智能电网输电线路在线监测技术分析

胡 博

（国网岚皋县供电公司，陕西 岚皋 725400）

1 输电线路在线监测必要性以及基本参数

目前，国内电网存在检修周期较短、设备断电频繁、维护成本高、维护工作量大以及供电可靠性差等问题。在我国电网建设中，由于我国电网的不断发展，常规的检修方法已不能保证电力系统的运行安全和可靠运行[1]。

（1）电阻的计算。电阻计算公式为

式中：ρ表示电阻率，由导线所使用的材料决定；l表示导线长度；S表示导线横切面积。R1和R2分别表示导线在温度t1和t2情况下电阻值；T表示电阻温度系数，由导线材料决定；t1和t2分别表示温度。

（2）电容。两相输电线路之间的电容计算为

式中：D表示输电线之间的间距；ε0表示真空介电常数；r表示导线半径。

2 输电线路的在线监测技术发展时期

20世纪70年代，输电线路检测进入试验阶段，人们只是简单地对一些传输线的绝缘参数进行测试，如泄漏电流，以避免断电。该阶段仪器简陋、检测项目不多、敏感性低[2]。20世纪80年代以来，各式各样的特殊带电试验设备相继问世，现场监测技术由模拟量检测转变为数字计量，脱离传统的将仪表与检测电路相连的常规计量方式，采用传感器检测[3]。20世纪90年代以来，以计算机技术为中心的多用途微型计算机联用联机监控装置应运而生。利用计算机技术、传感技术、数字化的数据收集与处理技术，实现了对各类测量资料的实时监控，特点是信息量大、处理速度快等[4]。

3 输电线路智能在线监测

该系统通过太阳能供电、无线网络传输和自动监测等技术，实现对输变电线路的在线监测。采用图像视频处理、超低功耗、无线通信以及太阳能等技术，将监视区域的视频图像、气象信息、覆冰、绝缘子泄漏电流以及弧垂等信息通过无线网络传输至运营监控中心，并将图像、视频信息、监控器信息传输至各监控员，从而达到全面监视的目的。采用输变电线路的智能化在线监测，彻底替代手工巡查，及时排除停电事件，从而为电网监控和运行提供行之有效的方法[5]。该系统包括后台管理平台、通信网络、前端监视3个模块。后台管理平台模块包括监测及网络监视、资料及影像资料的整理、资料查询与统计、器材、使用者等；通信网路部一般采用码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）或5G网络进行前端监视及后台管理平台传送资料及影像资料，并依实务需要采用已有的光纤网路及网桥；前端监控系统采用摄像装置及各类感测器采集影像及资料，再送至后台管理平台进行后续的分析。前端的监测系统采用太阳能与风力发电，功率极小，即使在雨天也可使用。目前，高压输电管线的监控多为巡视，其监控手段有人工逐塔逐层观测和直升机航测[6]。

人工逐塔法是由线路监控者沿着一根一根的线路逐一进行检测，经常要有维护人员爬上塔架进行检修，以确定塔台接头和电线绝缘状况。这种计算不仅耗费时间，而且工作量大，为员工带来很多不确定的不稳定因素[7]。

直升机航测的方式是采用直升机沿着飞行路线逐一进行测量，并使用天文望远镜和数字摄像机进行空中飞行巡视。这种方式具有节省人力、缩短工期、扩大视角等优势。但是，使用直升机进行巡逻时成本较大，而且在空中巡逻时存在着较大的风险。基于对常规测试技术的理解，目前急需突破该技术的技术瓶颈。科学、安全、经济地保证电力系统的可靠度，已成为一种新的技术变革。在线监测技术的突破，为电网输电线路监控开辟一个崭新的领域[8]。

4 在线监测技术

当前采用在线监测技术大多集中于对影响输电线路正常运转及可能发生的各种故障进行在线监测。如对监控线路绝缘、线路运行和周围的状况以及线路的高电阻进行探测和定位。在线监测系统架构如图1所示。

图1 在线监测系统架构

4.1 导线微风振动监测技术

微风振动会引起高压电线的疲劳断裂，虽然从外表上对输电线路的损害很小，但危险性很大。输电线路的微风监控装置主要作用是输电导线的导线监控振动器可对导线与线夹接触以外的一定范围内的导线进行监控，特别是相关的天气参数。监控导线微风振动进行，不但减少因微风的震动而造成的危险，而且为输电线路的抗震设计工作提供一定的依据[9]。

4.2 导线风偏舞动在线监测技术

风偏舞动实时监控系统由气象采集单元、子站、风偏采集单元和数据处理单元组成。其中气象采集单元和子站一般布置在对应的塔台上，风偏采集单元围绕着线路进行。气象数据采集设备及风偏计所采集的气象数据，如风偏角、气象参数、气象倾斜角等，由无线电传输至资料处理中心，并由资料处理装置进行处理。采用导线风偏舞动在线监控，为电网的规划和气候条件等的规划工作奠定基础[10]。

4.3 电缆覆冰监测

由于冷热两种动力的交错作用，导致导线出现结冰现象，在温度很高的情况下，跨越的距离越远越会产生结冰，进而引起线路失效。根据结冰特性，可将其分为雨凇、混合结冰、雾凇结冰以及结冰4类。受天气、地形、道路特性等因素的制约，目前已有的监测手段有天气资料分析、监控设备视频观测、弧垂监测等。

4.4 杆塔倾斜监测技术

在矿井开采区域上方架设的杆塔，受到自然力和重力等相关的影响，极易发生地质灾害，如发生错位、地面开裂、滑坡等地质问题，造成矿井采空区杆塔倾斜甚至地基发生位移，对输电线路的安全构成有极大的影响。通过全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM），对塔架倾角设备进行在线监测，并对其进行实时预警。杆塔倾斜监测技术在220 kV高压输电系统中得到广泛应用，能够有效地检测到杆塔的位移和倾角，从而保障输电线路的安全运行。

4.5 视频在线监测技术

输电线路中的监控系统安装在林区、居民区、交通事故易发区等场所，在线监测电网的危险因素，并对其进行及时整改。输电线路视频监控系统采用视频压缩技术、数据传输技术等，可对输电线路的实际运行状态和有关的环境指标进行在线监测。然而，目前视频监控系统的运行状况仍然存在着传输量小、现场视频无法自由控制、信号有时会出现弱信号等问题，而随着5G网络和CDMA网络的迅速发展，利用无线传输技术可以实时监控输电线路。视频监控系统框架如图2所示。

图2 视频监控系统框架

4.6 在线绝缘子监测

通常，绝缘子的漏电信号主要分为稳态漏电和局放漏电，局放信号的幅度与稳态漏电信号相叠加。在绝缘子处靠近污闪时，会增加电平的振幅，使电场波形发生畸变。特征参量的改变是绝缘子工作状况的一种表现形式，三相的谐波成分也会发生相应的改变。绝缘子主要工作为配备绝缘子串联型漏电感应器，对表面稳定和局部放电进行监控，以对其进行表面污染状态的分析及闪烁报警。最大的漏电振幅由监控的平均漏电决定。

5 输电线路在线监测技术应用

5.1 传输线绝缘子污秽在线监测

通过使用绝缘漏电来判断绝缘子有无被沾染，现场操作监控分机实时测量绝缘子串，利用线缆或CDMA、5G网络将故障信号传递给检测中心，并与故障模式相配合。现已有模糊神经网络、灰色关联系统、小波神经网络等多个专家诊断模式，极大地改善了绝缘子的污染和电隔离判定准确率。目前，利用光电传感技术对等效附盐浓度和灰密进行在线监测已取得很大进展。

5.2 传输线视频监测系统

现有可视化监视系统主要包括影像与图片2种，受监控外机主供电、通信成本等限制，多数以静态影像来判定线路状态，如导线覆冰、洪水冲刷、地质不良、火灾、通道树木长高、线路大跨越、导线悬挂异物、线路周围建筑施工以及塔材被盗等问题，通过互联网进行图像数据传送。但是，针对线路的舞动等动态信息的监控，建议采用视频监控和网络技术进行视视频与信息传送，5G建成将促进无线电视技术的推广，从而为输电线路、线路的监视和运行提供新的途径。

5.3 导线温度以及在线增容采用在线监测

现有扩容技术有静态的温度升高和动态的监控2种。静态升温扩容技术是在现有技术规范中将环境气温设定为40 ℃，使线路上的流速和光照强度达到规范的要求，并将导线的最高温度从70 ℃提升至80～90 ℃，以增加导线传输功率。动态监控是在输电线路中设置在线监测系统，监控导线的温度、张力、弧垂等情况，还监控气象情况，并通过数学建模确定导线最大容许负荷，从而达到最大传输功率的目的。

5.4 输电线路防盗报警监测系统

早期报警系统的基本原则是以红外线探测（无源红外线报警）、声控探测、断线报警监控为基础。目前，我国已研制出许多新型防盗系统，包括微波感应式防盗系统、基于加速传感器的防盗系统、基于振动传感器的防盗系统、感应式防盗系统等。4种监控体系结构大致相同，包括监控分机、监控中心和巡检人员。监控分机主要包括前端传感部件、微处理器或数字信号处理（Digital Signal Process，DSP），对杆塔周边运动目标进行在线监测，判断杆塔有无失窃的线路、位置、时间，并向现场巡查。

6 结 论

根据我国现有输电线路的在线监测技术现状，多项技术已有较大进展，但仍有技术标准化、技术稳定性不足等问题，因此需要技术人员不断创新，为技术空白之处增添色彩。