智能输电线路信息采集与状态监测系统.pdf

2 0 1 4 年第8 卷第l 期 2 0 1 4V 0 1 8N o 1 南方电网技术 S O U T H E R NP o W E RS Y S T E MT E C H N o L o G Y 智能电网 S m a r tG r i d 文章编号：1 6 7 4 旬6 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 0 4 2 0 4中图分类号：T M 7 5 ；T P 2 7 7文献标志码：A D o I ：1 0 1 3 6 4 8 j c 凼i s s n l 6 7 4 _ 0 6 2 9 2 0 1 4 0 1 _ 0 0 9 智能输电线路信息采集与状态监测系统 仇英辉，刘超 ( 华北电力大学，北京1 0 2 2 0 6 ) 摘要：随着我国智能电网的规划与实施，有必要利用各类传感器对输电线路各类数据进行采集和监测。针对输电线路 的导线、绝缘予以及杆塔三个部分，分析智能输电线路各类数据的采集与监测，包括覆冰监测、温度检测、舞动监 测、振动监测、污秽监测、风偏监测、防盗监测以及倾斜监测，建立了智能输电线路在线状态监测系统，以保障整个 电网安全稳定运行。 关键词：智能输电线路；导线监测；绝缘子监测；杆塔监测 T h eI n f o r m a t i o nG a t h e r i n ga n dC o n d i t i o nM o I l i t o r i n gS y s t e mo f I n t e l l i g e n tT r a n s m i s s i o nL i n e s Q I UY i n 曲u i ，U UC h a o ( N o r t hC h i n aE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y ，B e i j i n g1 0 2 2 0 6 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：w i 山m ep l a 衄i n ga n di m p l e m e n t a t i o no fs m a r tg r i di nC h i n a ，i ti sn e c e s s a r yt od oi n f o H n a t i o ng a t h e r i n ga n dc o n d j t i o nm o n i t o r i n gt o 仃a n s m i s s i o nl i n e sb yu s i n gt h eo n l i n es e n s o r s F o rat r a n s I I l i s s i o nl i n e ，w l l i c hc o n s i s t so ft h r e ep a n s ，i e t l l ec o n d u c t o r ， i n s u l a t o ra n dt o w e r ，t h i sp 印e ra n a l y z e st h ei n f o m a t i o ng a m e r i n ga I l dc o n d i t i o nm o n i t o r i n gt ot h ei n t e l l i g e n tt r a n s m i s s i o nl i n e ，i n c l u d i n gi t si c e dm o n i t o r i n g ，t e m p e r a m r ed e t e c t i o n ，d a n c i n gm o n i t o r i n g ，v i b m t i o nm o n i t o r i n g ，f i l t h ym o n i t o r i n g ，w i n dp a n i a lm o n i t o r i n g ，a I l t i t h e f tm o n i t o r i n ga n dt i l tm o n i t o r i n g ，a I l de s t a b l i s h e si t so n l i n ec o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mt oe n s u r et l l ee n t i r ep o w e rg r i d b e i n gi ns a f 色a n ds t 山l eo p e r a t i o n K e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tt r a n s r n j s s i o nl i n e ；l i n em o n i t o r i n g ；i n s u l a t o rm o n i t o r i n g ；t o w e rm o n i t o r i n g 智能输电线路状态检测是智能输变电中的重要 组成部分，智能输电线路系统包含总部监测中心主 机、省网监测中心主机、市网监测中心主机以及现 场分机以及线路的各传感器。智能输电线路监测的 目标是为了实现输电线路覆冰监测、舞动监测、线 路振动监测、导线温度监测、绝缘子污秽监测、绝 缘子风偏监测、杆塔防盗监测、杆塔倾斜监测、远 程图像监测以及微天气监测。 1 导线处理模块 1 1 覆冰监测 我国电网受气候和微地形、微气象等条件的影 响，冰灾事故频繁发生。1J ，建立导线覆冰模型对于 覆冰监测是尤为关键的。监测系统通过计算输电线 的水平张力、主杆塔竖直方向张力所对应平衡的覆 冰导线长度、覆冰厚度。一，然后根据线路导线覆冰 的重量变化和绝缘体倾斜进行负载( 冰的厚度，塔 力，导线应力等) 计算，直接比较电路参数预设值， 当覆冰厚度达到警戒值时，及时发出告警信息。 1 2 温度监测以及动态增容监测 增容技术是智能输电线路监测重要的一个环 节，其关键在于根据外界环境条件和导线本身特 性，计算出导线载流量。当雷诺系数为1 0 0 30 0 0 时，若环境温度为4 0 、风速为o 5 s 、导线温 度不超过1 2 0 ，则可将计算电流公式简化，用于 直径4 2 1 0 0m m 导线的载流量计算3J 。 1 3 舞动监测 导线舞动分析采用三自由度数学模型，三自由 度模型是把覆冰的输电导线简化为一个同时具有垂 直、水平及扭转方向振动的系统。3J 。 1 。4 振动监测 通过监测导线的弯曲应变，导线温度和风速、 风向等信息计算微风振动频率和相应算法计算出的 幅度来确定导线疲劳磨损寿命，对线路安全进行评 万方数据 第l 期 仇英辉，等：智能输电线路信息采集与状态监测系统 4 3 估，在疲劳前发出预报警信息，并及时采取措施，的信息。芯片被加热时，形成热边界形成一个温度 以减少风振损失。梯度。温度梯度的分布反映了风向和风速的信息， 2 绝缘子处理模块 譬篷嚣翥毳篡誓黼詈梨表面的 2 1 污秽监测 污秽在线监测主要有两种方法：利用光传感器 测量污秽和分析绝缘子泄漏电流情况。光传感器测 量污秽是根据介质光波导中的光场分布及光能损耗 理论，如图1 示出。低损耗石英棒放置在大气中形 成一个以石英棒为芯，大气为包层的多模光波导 路。当石英棒上无污染时，由光学波导中的基次模 和高次模共同传输光能，其中大部分的光能在光波 导管芯传播，但也有一小部分的光沿芯包层界面传 输。光波传输中的光损失是非常小的。 泄露光 图1光传感器监测污秽的原理 F i g 1 O p t i c a IS e n s o r st oM 0 n I t O rC o n t a m i n a t i O n 泄流电流是判断污秽的重要参数之一。通过数 学分析和建模我们可以找到泄漏电流随时问变化情 况与电弧长度、污层电阻等的非线性关系1 ，研究 绝缘子泄漏电流随相对湿度、温度、温度变化率等 气象因素变化，可见气象因素与泄露电流有关，其 中相对湿度的关联度最大。 2 2 风偏监测 2 2 1热损失型风速传感器 类似于传统热丝风力传感器的工作原理，热损 失风速传感器通过温敏元件测量流体流动时加热温 度的变化进而测量流速。一般来说，敏感元件的热 损失将随着流量增加而增加。对流传热和流速的平 方根成正比 4 。热损失型风速传感器的控制电路相 对来说比较简单，不需要检测整个传感器的表面温 度分布，控制电路可以直接反映风速。热损失型风 速传感器不能测出风向，要通过热温传感器才能得 到流向信息。 2 2 2 热温差型风速传感器 热温差风速传感器如图2 所示，当气流流经加 热元件时，加热元件附近的热场产生变化，产生温 度梯度，通过检测的度梯度便可以反映风速和风向 测温元件加热元件测温元件 图2 热温差型风速传感器示意图 F I g 2 T h eW i n dS e n s O rO fD j 什e r e n tT e m p e r a t u r e s 图3 是一维方向上的温度梯度示意图。在某个 方向，其上流侧的温度应低于传感器下游侧的温 度。因此，可以通过测量两点的温度差便可以得到 风速的大小。如果将一维结构扩展到两维结构，通 过检测上下游部分两个方向的温度差，便可以获得 二维温度梯度进而得到二维风向”1 。 体的速度分布 | | j 兰 的温度分布 一 二7 二_ - 一 7 7 f R 加热部分 ，I n 执害B 图3 边界层内流体的速度和温度分布 F i g 3 T h eF I u i dV e I O c i t ya n dT e m p e r a t u r e0 ft h eB O u n d a 吖 但是当风速增加至最大后，如果风速进一步增 大，输出反而会开始下降。这时可以通过比较热扩 散的时间和流体的运动时间，以获得最大速度。 热温差型风速风向传感器不但需要对芯片进行加热 控制，而且还需要检测芯片上四周多点温度，因此 与热损失型风速传感器相比，电路相对比较复杂， 而且风速量程也相对比较小。 3 杆塔处理模块 3 1 防盗监测 监控中心接收到监测端发出的信息，可以及时 获取现场情况。同时，专家软件数据库中存储杆塔 万方数据 南方电网技术第8 卷 基本信息( 线路，位置等) ，定时向监测端发送信息 请求响应，如果未得到回应，则通知检修人员进行 现场检查。 3 2 倾斜监测 暴雪，台风等恶劣天气容易导致塔的倾斜，倾 角传感器测量杆塔在顺线方向和横线方向的倾斜角 度，然后计算出在顺行方向与横线方向的倾斜度以 及整体倾斜度，当这三个之中的任意一个值超过了 正常范围，那么便发出告警信息。 液体摆式倾斜传感器的工作原理与结构都非常 简单，犹如一个滑动变阻器。6J 。利用液体摆原理来 检测倾斜角，其内部有个电解泡，液体作为电导 体，所述两个电极A ，c 位于最上方，其他的电极 B 位于下方。如图4 ( a ) 中所示，当气泡在水平位 置，在A B 及c B 之间的电导是相等的，所以为等 电位。当气泡的位置随着被测对象的倾斜而改变 时，如图4 ( b ) ，便导致A B 电导增加，c B 减少。 通过测量A B 、c B 之间的电导变化便可以得到倾斜 角的变化Ho 。 C ( a )( b ) 图4 液体摆倾斜传感器原理图 F i g 4L i q u dP e n d u I u mT i l tS e n s O r 4 智能输电线路状态监测系统 智能输电线路状态监测系统主要包含四部分： 导线模块；绝缘子模块；杆塔模块；微天气模块。 在一级指标下包含不同的二级指标，例如一级指标 导线模块分别包含二级指标覆冰、温度和动态增 容、舞动、振动。本文采用故障树的方法对整个智 能输电系统进行细化，如图5 所示。 借助故障树的方法，分析得出影响智能输电线 路的各级因素。本文对系统划分出三级影响因素， 这样的层层推进的分析方法可以更加清楚地分析得 出影响系统的根本因素。 根据故障树方法分析得出的结果，利用结构熵 权法对整个系统进行可靠性评估9