风电场输电线路覆冰在线监测技术评述

华能国际电力股份有限公司湖南清洁能源分公司 何 勇 廖建林 郑新建 付 达 胡照宇

目前，风电场输电线路覆冰在线监测技术主要采用的是无人机、红外线、声波、电容传感器等多种技术手段。其中，无人机技术是一种有效的方法，可通过空中悬停的方式，快速准确地获取输电线路的覆冰情况。同时，无人机技术可通过高清相机、红外相机等设备，对输电线路进行多角度、多维度的检测，提高了监测效率和精度。

另外，红外线技术也是一种常用的输电线路覆冰在线监测技术。红外线技术可通过检测输电线路表面的温度变化，来判断是否存在覆冰情况。这种技术具有非接触式、高效率、高精度等特点，可在不影响输电线路正常运行的情况下，及时发现覆冰情况，为输电线路的安全运行提供可靠的保障。本文结合当前技术发展趋势，对未来风电场输电线路覆冰在线监测技术的发展方向进行了初步探讨，以更好地看待未来技术的发展趋势和方向[1-3]。

1 监测方法

1.1 常用的监测方法

风电场输电线路覆冰是一个严重的问题，因为覆冰会导致输电线路的断裂和故障，从而影响风电场的发电能力。为了解决这一问题，需要采用在线监测技术来监测输电线路的覆冰情况，以便及时采取措施防止故障的发生。常用的监测方法包括机械监测和光学监测。机械监测主要采用机械传感器来监测输电线路的振动和形变，从而判断是否存在覆冰情况。该方法的优点是精度高、可靠性强，但缺点是需要安装大量传感器，成本较高。光学监测则利用红外线摄像机来监测输电线路的温度变化，从而判断是否存在覆冰情况。这种方法的优点是无需接触输电线路，不会对线路造成损害，但缺点是受天气条件影响较大，容易出现误差。

除了以上两种常用的监测方法，还有一些新兴的监测技术，如无线传感器网络技术、声波传感器技术等。无线传感器网络技术可通过无线传感器节点来监测输电线路的振动、温度等参数，实现对输电线路的实时监测。声波传感器技术则利用声波传感器来监测输电线路的振动，从而判断是否存在覆冰情况。这些新兴的监测技术具有成本低、安装方便、实时性强等优点，但需要进一步完善和验证。

为了监测风电场输电线路覆冰状况，传统的测量悬垂绝缘子串垂直荷载的方法是通过球头挂环来实现，但在覆冰及弯曲风等复杂气象条件下的准确性和稳定性存在一定的局限性。目前，拉力传感器的应用可替代传统的球头挂环，通过测量悬垂绝缘子串的倾角、垂直方向的静态分析等方式，来计算线路由于覆冰所增加的垂直荷载。该方法可有效地识别导线和地线的覆冰状态，确保输电线路的安全稳定运行至关重要。在测量稳态覆冰时，通常使用称重法，但其并未考虑导线舞动所产生的大振幅低频率影响。为了排除导线舞动的影响，可通过检测突变的拉力值进行相应的调整[4]。

综上所述，风电场输电线路覆冰在线监测技术是解决风电场输电线路故障的重要手段。常用的监测方法包括机械监测和光学监测，还有一些新兴的监测技术。针对不同的应用场景，需要选择合适的监测方法，并进行系统化的监测和分析，以便及时采取措施防止故障的发生。

1.2 称重法

1.2.1 计算模型

本文研究了风偏对覆冰荷载的影响，并通过静力学分析建立了竖直方向上的平衡方程，从而得到了单位导线长度的覆冰荷载。利用这个结果计算等效覆冰厚度时，采用了如图1所示的合理称重法计算流程。

图1 输电线路等覆盖冰厚度计算流量

1.2.2 静力学计算模型的科学性

本文中，将压力和角度感知器装置放置在垂直悬线器的近地端，以检测该悬线器的压力、倾斜和气流飘移。视悬线器为一刚性管道，考虑了悬挂导线产生的垂直荷载、悬线器和悬挂导线所受的风载荷，以及由于悬挂导线纵向张力不平衡所引起的纵向荷载，综合影响会使悬线器产生偏转，形成如图2中所示的状态。

图2 悬垂绝缘子串受力分析

在图2中，OD表示悬线器；F表示压力；Gc表示悬挂导线的垂直荷载；Gi表示悬线器自重垂直荷载（不考虑由于悬挂导线增加的垂直载荷，将其视为线路悬挂导线垂直载荷）；Fwc和Fsc分别代表增加的气流飘移在垂直导线方向和顺线方向的分量；Fwi和Fsi分别代表悬挂导线的气流飘移在垂直导线方向和顺线方向的分量；代表悬线器的气流漂移角度；θ代表悬线器的倾斜角度；θ'代表偏移后悬线器与导线方向垂直的平面夹角。该偏移角度θ'与角度传感器测得的风偏角和倾斜角θ之间存在如下关系：

假设在某一时间段内，风压基本恒定，当外力的作用增强时，绝缘子串会开始往垂直于导线方向摆动，并且按照刚体力学的原理进行运动。随着运动的进行，绝缘子串的向心加速度和运动速度将会逐渐增加，而切向加速度的大小则会逐渐减小，直到为零。因此，在外力平衡状态下，绝缘子串所受到的其他外力合力除了拉力F之外，方向与F完全相反，大小也不相同，进而影响向心加速度的大小。因此，向心加速度大小为：

代入式（1），并对式（2）做简单变换可得F为：

式中：R为绝缘子串和金具的总长度；v为绝缘子串高压端的运动速度。为了研究绝缘子串在平衡状态下的运动速度v，研究人员分析了最大风偏角和平衡状态下的风偏角差数据，并发现测量时间段内风压相对稳定，且风偏角变化非常小。在110～500kV线路上，角度差的最大值不超过5。基于这些数据，研究人员利用能量守恒原理对绝缘子串高压端的运动速度进行了大致推断，有助于更深入地研究绝缘子串的运动特性。

1.3 图像监测法

对于导线覆冰的评估，可通过使用摄像机实时采集线路监控图像，并通过人工定性分析来实现。然而，采用图像处理技术可准确地对导线覆冰进行定量识别。图像监测法能够对线路覆冰图像进行分割和覆冰边缘的提取。通过比较覆冰前后的轮廓，可有效地判断导线的覆冰程度。这是一种有效的技术流程，如图3所示。

图3 图像监测法流程

在本研究中，使用粗糙集理论和Gouraud阴影算法进行导线覆冰厚度的估算。为了获取实际的覆冰厚度，为了识别导线和绝缘子串的覆冰厚度，本研究采用了小波变换边缘检测和浮动阈值法边缘跟踪相结合的技术，并应用图像平滑处理、阈值变换和轮廓跟踪等算法。在南方电网输电线路现场监测图像的基础上，使用邻域平均值滤波、自适应阈值图像分割和基于LoG算子的边缘检测技术，成功地检测了线路覆冰和绝缘子覆冰厚度。

然而，该方法的应用受到一定条件的限制：在线路结冰时，摄像头的表面也会被冰覆盖，这将导致所拍摄的图像变得模糊，难以识别；当前，摄像机所拍摄的图像分辨率较低，这将对图像处理后的精度带来重大的负面影响；现场拍摄角度会对导线覆冰的识别产生限制，自然环境中存在冰凌的情况也会导致导线覆冰形状的不规则。因此，采用二维图像对导线覆冰进行处理时，与实际情况存在一定差异；摄像机监测有一定范围限制，当档距增大或环境气候不理想（如出现雾气）时，监测效果可能无法全面覆盖，并且可能无法有效监测不均匀覆冰情况。

2 微波技术应用

微波技术是目前应用较为广泛的一种监测方法。微波技术和电容传感器技术也是一些常用的在线监测技术。微波技术通过检测输电线路表面的振动频率，来判断是否存在覆冰情况。电容传感器技术则通过检测输电线路表面的电容变化，来判断是否存在覆冰情况。这些技术手段虽然在监测效率和精度上相对较低，但是其具有简单易用、成本低廉等优点，可在一定程度上满足输电线路覆冰在线监测的需求[5]。

微波技术的主要原理。在监测区域中发射微波信号，并接收反射信号，通过对微波信号的变化来评估区域冰雪厚度信息。由于微波波长短、频度高，适合在风电场中进行细小检测。本文根据江苏省扬中市风电场输电线路覆冰监测试验，微波技术能够实时监测到输电线路的冰雪厚度和温度，确保输电线路的安全运行。值得一提的是，微波技术具有较高的自动化程度，便于全天候监测和数据处理。同时，微波技术可检测不同类型、厚度、形状的覆冰，适用范围广，容易实现快速预警和分析处理。

除了微波技术，其他监测方法如红外线辐射测温、红外热像技术等同样可应用于风电场输电线路覆冰监测中。但相对于微波技术，这些方法监测的范围较窄，在不同温度、风速、湿度等复杂环境下监测效果稍逊一筹。另外，虽然微波技术应用于风电场输电线路覆冰监测获得了较好的效果，但其实际应用面临的问题也不容忽视。例如，微波信号的传输距离、穿透水分等问题需要进一步优化和完善。这也需要技术人员在实际应用中不断深入探究，创新微波技术的应用方式，使其更好地适应于各种复杂环境下的在线监测需求。

综上所述，微波技术在风电场输电线路覆冰在线监测中的应用展现了其巨大的优势。但继续完善和创新技术，解决实际存在的问题是相关研究人员需要不断突破的难题。只有如此，才能更好地保障风电场输电线路的安全、高效运行。总之，微波技术的应用在风电场输电线路覆冰在线监测中具有重要价值。

微波技术在输电线路覆冰在线监测中得到了广泛应用，并在其中扮演了重要角色。通过微波信号的发射和接收，可不接触地实现输电线路的覆冰监测，从而实时掌握线路冰雪状况，及时开展维护工作，保证线路的正常运行。微波技术在输电线路覆冰监测中的应用具有很多独特优势，可大大提高工作效率和线路安全可靠运行水平。同时，将微波技术与人工智能技术等其他技术结合起来，也是实现输电线路覆冰监测领域进一步发展的重要途径，将有助于提高输电线路的可靠性和安全性，推动能源行业的可持续发展。