智能输电线路技术在工程化应用中的策略

赵玉芳 赵宏宇 李 峰 赵文彬

（1.北京国网富达科技发展有限责任公司，北京100070；2.上海电力学院，上海200090）

0 引言

通过特高压输电技术，构建坚强、智能的全球能源互联网，是未来世界能源发展的重要方向[1-3]。随着我国的输电线路通道越来越长，覆盖面积越来越大，输电线路的运维和检修工作量与日俱增。

目前，我国输电线路维修的主要工作包括通道管理和线路检修两个大的门类，而频繁迁改则给线路维修工作带来了巨大的压力[4]。

根据国家电网公司的统计结果，线路从业人员的规模在3万人左右，一线工人的人数保持在2.4万人左右，且呈现逐年递减的趋势；作为主网的500 kV（330 kV）等级线路规模每年净增约3 000 km，220 kV电压等级线路规模每年净增约10 000 km。

传统的维修模式越来越难以应对日益增长的输电设备规模，已经不能适应当前电力生产要求。传统的巡检管理方法经常出现由于巡检不到位、处理不及时而引发的线路事故。通过对输电线路运行状态的在线实时监测，可减少传统的巡检管理的工作量和缺点，并预防及减少事故发生，提高输电系统运行的安全性和可靠性[5]。输电线路在线状态监测是智能输电线路的重要组成部分。

2012年，国家电网公司运检部组织各单位完成了系统内输电线路状态监测装置应用情况的调研[6]，报告显示，在应用实践中，发现监测装置存在极端天气条件下失效、供电电源可靠性差、通信故障频繁等问题，各厂家的装置故障类型基本一致，主要集中在以下三类：

（1）监测装置至外网前置（CAG）链路问题比较多，原因主要有现场网络信号不稳定，导致信号时断时续，移动SIM卡故障以及国网富达的部分装置通过前置机直接往主站系统传数据的链路中断等，此类问题数量为345个，占装置问题数量的41.67%。

（2）监测装置硬件损坏，主要由装置主控故障或传感器故障导致，此类问题数量为308个，占装置问题数量的37.20%。

（3）监测装置软件程序不稳定或缺陷，此类问题数量为175个，占装置问题数量的21.13%。

鉴于此，本文将基于国网公司输电线路运维检修现状，从业务分析出发，以安全生产为目标，以优化资产管理为边界条件，根据输电线路的特点设计检修策略，提出基于状态监测的输电线路智能化运维管理框架，并对未来输电线路运检专业的发展道路进行探索。

1 智能化的输电线路运维管理系统

输电线路通道长，且覆盖地域较大，因此掌握输电线路的状态是提高线路运行可靠性和合理安排检修的关键，而且日常运行维护也占据了整体维修的绝大部分工作时间，因此，在日常运维环节运用状态监测手段可大幅提升生产效率，同时这也是实现输电线路智能化运维管理的基础。设备智能化是一个较为宽泛的概念，本文将输电线路智能化定义为具有自感知能力的输电线路智能化运维管理系统，这一系统建设的基本思路是运用状态监测手段提高监视和维护水平，改善改造效果，达到降低线路跳闸风险的目标，其基本构架如图1所示。

图1 输电线路智能化运维管理系统

根据本文的论述，输电线路智能化运维管理系统显然更适用于高可靠性要求的输电线路及输电通道，其主要组成部分包括如下三个层次：快速响应的通信网络、动态风险预评估手段、智能化运维管理的运作机制。

1.1 快速响应的通信网络

通信网络是输电线路运维智能化的基础，目前国网系统内采用的通信方案大体有两类，其中，应用最多的是利用公网APN方式，还有利用OPGW光缆的冗余纤芯进行通信的方式。本文根据快速响应的要求，尝试提出两种用于建立快速通信网络的方案。

1.1.1 利用APN服务进行跨城市组网的方式

根据国网运检部制定的“两级部署、三层应用”的原则，目前各省电力公司已经建立起了输变电状态监测系统的通信网络，但该网络是以省会的移动运营（中国移动、中国联通、中国电信）商提供的APN服务作为基础，数据从运营商服务器进入省公司通信堡垒机，再通过省公司安全接入平台将数据接入电力综合数据网（内网）。这种模式造成了通信网络结构复杂，跨管理层级多，运行维护不便的缺点。

基于现状事实，本文提出了一种快速响应网络建设方案，如图2所示，图中灰色的部分为需要新建的设备，其余部分为现有设备。

图2 快速响应网络结构示意图

从图2中可以看出，仅仅需要在省检分部所在地市的移动运营商机房建立托管或租用的APN服务器，监测装置的数据直接发送到本地运营服务商APN服务器，就能够建立起一个由检修分部全面管控的安全的专用网络，必要时还可以将省检分部与地市公司的输电监测快速网络合建，以减少重复投资。

对于已经安装监测装置的情况，可以在检修分部或地市公司开通直达省会运营服务商服务器的虚拟专用通道（必要时可以在两端运行认证服务以进一步提高安全等级），相当于在分部或地市公司层面直接访问位于省会城市的运营服务商APN服务器，从而形成一个快速响应的通信网，这个网络几乎不需要投资。

1.1.2 利用OPGW构建光纤网络的方式

利用开断OPGW进行通信的方式，可以直接构建快速响应网络，在有条件的地区推荐直接采用市电作为通信和监测装置的电源，但应注意采取防雷击和漏电保护等措施，确保安全供电。在没有市电的条件下，推荐采用较大功率配置太阳能浮充系统，确保通信网络可以24 h连续运行。

1.2 动态风险预评估手段

输电线路的跳闸与气象条件息息相关，而跳闸的风险是可以预先进行估计的，主要依据就是气象预报和状态监测数据。输电线路智能化的核心就体现在预评估技术方面，其基本思路如图3所示。

动态风险预评估系统是实现输电线路智能化的关键，是整个输电线路智能化运维管理系统的前沿决策软件，需要将线路设计、运行经验和信息技术结合起来，同时利用气象、雷电、监测等大量外部数据源进行支撑，因此，这一系统需要具备专业性、实时性及开放性等特点。

1.3 智能化运维管理的运作机制

智能化运维管理系统的需求来源于输电线路的风险控制要求，针对不同的风险要求，结合架空输电线路自身的状态，可以产生不同的风险控制手段、资产优化手段，但是这些手段的选取又会受到经济、技术和时间的限制，所以需要分时、分地、分情况给予不同解决方案。输电线路智能化运维管理的运作机制可以用图4进行示意。

图3 动态风险预评估系统结构示意图

图4 输电线路智能化运维管理的运作机制

智能化运维的核心体现在线路风险状态自动评估的功能方面，但为了确保这一核心功能能够正常运转，需要及时正确地给定边界条件，而目前输电线路重要通道管理工作恰好满足这样的运作体系。

在风险目标方面，首先由国网运检部设定风险控制要求，也就是给定了通道的安全要求；接着省公司运检部需要根据安全要求，确定省检公司对于通道安全风险的控制指标；省检根据控制指标和线路的实际情况确定各分部的工作重点和防范重点；各分部根据省检确定的风险控制工作，安排执行相应的管控措施。

在工作范围方面，由省公司运检部发起确定风险控制的范围，再由省检公司将控制范围具体分配给各相关的分部。还有，由省检公司确定控制的时间段，再由各分部根据范围和时间制定风险控制策略。在决策的过程中，根据风险控制策略就能够确定重点关注的状态参数，同时也能够根据气象条件和气候因素对可能发生的风险做出预估；预估结果通过省检审查后，可直接上报或就地处理。虽然运作机制涉及的层面较多，但是由于全部的流程均可以在移动终端上完成，因此可以确保及时响应。

具备了风险的预估功能后，输电线路就不再是一种被动故障的设备，而成为了一种具备自我感知和状态预估能力的设备，能够最大限度地减少无准备的故障跳闸，从而为电网的稳定运行奠定坚实的基础。

2 智能输电线路技术的应用框架

智能输电线路技术在应用中主要体现在自主的状态管理和自主的风险分析两个方面，从而对线路运维管理提供全面的技术支持，同时能够促进运行经验和技术经济指标的正反馈，推动人员效率和经济效益的最大化，并达成安全性和经济性目标。应用框架如图5所示。

图5 智能输电线路技术的应用框架示意图

智能输电技术的应用框架横跨资产管理、风险评估和运行需求三个体系，纵向划分为信息层、分析层和决策层三个层次；设备运检专业相关的软件模块共有六个，分别为基本信息模块、动态信息模块、寿命模型模块、风险分析模块、技术经济分析模块、检修决策模块；检修决策和风险分析模块提供与运行体系的信息接口，可以接收运行专业提供的风险预警，并在经过分析后将检修决策反馈至运行计划，从而形成闭环。

在没有运行体系接入的情况下，风险评估与资产管理模块可以相辅相成，实现自主检修决策与自主风险预警的功能。

3 智能输电线路技术应用案例分析

为了进一步说明智能输电线路技术应用的前景和整体思路，本文以某核电送出系统为例进行分析。该厂共有3个分厂，通过7回线路送出至3座500 kV变电站，拓扑如图6所示。

二厂至乔司的线路是送出线路中投运时间最长的，此线路所在地区的部分时间北风也较强，图7为两地风玫瑰图。

图6 智能输电线路技术的应用框架示意图

图7 核电厂地区常年风向玫瑰图

二厂至乔司站使用的双回路塔模拟点的具体位置如图8所示，图上的数字标号为疲劳分析的危险点。

图8 输电塔疲劳部位示意图

可以根据钢结构规范，估算输电塔结构疲劳寿命，具体方法是通过统计出各方向各风速下结构构件或节点连接的等效应力幅及相应的循环次数，按照Miner累积损伤准则计算出疲劳累积损伤，进而可以得到剩余寿命。表1列举了典型构件在不同工况下的损伤统计情况和疲劳寿命。

表1 输电塔在风荷载单独作用下的疲劳寿命

4 结语

本文框定了智能输电线路技术的概念和定位。首先，基于国网公司输电线路运维检修现状，从架空输电线路运维体系和业务需求出发，提出了智能化输电线路运维管理系统的概念；其次，在已建立的智能化输电线路运维管理系统的基础上，考虑输电线路的状态和风险问题，构建有效的智能输电线路技术应用框架；最终，以实际的输电线路为例，利用智能输电线路技术对杆塔进行剩余寿命分析，阐明了智能输电线路的应用前景。智能输电技术目前已经在部分地市级运维单位开展了试点应用，并取得了一定的效果。智能化输电线路运维管理系统的概念和应用框架为智能输电线路在新形势下开拓了新的发展思路和方向，希望本文的研究内容能对智能输电线路的建设有一定的指导意义。

[1]周孝信，陈树勇，鲁宗相.电网和电网技术发展的回顾与展望——试论三代电网[J].中国电机工程学报，2013，33（22）：1-11.

[2]周孝信，鲁宗相，刘应梅，等.中国未来电网的发展模式和关键技术[J].中国电机工程学报，2014，34（29）：4999-5008.

[3]梅生伟，龚媛，刘锋.三代电网演化模型及特性分析[J].中国电机工程学报，2014，34（7）：1003-1012.

[4]杨勐峣，王玮，倪平浩，等.智能输电线路远程在线监测技术的相关研究进展及发展趋势[J].电气应用，2012，31（5）：20-24.

[5]刘振亚.特高压直流输电技术研究成果专辑（2005年版）[M].北京：中国电力出版社，2006.

[6]国家电网公司运维检修部，中国电力科学研究院.输变电设备在线监测装置/带电检测技术及状态监测系统应用情况调研报告[R]，2012.