智能电网输电线路在线监测系统研究

吴永锐，许志远

（国网江苏省电力有限公司泗洪县供电分公司，江苏 宿迁 223900）

0 引 言

输电线路是智能电网的核心组成部分，其运行的安全性、可靠性将直接影响整个智能电网的正常运转。早期维护电网输电线路正常运行的方法通常是人工巡检，需要消耗较大的人力、物力、时间等资源，工作量大且成本较高，易受天气、环境、地形等各种外界因素及巡检人员自身专业知识、经验等方面的影响，导致检查效率慢，故障隐患多，供电可靠性不理想[1]。随着科技的进步，电力系统逐渐朝着智能化方向发展，传统人工巡检已无法满足智能电网输电线路维护需求，迫切需要借助传感器、物联网等先进技术建立更加智能的在线监测系统，使其能够实时、稳定和精确地收集并分析输电线路运行的各项信息，及时发现异常运行状态和故障隐患，发出警报提醒技术人员前往处理，提高输电线路运行的可靠性和检修效率，节省人力和时间成本。

1 智能电网输电线路的监测需求分析

智能电网输电线路的运行状态受导线温度、微风振动、垂弧以及覆冰等因素的影响，因此智能电网输电线路在线监测的需求主要包括以下4 点。一是监测输电线路周围微气象环境，包括气压、温度、湿度及风速等指标。恶劣气象环境会影响输电线路中绝缘子的绝缘性能，导致污闪现象，若不能有效控制，可能会导致供电中断[2]。二是监测导线温度，尤其是接线点位置的温度。通过监测接线点附近的导线温度，不仅能计算出线路当前的最大载流量，还能判断线路运行状态是否正常。若出现积污和生锈等情况，导线温度会异常升高[3]。三是监测微风振动，包括振动时间、频率、振幅等。微风振动是影响输电线路运行可靠性的常见因素，具有发生率高、持续时间长的特点，容易造成导线疲劳损伤，引起防振器、杆塔构件等部件的损坏，进而对电网运行安全产生威胁。四是监测导线垂弧。导线垂弧通常受风荷载、覆冰荷载、线路载流量的影响，输电线路中导线的倾角、拉力、加速度等指标能够反映导线的垂弧大小、覆冰荷载、微风振动情况等，因此监测这些指标可以有效评估输电线路的运行状态[4]。

2 在线监测系统总体架构设计

对输电线路的运行状态进行实时监测是实现智能电网的重要基础。文章基于物联网技术、传感器技术等先进技术建立智能电网输电线路在线监测系统，系统总体架构可分为3 层，分别是感知层、网络层、应用层。感知层主要是由各种传感器组成的信息采集模块，负责现场采集输电线路的运行参数和周围环境信息等。网络层则主要发挥远程通信功能，有效连接系统各个模块，实现由应用层向感知层的指令传输和由感知层向应用层的信息传递，使现场采集的数据能够快速汇集到数据集中模块，再通过网络上传到云服务器，实现数据分析、处理和储存。应用层则包括云服务器、客户端、数据库等结构，负责分析、统计、储存输电线路运行信息，并以数据、图表等形式直观地显示出来，便于管理人员、技术人员查看和做出相应判断，同时为技术人员提供操作界面，使其能够调整传感器的信息采集时间、间隔等，实现数据查看、可视化呈现、故障预警、故障定位以及远程控制等功能[5]。在线监测系统总体架构如图1 所示。

图1 在线监测系统总体架构

3 硬件系统设计

3.1 硬件结构

输电线路在线监测系统硬件结构主要包括电源模块、信息采集模块、微处理器以及通信模块等。其中，电源模块主要采用锂电池供电，结合太阳能电池板、电流互感器（Current Transformer，CT）取电装置等，满足监测系统的供电需求。信息采集模块所用的硬件设备主要是各类传感器，包括气压传感器、温湿度传感器、风速风向仪、拉力传感器、加速度式倾角传感器以及泄漏电流传感器等，从而全面收集输电线路和周边环境的各类信息，监测气象环境、导线温度、导线垂弧及微风振动等的变化。微处理器采用STM32F103C8T6 型号单片机，其中断处理能力强、响应速度快、储存容量高，能够满足信息数据的高速处理、计算、储存需求，还可以满足监测系统的通信需求。作为监测系统的核心硬件，微处理器的性能与系统运行的效率、质量紧密相关，因此微处理器必须能够精准、快速地采集现场模拟信号，并进行数据传输、处理[6]。通信模块采用远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）技术，具有能耗小、体积小、通信性能佳等优点，共有4 种通信工作模式。一是一般模式，有透明传输和定向传输2 种通信方法；二是唤醒模式，通信方法与一般模式相同，只是发送数据时需要在前面添加唤醒码，使处于省电模式下的设备被唤醒，顺利接收数据信息；三是省电模式，与唤醒模式的设备相配套，无法主动发送数据信息，且只能接收唤醒模式下的设备发送的信息，具有低能耗特点；四是信号强度模式，可监测双方设备的信号强度[7]。

3.2 传感器部署

各类传感器部署的科学性、合理性直接影响着在线监测的有效性，应充分考虑输电线路的监测需求，深入分析其故障风险较高的区域，设置重点监测点，合理部署传感器设备，无须各级杆塔均安装。例如：输电线路中跨越立交桥的节段尤其需要注意防止导线下垂，以免与地面距离过近产生放电现象，威胁过往人员、车辆的安全，因此在导线上安装传感器设备，实时监测导线垂弧大小；在湖泊附近的输电线路则需要加强对湿度的监测，并在杆塔上安装监控设备，采集塔基图像，防止水流对塔基造成侵蚀作用，影响塔基的稳定性。通信模块中的监测网关一般设置在高压变电站。为建立网关与各个传感器节点间良好的通信，应以监测点的分布为依据，灵活部署监测网关，建立监测子站，以便将传感器收集的数据汇集到一起。同时，应通过合理设计减少监测子站数量，从而节约成本。

4 软件系统设计

在线监测系统的整体工作原理是在输电线路适宜的位置安装传感器，采集传输线路运行时的参数和环境信息等，并利用无线局域网将信息汇总，再传输至云服务器进行分析、汇总、储存。若发现异常数据，系统则自动触发报警。管理人员、技术人员可随时从客户端访问云服务器，查看或提取输电线路运行的各项信息数据，查看统计图表，分析输电线路运行状态。系统软件设计主要包括信息采集程序、通信程序、应用程序等。

4.1 信息采集程序

输电线路在线监测的指标较为复杂，包括导线温度、周围微气象情况、导线垂弧等，涉及许多信息数据的采集工作，因此需要设计信息采集程序。

4.1.1 微气象数据采集程序

将温湿度传感器、气压传感器、风速风向仪等微气象数据采集设备与微处理器连接。系统开始运转时，由应用层发送数据采集指令，微处理器将开始信号发送到传感器设备，传感器快速响应，采集数据并将数据传输至微处理器，通过微处理器分析、计算、校准后得出准确的微气象数据。例如，采集气压数据的程序流程为首先由微处理器向气压传感器发送开始信号，其次启动传感器采集数据，读取未补偿的气压数据、温度数据，最后利用一次性可编程（One Time Programmable，OTP）寄存器中的校准数据进行计算、校准，获得真实的气压值（见图2）。

图2 气压传感器运行程序

4.1.2 泄漏电流采集程序

输电线路中泄漏电流反映着其绝缘性能的好坏，当泄漏电流大小突破一定界限时，就可能发生污闪现象，影响电网的安全性、可靠性。通过采集泄漏电流数据能够评估输电线路中绝缘子的绝缘性能，从而进行有效预防。泄漏电流采集程序流程如下：首先，由微处理器向泄漏电流传感器发送开始信号；其次，传感器启动，采集电流信号；最后，采集完成后计入数组，如此反复采集10 次泄漏电流信号，取其平均值，提高数据采集的真实性和精确性。

4.2 通信程序设计

4.2.1 通信网络设计要求

首先，传输距离长是输电线路监测系统通信的一个重要特点，也是设计通信网络需要解决的一个难题。智能电网输电线路覆盖的区域广、跨度长，尤其是高压、特高压输电线路的传送距离非常长，部分线路需要穿越各种不同的区域，面临复杂的环境，监测其运行状态时需要设置的传感器较多，需要依据实际情况合理部署监测设备。输电线路的重点监测区域通常位置比较分散，互相之间距离较远，在设计通信程序时必须考虑这一特征。

其次，只有采用灵活的通信网络拓扑结构，才能更好地满足不同输电线路、不同监测目标的通信需求。输电线路一般呈线性结构向前延伸，中间连接各个变电站，网络节点呈现线性拓扑结构。

最后，通信网络应具有足够的扩展性、灵活性，可以适应多种数据传输类型。输电线路大部分处于野外自然环境，面临的地理环境、气象条件十分复杂，易受温度、湿度、气压、风力以及覆冰等各种因素影响，其在线监测的需求也较复杂，涉及的数据类型多，包括泄漏电流、导线温度、垂弧大小以及微风振动弧度等。因此，在线监测系统的通信网络设计必须满足多种类型的数据传输需求。随着智能电网的不断发展，对于输电线路监测的需求不断提高，投入的传感设备类型越来越丰富多样，设备数量增多，监控规模逐渐增大，通信网络需要具备较高的带宽，以满足智能电网的发展需求。

4.2.2 组网设计

输电线路在线监测系统的通信网络总体可分为子网络和骨干网络2 个部分。子网络是连接各类传感器和监测子站之间的网络，能够将收集的数据传输、汇集在一起。骨干网络则是连接各个监测子站和监控中心的网络。子网络可应用LoRa 通信技术。LoRa 模块具有传输速率低、通信距离长等特点，符合输电线路在线监测系统的通信需求。以LoRa 通信技术为基础进行组网，采用星型网络结构，将LoRa 通信终端安装于信息采集模块的各个传感器，并直接与LoRa网关建立通信连接，展开点对点通信，能够有效减少网络延时，降低能耗，以实现快速、高效、安全的数据传输。所有传感器都与LoRa 网关单独连接，即形成了星型的通信网络结构，通过LoRa 网关可以管理、控制网络结构中的各个传感器，向传感器上的LoRa 终端发送控制信号，并汇集采集到的数据。星型的网络通信结构也有利于日常管理维护，若其中一个LoRa 终端故障，不会对其他传感器的正常运行造成影响。通信程序的具体流程如下：首先，传感器采集到数据信息后传入LoRa 通信终端，写入先进先出队列（First In First Out，FIFO）缓存，然后进行发送；其次，LoRa 网关负责接收、读取LoRa 终端发送的数据，清除中断标志位；最后，LoRa 终端自动检查寄存器标志位，以判断数据发送成功与否。如果发送成功，则切换成待机模式，降低能耗；如果数据发送失败，则重新进入发送模式，直至成功将数据发送出去。

骨干网络的传输距离与子网络相比通常较远，可采用自组织网络，配置高增益天线和足够高的带宽，确保能够满足数据的大规模、远距离传输。由于输电线路通常呈线性结构延伸，其在线监测系统的骨干网络设计也呈线性或网状排布。在这种拓扑结构下，越靠近数据汇聚的节点，其数据传输量越大，对电能的消耗越大。因此，可通过可靠路由协议，根据链路传输状态自动调节数据发送功率，从而在节约电能消耗的同时提高传输速率，减少丢包率，改善大量监测数据汇集导致的网络拥堵问题。为及时和高效地处理报警事件，需要在骨干网络中设计合理的数据查询方式，从而在大量复杂监测信息中快速提取出异常信息，并上报监控中心。例如，可采取事件驱动的数据查询方法，即当传感器节点收集到异常数据信息时，会产生具有优先传送特权的报警数据包，使其快速向监控中心传送，期间经过的每一个节点，都要优先对报警数据包进行转发，从而有效防止通信网络末端的网络拥堵问题阻碍故障报警的及时性。

5 结 论

如今社会对于电能的依赖性越来越强，许多行业需要持续消耗电能，一旦出现供电中断，就会造成较大的经济损失和严重的社会影响。为提高智能电网的运行水平，应当积极优化输电线路的在线监测系统，深入分析导线温度、周围气象条件、微风振动以及导线垂弧大小等影响输电线路运行安全和稳定的因素，针对性布置各类传感设备，并构建适宜的通信传输网络，将广泛分布的监测设备连接在一起，精确采集和高效传递各类监测数据，为输电线路的可靠性提供保障。