输电线路在线监测系统设计*

张运周，李 明

（广东电网公司珠海供电局，广东珠海 519000）

0 引言

由于我国工农业生产对电力需求量的不断增加，电力供不应求的矛盾日益突出。解决矛盾的方式有很多种，其中提高输电线路的可靠性是一种经济和快捷的方式。输电线路在线监测系统可以对输电线路进行实时的、动态的监控，是输电线路稳定、安全运行的保证，能够提高输电线路的可靠性[1]。

输电线路振动、风偏、杆塔倾斜及气象在线监测系统包括微风振动、风偏、杆塔倾斜和气象4 个子系统以及后台专家分析软件系统，通过监测线路导线振动幅度、振动频率、导线和绝缘子风偏角、杆塔倾斜角及现场气象参数等运行状态和环境参数，实现监测数据的统一接收、显示、在线分析和决策，为输电线路生产管理和运行维护提供统一的数字化管理平台，为全面、准确地分析与评估输电线路安全运行状态提供实时有效的数据依据和科学保证。

1 系统的设计要求

输电线路振动、风偏、杆塔倾斜及气象在线监测系统设计本着合理、实用、可行、可靠的原则，为了使系统扩容方便、标准开放、功能全面，采用当今先进、成熟的技术设备，力求软硬件系统具备最高的性能价格比。系统的设计具体要求如下：

（1）设计目标：系统应在任何时候能对输电线路振动、风偏、杆塔倾斜及气象等数据进行智能分析和监测，以便及时了解线路的运行情况；

（2）通讯方式：系统应能兼容3G EVDO/WCDMA 通讯网络，只要有3G EVDO/WCDMA 信号的地方均可使用，不用自建和维护通讯网络，通讯距离不受限制；

（3）供电方式：采用太阳能及蓄电池电源供电；

（4）数据采集：系统可以采集现场的各种数据，通过无线公网传输到监控中心，并作出分析判断；

（5）系统安装：系统应能不停电即可安装，安装地点灵活方便，装置拆卸方便，在该测点不需要监控时可自行安装到其他监控点；

（6）抗高、低温：系统自身能在低温条件下工作；

（7）电磁兼容：系统安装在线路塔基上，可以抗电磁干扰，电磁兼容强；

（8）防雷设计：室外设备要具有防雷设计；

（9）防水防腐：室外设备要具有防水防腐蚀设计。

2 在线监测系统的总体方案

整个系统由主站、子站、各种监测仪以及电源系统组成。

在输电线路导线上安装振动监测仪测量导线振动幅度、振动频率，在绝缘子串和耐张塔跳线中间位置安装风偏监测仪测量绝缘子及导线风偏角，在杆塔上安装杆塔倾斜监测仪和气象观测装置测量杆塔倾斜角及现场气象参数，然后将这些测量的线路运行状态和环境参数由监测仪通过通信电缆或433 M/Zigbee 无线通信方式传送到安装在杆塔上的子站，再由子站通过GPRS 或者3G 方式将数据传送到主站系统。

主站系统遵循先进、实用、经济、高效的原则，基于开放性结构，充分满足系统的维护、扩容和升级等方面的要求，支持第三方标准模型插件。在数据接收、数据处理、数据转发环节满足数据完整性和准确性要求，保证信息、分析结果的正确性。系统平台充分考虑系统安全的要求，遵循电力二次系统安全防护的要求，并提供详细的操作、运行日志，以便于发现应用系统的安全隐患。

子站是安装于塔上的一种采集单元，由主控制单元、通信单元、电源控制单元、机箱构成。子站主控制单元主要由数个功能模块构成，每个模块采用标准化设计，根据监测需求可以灵活配置及扩展。子站单元的结构如图1所示。

图1 子站单元的结构图

子站通信单元主要由子站与监测仪、子站与主站通信两部分组成，其中子站与监测仪通信采用通信电缆或433 M/Zigbee无线通信方式[2]；子站与主站通信采用公网（GSM/GPRS/CDMA/3G）或者电力专网（OPGW 复合光缆配合WIFI/MESH 技术）。

子站电源控制单元采用太阳能+蓄电池方式，具有以下功能：对电源电压监测功能；低电压保护功能；过电流保护功能；自动休眠的功能；具有智能电源管理功能。

根据系统设计要求，系统结构如图2。

3 无线通信网络解决方案

输电线路在线监测系统的子站与主站之间的通信主要采用目前先进的3G 无线公网。在3G 未覆盖区域，可以用GSM/GPRS 或者电力专网传输数据。

3G无线公网数据传输技术是第三代移动通信技术的简称，是支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术，包括TD-SCDMA、W-CDMA、CDMA2000[3]。目前在南方一般采用中国电信的CDMA2000（3G-EVDO）网络，在北方一般采用中国联通的WCDMA 网络。该技术是一项全新的网络技术，可以为在线监测系统同步实现数据的远程采集、传输、储存和处理功能，具有传输距离远、速度快、抗干扰能力强、无需铺设电缆、投资成本低等优势。数据传输原理如图3 所示。在移动3G 信号覆盖区域内，充分利用3G 公共网络通信平台，实现中心对多点的数据传输；在无移动信号覆盖区域外，可以借助无线数传电台，通过无线与无线的接力，实现数据传输。

图2 系统结构示意图

图3 数据传输原理图

4 系统设计中采用的关键技术

（1）低功耗及新能源应用技术

由于监测设备安装在野外杆塔或者导线上，并需要对线路状态进行长年24 小时不间断监测，所以设备供电是一个难题。目前主要有以下几种方法。

一是使用高能锂电池，但实际上由于锂电池既不耐高温也不耐低温，故锂电池在野外恶劣条件下的使用时间不长，不能满足输电线路设备长期无故障工作要求。

二是以太阳能电池对蓄电池进行浮充的供电方式，采用微处理器对电池特性进行检测，按照蓄电池充放电特性曲线进行充电控制。杆塔倾斜监测仪、气象观测装置和子站系统采用这种方式供电。

由于安装在输电线路野外现场的监测装置没有可供使用的交流电源，为此必须借助能量收集技术，开发独立的供电装置。目前在高压输电线路监控项目主要利用太阳能电源装置，以此解决监测装置的供电问题。

太阳能电源由太阳能电池板、蓄电池及充放电控制器。充放电控制器的功能是将太阳能电池板供给的电压转换成稳定直流电压，给监测装置供电，并给蓄电池充电，完成电能的存储。在夜晚无法供给太阳能或阴天等气候情况太阳能供给不足时由蓄电池继续给监测装置供电。

三是高压线路的导线取能方式，这种高压导线感应取电的方式，给安装在线路导线上的在线监测仪供电，使用起来非常方便。振动监测仪和风偏监测仪采用这种方式供电。

（2）无线通信及抗干扰技术

监测设备处于野外强电场环境中，工作条件恶劣，对整个系统的稳定性、可靠性和抗干扰能力要求较高，尤其是对通信链路信道的可靠性要求更高。

采用具有状态监测及自动重连功能的底层通信模块，实时监测线路状态。一旦发现线路异常中断，立即从信道路由表中查找新的链路进行自动重连，提高了远程通信系统的可靠性和灵活性。系统应用底层通讯模块开发远程数据通信软件，完成数据自动通信功能。

在高电压、大电流的强电场环境中，以微电子线路为主体的微处理器、计算机及网络等监测装置常受到强电磁辐射、雷电冲击、高频噪声和谐波干扰等，引起系统可靠性降低，产生误动作，甚至“死机”。为解决抗干扰问题，系统在硬件和软件方面采用了相应措施。

在硬件方面，除少数传感器外，数据采集单元都置于完全屏蔽的屏蔽盒中。传感器的输入接口，采取防渗、防串扰等措施，确保接口的可靠性；采用屏蔽盒内多层隔离的方法，防止大信号串入烧坏核心电路；采用冗余设计，确保单个传感器失效时，仍能正常工作。

在软件方面，微处理器软件除设置有常用的看门狗、防飞指令外，还设置有大量的错误陷阱及标志，一旦程序出现问题，系统都能采取复位、自动纠错等方式自行维护，保证软件正常运行。另外，对于一些重要数据和标志，设备还采用多重备份的方式进行保护。

（3）传感器探测技术

传感器是系统的首要部件，是能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器应准确、快速地响应被测量的各种各样的变动，主要通过其两个基本特性——静态特性和动态特性来反映被测量的这种变动性。

系统有微风振动传感器、倾角传感器、杆塔倾斜传感器、风速风向传感器、温湿度传感器和雨量传感器，主要采集振动幅度、振动频率、绝缘子及导线风偏角、杆塔倾斜角、风速、风向、温度、湿度和雨量等数据。

（4）信号处理及诊断技术

对传感器采集信号进行处理分析的目的是抑制干扰和提取信号特征，其方法可分时域分析、频域分析等。

诊断技术的发展趋势是传感器的精密化和多维化、诊断理论与诊断模型的多元化、诊断技术的智能化。其中，智能诊断方法有模糊逻辑、神经网络、进化计算和专家系统等；以特征量性质的诊断方法有阀值诊断、时域波形诊断、频域特征诊断和指纹诊断等。

（5）监控中心服务器软件管理技术

控制中心的设计相对于监测站的设计开发来讲较为简单，硬件设计少，除了普通微机（或工作站、工控机）外，还需要网络接入设备。控制中心的设计开发主要集中在应用软件的设计开发上，一般是基于Windows 操作系统的。当前用于此类软件开始、调试的工具较多，且功能强大，给控制中心软件的设计带来便利。

5 结论

系统的软、硬件设计完成后，在实验室进行了联合调试，基本上达到了系统的设计要求。在线监测系统的监测数据除了本系统涉及到的振动、风偏、杆塔倾斜及气象外，还有视频、覆冰、污秽等等。要做到输电线路在线数据全面监控，还有许多工作要做。

［1］岳保梁，田中兴.送电线路实用技术［M］.北京：中国科学技术出版社，1994.

［2］郑亚茹，黄曙，王焱.基于无线传感器网络的高压输电线监测系统研究［J］.广东电力，2010，23（12）：78-82.

［3］邓永红.3G 技术综述［J］.有线电视技术，2004（19）：5-11.