高压输电线路在线监测智能化研究

叶国庆, 鲍翔, 蔡正宜

(浙江捷安工程有限公司， 浙江 兰溪 321100)

0 引言

电力输送过程需基于高压输电线路完成,作为智能电网的核心构成,高压输电线路的安全稳定运行与否会对整个电网产生直接影响,规模及范围不断扩大的电力系统对高压输电线路的监测提出了更高的要求，设计并完善高压输电线路的在线监测系统仍然是目前研究的重点领域。不断发展完善的智能电网及动态增容技术为输电线路实时高效的监测过程的实现提供了有力支撑,但目前由于受到技术及成本等限制,存在以单点监测为主、尚未组网形成监测系统等问题,输电线路在线监测产品及监测过程的智能化、自动化、互动化水平还有待提高，需通过进一步完善以降低实际使用过程中的故障率、使用及维护成本。

1 需求分析

无线传感器网络技术能够采集、传输和处理包括温度、湿度、光强等在内的标量数据,并能够获取多媒体数据信息,进而实现对感知区域全方位细粒度、精确的监控过程。高压输电线路因受到分布广、线路长、地形地貌复杂(部分地区环境恶劣)等因素的影响而易被破坏,进而带来经济损失。目前野外站点的线路运行状态的检查方式仍以现场人工定期检查方式为主，在增加监测成本的同时不利于故障事件的实时监测处理。因此，高压输电线路的在线监测的关键在于选择合适的数据传输方式实现实时通信,现有远程接入方式通常采用移动通信网(如GPRS、CDMA)实现，存在的主要问题为:(1)部分区域尚未覆盖移动通信网络，尤其是跨越环境恶劣地域(偏远山区、沙漠等)的特高压输电线路,移动通信网络故障将无法使用;(2)监测系统的全面性及可扩展性较差，一个接入点通常仅能对一种参数进行监测,难以实现多参数、全方位的监控过程，需通过增加接入点数目的方式扩大参数监测范围,不断增加的监测规模不利于实现高效实时的后端监控功能;(3)大规模、长时间的使用成本较高;(4)传输速率受限，难以有效满足高清的图片及视频传输需求。为此本文提出了一种高压输电线路智能化在线监测方案,并重点讨论了全参数在线监测的实施过程[1]。

2 高压输电线路智能化在线监测系统设计

电网的智能化管理过程离不开对输电线路的实时监测,通过对实时获取的输电线路数据进行处理和分析实现对电力资源的合理调配过程,为提高电力资源利用效率及故障监测处理等提供参考。整个电网工作安全与效率同输电线路的正常运行密切相关，目前电网运维过程中易出现多因素导致的高压铁塔及线路被破坏的问题(包括线路老化、天气、环境、人为等),如果没有得到及时有效的预防和处理将会不同程度的影响到电网的安全可靠运行，目前国内针对高压输电线路的监测方法普遍存在着监测精度、稳定性、传输速度、经济投入等方面的不足，限制了全方位的实时监测输电线路功能的实现,影响了区域供电的可靠性[2]。

2.1 无线传感器网络设计要求

(1) 支持远距离传输，高压输电线路中传送距离一般同电压等级成正比，220 kV的输电线路较长,尤其是特高压输电线路可达到上千公里,可能穿越不同的区域,需以不同区域的实际情况为依据对相应监测设备进行部署,重点监测区域间的间隔可能较远,需网络支持远距离传输功能。(2)灵活的拓扑结构，满足不同线路类型的监测需求,连接不同变电站的输电线路通常呈线性排布，网络节点(安装于杆塔上)则呈线性拓扑结构，通过采用同塔多回(多回输电线路共用一个杆塔)的方式可节省占地资源，由三相导线和架空地线构成一回线路,在需同时监测多条输电线路的情况下,使局部呈网状网络拓扑结构。(3)支持多种数据传输类型，具有较强的灵活性和可扩展性,根据实际对输电线路的分析可知污染、覆冰、振动、外力破坏等是引起线路故障的主要因素，监测数据大致可分为标量数据类型(如盐密泄漏电流、导线温度等)、图像类型(如导线覆冰、线下活动等图像)。异构性的无线传感器节点包含了标量传感器节点和图像传感器节点。除支持多种数据传输外,还需具有较高的传输带宽以满足规模不断增加的监控需求[3]。

2.2 高压输电线路在线监测系统设计

(1) 高压输电线路在线监测系统架构

以上述监测需求为依据对监测点(即无线传感器节点)进行部署,无需各级杆塔均安装，例如在水塘附近为防被水侵蚀将图像采集终端安装于杆塔上以便监测塔基;在跨越立交桥部分为防导线下垂将采集终端安装于导线上以便监测导线弧垂等。监测子站通常安装在杆塔上且需位于无线传感器节点附近,在对附近传感器监测数据进行收集的同时,使呈现为簇头节点的监测子站形成了无线多跳网络,由连接网络的汇聚节点(监测网关，通常设在高压变电站)将接收到的数据向后端的监控中心传送。支持远距离传输的监测子站能够以监测点的布局为依据对监测子站进行灵活部署,确保各监测点均有能多跳连接到监测网关的监测子站相对应,使用监测子站最少[4]。

(2) 异构无线传感器网络架构

本文所构建的层次型异构无线传感器网络的架构示意图，如图1所示。

图1 无线传感器网络架构示意图

监控中心负责对骨干网络和子网进行监测，子网为星形网络采用Zig bee无线通信技术，由监测子站和无线传感器节点构成(节点1跳即可接入监测子站)，带宽可达250 kbit/s,可有效满足小范围网络内的标量数据传输(如温度、弧垂等)及大量数据(如图片、视频等)的传输需求。基于IEEE 802.11b/g标准的骨干网络主要由监测子站构成，呈现簇头节点形式的监测子站具备较强的信息传输和处理能力,骨干网络采用自组织网络，通过配置高增益天线可有效满足远距离传输需求，并且单跳链路具备较高的带宽。作为监测系统的主要构成，采集终端主要由传感器、无线通信(支持Zig bee标准)及电源几个模块构成，以传感器节点位置为依据确定电源模块，位于杆塔上的采集终端可采用太阳能供电，位于导线上可使用电磁感应电源。监测子站主要由主控模块(低功耗芯片)、通信模块(包括Zig .TIFbee和IEEE 802.11标准)及电源模块构成，放置于杆塔上的监测子站可采用太阳能供电[5]。

呈线性或网状排布的监测网络需对动态路由协议进行设计，考虑到数据传输量在单一的数据流向下越靠近汇聚节点越大,导致电能易耗尽,因此采用能耗受限的可靠路由协议，以链路传输状态为依据对发送功率进行自动调节,兼顾低能耗需求及传输速率和丢包率，为使由监测数据大量聚集导致的网络拥塞问题得以有效避免,并能对报警事件进行及时处理,设计了2种数据查询方式：①事件驱动，在传感器节点监测到异常事件的情况下会及时产生具有高优先级的报警数据包并向监控中心上传，各中间节点均需对报警数据包进行优先处理、转发；②查询驱动，各传感器节点向监测子站周期性的上传普通数据包(即收集到的监测数据),由监测子站完成汇聚、缓存处理后传送至监控中心对监测数据进行存储、处理和分析。由监控中心负责调度各监测子站上传时间,通过轮询方式的使用可使网络拥塞问题得以有效避免,采取时间及事件唤醒机制，上传周期间隔内保持睡眠状态。此外还提供历史数据查询、故障点定位、数据可视化等功能。包括泄漏电流等在内的特殊数据需结合专家知识进一步处理[6]。

3 高压输电线路在线监测系统的实现

监测子站由主板和子板构成。结构示意图，如图2所示。

图2 监测子站

采用低功耗芯片的主板微处理器(MCU)的主频可达400 MHz，基于该芯片的嵌入式监测子站的工作电流小于3 A、输入电压5V,存储模块由SDRAM和Flash存储器构成(分别为128 MB和32 MB )，包含串口和用于同子板通信的SPI接口各一个；主板提供电源实现了Zigbee协议栈,同时支持IEEE 802.15.4标准；同主板相独立的子板采用Zigbee通信模块,并采用SPI接口同主板进行通信，进一步提升了监测子站的灵活性；使用监测子站中主板的汇聚节点接入到变电站(通过以太网接口)。将嵌入式Linux系统安装于监测子站上实现了汇聚节点网关协、数据查询协议等[7]。

(1) 高压输电线路电磁干扰问题的解决。远距离高压输电线路运行时等同于一个很强的电磁辐射源,存在电晕危害、对无线电的电磁干扰等问题,电晕放电时的脉冲电流能量会对周围环境造成高频干扰,在超过20 MHz频率后则几乎为0，本文通过采用工作频段均在2.4 GHz以上的Zig bee和IEEE 802.11协议使高压输电线路的电磁干扰问题得以有效避免。

(2) 监测设备的供电。杆塔上不能悬挂较长的导线,杆塔上使用电池时更换难度较大,且禁止从高压输电线路取电,可安装于杆塔上的节点,监测子站和部分图像传感器节点可采用太阳能供电系统(和节点一起安放在塔上)，其所采用的免维护铅酸蓄电池的容量根据实际情况计算获取(包括设备功耗和连续阴雨天数)，选取太阳能电池组件则以发电量、电池电压、设备功耗等为依据(连续阴雨天间的最短间隔期间)。合理的供电系统利用充足的光照即可有效满足设备持续供电的需求。此外需注意根据杆塔对承重和抗风要求设计供电系统的体积和重量，导线温度监测节点可采用电磁感应供电方式,避免对导线造成损伤。通过将蓄电池加装于设备上以避免断电情况(通常由输电线路载荷不足、继电保护跳闸引起)的出现,蓄电池充电时由电磁感应供电。为避免IEEE 802.11和802.15.4相互干扰,各自指定了固定的通信信道，各包含11个和16个信道,IEEE 802.11使用信道1,IEEE 802.15.4使用信道21或22,可以同时使用[8]。

(3) 传输距离。发送功率、天线增益等均会对传输距离产生影响,假设，f表示频率，d和Pt分别表示传输距离和发送功率，发送及接收天线的增益分别由Gt和Gr表示，Δ表示无线链路的功率余量,发送及接收天线馈线的损耗分别由Lt和Lr表示，则传输距离的计算表达式[9]，如式(1)(单位：m)。

20lgd=Pt+Gt+Gr-(Lt+Lr)-Δ-20lgf-32.45

(1)

(4) 天线的安装高度和方向，根据惠更斯—菲涅尔原理,假设，l表示波长,h表示天线架设高度，则h=0.5ld(频率为2.412 GHz时l=0.125 m)。

D=1 km时h=5.6 m，传输距离同天线需架设高度成正比，可将天线安装在杆塔上避免超过塔高,即处在杆塔的避雷区内。

4 总结

为有效满足电力系统对高压输电线路安全运行的需求，本文主要对高压输电线路的智能化在线监测系统进行了研究和设计，完成了全参数的线路监测系统的构建,以该线路布局及监测参数的特点为依据完成了层次型异构无线传感器网络的构建，由负责采集图像和标量数据的子网和负责远距离可靠传输数据的骨干网构成，重点解决了包括节点供电、传输距离、电磁兼容等在内的关键问题，有效提高了高压输电线路的在线监测质量及效率。在节省运行费用的同时提高了系统的可扩展性、可靠性,为完善高压输电线路的监测功能提供参考。