基于无线通信技术的智能输电线路在线监测技术研究

张睆曦，朱 琳

（1.中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南 长沙 410007；2.中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南 长沙410007）

0 引 言

智能输电线路是智能电网建设的重要组成部分，其最重要的特征是线路设备智能化。为使输电线路更加智能化，需要使用先进的控制技术，同时辅以先进的信息通信技术在线监测整个线路的状态[1-3]。本文针对湖南省永州市蓝山县塔峰镇至湖南省郴州市临武县的220 kV智能输电线路本体采用高导电率导线、低耗能金具、微型桩基础，且沿线处于重冰和中冰区域，地质复杂气候多变等特殊情况，提出了基于智能输电线路特点的在线监测系统模型[4]。该系统作为智能电网信息化的支撑平台。同时，该模型对导线温度、导线弧垂、微气象、覆冰、防山火、污秽以及杆塔扰度等状态在线监测，以确保输电线路运行可靠性。依托省网光纤通信网络和工程生产管理系统（Power Production Management System，PMS）建立统一的管理平台，实现管理的规范化和标准化。

1 系统概况

塔峰-临武220 kV智能输电线路是国家电网公司智能电网创新示范工程之一，通过智能输电线路创新示范，建设节能环保输电线路，实现输电线路状态监测与输电线路智能化巡检。该线路起始于塔峰220 kV变电站，止于临武220 kV变电站。线路全长48 km，20 mm重冰区长13 km、15 mm中冰区长35 km。导线截面2×LGJ-300、15 mm中冰区两相导线采用2×JL/G1A-300/40型钢芯铝绞线，其余一相导线2根均采用OPPC-12B1-300/40型相线复合光缆；20 mm重冰区两相导线采用2×JL3/G1A-300/50型钢芯高导电率铝绞线，其余一相导线2根均采用OPPC-12B1-300/50型相线复合光缆[5]。

2 系统总体设计

由于塔峰-临武220 kV智能输电线路所经区域覆冰、雷电等自然灾害严重，安装导线温度、导线弧垂、微气象、覆冰、防山火、污秽以及杆塔扰度共7类在线监测装置，系统总体框图如图1所示[5]。

图1 在线监测系统总体框图

3 在线监测系统建设方案

3.1 在线监测装置布置原则

根据不同区域的特征，选取合适的在线监测装置进行装设。一是在重要跨越段以及输送能力须提高的重要线路装设导线温度状态监测装置。二是在线路间发生交叉跨越的重要区域、因安全距离不够而发生过事故的区域以及因使用新型导线而具有新型导线弧垂特性的线路段装设导线弧垂状态监测装置。三是在位于高海拔区山坡的迎风面、垭口、风道、水面附近、重覆冰区以及在冬季与主导风的夹角大于45°的线路段装设导线覆冰状态监测装置。四是在有土质问题的采空区、沉降区和不良地质区段，如土质松软区、淤泥区、易滑坡区、风化岩山区或丘陵等装设杆塔倾斜（扰度）状态监测装置。五是在由于气象问题容易导致线路故障的区域和大跨越、易覆冰区和强风区等特殊区段以及一些无传统气象监测的区域装设微气象状态监测装置。六是在现有的污区等级点、污染严重的区段以及曾发生过污闪和爬距不够的区域装设现场污秽状态监测装置。七是在容易发生火灾的区域、森林、植被茂密区域以及其他易发生火灾区域装设防山火监测装置。塔峰-临武220 kV智能送电线路在线监测系统安装布点方案具体如表1所示。

表1 在线监测系统布置表

3.2 智能线路在线监测装置设计

以下就塔峰-临武220 kV智能送电线路5类典型的在线监测装置进行设计和分析。

3.2.1 导线温度在线监测

线路本体采用高导电率导线，且洋山头区段地处20 mm冰区段，因此该处采用1套导线温度监测装置。导线温度监测系统包括导线温度监测仪和状态监测装置，导线温度监测仪安装在导线监测点，监测导线的运行温度、数据通过4G或5G通信方式将监测参数发到状态监测装置，再转至监测中心，通过系统分析软件进行研究和分析，为线路运行部门提供实时数据依据。导线温度监测仪采用接触式测量法，具有数据准确可靠、可全天候测量的优点；导线温度监测仪小巧轻便，可以很方便地安装固定于连接金具附近；温度监测仪具有自供电的特点。

3.2.2 微气象在线监测

根据微气象特征，将线路易覆冰的区段称为覆冰区，易舞动的区域称为舞动区，易微风振动的区域称为微风振动区，易发生污闪的区域称为污秽区，以上本文统称为微气象区。本工程在湖南省永州市蓝山县洋山头区段20 mm冰区安装1套微气象在线监测装置，微气象在线监测系统由一体化数字传感器（环境温湿度、风速风向、雨量、气压以及日照等）以及状态监测装置组成，可将采集到的气象数据及变化情况传送至监控中心，为灾害预测、线路检修提供气象信息。智能输电线路的安全、维护等均与气象条件有着密不可分的关系，将采集到的微气象信息进行分析和研究，可以知道此时的微气象对线路的危害程度，从而及时调整线路的运行与状态检修，有效保证线路安全，实现经济运行，保障电力建设施工。该监测系统能收集复杂恶劣条件下线路运行的实际资料，为今后的线路设计、规划以及状态检修提供参考。

3.2.3 覆冰在线监测

依据覆冰产生条件，选取洋山头20 mm冰区安装覆冰监测装置（拉力传感器、图像或视频装置等）。覆冰监测系统通过采集导线拉力、倾斜角度，结合气象数据预测导线上的覆冰厚度以及覆冰变化的趋势进行分析。此时，通过监测装置对线路绝缘子串的倾斜角、风偏角以及拉力的情况进行实时监测，通过数学模型对微气象环境监测装置的观测数据进行智能分析，同时通过视频在线监测系统对该段线路进行实时观测，实现了线路覆冰时对线路的智能监测。

根据湖南省电力公司融冰装置配置方案，湖南省郴州市宜章县五岭镇福冲220 kV变电站设有1套直流融冰装置，塔峰-临武线路位于该装置的融冰范围内，从福冲220 kV变电站接线至临武220 kV变电站，使用直流融冰装置进行融冰，一旦监测到线路覆冰现象很明显，立刻启用直流融冰方案。

3.2.4 杆塔倾斜（扰度）在线监测

湖南省郴州市临武县杨乌磊区段位于15 mm冰区与20 mm冰区分界处，且采用微型桩基础，地质、气象环境复杂，因此该处档距较大段杆塔采用1套杆塔扰度在线监测。输电线路杆塔倾斜在线监测系统使用倾角传感器实时监测杆塔的倾角，将测量到的杆塔、拉线的倾斜角度以及微气象在线监测装置测量的数据通过光纤通信网络实时传输数据。利用杆塔倾斜模型计算杆塔的倾斜度，得出此时杆塔的倾斜情况。对于塔基松动、地质变化引起的塔基倾斜以及导线覆冰引起的塔头倾斜及时发出报警和抢修信息，防止倒塔事故发生。

3.2.5 污秽在线监测

湖南省永州市蓝山县塘家冲为矿区规划区，绝缘子污秽较严重，该处使用1套绝缘子污秽监测系统。绝缘子污秽监测装置安装在送电线路杆（塔）上，通过测量光传感器的光功率衰减量、环境温度、相对湿度，完成现场污秽物（盐密）、温度、湿度的实时监测。监测数据通过光纤通信网络传送至监测中心，可推导出相应的盐密和灰密值，为绘制线路污染区域分布图提供依据。线路运行维护部门可以及时了解线路积污状况，及时对线路污区进行处理，从而实现线路污秽的状态检修，避免线路发生污闪。

3.3 通信网络

线路在线监测装置传感器布点较集中，加之部分线路经过丘陵、山地，公网信号偏弱，同时考虑塔峰—临武220 kV线路全线架设有光纤复合相线（Optical Phase Conducto，OPPC）光缆，因此在线监测系统的信息传输主要使用光线通信网络，并采用无线通信网络作为辅助手段的通信方案。根据监测装置布点，全线共7基杆塔需安装在线监测装置，其中5基杆塔上装有光纤通信设备和光缆接续盒，在线监测信息利用OPPC光纤中的2芯进行传输，其余2个点需通过无线4G、5G通信方式接入最近的光设备上。即部分监测点利用OPPC中的4芯（主用2芯，备用2芯）传输信息，另一部分监测点采用无线Wi-Fi方式就近接入电力光纤通信专网，再通过省光纤通信网络传输至省监控中心，其网络拓扑结构如图2所示。

图2 光纤通信网络拓扑结构

根据OPPC相线复合光缆的特性，其可靠、安全的便利条件，依附着电力线铁塔，将OPPC光缆作为主要传输方式，在OPPC不能破口的杆塔监测点利用无线接入方式就近接入附近的光纤通信专网，再经湖南省网电力主干通信电路传输至省监控中心。监控中心可以分析判断，给出相应的预警信息，通过生产管理系统对数据信息进行分析和诊断。本系统组建的通信网络，不仅对线路巡检、运行检修等提供移动作业支持，还可以为线路沿线各状态监测设备提供数据接入和传输服务，是线路智能巡检的基础。

4 结 论

本文建立了智能输电线路在线监测系统整体框架，介绍了5类典型智能输电线路在线监测装置的关键内容与监测方法，为以后智能输电线路在线监测系统的建设与发展提供依据。智能输电线路在线监测系统能够实时监测输电线路的微气象信息以及运行状态，通过分析线路运行实时传回的各项参数，能及时判断线路出现的故障并提供警示，便于及时采取绝缘子清扫、覆冰线路融冰等措施，降低输电线路事故发生的概率。建设智能线路在线监测系统，对于开展线路全寿命周期管理，实现线路运行状态化、巡检智能化，提高线路运行安全性，建设坚强智能电网具有重要的作用和意义。