)和光學(xué)監(jiān)測(cè)，還有一些新興的監(jiān)測(cè)技術(shù)。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，需要選擇合適的監(jiān)測(cè)方法，并進(jìn)行系統(tǒng)化的監(jiān)測(cè)和分析，以便及時(shí)采取措施防止故障的發(fā)生。

1.2 稱重法

1.2.1 計(jì)算模型

本文研究了風(fēng)偏對(duì)覆冰荷載的影響，并通過(guò)靜力學(xué)分析建立了豎直方向上的平衡方程，從而得到了單位導(dǎo)線長(zhǎng)度的覆冰荷載。利用這個(gè)結(jié)果計(jì)算等效覆冰厚度時(shí)，采用了如圖1所示的合理稱重法計(jì)算流程。

圖1 輸電線路等覆蓋冰厚度計(jì)算流量

1.2.2 靜力學(xué)計(jì)算模型的科學(xué)性

本文中，將壓力和角度感知器裝置放置在垂直懸線器的近地端，以檢測(cè)該懸線器的壓力、傾斜和氣流飄移。視懸線器為一剛性管道，考慮了懸掛導(dǎo)線產(chǎn)生的垂直荷載、懸線器和懸掛導(dǎo)線所受的風(fēng)載荷，以及由于懸掛導(dǎo)線縱向張力不平衡所引起的縱向荷載，綜合影響會(huì)使懸線器產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，形成如圖2中所示的狀態(tài)。

圖2 懸垂絕緣子串受力分析

在圖2中，OD表示懸線器；F表示壓力；Gc表示懸掛導(dǎo)線的垂直荷載；Gi表示懸線器自重垂直荷載（不考慮由于懸掛導(dǎo)線增加的垂直載荷，將其視為線路懸掛導(dǎo)線垂直載荷）；Fwc和Fsc分別代表增加的氣流飄移在垂直導(dǎo)線方向和順線方向的分量；Fwi和Fsi分別代表懸掛導(dǎo)線的氣流飄移在垂直導(dǎo)線方向和順線方向的分量；代表懸線器的氣流漂移角度；θ代表懸線器的傾斜角度；θ'代表偏移后懸線器與導(dǎo)線方向垂直的平面夾角。該偏移角度θ'與角度傳感器測(cè)得的風(fēng)偏角和傾斜角θ之間存在如下關(guān)系：

假設(shè)在某一時(shí)間段內(nèi)，風(fēng)壓基本恒定，當(dāng)外力的作用增強(qiáng)時(shí)，絕緣子串會(huì)開(kāi)始往垂直于導(dǎo)線方向擺動(dòng)，并且按照剛體力學(xué)的原理進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。隨著運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，絕緣子串的向心加速度和運(yùn)動(dòng)速度將會(huì)逐漸增加，而切向加速度的大小則會(huì)逐漸減小，直到為零。因此，在外力平衡狀態(tài)下，絕緣子串所受到的其他外力合力除了拉力F之外，方向與F完全相反，大小也不相同，進(jìn)而影響向心加速度的大小。因此，向心加速度大小為：

代入式（1），并對(duì)式（2）做簡(jiǎn)單變換可得F為：

式中：R為絕緣子串和金具的總長(zhǎng)度；v為絕緣子串高壓端的運(yùn)動(dòng)速度。為了研究絕緣子串在平衡狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)速度v，研究人員分析了最大風(fēng)偏角和平衡狀態(tài)下的風(fēng)偏角差數(shù)據(jù)，并發(fā)現(xiàn)測(cè)量時(shí)間段內(nèi)風(fēng)壓相對(duì)穩(wěn)定，且風(fēng)偏角變化非常小。在110～500kV線路上，角度差的最大值不超過(guò)5?；谶@些數(shù)據(jù)，研究人員利用能量守恒原理對(duì)絕緣子串高壓端的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行了大致推斷，有助于更深入地研究絕緣子串的運(yùn)動(dòng)特性。

1.3 圖像監(jiān)測(cè)法

對(duì)于導(dǎo)線覆冰的評(píng)估，可通過(guò)使用攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集線路監(jiān)控圖像，并通過(guò)人工定性分析來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，采用圖像處理技術(shù)可準(zhǔn)確地對(duì)導(dǎo)線覆冰進(jìn)行定量識(shí)別。圖像監(jiān)測(cè)法能夠?qū)€路覆冰圖像進(jìn)行分割和覆冰邊緣的提取。通過(guò)比較覆冰前后的輪廓，可有效地判斷導(dǎo)線的覆冰程度。這是一種有效的技術(shù)流程，如圖3所示。

圖3 圖像監(jiān)測(cè)法流程

在本研究中，使用粗糙集理論和Gouraud陰影算法進(jìn)行導(dǎo)線覆冰厚度的估算。為了獲取實(shí)際的覆冰厚度，為了識(shí)別導(dǎo)線和絕緣子串的覆冰厚度，本研究采用了小波變換邊緣檢測(cè)和浮動(dòng)閾值法邊緣跟蹤相結(jié)合的技術(shù)，并應(yīng)用圖像平滑處理、閾值變換和輪廓跟蹤等算法。在南方電網(wǎng)輸電線路現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圖像的基礎(chǔ)上，使用鄰域平均值濾波、自適應(yīng)閾值圖像分割和基于LoG算子的邊緣檢測(cè)技術(shù)，成功地檢測(cè)了線路覆冰和絕緣子覆冰厚度。

然而，該方法的應(yīng)用受到一定條件的限制：在線路結(jié)冰時(shí)，攝像頭的表面也會(huì)被冰覆蓋，這將導(dǎo)致所拍攝的圖像變得模糊，難以識(shí)別；當(dāng)前，攝像機(jī)所拍攝的圖像分辨率較低，這將對(duì)圖像處理后的精度帶來(lái)重大的負(fù)面影響；現(xiàn)場(chǎng)拍攝角度會(huì)對(duì)導(dǎo)線覆冰的識(shí)別產(chǎn)生限制，自然環(huán)境中存在冰凌的情況也會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線覆冰形狀的不規(guī)則。因此，采用二維圖像對(duì)導(dǎo)線覆冰進(jìn)行處理時(shí)，與實(shí)際情況存在一定差異；攝像機(jī)監(jiān)測(cè)有一定范圍限制，當(dāng)檔距增大或環(huán)境氣候不理想（如出現(xiàn)霧氣）時(shí)，監(jiān)測(cè)效果可能無(wú)法全面覆蓋，并且可能無(wú)法有效監(jiān)測(cè)不均勻覆冰情況。

2 微波技術(shù)應(yīng)用

微波技術(shù)是目前應(yīng)用較為廣泛的一種監(jiān)測(cè)方法。微波技術(shù)和電容傳感器技術(shù)也是一些常用的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。微波技術(shù)通過(guò)檢測(cè)輸電線路表面的振動(dòng)頻率，來(lái)判斷是否存在覆冰情況。電容傳感器技術(shù)則通過(guò)檢測(cè)輸電線路表面的電容變化，來(lái)判斷是否存在覆冰情況。這些技術(shù)手段雖然在監(jiān)測(cè)效率和精度上相對(duì)較低，但是其具有簡(jiǎn)單易用、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，可在一定程度上滿足輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)的需求[5]。

微波技術(shù)的主要原理。在監(jiān)測(cè)區(qū)域中發(fā)射微波信號(hào)，并接收反射信號(hào)，通過(guò)對(duì)微波信號(hào)的變化來(lái)評(píng)估區(qū)域冰雪厚度信息。由于微波波長(zhǎng)短、頻度高，適合在風(fēng)電場(chǎng)中進(jìn)行細(xì)小檢測(cè)。本文根據(jù)江蘇省揚(yáng)中市風(fēng)電場(chǎng)輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，微波技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到輸電線路的冰雪厚度和溫度，確保輸電線路的安全運(yùn)行。值得一提的是，微波技術(shù)具有較高的自動(dòng)化程度，便于全天候監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理。同時(shí)，微波技術(shù)可檢測(cè)不同類型、厚度、形狀的覆冰，適用范圍廣，容易實(shí)現(xiàn)快速預(yù)警和分析處理。

除了微波技術(shù)，其他監(jiān)測(cè)方法如紅外線輻射測(cè)溫、紅外熱像技術(shù)等同樣可應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)中。但相對(duì)于微波技術(shù)，這些方法監(jiān)測(cè)的范圍較窄，在不同溫度、風(fēng)速、濕度等復(fù)雜環(huán)境下監(jiān)測(cè)效果稍遜一籌。另外，雖然微波技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)獲得了較好的效果，但其實(shí)際應(yīng)用面臨的問(wèn)題也不容忽視。例如，微波信號(hào)的傳輸距離、穿透水分等問(wèn)題需要進(jìn)一步優(yōu)化和完善。這也需要技術(shù)人員在實(shí)際應(yīng)用中不斷深入探究，創(chuàng)新微波技術(shù)的應(yīng)用方式，使其更好地適應(yīng)于各種復(fù)雜環(huán)境下的在線監(jiān)測(cè)需求。

綜上所述，微波技術(shù)在風(fēng)電場(chǎng)輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用展現(xiàn)了其巨大的優(yōu)勢(shì)。但繼續(xù)完善和創(chuàng)新技術(shù)，解決實(shí)際存在的問(wèn)題是相關(guān)研究人員需要不斷突破的難題。只有如此，才能更好地保障風(fēng)電場(chǎng)輸電線路的安全、高效運(yùn)行?？傊?，微波技術(shù)的應(yīng)用在風(fēng)電場(chǎng)輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)中具有重要價(jià)值。

微波技術(shù)在輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用，并在其中扮演了重要角色。通過(guò)微波信號(hào)的發(fā)射和接收，可不接觸地實(shí)現(xiàn)輸電線路的覆冰監(jiān)測(cè)，從而實(shí)時(shí)掌握線路冰雪狀況，及時(shí)開(kāi)展維護(hù)工作，保證線路的正常運(yùn)行。微波技術(shù)在輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用具有很多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可大大提高工作效率和線路安全可靠運(yùn)行水平。同時(shí)，將微波技術(shù)與人工智能技術(shù)等其他技術(shù)結(jié)合起來(lái)，也是實(shí)現(xiàn)輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的重要途徑，將有助于提高輸電線路的可靠性和安全性，推動(dòng)能源行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。