关于输电线路在线监测装置的能源供给的改进

蒋仁杰

摘 要：在线监测系统在输电线路的运维过程中，起到了信息的及时性，能实时动态的了解输电线路自身的物理量的变化情况以及监测线路周边环境的变化，由于电压等级不同，在线监测装置本身的供电，不能直接使用输电线路上的电源。通过光伏和风力发电，起到能源供给的作用，在其光伏、风力发电的结构上进行改进，可以提高发电的效率，对于在线监测装置的供电起到更加稳定的保证。

关键词：输电线路;运行维护;信息化

前言

我们身处的时代，智能化、物联网等名词都是这个时代的特征。随着时代的发展，国内的电子信息技术早已突飞猛进，也让我们的生活中的衣食住行等有了巨大的变化。各行各业也都在这样的时代背景下，借助网络信息技术、互联网+的技术加持，实现自身多元化的转型发展。我们电力行业的发展除了自身本来就具备的电力自动化属性外，与信息化和物联技术更是紧密相连。因此在信息化、智能化的方向，我们的电力行业还有更大的发展方向去探索。

结合自身岗位来谈，作为一名送电线路工在线路运维中，面对的是自然环境的变化往往会给输电线路的稳定运行带来挑战。例如：随着架空输电线路规模的不断增长，森林覆盖率的持续提高，因植物生长过高、风偏林木、林地山火导致的电网故障风险形势严峻;另一方面由于树障安全距离不足引发山火、涉电生产作业活动导致大面积山火的情况增多;山火引发的输电线路短路跳闸;同样，在每年冬春季节线路覆冰的挑战，一旦线路覆冰严重，将导致导杆断线的情况，对电力系统稳定运行产生严重影响。

在输电线路防山火和防覆冰方面，我们用在线监测的技术手段去发现和防范问题的发生。以我们现在在500kV输电线路上使用的运维自动化系统覆冰监测为例。

在日常的安装和维护过程中，我们遇到的问题：因光伏板设计是固定位置的，在光照若的情况下，不能产生足够的电量供给蓄电池，导致在线监测视频中断，导致输电线路的防山火、防覆冰的运维中出现盲区。

因此，对于在线监测装置的能源供给保证显得十分关键，思路是：

1. 对作为提供能源的光伏板进行改进;

2. 加装微型风力发电集成模块作为能源的提供。

问题1：怎么对光伏板进行改进？

一年中太阳在地球围绕太阳公转的过程中，有近日点，有远日点。随着地球所处不同的公转位置，在地球上不同位置不同时间，接收的太阳辐射是不同的。因此，我们根据与太阳辐射相关的几个角度和函数，借助单片机/STM32、计数器芯片、晶振等硬件和C/C++语言编程，靠对电机转动角度的控制，来实现：将光伏板变为实时可调整角度的过程，实现在365天无云层遮蔽的理想情况下，不同时间，都能获得最大的光照，保障在线监测装置不断电。

相关角度：太阳入射角i、太阳赤纬角δ、地理纬度?、光伏板倾角β、光伏板方位角γ、太阳时角ω。具体公式：

Cosi=sinδsin?cosβ-sinδcos?sinβcosγ+cosδcos?cosβcosω

+cosδsin?sinβcosγcosω+cosδsinβsinγsinω

其中，在一年里不同的天n，当地太阳时ω、太阳赤纬角δ可以根据n来计算。

ω=北京时+E-4（120-L）

E=9.87sin2B-7.53cosB-1.5sinB

B=（360-（n-81））/364

δ=23.45sin（360×（284+n）/365）

由于加入了电机驱动部分和控制芯片，视情况而定，增加对应电压等级的光伏板，并进行同样的闭环控制。

问题2：加装微型风力发电集成模块作为能源的提供的具体过程是怎样的？

在问题1中，我们考虑的是全年无云层遮挡的理想情况，但现云雾风雪是客观存在的。所以，我们用微型风力发电集成模块来作为光伏板供电之外的补充。我们有的杆塔上也有小型的风光补偿装置来为在线监测设备提供能量，但是其中的风力发电部分不具备自动转向功能，不能根据风向的变化自动调整风扇的朝向，致使不论风大风小，都错过最佳的进风角度，未能实现风能转化为电能的能量最大化。

因此我们单独设计一个风向变化的随动系统，通过感知自然风力变化的角度，对应的将发电的风扇随着调整到风力最大的方向，保证风力发电实时都能接受最大的风力发电状态，实现对在线监测系统供电效率的最大化。

通过风向探测装置，在水平方向和竖直方向两个方向上各对应一个风力变化的角度变化量，这两个在自然风力作用下形成的角度，可以通过光电编码器来收集，通过光电转换将输出轴上几何位置量转换成脉冲或数字量。将采集到的这两个值作为电机旋转角度的输入量。

在输出量的表现，我们可以通过作用在控制发电风扇在水平、竖直两个方向上电机的旋转变化角度，来调整风扇接收最大风力的迎风面位置。

在输入和输出两个量之间，就通过单片机编程以及相应的电子元器件来承接。

在控制过程的实现中，控制模块能量可以通过风力发电来提供，也可以将光伏发电的能量作为備用或直接使用。

对于风力发电部分的改进，可将一个风扇改为体积更小、数量更多的微型风扇。转动量的信息由多个微型小风扇共享，调整过程中可以考虑设计为两个电机作用所有的微型风扇的角度变化，也可以设计为每一个微型风扇就对应两个微型的电机。具体的设计视经济实用性来考虑，控制成本最优。

多个微型风扇的发电，设计思路来源于太阳能光伏板上的光伏组件的设计，光伏组件由光伏组件片组合在一起构成，由于单片光伏电池片的电流和电压都很小，所以要先串联获得高电压，再并联获得高电流，通过一个二级管（防止电流回输）输出，再把光伏组件串联、并联组合起来，形成光伏组件阵列;与之不同的是，微型风扇产生的电是交流电，不同时间不同的风扇初相角也是不同的，不同时的交流电，不好控制。因此在微型风扇发电里，应当嵌入全波段整流，将产生的交流电充分利用。转化为直流电，更好控制。进而通过不同的串联、并联的方式，形成一个微型风扇发电阵列。借助风力最大的自动调节，实现对在线监测装置的最优化供电。

拓展延伸：

一提及风力发电，大家想到的是转子叶片就长约20米的风力发电机，有着清洁、环境效益好、能源可再生、基建周期短、装机规模灵活的优点，但也有噪声大、占用土地面积大、不稳定、不可控、高成本的缺点。往往在风力要求上有严格要求。采用微型风扇以阵列的形式来发电，相较于传统的大型风力发电更具有环境适应性，风力小于10m/s的地方也能发电，投资成本更加低廉。发电规模灵活可调整。在水电资源已经开发完后，风力发电是一个可靠的选择，而在风力发电的投资成本、环境适应方面，微型风力发电集成阵列将会是一个具有发展前景的发展方向。

结语

综上所述，通过对光伏发电和风力发电的改进，可以提高对在线监测装置的供电可靠性，能源利用最大化。从而保证在线监测装置的实时稳定运行，避免输电线路运维中出现监测盲区，无死角的防范输电线路来自自然环境的外部威胁。

参考文献：

[1]张鹤飞.与太阳辐射量有关角度的定义和计算公式.西北工业大学

[2]任志斌.DSP控制技术与应用.中国电力出版社，2012.5.1

（云南送变电工程有限公司，云南 昆明 650233）