输电线路在线监测与故障诊断技术研究

黄礼华，黄庆华

（1.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071；2.中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063）

输电线路在线监测与故障诊断技术研究

黄礼华1，黄庆华2

（1.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071；2.中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063）

输电线路在线监测系统是实施设备状态检修及全寿命周期管理的基础，随着各类监测、诊断技术的研究和发展，监测装置的测量精度和评估准确度得到了一定提升。对比分析了当前主要输电线路在线监测技术的研发进展，指出其存在的不足，并展望了在线监测技术的发展方向。

输电线路；在线监测；信号变送；通信传输；智能诊断

0　引言

输电线路主要由铁塔、基础、导线、地线、金具、绝缘子等组成，构成组件的类型较少，但绝对数量较大，线路的任何一处出现故障都可能引起整条线路的停运，对电力系统的冲击巨大。随着经济和社会发展速度的加快，线路沿线污秽等级提升及鸟害影响造成的线路污闪问题日益明显。局部环境和微气象对线路安全运行的影响也是线路运行维护工作的重要难点。导线舞动和风偏所造成的危害也时有发生。对输电线路进行在线监测与故障诊断是提高电力系统可靠度的重要措施。通过各类在线监测装置及时评估线路存在的安全隐患并准确预警对输电线路的安全可靠运行具有重要意义。

输电线路在线监测与故障诊断是在不影响输变电设备正常运行的条件下，对设备的电气、机械等状态参量进行连续或者分时检测，获取能表征设备电气及机械性能等运行状态的特征参量，并通过故障分析与诊断来评估设备的运行状态。

一般而言，在线监测与故障诊断系统由4个部分构成，包括信号变送系统、数据采集系统、通信传输及数据处理和诊断系统，如图1所示。以下重点研究信号变送系统中传感器的选用、监测数据的通信传输以及故障诊断等内容。

1　信号变送系统研究现状

目前技术较为成熟且应用较多的输电线路在线监测与故障诊断装置有3大类，具体如下：

（1）导线在线监测装置类：包括导线覆冰监测、导线温度监测、导线舞动及微风振动监测；

（2）杆塔在线监测装置类：包括杆塔倾斜监测、视频图像监控；

（3）环境在线监测装置类：雷电在线监测、微气象环境监测、现场污秽度监测、山火在线监测。

以下重点分析绝缘子污秽、导线弧垂、导线舞动和风偏的信号变送系统研究进展。

图1　在线监测与故障诊断系统组成

1.1绝缘子污秽在线监测

电力系统高压运行经验表明，污闪是影响线路外绝缘的主要问题。在严重污秽情况下，绝缘子电气强度将大幅降低，污秽绝缘子在较低电压条件下就会发生闪络。根据相关统计数据，目前在电网事故中绝缘子污闪比例仅次于雷害，其造成的损失却为雷害的10倍。

国内高压绝缘子污秽在线监测的主要方法分为2类：一类为非接触式监测法，另一类是接触式监测法。从现有研究成果来看，目前并没有统一的能精确表征绝缘子运行状态的特征量，相关污秽闪络机理的研究也没有统一结论。非接触式绝缘子在线监测方式，如超声波、激光、红外测温、无线电波、电晕摄像机等都需要去现场进行逐个检测，且存在造价高、环境干扰大、检测不够全面等缺点。国际大电网会议第33届委员会推荐了等值盐密法、表面污层电导率法、泄漏电流脉冲计数法、最大泄漏电流法和绝缘子污闪电位梯度法作为测量污秽度的方法。相关研究结果表明，综合电压、温度和湿度等影响因素的泄漏电流能较为全面地描述绝缘子的污秽状况，基于泄漏电流测量的传感器也能达到很高的测量精度。因此，泄漏电流是目前检测绝缘子污秽程度中最被认可的、最容易检测和处理的特征量之一。

1.2导线弧垂在线监测

输电线路的弧垂是线路设计和运行的重要指标之一。导线的动态增容、温度、应力、覆冰厚度及环境风速等因素变化均会导致线路弧垂发生变化。运行经验表明，导线弧垂过小会导致其应力增大，影响线路的机械特性；弧垂过大则会导致对地安全距离不足，影响线路的运行安全。

目前，常用的导线弧垂测量方法有4种：利用多颗卫星采用GPS监测导线弧垂；通过测量导线应力和温度计算导线弧垂；通过摄影技术并进行图像处理计算导线弧垂；通过测量导线悬挂点倾斜角计算导线弧垂。相比而言，基于导线倾角监测的方法有着算法简单、监测精度高且投入成本低等优点，使其得到了相对广泛的应用。

1.3导线舞动和风偏监测

在输电线路实际运行环境中，经常会发生导线舞动现象。导线舞动具有振幅大、持续时间长等特点，频繁发生舞动会导致相间闪络及金具损坏，造成线路跳闸或引起导线损伤及倒塔等严重事故，给输电线路带来巨大的安全隐患。

对于导线舞动的机理，国外学者进行了大量的实验和理论研究，提出了Den Hartog垂直舞动理论、O.Nigol扭转舞动理论、P.Yu的偏心惯性耦合失稳说、阵风诱发说等。国内的相关研究，自1987年湖北中山口大跨越发生舞动而导致断线后开始得到重视。

目前，对导线舞动监测主要有2种方式：一种是通过视频采集和图像识别技术的方法；另一种是通过传感器采集导线舞动特征参数的方法。相比而言，基于图像识别技术的舞动在线监测，虽然可根据直观的视频/图像信息分析导线的舞动情况，但受限于现有图像处理算法等因素，其精度还有待进一步提高。而基于位移传感器、加速度传感器的输电导线舞动在线监测技术，可以实现对导线舞动特征参数，包括舞动的半波数、舞动频率、舞动幅值、舞动时的导线张力等信息的监测，能更为全面、精确地反映现场实际情况；在倾角传感器的配合下，还能实现对导线风偏的监测。

2　通信传输技术研究现状

通信传输是在线监测与故障诊断系统中的重要环节。为了安全、稳定、高速地传输各类在线监测数据，需要综合考虑监测装置的通信协议、设备布点及装置供电等一系列问题。

早期的信号传输主要采用GSM/GPRS/3G等无线公网方式，但是随着在线监测装置及各类监测数据的急剧增长，无线公网方式在传输带宽、信号覆盖面及运行维护成本等方面均无法满足现有输电线路在线监测技术的发展要求。

而且，随着中短距离无线通信组网技术及光通信传输技术的发展，输电线路在线监测数据传输逐渐向电力局域专网传输方式转变，部分电网公司也开始了基于中短程无线及长距离光纤通信传输的混合组网应用试点。

目前，就技术发展而言，较为成熟的中短程无线组网技术有ZigBee，W i-Fi，W iMAX（全球微波互联接入）等。可利用ZigBee技术的低功耗、低成本及W i-Fi，W iMAX技术的高带宽、中距离传输等优点，在设备现场实现各类监测信息的就地汇聚，并通过远距离通信传输技术实现与主控端数据处理与诊断系统间的信息交互。

在远程通信传输技术方面，随着OPGW光缆建设的全面覆盖使得基于光传输技术的监测数据远程传输成为可能。

利用随线OPGW光缆中1-2根备用光纤芯构建的EPON（以太网无源光网络）网络能在安全性、可靠性及传输带宽等方面满足在线监测数据的传输要求，且其充分利用现有空闲光纤资源，建设成本较低，也无需为设备提供单独电源。

除此之外，为减少输电线路OPGW光缆破口数量，进一步保障数据传输的稳定性，实际应用中也有采用OPGW+光纤工业以太网交换机的组网传输方式。

3　故障诊断系统研究现状

故障诊断是根据检测系统提供的信息，包括监测到的数据和数据处理结果，对设备的健康状态进行分析评估的方法。为了实现输电设备诊断的自动化和智能化，很多智能诊断方法被引入到输电线路在线监测装置中。目前体系较为成熟的诊断方法主要有人工神经网络诊断、模糊诊断、灰色系统诊断、粗糙集理论诊断、小波诊断和专家诊断等。

重庆大学的研究人员通过对污秽绝缘子闪络机理的研究，提出了基于3特征量的神经网络污秽度预测模型。华北电力大学的研究人员根据目前输电线路在线监测系统存在的预测功能不完善，不能进行趋势分析，状态评估功能不够完善，缺少状态检修建议等不足，设计了输电线路在线监测评估辅助决策系统。通过构建基于Elman神经网络结构的预测模型，实现了包括覆冰厚度、泄漏电流、杆塔倾斜角度等信息的趋势预测，并构建了对应于输电线路在线监测参数的基于多属性模糊层次法的评估模型，根据不同的告警级别给出状态检修的建议。刘畅等人基于模糊马尔科夫原理，以输电线路年最大覆冰厚度值为基础数据，对下一年或几年的线路覆冰最大值进行预测，并根据多变量灰色预测模型，结合覆冰季节冰厚以及其他气象数据，预测输电线路的瞬时覆冰值。王峰等人根据搜集到的运行中输电线路舞动数据，利用模糊综合评判法对其舞动状态进行了评估。

上述各种诊断方法均在一定程度上提高了在线监测装置的自动化程度，但由于监测量与设备故障之间缺乏直接的对应关系，其分析准确度还有待进一步提高。

4　存在的问题及展望

4.1存在的问题

由于在线监测技术及相关装置研究发展时间较短，且监测装置运行环境恶劣，导致其在稳定性、可靠性及监测精度等方面还存在一定不足，主要体现在如下几个方面：

（1） 监测装置稳定性与可靠性不足。由于缺乏统一的行业标准，部分在线监测装置制造标准偏低，直接导致相关装置故障率较高，信息处理能力差，频繁发生误报警、漏报警等问题。

（2） 监测精度及电磁兼容性能不足。受限于当前传感器技术发展水平及特征量选取等因素，部分在线监测装置测量精度与离线测量结果存在较大偏差，且部分监测装置抗电磁干扰性能较弱，使得测量结果可信度较低。

（3） 相关理论不够完善。诸如污秽绝缘子闪络和导线舞动等机理研究还未有统一的研究结论，对在线监测结果的准确性造成一定的影响。

（4） 故障诊断算法有待优化。目前部分故障诊断技术还停留在实验室模拟或仿真分析阶段，部分实际使用的诊断算法评估准确性还有待提高。

（5） 信息孤岛问题突出。现有在线监测装置大都根据某一类监测需求设计，从而导致监测信息重复性较高，且由于各类监测信息的数据格式和接口不同，使得信息交互困难，形成信息孤岛。

4.2展望

为实现输电设备的状态检修，需要输电线路在线监测装置提供稳定、准确、可靠、全面的监测信息。为此，需要对在线监测装置质量保障、监测特征量选取、相关理论算法及信息融合等方面开展进一步的研究工作，其未来发展方向主要为：

（1） 在线监测装置的统一化、标准化、集成化。以统一的标准打造各类在线监测产品线，保障监测装置的稳定、可靠运行，并通过传感器集成技术实现输电线路在线监测装置的低功耗、多参量、高精度监测。

（2） 监测技术多元化。紧随相关技术发展水平，进一步研究机器人巡线、无人机巡线、光纤传感器等新兴监测技术，积极推进基于OPGW光纤的通信传输技术，实现输电设备的全方位监测及监测信息的远距离、大带宽传输。

（3） 信息模型全景化。积极开展输电设备全景信息模型研究工作，实现各类在线监测信息、自动化系统运行维护信息及资产管理信息的挖掘和融合，推进设备状态检修及全寿命周期管理的实施。

1 关志成，朱英浩，周小谦，等.中国电气工程大典·输变电工程（第10卷）［M］.中国电力出版社，2010.

2 栗 薇.电力设备状态监测装置检测试验技术［J］.电气技术，2012，13（1）：85-88.

3 张志劲，蒋兴良，孙才新.污秽绝缘子闪络特性研究现状及展望［J］.电网技术，2006，30（2）：35-40.

4 张志劲，蒋兴良，孙才新.污秽绝缘子闪络机理研究综述［J］.电网技术，2008，32（16）：37-42.

5 王 雷，张冠军，严 璋.国内高压绝缘子在线检测方法综述［J］.电瓷避雷器，2002，16（6）：3-5.

6 陈 攀，孙才新，米 彦，等.一种用于绝缘子泄漏电流在线监测的宽频带微电流传感器的特性研究［J］.中国电机工程学报，2006，25（24）：144-148.

7 李 延.污秽绝缘子泄漏电流特性与污秽预警方法研究［D］.重庆：重庆大学，2010.

8 张江华.高压输电线路弧垂在线监测研究［D］.武汉：华中科技大学，2012.

9 张禹芳.我国500 kV输电线路风偏闪络分析［J］.电网技术，2005，29（7）：65-67.

10 王少华，蒋兴良，孙才新.输电线路导线舞动的国内外研究现状［J］.高电压技术，2006，31（10）：11-14.

11 刘丽榕，王玉东，肖智宏，等.输电线路在线监测系统通信传输方式研究［J］.电力系统通信，2011，32（4）：20-25.

12 唐书霞，黄新波，朱永灿，等.EPON+ W iMAX融合网络在输电线路在线监测系统中的应用［J］.高压电器，2014，50（3）：36-43.

13 钱一民.基于OPGW光纤通信的输电线路在线巡视与监测新技术研究［D］.武汉：华中科技大学，2013.

14 杨肖波.输电线路在线监测系统中的信息传输［D］.北京：华北电力大学，2014.

15 黄新波，李国倡，赵 隆.智能电网输电线路在线监测与故障诊断综合系统［J］.华东电力，2011，39（12）：1 998-2 001.

16 谷雅玮.架空输电线路在线监测系统关键技术研究及其开发［D］.北京：华北电力大学，2013.

17 刘 畅.基于马尔可夫过程的输电线路覆冰厚度预测模型研究［D］.北京：华北电力大学，2014.

18 王 峰.架空输电线舞动在线监测与状态评估系统研究［D］.重庆：重庆大学，2010.

19 黄新波，蒋兴良.智能电网输电线路在线监测技术进展［J］.广东电力.2014，27（6）：72-76.

2015-09-22；

2016-03-26。

黄礼华（1984-），男，工程师，主要从事电力系统二次规划设计工作，email：w olfh lh@qq.com。

黄庆华（1987-），男，工程师，主要从事电力系统送电线路设计工作。