输电线路远程监控与故障预警在线监测控制器研究*

王志平 杨坤 陈光黎

（1.广东省自动化研究所 2.中国科学院云计算产业技术创新与育成中心3.广东工业大学自动化学院）

0 引言

随着全球资源环境压力的增大，供电可靠性要求不断提高，电网运营面临巨大挑战。电力系统是由众多发、送、输、配、用电设备连接而成的大系统，这些设备的可靠性及运行状况直接决定整个系统的稳定和安全，也决定着供电质量和供电可靠性。目前，我国智能电网建设工作已全面展开，输变电设备状态监测系统作为智能电网输变电环节建设的重要组成部分，是实现输变电设备状态运行检修管理，提升生产运行管理水平精益化的重要手段。然而输电线路分布广、范围大，非常容易受到自然、气象和工农业污染等影响。输电线路的运行环境恶劣，运行状态复杂多变，故需要对输电线路进行远程监控与故障预警，通过各种传感器技术、广域通信技术和信息处理技术，实现各类输变电设备运行状态的实时感知、监视预警、分析诊断和评估预测，提升电网智能化水平，提高其信息化、现代化、自动化智能化水平，同时提高整个输电线路的安全性和可靠性[1-3]。

近几年随着电子、信息、传感器、新能源、智能图像处理等技术的发展，输电线路的状态监测由过去的单一监测污秽泄漏电流发展到全面监测输电线路的各种运行状态，如污秽、覆冰、积雪及应力、风摆等，并利用图像信息直观反映现场状态；同时污秽的评定方法更加智能化，从单一诊断向全面综合诊断发展，引入各种智能算法和开放式故障诊断专家系统，并实现了信息共享[4-8]。

本文研究的输电线路远程监控系统融合多种传感器技术对输电线路的运行状态、微气象信息和危险点图像进行数据采集，并通过 GPRS/CDMA/EDGE/3G模块传回调度中心，实现对输电线路实时远程监控和故障预警。通过掌握线路运行状况及周围环境变化，发现设备缺陷和安全隐患，及时消除缺陷，预防事故发生，降低故障损失等手段，保证线路的安全和电力系统的稳定，达到电力系统“安全、经济、高可靠性”的运行目标[9]。

1 输电线路检测技术及应用模式设计

1.1 输电线路监测系统现状

20世纪90年代，国外针对输电线路在线检测技术开展了系统研究，并且施以状态分析和在线检测为基础状态检修以提高检修效率。国外统计资料表明，在实施状态检修后能延长检修周期，一般可使设备大修周期从3～5年延长到6年以上[10]。

国内的清华大学、西安交通大学、武汉大学、武汉高压研究所等科研单位陆续开展了输电在线监测技术的研究，并研发了具有完整功能的输电线路在线监测技术[11]。目前，已经成熟或实际运行的在线检测技术有：输电线路绝缘子污秽在线监测系统、输电线路氧化锌避雷器在线监测系统、导线温度及动态增容在线监测系统、输电线路远程可视监控系统、输电线路覆冰雪在线监测系统、输电线路防盗报警检测系统等[12]。除了上述所列的在线监测技术外，雷击定位、输电线路杆塔倾斜、导线微风振动等在线监测系统也逐步在电力系统中得到应用。

1.2 应用模式设计

通过对上述系统进行研究和分析，结合输电线路远程监控与故障预警在线监测系统的需求，设计出输电线路远程监控系统的应用模式，如图1所示。

图1 输电线路远程监控系统应用模式

通过倾角检测传感器获得输电线路倾角数据；拉力传感器采集输电线路所承受的拉力数据；振动传感器获得输电线路振动数据；微气象监控系统获得所安装铁塔的微气象数据，上述数据通过接口进入在线监测控制器。同时，视频卡和云台实现视频监控和远程控制。为便于日后扩展，在线监测控制器自带16路开关量输入和输出。通过GPRS/CDMA/EDGE/3G模块将上述数据按照一定的通信协议传输到监控中心。监控中心管理软件接收到数据后，按照协议对其进行解析、保存和展现。其中，在线监测控制器起着承上启下的作用，所以本文重点研究该控制器。

2 在线监测控制器设计

2.1 在线监测控制器总体设计

在线监测控制器安装在输电线铁塔上，与各传感器和通信模块连接，实现数据的采集和上传。在线监测控制器采用终端主板外挂自制变送器的方式实现监测功能。调度中心通过GPRS/CDMA/EDGE/3G模块与终端主板通信，依据通信协议实现对各监测对象的监测，对云台等设备的操作控制以及对所有外部设备的电源管理控制等。其终端结构如图2所示。

图2 在线监测控制器终端结构

GPRS/CDMA/EDGE/3G模块、嵌入式视频卡通过RS232通讯接口；无线数传模块通过TTL电平的RS232通讯接口；微气象监测、云台和各自制变送器通过RS485通讯接口与终端主板相连。振动、拉力和倾角等物理量直接或由传感器经自制变送器通过RS485总线与终端主板相连。振动、拉力和倾角等物理量的测量信号由在线监测控制器进行二次电路处理，就近将模拟信号转换成数字信号。倾角检测则采用专用芯片自制一体化的传感变送器。

2.2 传感器和变送器的研发

输电线路远程监控与故障预警所需要采集的数据类型和数量较多，有环境温度、湿度、风速、风向、雨量、气压、日照、图像数据、导线倾角、绝缘子串倾角、拉力、振动频率、振动幅度、三相泄漏电流平均值（最大值）、三相超过3 mA/10 mA脉冲频次、导线测点温度、蓄电池电压等，如表1所示。

采集这些数据的传感器大都能通过采购获得，但是由于安装条件的限制，部分传感器需自主开发，如：倾角传感器、拉力传感器、振动传感器。另一方面，由于所采集数据的接口和信号类型较多，从系统的扩展、维护和数据采集速度方面考虑，需要开发一种变送器，将各种类型的信号（4 mA ～20 mA、1 V ～5 V、1 V～10 V等）转换成数字信号，统一由RS485接口与在线监测控制器通信。自制传感变送器如图3所示。自制变送器遵循与传感器以最短距离连接，体积尽量小的原则进行设计，同时采用低功耗设计，元器件采用工业级以上产品。

图3 自制传感变送器

2.3 在线监测控制器低功耗设计

安装于输电线塔的在线监测控制器、各种传感器和变送器、无线通信等模块由太阳能供电。本系统对功耗要求相当高，设计要求连续30天阴雨天气的情况下，系统仍能正常工作，所以各种模块的设计尽量选用低功耗、稳定性好的电子元器件。

表1 输电线路远程监控与故障预警在线监测控制器所需要采集的数据类型

2.4 在线监测控制器主处理器设计

在线监测控制器主处理器设计如图4所示。在线监测控制器主处理器的特点有：1)CPU选用ARM或高性能AVR处理器，主频不少于50 MB；2)FLASH不少于256 kB，RAM不少于64 kB，可扩展内存128 MB；3)采用串口扩展电路；4)开关量输出，开关量输出通过控制继电器，实现加热器控制、红外控制等功能；5)太阳能电池电压监测；6)外部电源管理，负责对所有外部设备的电源开关控制，根据调度中心的指令控制外部设备是否工作，以实现省电功能。

图4 在线监测控制器主处理器设计图

3 调度中心软件设计

调度中心软件通过GPRS/CDMA/EDGE/3G网络与在线监测控制器连接实现双向通信。本软件采用Delphi软件开发工具开发，MS SQL数据库保存数据，具有自动和手动获取数据、图像采集、多媒体故障预警、分析预测、历史信息统计等功能。

3.1 自动和手动获取数据

在线监测控制器定时（时间间隔可调）传输数据和图像信息到调度中心，调度中心软件根据通信协议对数据包进行解包、保存和处理。同时支持手动发出数据召测命令，在线监测控制器接收命令后返回所需信息。图5为调度中心软件的测试软件，提供请求导线拉力及倾角数据、请求气象数据、请求导线移动数据、请求导线测温数据等命令按钮。

图5 测试软件数据显示界面

3.2 图像采集

在线监测控制器定时将采集的图像通过GPRS/CDMA/EDGE/3G网络传输到调度中心。调度中心软件不但可以设置在线监测控制器摄像头的色彩、图像大小、亮度、对比度、饱和度等参数，而且可以控制云台上、下、左、右等运动。

3.3 多媒体故障预警

通过设置拉力、倾斜角、风速、泄漏电流脉冲频次、导线移动幅度、导线移动频率、泄漏电流、风偏角、导线温度等参数的报警值，使输电线出现断线之前能够及时预警。当采集数据出现上述参数越限报警时，摄像头会自动传输图像到调度中心并且发出声光报警。管理员通过本软件了解现场各参数和图像之后，决定是否采取相应的措施，以保证线路的安全和电力系统的稳定。

3.4 分析预测

处理和保存输电线路状态信息、微气象信息和危险点图像信息。分析覆冰引起的荷重及导线承受的拉力，分析和预测导线断股、断线的可能性，在适当时候给出故障预警；通过常年记录，分析出基铁塔处环境温度、湿度变化规律及覆冰规律；通过检测导线的振动与位移，分析导线舞动的幅度、频度。

3.5 历史信息统计

月、季度运行监测信息统计分析包括：月、季度铁塔监测报警次数统计，月、季度铁塔舞动记录统计，冰雪季节，铁塔覆冰记录与统计；输电线铁塔经年运行历史信息管理，输电铁塔基本信息，输电铁塔历年运行信息，输电铁塔历年泄漏故障信息；绝缘子泄漏状态变化曲线等。

4 应用效果

输电线路远程监控与故障预警在线监测控制器已应用于某输电线路铁塔上，系统运行良好，完成了对输电线路运行状态、微气象、绝缘子漏电等数据的实时监测。监测数据通过GPRS/CDMA/EDGE/3G等无线通讯方式，向调度中心发送。实践证明在线监测控制器、变送器和传感器达到如下技术指标和适用环境：1)抗干扰性能方面：静电放电抗扰度为4级，射频电磁场辐射抗扰度为3级；浪涌（冲击）抗扰度为3级；工频磁场抗扰度为5级；脉冲磁场抗扰度为5级；2)工作温度为-40℃～+80℃；3)相对湿度为5%RH～100%RH；4)大气压力：86 kPa～106 kPa。

5 结语

本文提出的输电线路远程监控与故障预警在线监测控制器能够实时采集输电线路的运行状态、微气象信息和危险点图像，不但降低了巡检人员的工作量，而且能够为管理人员进行决策提供实时数据。输电线路远程监控与故障预警在线监测控制器采用多重硬件及软件保护措施，利用太阳能供电技术，能提高智能系统的运行可靠性和安全性，体现了其先进性；其安装方便、性能优越、系统稳定，对输电线路特殊环境起到远程监控和故障预警作用。

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