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

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)測技術(shù)。紅外線技術(shù)可通過檢測輸電線路表面的溫度變化，來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，可在不影響輸電線路正常運行的情況下，及時發(fā)現(xiàn)覆冰情況，為輸電線路的安全運行提供可靠的保障。本文結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢，對未來風(fēng)電場輸電線路覆冰在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了初步探討，以更好地看待未來技術(shù)的發(fā)展趨勢和方向[1-3]。

1 監(jiān)測方法

1.1 常用的監(jiān)測方法

風(fēng)電場輸電線路覆冰是一個嚴(yán)重的問題，因為覆冰會導(dǎo)致輸電線路的斷裂和故障，從而影響風(fēng)電場的發(fā)電能力。為了解決這一問題，需要采用在線監(jiān)測技術(shù)來監(jiān)測輸電線路的覆冰情況，以便及時采取措施防止故障的發(fā)生。常用的監(jiān)測方法包括機(jī)械監(jiān)測和光學(xué)監(jiān)測。機(jī)械監(jiān)測主要采用機(jī)械傳感器來監(jiān)測輸電線路的振動和形變，從而判斷是否存在覆冰情況。該方法的優(yōu)點是精度高、可靠性強(qiáng)，但缺點是需要安裝大量傳感器，成本較高。光學(xué)監(jiān)測則利用紅外線攝像機(jī)來監(jiān)測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)點是無需接觸輸電線路，不會對線路造成損害，但缺點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)測方法，還有一些新興的監(jiān)測技術(shù)，如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、聲波傳感器技術(shù)等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可通過無線傳感器節(jié)點來監(jiān)測輸電線路的振動、溫度等參數(shù)，實現(xiàn)對輸電線路的實時監(jiān)測。聲波傳感器技術(shù)則利用聲波傳感器來監(jiān)測輸電線路的振動，從而判斷是否存在覆冰情況。這些新興的監(jiān)測技術(shù)具有成本低、安裝方便、實時性強(qiáng)等優(yōu)點，但需要進(jìn)一步完善和驗證。

為了監(jiān)測風(fēng)電場輸電線路覆冰狀況，傳統(tǒng)的測量懸垂絕緣子串垂直荷載的方法是通過球頭掛環(huán)來實現(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)，通過測量懸垂絕緣子串的傾角、垂直方向的靜態(tài)分析等方式，來計算線路由于覆冰所增加的垂直荷載。該方法可有效地識別導(dǎo)線和地線的覆冰狀態(tài)，確保輸電線路的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。在測量穩(wěn)態(tài)覆冰時，通常使用稱重法，但其并未考慮導(dǎo)線舞動所產(chǎn)生的大振幅低頻率影響。為了排除導(dǎo)線舞動的影響，可通過檢測突變的拉力值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整[4]。

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

1.2 稱重法

1.2.1 計算模型

本文研究了風(fēng)偏對覆冰荷載的影響，并通過靜力學(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)線長度的覆冰荷載。利用這個結(jié)果計算等效覆冰厚度時，采用了如圖1所示的合理稱重法計算流程。

圖1 輸電線路等覆蓋冰厚度計算流量

1.2.2 靜力學(xué)計算模型的科學(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)在某一時間段內(nèi)，風(fēng)壓基本恒定，當(dāng)外力的作用增強(qiáng)時，絕緣子串會開始往垂直于導(dǎo)線方向擺動，并且按照剛體力學(xué)的原理進(jìn)行運動。隨著運動的進(jìn)行，絕緣子串的向心加速度和運動速度將會逐漸增加，而切向加速度的大小則會逐漸減小，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），并對式（2）做簡單變換可得F為：

式中：R為絕緣子串和金具的總長度；v為絕緣子串高壓端的運動速度。為了研究絕緣子串在平衡狀態(tài)下的運動速度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)測量時間段內(nèi)風(fēng)壓相對穩(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5?；谶@些數(shù)據(jù)，研究人員利用能量守恒原理對絕緣子串高壓端的運動速度進(jìn)行了大致推斷，有助于更深入地研究絕緣子串的運動特性。

1.3 圖像監(jiān)測法

對于導(dǎo)線覆冰的評估，可通過使用攝像機(jī)實時采集線路監(jiān)控圖像，并通過人工定性分析來實現(xiàn)。然而，采用圖像處理技術(shù)可準(zhǔn)確地對導(dǎo)線覆冰進(jìn)行定量識別。圖像監(jiān)測法能夠?qū)€路覆冰圖像進(jìn)行分割和覆冰邊緣的提取。通過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。為了獲取實際的覆冰厚度，為了識別導(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和浮動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)場監(jiān)測圖像的基礎(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算子的邊緣檢測技術(shù)，成功地檢測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，攝像頭的表面也會被冰覆蓋，這將導(dǎo)致所拍攝的圖像變得模糊，難以識別；當(dāng)前，攝像機(jī)所拍攝的圖像分辨率較低，這將對圖像處理后的精度帶來重大的負(fù)面影響；現(xiàn)場拍攝角度會對導(dǎo)線覆冰的識別產(chǎn)生限制，自然環(huán)境中存在冰凌的情況也會導(dǎo)致導(dǎo)線覆冰形狀的不規(guī)則。因此，采用二維圖像對導(dǎo)線覆冰進(jìn)行處理時，與實際情況存在一定差異；攝像機(jī)監(jiān)測有一定范圍限制，當(dāng)檔距增大或環(huán)境氣候不理想（如出現(xiàn)霧氣）時，監(jiān)測效果可能無法全面覆蓋，并且可能無法有效監(jiān)測不均勻覆冰情況。

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)測技術(shù)。微波技術(shù)通過檢測輸電線路表面的振動頻率，來判斷是否存在覆冰情況。電容傳感器技術(shù)則通過檢測輸電線路表面的電容變化，來判斷是否存在覆冰情況。這些技術(shù)手段雖然在監(jiān)測效率和精度上相對較低，但是其具有簡單易用、成本低廉等優(yōu)點，可在一定程度上滿足輸電線路覆冰在線監(jiān)測的需求[5]。

微波技術(shù)的主要原理。在監(jiān)測區(qū)域中發(fā)射微波信號，并接收反射信號，通過對微波信號的變化來評估區(qū)域冰雪厚度信息。由于微波波長短、頻度高，適合在風(fēng)電場中進(jìn)行細(xì)小檢測。本文根據(jù)江蘇省揚中市風(fēng)電場輸電線路覆冰監(jiān)測試驗，微波技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測到輸電線路的冰雪厚度和溫度，確保輸電線路的安全運行。值得一提的是，微波技術(shù)具有較高的自動化程度，便于全天候監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理。同時，微波技術(shù)可檢測不同類型、厚度、形狀的覆冰，適用范圍廣，容易實現(xiàn)快速預(yù)警和分析處理。

除了微波技術(shù)，其他監(jiān)測方法如紅外線輻射測溫、紅外熱像技術(shù)等同樣可應(yīng)用于風(fēng)電場輸電線路覆冰監(jiān)測中。但相對于微波技術(shù)，這些方法監(jiān)測的范圍較窄，在不同溫度、風(fēng)速、濕度等復(fù)雜環(huán)境下監(jiān)測效果稍遜一籌。另外，雖然微波技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電場輸電線路覆冰監(jiān)測獲得了較好的效果，但其實際應(yīng)用面臨的問題也不容忽視。例如，微波信號的傳輸距離、穿透水分等問題需要進(jìn)一步優(yōu)化和完善。這也需要技術(shù)人員在實際應(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)測需求。

綜上所述，微波技術(shù)在風(fēng)電場輸電線路覆冰在線監(jiān)測中的應(yīng)用展現(xiàn)了其巨大的優(yōu)勢。但繼續(xù)完善和創(chuàng)新技術(shù)，解決實際存在的問題是相關(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)電場輸電線路的安全、高效運行?？傊?，微波技術(shù)的應(yīng)用在風(fēng)電場輸電線路覆冰在線監(jiān)測中具有重要價值。

微波技術(shù)在輸電線路覆冰在線監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用，并在其中扮演了重要角色。通過微波信號的發(fā)射和接收，可不接觸地實現(xiàn)輸電線路的覆冰監(jiān)測，從而實時掌握線路冰雪狀況，及時開展維護(hù)工作，保證線路的正常運行。微波技術(shù)在輸電線路覆冰監(jiān)測中的應(yīng)用具有很多獨特優(yōu)勢，可大大提高工作效率和線路安全可靠運行水平。同時，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，也是實現(xiàn)輸電線路覆冰監(jiān)測領(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，推動能源行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。