智能电网输配电线路在线监测与故障诊断综合系统

研究与开发　智能电网输配电线路在线　监测与故障诊断综合系统　白利军　（呼和浩特供电局营销配电处，呼和浩特０１００５０）　摘要　随着国家智能电网建设的规划与实施，在线监测技术作为智能输电的关键技术之一，　也在朝着智能化的方向发展。基于这一思想，研发了覆盖全国各网省公司的输电线路综合在线监　测系统，简述了其系统构成及技术特点，建立了覆冰厚度、舞动机理、绝缘子污秽分析等数学模　型，并给出了监测主副分机的具体设计方法。　关键字：智能电网；智能输电；特高压输电线路；在线监测技术　Ｓｍａｒｔ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｌｉｎｅ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｆａｕｌｔ　Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＢａｉＬＵｕｎ　（Ｈｏｈｈｏｔ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｍｐａｎｙ　Ｍａｒｋｅｔｉｎｇ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，Ｈｕｈｅｈｏｔ　０　１　００５０）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｍａｒｔ　ｇｒｉｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｓ　ａ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｍｏｖｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｉｓ　ｉｄｅａ，ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ａ　ｎａｔｉｏｎｗｉｄｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｏｆ　ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　ｃｏｍｐａｎｉｅｓ　ｏｆ　ａｌｌ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｏｎｌｉｎｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．ｏｕｔｌｉｎｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ｓｅｔ　ｕｐ　ｉｃｅ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｗａｖｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅ１　ｏｆ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒ　ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ　ｇｉｖｅｓ　ｍａｉｎ　ａｎｄ　ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ　ｏｆ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｍａｒｔ　ｇｒｉｄ；ｓｍａｒｔ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　１ｉｎｅ：ＵＨＶ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ：ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ　近几年，智能电网越来越多的引起了人们的关　利用方面，风能、太阳能等可再生能源利用率较低，　注。智能电网建设涵盖了电力系统发电、输电、变电、　现阶段我国智能电网围绕清洁能源的有效利用以及　配电、用户、调度及通信各个环节。作为智能输电环　坚强输电网络的建设和维护等方面。　节关键技术之一的在线监测技术，在我国起步较晚，　输电智能化主要体现在以下几个方面：①广泛　最近几年国内部分高校和厂家陆续开展相关工作，开　采用柔性交流、直流输电技术，充分利用现有电网　发了一　输电线路在线监测装置和系统，例如：覆冰　资源，提高输电线路稳定性和线路输送能力，优化　监测，舞动监测、绝缘子污秽监测等ｌ】Ｊ。但前期产品　电网运行条件，降低输电成本；②建设覆盖全国的　在装置稳定性，工艺生产等方面存在一些不足，此外，　能源输送通道，全面实现“西电东送，南北互供”；　智能化程度不高，不能满足智能输电的需要。为满足　③建立覆盖全国范围的输电线路状态监测系统，实　智能输电的要求，亟需建立一个覆盖全国各网省公司　现对微气象信息和设备运行状态信息的集中实时采　的输电线路综合在线监测系统。　集，并给出灾害预警信息，并在此基础上建立国家　１　智能输电　防灾预警体系［３－５１。　世界各国根据国情的不同，智能电网发展的侧　２系统简介与设计　重点有所不同。欧美等发达国家电网格局已基本稳　２．１系统简介　定，智能电网的研究重点放在配电和用电领域ｌ２Ｊ；　１）系统构成　我国能源分布和电力负荷极度不平衡，此外在能源　智能输电线路综合在线监测系统由国家电网总　ｆ　４２　Ｊ电　技，ｌｔ　２０１２年第３期　研究与开发　英谐振器（Ｙ２）和２个电容（Ｃ３６和Ｃ３７，２２ｐＦ）　构成一个３２ＭＨｚ的晶振电路，用１个３２．７６８ｋＨｚ的　石英谐振器（Ｙ１）和２个电容（Ｃ１和Ｃ２，１５ｐＦ）　构成一个３２．７６８ｋＨｚ的晶振电路。电容Ｃ３和Ｃ２７　（２２０ｎＦ）为电源滤波电容，以提高芯片工作的稳定　性。整个无线ＺｉｇＢｅｅ模块接口电路采用两排１２脚标　准的排针，将ＣＣ２４３０单片机所有的２１个ＩＯ引脚以　及电源引脚、复位引脚全部引出，在应用中就可以根　据实际情况进行相应的１０功能定义，大大增强了无　线ＺｉｇＢｅｅ模块的通用性以及互换性［１训。　Ｎ　图３无线ＺｉｇＢｅｅ模块硬件原理图　３专家软件　监测量与故障之问缺乏一一对应关系，专家软　件中智能算法的设计是系统设计的难点，目前模糊　控制、神经网络、专家知识和小波分析等智能算法　已经开始应用于在线监测［３１。专家软件主要分为４　个处理单元：导线处理单元、杆塔处理单元、绝缘　子处理单元和视频处理单元。　３．１导线处理单元　１）舞动监测：导线舞动分析采用三自由度数学　模型［３】，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、水平及扭转振动的系统，其３　个自由度的运动方程为　（１）垂直方向　＋２慨　＝　ｃｏｓ０ｏ０２　０１一　＋２０　一　。　ａ．２，Ｉ　４４　１电黾技谍２０１２年第３期　（２）水平方向　窘＋２Ｐｕ　ＺＤＣＤ＋２蟛　詈＋　＝　一　＋　。　（３）扭转方向：　，　，　十（　一　１　Ｄ２　ＯａＣＭ　—　曙ｓｉｎ　］　＝－ｒｒ￣ｒｇｃｏｓ　一　ｓｉｎ　一　１　。Ｄｆｌ　ｄＸ　ｍ，　式中，　ｉ为单位长度覆冰质量；％为初始覆冰角；　ｒ为导线半径；Ｒ为特征半径；　为风速；Ｄ为迎　风尺寸，此处为导线直径；　为攻角；Ｐ为流体（此　处为空气）的密度；　、ＣＤ为升力与阻力系数。　２）覆冰监测：根据线路导线覆冰后的重量变化　以及绝缘子的倾斜／风偏角进行覆冰载荷（覆冰厚　度、杆塔受力、导线应力等）计算，直接与线路设　计参数比较，当覆冰达到预警值，及时给出报警信　息。计算公式详见参考文献［３］。　３）温度及动态增容监测［３１：增容技术的关键在　于根据外界环境条件和导线本身特性，计算出导线　载流量。导线载流量的计算公式很多，也很繁琐，　但在一定条件下，可将其简化，当雷诺系数为１００～　３０００时，即环境温度为４０￣Ｃ、风速０．５ｍ／ｓ、导线温　度不超过１２０￣Ｃ时，用于直径４．２～ｌＯＯｍｍ导线的载　流量计算。其摩尔根简化公式为　一　ｒ一／９．９２　Ｄ）。４　＋ｒｔｓＤｋｅ［（２７３＋ｔ￣）　一（２７３＋ｔｏ）　卜７　８Ｒｄ　式中，Ｉ为安全载流量，Ａ；　为导线的温升，℃；ｔｏ　为环境温度，℃；ｔ　为导体稳态温度，℃。　在实验室假设气象条件下，对该公式进行验证　发现，计算出的载流量和简化前的公式计算出的载　流量非常接近，采用摩尔根简化公式可以充分保证　导线运行的安全性［３］。　４）微风振动监测：通过监测导线的弯曲应变、　导线温度以及风速、风向等信息来计算输电线路的　微风振动频率、振幅等情况，并通过相应算法判断　导线的疲劳磨损寿命，对线路安全运行进行评价，　在疲劳损坏前给出预报警信息，及时采取措施，减　少风振损失。　３．２杆塔处理单元　１）防盗报警监测：监控中心接受到监测分机发　送的短信，可以及时获取现场信息。同时，专家软　件数据库存储杆塔的基本信息（线路、编号、位置　等）以及各巡检人员的手机号码，监控中心定期向　监测分机发出巡检信息，若某监测分机没有回复短　信，则通知巡检人员进行现场检修『３】。　２）杆塔倾斜监测：暴雪、台风等恶劣天气容易　导致杆塔倾斜，通过双轴倾角传感器测出杆塔在顺　线路方向和横线路方向倾斜角度，进而计算出杆塔　在顺线路方向和横线路方向的倾斜度和综合倾斜　度，当达到警戒值时给出报警信息＿３】。　３）绝缘子处理单元　（１）风偏监测：根据风偏角计算模型以及最大　风偏角修正方法［８］，绘制各项数据的曲线图，结合　风速、雨量等环境信息，得出风偏角的范围。当风　偏角超过预警值时，给出预警信息。　（２）污秽监测：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［引。其具体计算步骤如下　①选取参考序列　Ｙｉ＝｛Ｙｉ（足））＝｛Ｙｉ（１），Ｙｆ（２）…，Ｙｉ（ｕ））　比较序列：　＝ｔｘｊ（　＝｛　（１），　（２）一；ｘｊ　②数据规范化　数据规范化是为了消除数据量纲影响，合并数　量级，使整个序列具有可比性，常用的有化均值化、　区间值化和归一化等方法。此处采用均值化法处理　数据，按下式处理后得新序列：　Ｘ’　＝ＸＯ＂（尼）／ＸＯ＂（后）　③计算关联系数　，　ｒｒｉｆｎｒｒｉｆｎＩ　（　一ｘ＇Ａｋ）Ｉ　—Ｉ　（　一ｘ＇ｊ（ｋ）ｌ　　Ｉ（　—　（　ｌ　—ｌ　（　一ｘ＇Ａｋ）ｌ　式中，Ｐ为分辨系数，它反映了系统各个因子对关　联度的间接影响程度，通常取Ｐ＝０．５。　④求序列对序列的关联度　１—　＝二＞　Ｌｕ（一尼）　ｉ＝１　⑤排关联序或分析关联矩阵　将　，依大小顺序排成一列，以明确各子序列的　“主次”“优劣”关系，即与母序列变化状态越接　近者，关联度越大。对于多序列比较则可生成关联　矩阵。　利用该方法量化分析了绝缘子泄漏电流变化与　研究与开发　相对湿度、温度、温度变化率等气象因素变化的接　近程度，得出了各气象因素均与泄漏电流相关，且　相对湿度关联度最大。　３．３视频处理单元　监控中心接收各装置的数据，利用专家软件植　入的ＨＤｅｖｅｌｏｐ智能算法对视频进行分析，并将信　息存入数据库中。用户通过专家软件系统可随时查　阅任意地点的图像资料，结合环境信息，决定是否　派人巡视。也可将多幅图像进行对比，以观察线路　周围树木等的发展趋势。　４现场运行数据　系统在南方电网公司贵州１１０ｋＶ土杨松茅线等　现场进行了测试与运行，获得了较理想的结果，其　部分运行数据如下：①为２００９年１月３１日一２月５　日监测的现场微气象信息，其中ａ为环境湿度变化，　ｂ为环境风速变化；②为２００９年２月４—６日监测　的现场导线数据，其中ａ为导线温度变化，ｂ为导　线最大拉力变化。通过分析数据可以看出系统可以　精确的采集微气象信息和设备状态运行数据，为状　态检修、灾害预防提供了有效手段。　（１）现场微气象数据　＿【一　０●　０，０００　２５　ｏ∞～＿【　０．　０．西００　量２０　一西＿［　ｏ　０●　０ｏ　０ｏ一∞＿［　０．　０．∞００　１５　．【¨心＿【　０●　０●　００　赠　篓１０　＿【　～　＿［　０●　０●　００　∞　【＿￡＿＿［０●西ｏ０　５　０　ｎ　甲千　甲　甲甲　昌８　（ａ）环境温度变化　砷一　Ｈ　一　Ｌｒ）　甲甲甲甲甲ｇ詈詈ｇ　ｇ　ｇ叩叩叩　　Ｉ　ＩＩ　ｌ　Ｉ　ｌ　　Ｉ甲甲０曲甲０　０甲甲　西　Ｉ　ｌＩ　ｇ　ｇ　Ｉ　ｌ　　Ｉｌ千甲西　甲　∞　ｏ　０　０　０　０　ａ、　０　０　０　０　０　ｏ　０　０　０　０　ｏ　０　０　ｏ　ｏ　０　０　０　Ｎ　０　０　０　ｏ　０　０　０　（ｂ）环境风速变化　图４　（２）现场导线数据　Ｉ　２０１２年第３期电叠｜ｌ技雍ｌ　４５　研究与开发　过神经网络、小波变换等先进数据处理算法，实现　输电线路状态的全面在线监测与预警。　一ｐ一　骧　砷　８　６　４　２　０　８　６　４　２　０　参考文献　㈨　ｍ　㈨　∞一　～ｎ　∞　一＿［　０●　０．西００　０●　０●０００　０．　０●中００　曲。＿　０－　０ｏ　０＇［＿￡＿［　甲　－６００　０●　０●　００　∞　一＿【　［１］　黄新波，张国威．输电线路在线监测技术现状分析［Ｊ】．　广东电力，２００９，２２（１）：１３－２０．　一０＿【　０．　０．　００　０　¨心　０．　０．铘００　葚Ｉ￡＇［∞ｏ＿ｇ士００　［２］　傅书遢．中国智能电网发展建议［Ｊ］．电力系统自动　０＿１＿［　０＿ｚ。－６００　一　＿［　０●　０．０ｏ０　焉　＿【　０　。－　００　化，２００９，３３（２０）：２３—２６．　＿８兽　０＿　００　０＿　＿６００Ｎ　一　０●　０●　００　【３】　黄新波等．输电线路在线监测与故障诊断［Ｍ】．北京：　【ｏ　。－　。－　００　～　０●Ｎ０，　００　＿［一０　０．　０．　００　＿［Ｉｃ　０＿　士０ｏ　中国电力出版社，２００８．　：ｌｄ　０￡＝．［　ｏ－　＿６ｏ０　＿【０一ｎ　０●　０．　００　、，　一∞＿［　０●　０●０ｏ０　＿０　０●　０＿６００　［４］　国家电网智能化规划总报告（征求意见稿）．北京：国　长　００一心　０．　０，西００　００一　寸０．　０●　００　＋＜　家电网公司，２０１０．　Ⅲ　螂　［５］　陈辉祥．柔性交流输电技术的发展及其应用［Ｊ］．广东　仲　电力，２００２，１５（６）：１１－１４．　【６］黄新波，孙钦东，程容贵，等．导线覆冰的力学分析与覆　冰在线监测系统［Ｊ］．电力系统自动化，２００７，３１（１４）：　９８一ｌ０１．　［７］沈建华，杨艳琴，翟骁曙编著．ＭＳＰ４３０系列１６位超低　（ｂ）导线最大拉力变化　功耗单片机原理与应用［Ｍ】．北京：清华大学出版　图５　社，２００４．　５　结论　［８］　王声学，吴广宁，范建斌，周军，蒋伟．５００　ｋＶ输电线路　悬垂绝缘子串风偏闪络的研究Ⅲ．电网技术，２００８，　１）系统采用ＺｉｇＢｅｅ无线网络和ＧＰＲＳ无线通　３２（９）：６６—６９．　信相结合的方式，解决了输电线路在线监测领域中　有线数据传输引入的困扰，特别是导线监测信息的　［９］　黄新波，刘家冰，王向利．基于ＧＳＭ　ＳＭＳ的绝缘子污　秽在线遥测系统［Ｊ］．广东电力，２００５，１８（４）：３６—４０．　采集和传输问题。　［１０］黄官宝．架空输电线路舞动在线监测系统［Ｄ］．西安：　２）故障诊断理论模型的设计一直是制约在线监　西安工程大学，２０１０．　测技术发展的难点之一，本系统建立了导线舞动、　覆冰、导线动态增容、绝缘子污秽等数学模型，通　ｔ　皇　西门子着眼经济型市场推出Ｓｉｍａｔｉｃ宜控系列ＩＰＣ　西门子近日在华推出了最新的Ｓｉｍａｔｉｃ宜控系列ＩＰＣ。　的工业自动化系统可以优化生产效率、提高生产力。西门子推　Ｓｉｍａｔｉｃ宜控系列ＩＰＣ是专为中国客户设计的工控机产品，　出宜控系列是针对中国市场发布的一款新产品，丰富了产品线　也是西门子领先的工业自动化产品家族中的一员，具有极高　后的Ｓｉｍａｔｉｃ　ＩＰＣ将帮助更多的行业用户提高工厂效率。”　的性价比，可满足中国客户对经济型ＩＰＣ的需求。依赖于中　宜控系列秉承了西门子ＩＰＣ家族系列主板设计的优势　国常规库存，该系列产品可帮助客户大大缩短产品上市时间　和特点，各代产品之间具备很好的兼容性，也可轻松集成　从而提高生产效率。Ｓｉｍａｔｉｃ宜控系列ＩＰＣ有两类产品——　ＨＭＩ、Ｐｒｏｆｉｂｕｓ和以太网。相关数据集成后，工厂的可视化　机架式（Ｓｉｍａｔｉｃ　ＩＰＣ５４７ｅｃｏ）和箱式（Ｓｉｍａｔｉｃ　ＩＰＣ４２７ｅｃｏ），　程度将获得极大提高。与Ｓｉｍａｔｉｃ　ＩＰＣ其他产品相比较，宜　共七种不同配置，使产品选型更加简捷方便。　控系列兼具德国制造的优良工艺和品质，并只在中国市场进　产品发布会上，西门子（中国）有限公司工业业务领域工　行销售、由中国本土团队提供相关服务，使得该系列产品不　业自动化集团自动化系统部总经理马格瑞表示：“西门子集成　仅拥有极高的性价比，也确保了更短的供货周期。　４６　Ｉ电篁墨ｌ技，ｌｃ　２０１２年第３期