架空输电线路在线监测技术应用及发展

2022-10-18倪康婷于钦刚高安洁

农村电气化 2022年10期

关键词：监测技术传感低功耗

倪康婷，于钦刚，高安洁

（北京国网富达科技发展有限责任公司，北京丰台 100071）

输电线路在线监测技术是指安装在线路设备上可实时记录表征设备运行状态特征量的测量系统及技术，是实现状态监测、状态检修的重要手段，状态检修的实现与否很大程度取决于在线监测技术水平。

架空输电线路监测装置共16种，根据监测对象的不同，可分为通道环境监测及本体状态监测2类，其中通道环境类4种，本体状态类12种。在线路本体状态监测装置方面，又分为架空线路的基础、杆塔、导地线、绝缘子串4类。

1 发展历程

美国、加拿大等国较早开展了输电线路在线监测技术研究，并进行了大量的试验和理论研究。我国从上世纪90年代起开始输电线路在线监测技术研究与应用，主要分为以下几个阶段：

表1 输电线路在线监测装置分类

1990—2000年，中国电科院、清华大学等科研单位陆续开展在线监测技术方面的理论研究工作，多处于实验研究阶段，尚没有大范围应用的商业化产品。

2001—2009年，随着国家输电线路运行维护的需求以及通信技术、传感器技术的快速发展，国内科研院所和专业厂家陆续开发了输电线路覆冰、导线舞动、微风振动等在线监测产品，并逐步推广应用。但在实际运行中，如各类产品系统架构不规范、装置接入不统一、相关标准不健全、装置运行不稳定等问题也逐渐显现。

2010—2018年，国家智能电网建设全面实施，国家电网公司颁布了《输电线路在线监测装置通用技术规范》等标准颁布，输变电设备状态监测装置入网检测实验室建成。同时完成了输变电设备状态监测主站程序开发，实现了输变电设备状态监测信息汇总、展示、统计分析等功能，为状态检修辅助决策提供监测数据[1]。

2019年至今，结合物联网、5G、北斗等新技术发展，在线监测装置朝着智能化、高精度、集成化、小型化等方向发展，现场应用范围扩大，并不断涌现出新型在线监测装置。

2 输电线路在线监测标准体系

2.1 输电线路在线监测标准体系建设

国家电网公司输电线路状态监测装置通用技术规范是国网公司输电线路状态监测技术的纲领性规范，规定了除状态监测主站以外的输电线路状态监测装置的分类与组成、功能要求、技术要求、数据传输规约、供电电源、试验检验等内容，用以指导装置的设计、生产、入网检测和应用。

在通用技术规范给出的要求基础上，国网公司组织起草并发布了气象、导线温度、微风振动、等值覆冰厚度、导线舞动、导线弧垂、风偏、现场污秽度、杆塔倾斜、图像、视频监测装置的单项技术规范，并且根据架空线路监测技术面临的电源、通信难点以及装置质量问题，强化提出了太阳能电源技术规范、试验检测标准以及安装调试与验收标准等专项规范，加上输变电设备状态监测系统技术导则主站部分内容，形成了相对完整的国家电网公司输电线路状态监测技术标准体系，如图1所示。

图1 国家电网公司输电线路状态监测技术标准体系

以上标准中，输电线路状态监测装置通用技术规范在加入南方电网公司输电线路状态监测系统通信规约以后，已经上升为国家标准GB/T 35697—2017《架空输电线路在线监测装置通用技术规范》，《输电线路等值覆冰厚度监测装置技术规范》已经上升为电力行业标准DL/T 1508—2016《架空输电线路导地线覆冰监测装置》。

2.2 标准应用情况

自2010年Q/GDW 242—2010《输电线路状态监测装置通用技术规范》等输电线路状态监测技术标准发布以来，历经几次修订，系列标准有效地指导了输变电设备状态监测系统建设，避免了“一厂家一孤岛”系统的现状。依据规范建立了中国电科院输变电设备状态监测技术实验室输电分部，并开展了标准化装置的检验工作，发现了部分设计和生产制造问题，有效确保了输电线路监测装置入网质量。

目前依据输电线路状态监测通用技术规范数据传输规约将近2万台套装置分级接入到国网总部输变电设备状态监测系统，实现了国网系统内输电状态监测装置信息的统一接入和管理。依据监测装置通用和专项标准开展状态监测系统运维和预警分析工作，发现了大量的一次设备的隐患，对线路安全运行起到了良好的监控作用。

按照输电线路状态监测技术标准体系，经过几年的应用实践，发现其中一部分监测装置如覆冰、气象、温度、图像等监测装置技术相对成熟，应用效果较好，一部分监测装置的质量和应用效果还有待提升。另一方面随着电力物联网工作的推进，新型低功耗、小型化物联网监测装置不断涌现，因而输电线路状态监测技术标准体系还须要随着在线路运维检修中的深化应用和泛在电力物联网技术的发展而不断补充和完善。

3 输电线路在线监测装置部署原则

在不同的应用场景下，建议按照如表2所示原则进行监测装置部署。

表2 输电线路在线监测装置部署原则

4 边缘智能终端及边缘计算App

4.1 边缘智能终端需求

输电边缘智能终端安装在架空线路杆塔上，所有监测装置数据须经过边缘智能终端进行统一回传。输电边缘智能终具有端宽窄带数据采集、边缘计算等功能，使传感器和边缘终端做到“互联互通”。主要须满足以下4点要求：（1）传感器标准化接入。传感器统一标准、数据汇聚、边缘计算、远程传输、网络管理、设备管理。（2）图像识别、视频接入。具备线路本体和通道缺陷及隐患的智能图像识别功能及视频数据接入。（3）边缘计算。边缘智能终端宜搭载适用于输电线路应用场景面向嵌入式系统、可软件定义的边缘计算框架，实现采集数据的边缘计算和就地处理。（4）低功耗满足杆塔使用。低功耗设计满足设备在野外太阳能供电需求。

4.2 输电边缘智能终端装置功能

输电边缘智能终端安装在输电杆塔上，用于各种传感端设备管理与控制，适用接入不同类型、不同厂家的监测装置，实现各类监测装置的标准化接入、安全接入和智能化接入，实现监测装置数据的接入代理功能。

基本功能：数据汇聚、边缘计算、远程传输、网络管理、设备管理；

边缘计算：边缘智能终端宜搭载适用于输电线路应用场景面向嵌入式系统、可软件定义的边缘计算框架，实现采集数据的边缘计算和就地处理；

图像识别：具备线路本体和通道缺陷及隐患的智能图像识别功能；

网络管理：支持进行本地和远程网络管理，支持网络故障后的自恢复等功能。

4.3 输电边缘智能终端装置硬件架构

输电边缘智能终端装置硬件架构如图2所示。

图2 输电边缘智能终端装置硬件架构图

4.3.1 北向接口数据回传

公网信号覆盖区，宽窄带数据采用无线通信方式进行融合传输，支持4G并可向5G演进。

在无/弱信号区，宽带数据采用无线网桥或微波形式进行点对点、点对多点传输，数据发送至有信号区或光纤接入点进行数据回传；窄带数据采用北斗短报文形式进行数据回传，宜采用2次上报模式提高发送成功率。

在条件允许的情况下，宽窄带融合数据可采用光纤方式进行回传通信。

4.3.2 边缘计算

在《输变电设备物联网边缘计算应用软件接口技术规范》基础上，扩展设备注册、设备信息建模、任务调度、数据存储与处理、资源配置与编排等计算能力。

4.3.3 南向接口感知设备接入

遵循《输变电设备物联网微功率无线网通信协议》接入方法，并针对输电物联网场景进行软硬件进一步针对性优化。

4.4 边缘计算架构

边缘智能终端软件基于嵌入式Linux操作系统，整体设计基于轻量化边缘计算框架，以Docker容器作为各种传感器业务、通信接口等模块的运行方式。各业务App运行于独立的Docker容器内，并与物联网管理平台独立通信，实现不同终端、传感器的业务数据上报、设备管理、远程升级，如图3所示。边缘计算框架由框架组件和App组件构成。框架组件包括边缘数据中心、MQTT消息总线、信息安全，提供运行支撑。App组件包括基础App和业务App两类，App基于容器部署和运行，一个容器可以承载多个App。

图3 边缘计算架构

5 输电线路在线监测技术发展趋势

5.1 技术短板与瓶颈问题

目前存在以下技术短板和瓶颈问题

5.1.1 新型材料、高端芯片、核心器件国外垄断

核心器件、芯片的传感器成本高，正向研发、自主可控的自主创新能力不足，特别是在新型材料、高端芯片、核心器件等方面的技术尚无法满足产业发展需求，关键和核心的技术及部件仍依赖进口，并且在大规模应用时存在被国外限制的风险。因此迫切须要掌握先进材料、核心器件的关键技术，实现核心器件的自主化和定制化。

5.1.2 长期可靠性难以保证

我国在复杂电磁环境下的传感技术发展较晚，缺乏针对电力应用场景的优化设计，尤其是在电网复杂工况下的长期运行可靠性问题突出。传感器寿命与一次设备寿命不匹配。亟须从材料、器件、工艺、设计、试验、评估等方面进行技术攻关，提高电力传感器长期可靠性和有效性。

5.1.3 新工艺和制备技术尚未掌握

缺乏对于器件本体的工艺、制备的设计能力和技术积累，尚未完全掌握先进传感材料、核心传感器件的制备技术。迫切须要开展包括新型MEMS传感器设计、可靠性和耐候性评价及试验等技术研究，补齐传感器设计、制造、测试等关键环节技术短板，推进器件设计与制造工艺的深度结合，提升产品性能，降低生产成本。

5.1.4 现有传感器的功能、性能须要进一步提升

现有的测量技术与设备无法满足宽频信号的动态监测与数据采集需求，同时终端节点种类和数量呈几何式的增长，终端节点和传输网络的接入问题亟待解决。

5.2 技术发展

5.2.1 先进感知技术

高可靠先进传感器是智慧电网的信息获取基础。传感技术是指能够感知和检测某一形态的信息、并将之转换为另一形态信息的技术。从本质来讲，传感技术是一种量测手段，利用信号与信号之间明确的对应关系，以一定精度进行信号的传输、转换及处理，从而满足系统信息传输、存储、显示、记录及控制等要求[2]。智能传感器作为与外界环境交互的重要手段和感知信息的主要来源，已成为智慧电网发展的核心与基础之一。

现有传感器在物理尺寸、感知能力、供电方式、强电磁防护等方面存在局限性，同时对于海外具有高度依赖性。主要存在以下不足：多特征参量微弱信号的高灵敏感知机理研究不足，电气设备多参量融合感知技术不能满足设备缺陷诊断需求；复杂电磁工况下传感器抗干扰能力、高可靠性不够，寿命短；低功耗、芯片化微型传感器件研究落后国外先进水平等问题普遍存在[3]。

因此须加强以下技术方向研究与投入：

多参量融合感知技术。加强基于液态金属等新型复合材料及光纤传感、电场传感、磁阻效应、声表面波、电化学等感知原理与技术研究，探索复杂电磁环境下测量交直流电场、极微弱电流、空间电磁场等对象参数感知，实现多特征参量微弱信号的融合感知，丰富监测对象与参数，提高对电网缺陷和故障的识别精度、可靠性和系统可应用性。

复杂工况下的高可靠性技术。由于输电线路传感器长期在复杂电磁环境下工作，须加强复杂电磁场环境对传感器的干扰、损伤机理，以及传感器有效屏蔽、封装、抗扰能力主动提升等技术研究，探索传感器长期运行老化特性及其寿命评估方法，提升传感器抗干扰能力和可靠性，评估传感器寿命。

低功耗、芯片化微型传感器件集成技术。海量设备接入要求传感器必须具有小型化、低成本等特点，因此须加强微型传感器件与数据处理、通信等功能模块的芯片化融合集成及其低功耗实现技术研究，完善传感器自配置（即插即用）、自评估、自校准功能，实现微传感器件的融合集成和边缘智能。

5.2.2 传感器取能技术

取能问题已成为影响电力传感器可靠性的主要因素之一。现场在线监测往往安装在高压杆塔上，对输电设备状态信息和环境参数进行常年24 h不间断监测，一般情况下安装在输电线路野外现场的监测装置没有可供使用的交流电源，为此必须要借助能量收集技术开发独立的供电装置。

目前，已在电力传感器领域应用的能量收集技术主要包括太阳能取能、磁场区能和电场取能3种方式[4]。近年来虽然已有关于电磁场供能/取能、激光供能、微波供能以及振动取能、温差取能等多种新技术出现，但成熟应用案例较少，取能功率、可靠性、电力适应性、应用成熟度均有待提高。

因此须加强以下技术方向研究与投入：

多样化微源取能方式技术。结合电力应用场景开展传感器的基于微能量收集的取能技术研究，包括电磁场取能、振动取能、微风取能、温差取能等关键技术研究，及核心器件、取能器模块研发与现场应用。

取能器件小型化技术。目前电力领域广泛应用的金具温度、杆塔倾斜等传感器均已实现了小型化，尺寸为厘米级，电力传感器的供电单元需与传感器做到结构与尺寸匹配。现有环境能量收集器件中，光能、振动和温差在小型化方面可满足厘米级应用需求，但风能、电场和磁场能量收集器件仍存在较大的结构优化空间，须进一步向小型化趋势发展。

5.2.3 低功耗安全网络连接技术

低功耗安全无线传感网络是实现电力传感器接入、电力设备与环境状态全面感知的关键。现阶段电力无线传感网络技术协议差异大、接口不统一，并且节点功耗、组网开销、通信距离、安全防护等方面难以满足设备侧电力物联网差异化应用需求，传统数据加密及用户身份认证机制无法满足电力无线传感节点计算/存储资源受限、网络拓扑动态变化下的安全需求，无线传感网络中各类终端与节点受功耗、电源等影响，使安全性成为一个关键性技术问题。

超低功耗无线传感网络物理层与通信协议融合技术。针对感知层微功率无线传感器接入场景，重点突破无线传感网络超低功耗通信速率、功耗等关键指标，实现超低功耗无线传感网络物理层与通信协议融合，以低功耗通信模块、网络节点设备等硬件装置解决微功率无线传感器现场长期可靠运行、信息高效采集与汇聚难题。

宽窄带融合无线传感网络技术。针对输电线路结构化数据、非结构化数据同时传输需求，需加强输电线路感知层大带宽的宽窄融合无线传感网络及轻量级安全连接技术研究，探索无/弱信号区微波通信等宽窄带融合通信技术及应用，建立健全电力低功耗宽窄融合无线传感网络安全性、通信性能评测方法。

5.2.4 其他关键技术

同时还应加强其他关键性、基础性、前瞻性技术研发，例如掌握核心知识产权，突破芯片级传感等“卡脖子”技术，大力发展面向新应用场景的交直流电流、弱磁场、空间电场、振动声纹等智能传感器，构建先进传感研发试验基地，建设面向压电材料、磁性材料等敏感材料研究、系统级封装（SIP）和个性化测试等实验研究平台，加快基于数据驱动的设备状态智能感知理论与评价方法研究，形成智能传感应用闭环，助力能源互联网数字化转型、智能化升级。