李 程

（國網(wǎng)湖北咸寧市咸安區(qū)供電公司，湖北 咸寧 437000）

0 引言

隨著社會(huì)工業(yè)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提升，社會(huì)對電能的依賴程度越來越高，且用電量越來越大。近年來我國在電力領(lǐng)域有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，特別是特高壓輸電領(lǐng)域走在了世界前列。由于特高壓輸電線路須要在野外運(yùn)行，容易受環(huán)境因素的影響，易出現(xiàn)各類故障，影響輸電線路的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，降低人們的用電體驗(yàn)。利用先進(jìn)的在線監(jiān)測技術(shù)對特高壓輸電線路運(yùn)行過程中的狀態(tài)信息參數(shù)進(jìn)行采集，基于采集結(jié)果開展深入分析研究，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)線路中潛在的安全問題和故障隱患，是提升輸電線路運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性的重要措施和手段。本文以特高壓輸電線路為研究對象，對在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了簡要介紹，重點(diǎn)研究了相關(guān)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用情況。

1 特高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)概述

當(dāng)前智能領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，在特高壓輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)中引入智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率。如圖1 所示為基于智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用框架結(jié)構(gòu)圖。由圖1 可知系統(tǒng)分為3 個(gè)層級，分別為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層。在采集層設(shè)置了多功能監(jiān)測基站，利用太陽能板進(jìn)行供電，在應(yīng)用層設(shè)置了監(jiān)控中心。采集層主要是利用各類傳感器對特高壓輸電線路周圍環(huán)境及自身運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行采集，多功能監(jiān)測基站將所有傳感器采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集。采集的數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)傳輸層上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器中心，利用系統(tǒng)的算法程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理，從而感知特高壓輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)，研判是否存在故障或者安全隱患[1]。若存在問題系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號，工作人員根據(jù)報(bào)警信號及時(shí)處理問題，將隱患扼殺在萌芽階段，或者盡可能縮小故障的影響范圍。

圖1 特高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)通信方面，考慮到特高壓輸電線路全部分布在野外，不方便利用有線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此數(shù)據(jù)傳輸大部分基于無線形式進(jìn)行。數(shù)據(jù)采集層與多功能監(jiān)測基站之間基于ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，基站與監(jiān)控中心之間4G/5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2 關(guān)鍵在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

隨著在線監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，未來在特高壓輸電線路中使用的監(jiān)測技術(shù)必然越來越多，會(huì)越來越成熟，本文主要對當(dāng)前使用較多的在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行介紹。

2.1 線路附近氣象監(jiān)測技術(shù)

我國社會(huì)對用電的需求量呈快速增加的趨勢，對供電質(zhì)量要求也是日益提升。很多特高壓輸電線路須要穿過地形非常復(fù)雜的地區(qū)，且長時(shí)間在野外運(yùn)行，其工作環(huán)境非常惡劣，使得輸電線路面臨比較大的安全和故障風(fēng)險(xiǎn)。特高壓輸電線路運(yùn)行時(shí)，附近的氣候條件是影響運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性的重要因素，所以有必要對輸電線路附近的氣候條件指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，以便對由于氣候引起的災(zāi)害問題進(jìn)行有效預(yù)防?？梢圆杉臍夂颦h(huán)境指標(biāo)主要包括溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、日照等[2]。如表1所示為氣候環(huán)境在線監(jiān)測使用的傳感器及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

表1 氣候環(huán)境在線監(jiān)測使用的傳感器及技術(shù)指標(biāo)

2.2 輸電線路視頻圖像監(jiān)控技術(shù)

特高壓輸電線路很多分布在地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣的地區(qū)，如果利用傳統(tǒng)方法進(jìn)行巡檢，會(huì)花費(fèi)很多人力、物力、財(cái)力，且風(fēng)險(xiǎn)較高。利用當(dāng)前使用比較多的視頻圖像監(jiān)控技術(shù)，能夠大幅度降低勞動(dòng)強(qiáng)度，工地巡檢時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，并且可以對周圍環(huán)境實(shí)現(xiàn)24 h 監(jiān)控。監(jiān)控得到的視頻圖像經(jīng)過壓縮后，通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳，在服務(wù)器中心對視頻進(jìn)行解析，工作人員可以實(shí)時(shí)掌控輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)。視頻監(jiān)控主要功能有：觀察地線、導(dǎo)線的覆冰狀態(tài)，觀察容易塌方或者滑坡區(qū)域的狀態(tài)，觀測容易受到人為破壞區(qū)域的狀態(tài)，觀察輸電線路周圍樹木、竹子等的生長情況，觀察絕緣子、塔體、導(dǎo)線等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的異常狀態(tài)，觀察大跨越區(qū)的環(huán)境情況，觀察偏遠(yuǎn)區(qū)域變電站的運(yùn)行狀態(tài)?？梢杂糜谝曨l監(jiān)控的相機(jī)工作原理分2 類，分別為CCD 和CMOS，其俯仰角度可以在0°～90°范圍變化，水平旋轉(zhuǎn)角度可以在0°～355°范圍變化，像素?cái)?shù)超過704 × 576，且可以通過遠(yuǎn)程方式對光圈、焦距、色度、對比度等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2.3 輸電線路桿塔傾斜監(jiān)測技術(shù)

桿塔是輸電線路中的重要構(gòu)成部分，工作時(shí)輸電線路會(huì)對桿塔產(chǎn)生一定的作用力。但是受到附近地質(zhì)環(huán)境以及氣候條件的影響，桿塔基礎(chǔ)可能會(huì)出現(xiàn)沉降，甚至山體滑坡等難以預(yù)料的問題，進(jìn)而威脅輸電線路的安全運(yùn)行。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，輸電線路在風(fēng)的作用下如果長時(shí)間沿一個(gè)方向舞動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致桿塔受力不均勻引發(fā)桿塔傾斜；桿塔本體出現(xiàn)裂紋或其他變形問題導(dǎo)致桿塔傾斜；自然地質(zhì)災(zāi)害可能導(dǎo)致桿塔發(fā)生傾斜。但是桿塔從傾斜到最終倒塌是一個(gè)緩慢的過程，如果能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理完全可以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。所以通過對桿塔傾斜狀態(tài)的持續(xù)監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，可以大幅度降低由于桿塔倒塌造成的危害及經(jīng)濟(jì)損失[3]。在對桿塔傾斜度進(jìn)行監(jiān)測的過程中，須要綜合考慮風(fēng)速、桿塔高度等因素對潛在的傾斜趨勢進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測計(jì)算，評估倒塌的風(fēng)險(xiǎn)程度，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)向外發(fā)出報(bào)警信號。該環(huán)節(jié)使用的傳感器主要是傾角傳感器，工作原理分為壓阻技術(shù)原理、電容效應(yīng)原理、熱氣泡原理以及光效應(yīng)原理等，監(jiān)測范圍為雙軸±20°，精度須控制在±0.05°范圍內(nèi)，分辨率可達(dá)到0.01°。

2.4 輸電線路覆冰預(yù)警監(jiān)測技術(shù)

冬季野外的氣溫比較低，特別是在山區(qū)溫度會(huì)在0 ℃以下。如果遇到雨雪天氣，輸電線路上不可避免地會(huì)出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象，覆冰會(huì)增加輸電線路的整體質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致絕緣子出現(xiàn)閃絡(luò)，引起故障跳閘問題。另外會(huì)加速相關(guān)結(jié)構(gòu)件的疲勞損傷，縮短其使用壽命。在輸電線路覆冰的工況條件下，一旦出現(xiàn)故障問題，會(huì)延長故障處理時(shí)間，或者擴(kuò)大故障影響范圍。世界范圍內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了多起由于線路覆冰引起的輸電故障，造成了不好的社會(huì)影響。對覆冰問題進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測主要通過間接方式進(jìn)行，因?yàn)樵谳旊娋€路出現(xiàn)覆冰的情況下會(huì)導(dǎo)致絕緣子拉力、傾角等出現(xiàn)變化，通過對傾角和拉力的監(jiān)測能間接反映覆冰的嚴(yán)重程度?；谏鲜霰O(jiān)測得到的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合氣候環(huán)境狀態(tài)參數(shù)，可以對導(dǎo)線覆冰厚度進(jìn)行研判，然后結(jié)合實(shí)際情況給出針對性的覆冰防治措施[4]。使用的拉力傳感器主要是用彈性元件進(jìn)行檢測，檢測范圍為2%～100% FS，在該階段為線性工作區(qū)間，精度可以達(dá)到0.2 及以上。使用的傾角傳感器工作原理包括壓阻技術(shù)、電容效應(yīng)、熱氣泡效應(yīng)以及光效應(yīng)等，監(jiān)測范圍要求達(dá)到雙軸≥±70?，精度須控制在±0.1°范圍，分辨率為0.01°。

2.5 輸電線路微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測技術(shù)

當(dāng)特高壓輸電線路周圍存在風(fēng)時(shí)，在風(fēng)力影響下線路會(huì)出現(xiàn)一定的振動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)風(fēng)力作用引起的振動(dòng)頻率與線路固有頻率接近時(shí)會(huì)出現(xiàn)共振問題，進(jìn)而導(dǎo)致輸電線路出現(xiàn)斷股，輕者影響特高壓輸電過程的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)安全事故，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。針對微風(fēng)引起的振動(dòng)問題，很多學(xué)者開展了一定的理論和實(shí)踐研究，并將研究成果應(yīng)用到工程實(shí)踐中，取得了很好的效果，使得微風(fēng)引起的振動(dòng)危害性大幅度降低，但到目前為止無法從根本上抑制微風(fēng)振動(dòng)問題。所以須要對輸電線路的微風(fēng)振動(dòng)過程進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，基于監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行研究以便采取針對性的措施抑制振動(dòng)現(xiàn)象。實(shí)踐中須要利用加速度傳感器對輸電線路振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測，可以對振動(dòng)加速度、振幅以及頻率等關(guān)鍵參數(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測[5]。基于監(jiān)測結(jié)果并結(jié)合氣候環(huán)境數(shù)據(jù)信息，可以對輸電導(dǎo)線的疲勞損傷程度實(shí)施預(yù)測，獲得導(dǎo)線的使用壽命數(shù)據(jù)信息，為導(dǎo)線運(yùn)行維護(hù)提供有效理論指導(dǎo)，降低輸電導(dǎo)線發(fā)生安全事故的概率。加速度可以使用壓電式加速度傳感器，其中振動(dòng)加速度的監(jiān)測范圍為±5g，振動(dòng)幅度監(jiān)測范圍為0～15 mm，振動(dòng)頻率范圍為0～20 Hz，檢測的精度可以達(dá)到±5%。

2.6 絕緣子污穢監(jiān)測技術(shù)

絕緣子是特高壓輸電線路重要的構(gòu)成部分，但是絕緣子長時(shí)間在室外工作，如果環(huán)境質(zhì)量較差，很容易對絕緣子產(chǎn)生污染，影響絕緣子的性能，尤其是絕緣性能，威脅特高壓輸電線路的運(yùn)行安全性。基于此，須要對絕緣子的污穢狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，基本原理是對絕緣子的表面狀態(tài)進(jìn)行測量，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)代入理論模型進(jìn)行計(jì)算分析，判斷絕緣子表面實(shí)際情況。比如漏電電流是反映絕緣子污穢程度的重要指標(biāo)，可以檢測漏電電流大小及其分布情況，進(jìn)而判斷絕緣子的表面狀態(tài)。相關(guān)計(jì)算過程可以利用系統(tǒng)中內(nèi)置的算法程序進(jìn)行處理即可。

3 結(jié)束語

受到周圍環(huán)境因素的影響，特高壓輸電線路運(yùn)行過程中的故障率通常比較高?；诖耍ㄟ^先進(jìn)的在線監(jiān)測技術(shù)，對輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)信息參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并分析，及時(shí)掌握輸電線路的情況，能極大降低線路的故障率，提升特高壓輸電線路的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。目前使用較多的監(jiān)測技術(shù)包括環(huán)境參數(shù)監(jiān)測技術(shù)、桿塔傾斜監(jiān)測技術(shù)、線路覆冰監(jiān)測技術(shù)、圖像視頻監(jiān)測技術(shù)等。本文主要對當(dāng)前常見的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了介紹，分析了在特高壓輸電線路中的應(yīng)用。