基于机载在线监测系统的输电线路覆冰预测研究

李军 庄红军 周海 候永洪 莫刚 钟以平

摘  要：针对目前覆冰在线监测系统无法获得精准的线路微气象和覆冰数据的问题，本文通过对输电线路覆冰机理的研究，提出一种适合机器人搭载的多传感器输电线路微气象在线监测模块，并分析研究在极端条件下图像获取的办法，实现了对与冰层形成有关的微气象参数和冰层厚度的实时监测。利用SOM對监测模块采集的数据进行分析，利用支持向量机预测架空输电线路的覆冰厚度。机载微气象在线监测系统的监测，可为线路覆冰超早期预防及覆冰及时预警提供准确信息，也为后期防冰除冰机器人的研制及其工作运行提供数据支持。

关键词：机载在线监测系统;输电线路;微气象;覆冰

中图分类号：TP311.52;TM755      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）17-0034-04

Abstract：Aiming at the problem that the on-line monitoring system of icing can’t obtain accurate micrometeorological and icing data of transmission line at present. Based on the study of icing mechanism of transmission line，a multi-sensor micro-meteorological on-line monitoring module for transmission line is proposed，and the method of image acquisition under extreme conditions is analyzed and studied. Real-time monitoring of micro-meteorological parameters and ice thickness related to ice formation is realized. SOM is used to analyze the data collected by the monitoring module，and support vector machine is used to predict the icing thickness of overhead transmission lines. The monitoring of on-line airborne micro-meteorological monitoring system can provide accurate information for ultra-early icing prevention and timely early warning，as well as data support for the development and operation of anti-icing and deicing robots in the later stage.

Keywords：airborne on-line monitoring system;transmission line;micrometeorology;icing

0  引  言

输电线路覆冰和积雪经常引起线路舞动、跳闸、断线、倒杆、绝缘子闪络和通信中断等事故。俄罗斯、加拿大、美国、日本、英国、芬兰、冰岛和我国在内的诸多国家都曾因输电线路覆冰引发安全事故，造成了巨大的经济损失。近年来，我国南方各省份因极端天气的影响导致输电线路大范围覆冰。因覆冰程度超出杆塔所能承受的最大载荷，便出现了严重倒杆事故，影响电网的安全稳定运行，在电网工作人员进行抢修输电线路的过程中也出现了大量的人员伤亡[1-3]。输电线路覆冰对电网的安全稳定运行存在极大的威胁，因此为减少覆冰事故发生世界各国对线路的气象监测、线路覆冰监测、采取的防冰和除冰技术都做了大量的相关研究，也取得了一定的成果[4-6]。为防患于未然，对输电线路在线监测系统的研究便显得极其重要。

现阶段研究所获得的数据是基于人工模拟天然气候环境、天然试验场以及基于覆冰监测系统这三种研究环境。在上述研究环境中所收集数据存在着模拟环境与真实环境具有一定差异，如文献[7]重庆大学人工气候室完成的环境参数对覆冰厚度影响的研究。在线监测系统主要是对杆塔微气象数据采集后，根据力学模型或图像模型来分析线路覆冰数据。如文献[8]提出的监测系统，通过测量覆冰的相关参数，如气象参数、绝缘子串拉力和绝缘子串倾角、导线应变、导线温度等，通过相关力学公式计算覆冰情况，准确性受限，覆冰前结水阶段或轻覆冰情况下测量灵敏度受限，难以测量，目前只能得到覆冰厚度变化的大体趋势，无法准确测量覆冰厚度。因此对输电线路微气象数据采集不准确、数据量少，以及因观测站无法移动而不能确切收集到线路局部的覆冰数据，致使所观测资料代表性差[8-11]。贵州电网图像监测系统，通过采集覆冰图片直接分析导线的覆冰状况。因贵州喀斯特复杂地貌环境，图像监控终端在恶劣气象条件下（如90%湿度下）经常被冰雪遮蔽和冻结而无法使用，实用性大打折扣。所以，图像法只能作为导线覆冰在线监测的辅助手段。图1为贵州电网覆冰监测系统应用情况。

针对目前覆冰监测系统应用情况，本文提出以输电线路覆冰机理研究为基础，研究适合机器人搭载的多传感器微气象在线监测模块。实现对与输电线路覆冰形成相关的微气象参数及冰厚等的实时监测，为覆冰超早期预防及覆冰及时预警提供信息。

1  输电线路产生覆冰的机理研究

目前建立的模型数据均是由来自于地面观测、称重法等的间接数据建立起来的。本文关于覆冰机理的研究是建立在真实线路（运行电压和正常运行电流下）实地直接测量数据基础上的，区别于实验室和试验基地非带电运行情况下的覆冰机理研究以及间接数据研究。通过研究机载微气象模块及抗覆冰摄像头，可获得线路微气象情况远程精准数值和观冰直观图像，极大减轻观冰劳动强度，满足指定环境的自然覆冰观测的需要，弥补因大雪封山或特殊地形无法观冰的不足。本研究将根据机载微气象在线监测系统的实时在线精准测量数据进行覆冰机理的进一步研究，有望提高覆冰机理的描述确程度。

2  输电线路覆冰在线监测系统设计

2.1  当前监测系统

目前一些在线监测系统组成和原理如下：该系统主要由监测分机、无线通信网络和监控中心组成。在线路塔架上安装有监控分机，它能够采集拉力传感器、角度传感器和气象参数（包括温度、湿度、风速、风向、雨量、大气压力等）的测量值。同时，圖像系统还可以采集现场图像甚至视频，通过GSM/CDMA等无线通信网络发送至监控中心。监控中心主要负责将监测分机上传的数据进行存储、分析和打印。由监控中心专家软件判断该线路导线的覆冰厚度及绝缘子覆冰桥接情况，结合拍摄的现场图像和视频，可以更加准确地分析现场覆冰状况，预测未来的覆冰趋势，并给出预警信息。[12-15]

然而当前这种方式依然存在以下几点不足：一是测量方式为间接测量，观测到的数据不准确;二是所得的数值是在整条线路覆冰均匀的假设下计算得到的，降低了覆冰情况的真实性和数据的丰富性;三是虽能及时发现险情，却不能对其进行处理，依然需要一段时间来处理。

2.2  机载微气象在线监测模块设计

面对上述当前输电线路在线监测系统的不足，通过输电线路覆冰机理的分析，研究适合机器人搭载的多传感器输电线路微气象在线监测模块，实现对与覆冰形成相关的微气象参数及冰厚等的实时监测。图2为防冰/除冰机器人总体布局。

建立输电线路表面积水/覆冰增长预测模型，结合重覆冰条件下输电线路图像与视频数据，判断出线路积水、覆冰及覆冰厚度状况，为覆冰超早期预防及覆冰及时预警提供信息。图3为输电线路覆冰监测及预警系统框图。

机载在线监测系统框图如图4所示。主要由微处理器、微气象传感器、预处理电路、供电系统、时钟芯片、通信模块等组成，完成机器人所处线路微气象信息的采集、处理和传输。为了延长作业时间、降低总功耗，模块在不工作时应处于休眠状态，只有在发出特定指令下才被唤醒进行数据采集及通信。从测量方式上看，本方案属于线路微气象直接测量，测量数据准确;从安装位置上看，安装在移动机器人上，可在一个档距内进行移动测量，具有灵活性好、描述情况详细、数据量大的优点。

3  覆冰增长预测模型研究

机载在线监测模块为工具，获得易形成覆冰季节的数据，研究大气环境条件（风速、气温、空气中水滴的过冷度以及水滴大小等参数）对输电线路覆冰的类型、形状、密度等的影响规律，对实测数据与实验数据进行对比、修正、处理，建立适用于所研究的输电线路主动防冰/除冰机器人决策使用的输电线路表面覆冰增长模型。

监测模块在正常运行时会收集到大量的微气象数据，如果这些数据是由传统方法聚类的，则难以消除分类过程中的随机性，参与者的主观不确定性和认知上的模糊性。因此，人工神经网络可以用来解决这些问题[16]。

架空输电线路的覆冰过程是一个极其复杂和不稳定的过程，与许多因素有关，其在数值上表现为一个与多种因素相关的非线性的时间序列，具有动态、突变及不确定性等特点。从整个覆冰过程来看，一次完整的覆冰过程，主要包括以下几个阶段：覆冰形成、覆冰的低速增长、覆冰的高速增长、覆冰的维持、覆冰的脱落。

基于SVM神经网络的覆冰厚度预测程序流程的建立首先根据测量的微气象参数（温度、湿度、风速、风向等）;然后判断气象条件是否满足线路结冰条件，若不满足，则返回初始化;若满足，则进入SVM进行覆冰等级分析;最后进行覆冰厚度判断，判断该监测线路是否出现轻微覆冰、中度覆冰、严重覆冰、无覆冰等状况。SVM覆冰厚度预测流程图如图5所示。

4  极端条件下输电线路图像获取

通过机载摄像头获取输电线路在易结冰情况下的图像、视频信息。而在实际应用中，在某些气象条件下摄像头易覆冰导致无法获取信息。所以摄像头在极端条件下的防护就显得极为重要。使用机械结构设计方式解决摄像头易覆冰而导致图像、视频模糊的难题，以提高摄像头获取信息的可靠性，主要包括使用保温材料、加热器件、以及密封结构。在使用时将摄像头伸出拍摄，在不用时收回保温密封壳内，从而保证图像监测的可靠性。

5  结  论

本文通过对机载微气象监测系统及数据处理模型的研究阐述，为进一步的详细设计和运行实验打下理论基础。机载微气象监测系统将可实现对整个档距输电线路的准确监测，实时掌握线路周围的微气象动态，现场采集大量的气象数据分析出线路覆冰状况，进而采取有效积雪预防措施。同时也可长期收集线路气象资料，为防冰/除冰机器人工作和输电线路设计提供大量真实可靠数据。

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作者简介：李军（1982-），男，汉族，湖南株洲人，工程

师，硕士，研究方向：继电保护、电力系统自动化技术;庄红军（1988-），男，汉族，江苏扬州人，工程师，本科，研究方向：输电线路运行维护、电力系统自动化技术。