一种基于架空线路CPS监测系统的融冰技术研究

王洪亮，赵雨梦

一种基于架空线路CPS监测系统的融冰技术研究

王洪亮，赵雨梦

（昆明理工大学 电力工程学院，云南 昆明 650500）

我国大部分地区普遍都有冬季架空线路结冰的现象，造成大型线路结冰事故，给电力部门安全稳定运行带来极大的挑战。人工除冰或短路除冰都会使地区大面积停电，给电力系统带来损失。提出了一种基于架空线路CPS监测系统的融冰方法，当CPS监测系统检测到线路有结冰现象时，启动发热电阻线路进行加热，可以在短时间内对结冰线路进行融冰，在不停电的情况下，保障了电力安全，极大地减少了电力系统的损失。

架空线路；结冰；安全稳定；融冰；发热电阻线路；CPS监测系统

0 引言

架空线路结冰会导致严重的冰雪事故，不利于电网的安全稳定运行，给人们生活带来极大的不便，所以如何有效地除去架空线路覆冰成为亟待解决的问题。

文献[1-2]提出了一种除冰的优化调度方法，建立了故障概率分析模型，给出配电线路除冰的目标函数和约束条件，基于遗传算法中的概率对其进行改进，分析各分导线对覆冰的影响，进而求解除冰优化问题。文献[3]介绍了我国架空线路覆冰现状，覆冰危害及分类，提出对线路覆冰的研究方法及其适用条件。文献[4]对国内外输电线融冰技术进展展开研究，并作出前景评估，提出了除冰工作要认真分析原因，对症下药，并不断提高除冰技术水平的建议。文献[5]提出机械除冰过程中线路振动存在的危险，通过有限元仿真，研究了16种抑制方案的利弊，结果显示，采用绝缘绳施加在档距中点并固定约束点上跳位移的方案是最优方案。文献[6]考虑系统受到的各种约束，建立0–1整数优化问题，并用遗传算法，把传统除冰方案与优化模型方案进行对比，结果显示优化模型方案具有最小的风险水平，为除冰计划提供参考。文献[7-9]为提高架空线路除冰效率提出新的除冰方法，试验结果验证了该方法可以为输电线路除冰提供依据。新型双核电磁能量采集器（EMEH）应用于除冰机器人的方法，并在Python平台进行仿真验证，证明其良好的优化效果[10]。用LC磁热线对线路进行除冰，除冰效果理想，但尚且存在不能大面积范围内使用的不足，需进一步深入研究[11]。文献[12-13]指出电力系统应对自然灾害的防御措施，为后续自然灾害防御提供参考。文献[14]针对线路重合闸进行故障判定与重合闸时序优化，简述了其研究现状，对前景进行了展望。

国内外都有架空线路结冰的问题，大部分学者针对除冰机器人展开研究。文献[15]对线路除冰机器人的视觉引导技术进行研究，针对传统除冰方案的弊端，开发了一种三臂除冰机器人，具有很强的适应性，为线路除冰提供新思路。针对机器人除冰作业时面临的障碍识别问题，文献[16]提出一种障碍物识别算法，对图像进行降噪和滤波处理，以减少噪声及障碍物灰度，并提取出图像边缘及几何图形基元，在相应约束条件下，对障碍物进行识别，为机器人除冰作业中的障碍物识别提供方案。文献[17]用S形曲线对机器人轨迹规划的方法，对传统方法进行了改进，给出数学描述，实用性强。文献[18]针对不同除冰方法，对不同线路进行分析，以找到最适合线路的除冰方案，为线路除冰提供指导。文献[19]提出车载激光除冰方案，结合传统机械除冰方法，提高了除冰效率，并指出未来激光除冰发展方向，具有指导意义。文献[20-21]结合国内外除冰机器人的研究现状，给出了除冰未来前景。文献[22-23]提出了利用神经网络对线路机器人控制的方法，为提高其鲁棒性做理论支撑。文献[24-25]简述了机器人架空线路除冰关键技术，提出新的机器人障碍物识别方法。

除冰机器人虽然减少了人工作业，但成本高、工艺繁杂，要考虑机器人在作业时的障碍识别问题。本文提出一种基于架空线路CPS监测系统的融冰技术，能够有效监测线路结冰情况，并能够利用发热电阻短时间内有效除冰，为架空线路除冰提供新的思路。

1 CPS在线路监测中的应用

电网的信息物理系统（CPS）是一种融计算与物理进程于一体的新一代智能计算、通信、控制系统。本文将CPS应用于架空电缆线路，监测线路的故障、损伤及雨雪天气中线路结冰现象。

在杆塔上安装温度传感器与CPS监测系统，并使二者进行通信。当线路结冰时，CPS监测系统可以结合线路被拉长后阻值变化及温度传感器传输的温度进行判断。当根据线路电流变化判断线路阻值变化比较大而且此时检测到的环境温度低于0 ℃时，则判断为结冰情况导致的线路拉长使阻值变化，必须采取进一步措施进行融冰；否则，向系统反馈，由电力人员判断是否应采取相应措施。

若线路温度升高过高，会对线路绝缘层带来安全隐患，当线路上温度传感器感受到温度升高至设定温度时，温度控制器会自动断开，发热电阻线路也会相应断开，停止加热，发热电阻停止工作；当温度下降时，温度控制器自动连接，发热电阻再次工作，对线路进行加热除冰，保持发热电阻的恒温。

输电线路与监测装置示意图如图1所示。

图1 输电线路与监测装置示意图

2 相关计算

南方的冬天，架空电缆线路都面临一个共同的问题，在阴冷天气，水蒸气上升，导致架空线路上结冰，结冰情况分为雨凇、雾凇、雨凇雾凇混合物及冻结雪4类。结冰后线路会下垂，以至被拉长，从而使线路电阻增大，增加线路损耗。而在北方，积雪会堆积在架空线路上，温度下降时就会结冰，除此之外，雨夹雪附着在导线上，在温度为冰点以上时，寒冷天气也会使其结冰。南方沿海地区几次线路结冰事故都是由此而起。

传统的除雪融冰方法有人工除冰和短路融冰。但无论是人工除冰还是短路融冰都会造成大面积停电，造成更大的损失。为解决这一问题，设计了一种增加电阻电线发热使积雪融化的方法，减少因雪堆积而增加的电力系统损耗，从而使线损降到最小，同时在保证不断电的情况下除去冰雪。

2.1 温度下降线路电阻率变化

导体的电阻率是导体本身的性质，与导体的横截面积等因素无关，导体的电阻率受温度影响较大。当温度降低时，原子实热振动减弱，运动速率减小，碰撞几率降低，因此电阻减小。电阻率与温度成正比。

式中：为℃时刻电阻率，Ω·m；0为0 ℃时的电阻率；为电阻率的温度系数，与材料有关，对于铝导线，=0.004 29，是个接近0的很小值。因此，当温度降低不大时，导线电阻率变化也不大，可忽略不计。

2.2 架空线路长度相关计算

根据迎风区域架空线路覆冰量增加，被风区域会减少的情况，得出线路覆冰后的增长量为：

式中：为冰密度；0为冻雨密度；S是降水量；W是空气中液态水含量；V为线路所处地区风力大小；1为冻雨时间；是修正系数，取值在0.8~1.3之间。

2.3 发热电阻线路相关计算

将一根发热电阻丝与架空电缆线包裹在一起，电阻丝发热使电缆线绝缘皮上的冰雪融化。CPS系统检测到线路阻值变化时，综合环境温度，分析是否为结冰导致线路阻值变化，进而判断是否需要用发热电阻线路给线路加热融冰。

具体流程如图2所示。

图2 工作流程图

当判定为需要电阻线路加热融冰时，系统给发热电阻线路通电，由于发热电阻线路是由电阻丝构成，通电会使其有功率损耗，因而需找到最优方案，使损耗最小。

假设发热电阻线路发出的热量没有被空气吸收。设发热电阻线路上的电流为，电阻值为，导线半径为，总长度为，加热时间为，则有：

由式（3）可以得到：

需要计算输电线路导线外部冰厚。设冰厚为，导线直径为，导线的冰重为（单位为kg），冰的密度为（一般取0.9），因为冰筒可以看作一个空心圆柱体，则冰厚与冰重的关系为：

为了简化计算，也会将每4 mm雾凇厚度折合成1 mm雨凇厚度进行计算，如果是雨凇雾凇混合物，则按原冰厚度的1/2折合成雨凇厚度进行计算。

冰的熔化焓用表示，1 mol的冰完全融化为水，其熔化焓为=6.03 kJ/mol，1 mol冰重量为18 g，则有重量为的冰融化吸收的热为：

由式（4）知，发热电阻线路发出的热量=2，要使冰完全融化，则有=1。

假设通电电流为1 A，则有：

一般和都是确定的，因此可根据覆冰厚度求出融冰时间。

至此，可以根据不同地区不同天气情况下的结冰厚度得出所需融冰时间。

2.4 约束条件

输电线路都要满足一定的约束条件，具体约束如下：

式中：为输电线路功率；max为输电线路最大功率；输电线路电流；max为输电线路最大电流；min为输电线路最低电压；为输电线路电压；max为输电线路最高电压。

3 仿真验证

表1 除冰时间表

文献[5]采用DAC地线除冰装置，利用高压气体，驱动活塞动作，地线产生一个冲击波，该冲击波在传播过程中产生的力使覆冰依次连续脱落。但该除冰方案受约束位置与DAC的距离影响，约束3/4处时除冰率有所提高，当约束1/4处、2/4处或约束1/4和3/4处时除冰率均有所下降。因此，该方法受限制较多，对比文献[5]，本文所提方法简单易行。

4 结论

在冬季，无论北方还是南方，都会有架空线路结冰的问题，传统的机器人除冰成本高，需要人为操控，费时费力，针对这一问题，提出了一种利用发热电阻线路融冰的方法，该方法利用CPS系统来监测线路结冰现象，当监测系统检测出线路有结冰现象时，便启动发热电阻线路模块进行融冰，实验结果表明，融冰操作可以快速有效地对线路进行除冰，避免了人工除冰或者短路除冰造成的大面积停电现象，极大地减小了电力系统的损失，具有创新性。

[1] 赵建文, 杨成钢, 傅颖, 等. 风险约束下的配电线路融冰优化决策模型[J]. 智慧电力, 2019, 47(9): 66-72. ZHAO JIANWEN, YANG CHENGGANG, FU YING, et al. De-icing optimization decision model for distribution line under risk constraints[J].Smart Power, 2019, 47(9): 66-72(in Chinese).

[2] 张暕. 架空输电线覆冰机理及预测模型的研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2018. ZHANG LAN. Research on mechanism and prediction model of icing on overhead transmission lines[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2018(in Chinese).

[3] 李红坤, 陈芳芳, 高鑫. 架空线路覆冰研究现状综述[J].电气技术, 2017(10): 13-15. LI HONGKUN, CHEN FANGFANG, GAO XIN. An overview of the research situation on the covering ice of overhead lines[J]. Electrical Engineering, 2017(10): 13-15(in Chinese).

[4] 巢亚锋, 岳一石, 王成, 等. 输电线路融冰､除冰技术研究综述[J]. 高压电器, 2016, 52(11): 1-9. CHAO YAFENG, YUE YISHI, WANG CHENG, et al. De-icing techniques for ice-covered transmission lines: a review[J]. High Voltage Apparatus, 2016, 52(11): 1-9 (in Chinese).

[5] 姬昆鹏, 刘晨, 芮晓明, 等. 输电线路机械除冰作业过程中抑制脱冰跳跃方法的研究[J]. 华北电力大学学报(自然科学版), 2015, 42(4): 34-39. JI KUNPENG, LIU CHEN, RUI XIAOMING, et al. Study on cable jump height suppression methods in mechanical de-icing of overhead transmission lines[J]. Journal of North China Electric Power University, 2015, 42(4): 34-39(in Chinese).

[6] 侯雨伸, 王秀丽, 段杰, 等. 考虑系统风险的输电网线路除冰优化调度[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(34): 6101-6108. HOU YUSHEN, WANG XIULI, DUAN JIE, et al. Transmission lines de-icing optimal scheduling considering system risk[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(34): 681-6108(in Chinese).

[7] 吕锡锋, 何青, 赵晓彤. 高压输电线路耦合共振除冰技术分析[J]. 中国电力, 2014, 47(11): 53-58. LV XIFENG, HE QING, ZHAO XIAOTONG. Analysis on the de-icing technology of coupled resonance for high voltage transmission line[J]. Electric Power, 2014, 47(11): 53-58(in Chinese).

[8] 何青, 吕锡锋, 赵晓彤. 激励条件下高压输电线路除冰技术应用研究[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(18): 2997-3003. HE QING, LV XIFENG, ZHAO XIAOTONG. Research on application of de-icing technology on high voltage transmission line under the condition of incentive[J].Proceedings of the CSEE, 2014, 34(18): 2997-3003(in Chinese).

[9] 杨铭, 杨湘蒙. 输电线路覆冰原因分析及优化研究[J]. 电气传动自动化, 2013, 35(6): 23-26. YANG MING, YANG XIANGMENG. Cause analysis and optimization research of ice accretion on transmission line[J]. Electrical Drive Automation, 2013, 35(6): 23-26(in Chinese).

[10] PAUL S, CHANG J. Design of novel electromagnetic energy harvester to power a deicing robot and monitoring sensors for transmission lines[J]. Energy Conversion and Management, 2019, 197.

[11] 蒋兴良, 范松海, 孙才新, 等. 低居里点铁磁材料在输电线路防冰中应用前景分析[J]. 南方电网技术, 2008(2): 19-22. JIANG XINGLIANG, FAN SONGHAI, SUN CAIXIN, et al. Analysis on application of the magnetic material of low curie point to deicing of transmission lines[J]. Southern Power System Technology, 2008(2): 19-22(in Chinese).

[12] 罗剑波, 郁琛, 谢云云, 等. 关于自然灾害下电力系统安全稳定防御方法的评述[J]. 电力系统保护与控制, 2018, 46(6): 158-170. LUO JIANBO, YU CHEN, XIE YUNYUN, et al. A review on risk assessment of power grid security and stability under natural disasters[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(6): 158-170(in Chinese).

[13] 刘友波, 胥威汀, 丁理杰, 等. 电力系统连锁故障分析理论与应用(二)——关键特征与研究启示[J]. 电力系统保护与控制, 2013, 41(10): 146-155. LIU YOUBO, XU WEITING, DING LIJIE, et al. Power system cascading failure analysis theories and application: Part two Ⅱ——key features of real cascading failures and revelation aspects[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(10): 146-155(in Chinese).

[14] 梁振锋, 索南加乐, 宋国兵, 等. 输电线路自适应重合闸研究综述[J]. 电力系统保护与控制, 2013, 41(6): 140-147. LIANG ZHENFENG, SUONAN JIALE, SONG GUOBING, et al.Research review of adaptive reclosure in transmission lines[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(6): 140-147(in Chinese).

[15] 陈友辉. 高压输电线路除冰机器人视觉引导技术研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2013. CHEN YOUHUI. Research on visual guidance technology of high-voltage power transmission line de-icing robot[D]. Changsha: Hunan University, 2013(in Chinese).

[16] 谭磊, 王耀南, 沈春生. 输电线路除冰机器人障碍视觉检测识别算法[J]. 仪器仪表学报, 2011, 32(11): 2564-2571. TAN LEI, WANG YAONAN, SHEN CHUNSHENG. Vision based obstacle detection and recognition algorithm for transmission line deicing robot[J]. Chinese Journal ofScientific Instrument, 2011, 32(11): 2564-2571(in Chinese).

[17] 郝晓弘, 胡振邦, 朱洁, 等. 输电线路除冰机器人的S形曲线加减速算法设计[J]. 电网技术, 2011, 35(6): 194-198. HAO XIAOHONG, HU ZHENBANG, ZHU JIE, et al. Design of S-shape curve acceleration and deceleration algorithm of de-Icing robot for transmission line[J]. Power System Technology, 2011, 35(6): 194-198(in Chinese).

[18] 刘顺新, 罗浩东, 邓小磊. 架空输电线路除冰技术分析[J]. 高压电器, 2011, 47(3): 72-76. LIU SHUNXIN, LUO HAODONG, DENG XIAOLEI. Analysis of deicing methods for overhead transmission lines[J]. High Voltage Apparatus, 2011, 47(3): 72-76(in Chinese).

[19] 谷山强, 陈家宏, 蔡炜, 等. 输电线路激光除冰技术试验分析及工程应用设计[J]. 高电压技术, 2009, 35(9): 2243-2249. GU SHANQIANG, CHEN JIAHONG, CAI WEI, et al. Experimental analysis and engineering design of laser deicing technology for transmission lines[J]. High Voltage Engineering, 2009, 35(9): 2243-2249(in Chinese).

[20] 王耀南, 魏书宁, 印峰, 等. 输电线路除冰机器人关键技术综述[J]. 机械工程学报, 2011, 47(23): 30-38. WANG YAONAN, WEI SHUNING, YIN FENG, et al. Review on key technology of de-icing robot running on overhead transmission line[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2011, 47(23): 30-38(in Chinese).

[21] 刘刚, 赵学增, 姜世金, 等. 架空电力线路防冰除冰技术国内外研究综述[J]. 电力学报, 2014, 29(4): 335-342. LIU GANG, ZHAO XUEZENG, JIANG SHIJIN, et al. Review of anti-icing and de-icing technology for overhead power line[J]. Journal of Electric Power, 2014, 29(4): 335-342(in Chinese).

[22] WEI SHUNING, WANG YAONAN, ZUO YI. Wavelet neural networks robust control of farm transmission line deicing robot manipulators[J]. Computer Standards & Interfaces, 2012, 34(3): 327-333.

[23] YANG YIMING, WANG YAONAN, YUAN XIAOFEI, et al. Neural network-based self-learning control for power transmission line deicing robot[J]. Neural Computing and Applications, 2013, 22(5): 969-986.

[24] 曹文明, 王耀南, 印峰, 等. 高压输电线路除冰机器人障碍物识别方法研究[J]. 仪器仪表学报, 2011, 32(9): 2049-2056. CAO WENMING, WANG YAONAN, YIN FENG, et al. Research on obstacle recognition based on vision for deicing robot on high voltage transmission line[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2011, 32(9): 2049-2056(in Chinese).

[25] 杨暘, 高虹亮, 孟遂民, 等. 架空输电线路除冰机器人的结构设计[J]. 电力建设, 2009, 30(3): 93-96. YANG YANG, GAO HONGLIANG, MENG SUIMIN, et al. Structural design of overhead line deicing robot[J]. Electric Power Construction, 2009, 30(3): 93-96(in Chinese).

Research on Melting Ice Technology Based on CPS Monitoring System of Overhead Line

WANG Hongliang, ZHAO Yumeng

(Faculty of Electrical Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

There is a common phenomenon that overhead line will freeze in winter in most parts of China. It will cause large-scale line icing accidents and would bring great challenge to power sector’s safe and stable operation. Both manual deicing and short circuit can make the region blackout, which will cause significant damage to the power system. In this paper, an ice-melting method based on CPS monitoring system of overhead line is proposed. When the CPS monitoring system detects the icing on the line, it will start the heat resistance line to heat the line. Then it can melt ice on icy line in a short time, which can continue to supply power without a power outage. This innovative method can ensure power safety, and reduce the loss of the power system for the most part.

overhead line; icing; safety and stability; ice melting; heat resistance line; CPS monitoring system

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.02.006

TM81

A

1672-0792(2021)02-0042-06

2020-09-22

中国博士后科学基金（2019M653496）

王洪亮（1984—），男，副教授，主要研究方向为电力物联网，电网信息物理系统；

赵雨梦（1995—），女，硕士研究生，研究方向为电网信息物理系统。