高压输电线路在线监测智能化研究

高压输电线路在线监测智能化研究

张帆

国网淮安供电公司 江苏淮安 223001

摘要：高压输电线路监测需要面对复杂的环境以及较高的电力传输要求，一直以来就是线路监测体系中的难点和重点。本文首先分析开展在线监测智能化的研究背景，随后设计并实现一种智能化系统，服务于高压输电线路的监测工作。

关键词：输电线路；在线监测；智能化

引言：关于高压输电线路在线监测的研究处于逐步推进状态，现行监测系统中不免存在一些问题。以解决线路在线监测问题、提升在线监测效果为目的，有必要研究在线监测智能化系统。

一、研究背景

1．移动通信网络覆盖缺陷。近年来移动通信网络与高压输电线路的在线监测有较多融合点，但是在应用过程中也暴露出先天不足。高压输电线路的工作环境可谓是艰险复杂，诸多高压输电线路区域触及到移动通信网络的传输盲区，不仅造成移动通信网络的故障，也会造成在线监测数据传输中断现象。

2．监测系统全面性不足。在高压输电线路监测活动中，需要关注到电压、电流等多种类型的参数；现行监测系统虽然实现接入点监测线路参数的效果，但是单一接入点的能力终究有限，每个接入点只能完成单一参数的监测任务，需要不断增加接入点数量方可满足监测要求，这种监测活动显然是被动的。另一方面，高压输电线路监测的全面性过于依赖接入点数量的支撑，在数量庞大的接入点体系同时工作的情况下，后端监控的效率质量都会受到严重影响。

3．监测效果不佳。现行监测系统在长时间监测场景中表现出明显的力不从心的特征，监测系统本身承担繁重的监测任务，监测数据反馈过程中可能出现丢失现象。大量节点的使用意味着监测系统工作过程产生大量能耗，从而提升监测系统的使用成本。在监测系统带宽范围有限的情况下，图片、视频监测信息的传输效果难以达到预期，降低监测系统反馈数据的使用价值。由此可见现行监测系统还存在很多方面的不足，需要开展在线监测智能化研究。

二、在线监测智能化系统设计

1．系统整体架构。针对在线监测智能化系统的设计需要关注到传感器节点、监控子站等组件的部署效果，同时结合杆塔所在环境特征。部分杆塔设备可能布局在水塘附近，这种情况下可以将采集终端直接安装在杆塔，完成图像、视频的采集任务；如果高压输电线路体系跨越高架桥或者立交桥等市政设施，相邻杆塔间距较大，有可能发生高压输电线路的下垂现象；此时应将采集终端直接安装在输电线路上，达到检测输电线路下垂的效果。

监测子站通常布局在离传感器节点不远的位置，获取收集来自于传感器节点的数据信息，并与传感器节点形成一种网络结构，进而达到传感器节点数据的汇聚效果。在线监测智能化系统的后端监控核心位于监控中心，监控中心获取的数据信息是经过汇聚、封包处理后的结果，因此数据汇聚节点非常重要，能够对多个监测子站上报的数据进行汇聚，原则上位于监测子站与后端监控中心之间。由于后端监控中心与监控子站之间事实上形成“1-N”的关系，降低对监测子站以及传感器节点的布局约束效应，建立的布局方案可以更加灵活；具体来讲，监测子站与传感器节点之间形成“N-N”关系，传感器节点获取的数据可以上传到任何一个监测子站，发挥多跳连接的优势并最大限度发掘监测子站的潜力。

2．无线传感器网络架构。对于网络架构的建立首先要选择网络通信方式，在线监测智能化系统的设计应用到Zigbee网络，这种网络结构可以充分发掘节点的潜能，并提供了三种网络组网方式。基于高压输电线路监测的特征，本次研究选择星形网络模式，充分利用网络传输链路的优势。网络架构设计中要注意带宽和网络协议标准的选择，由于高压输电线路监测体系中获取的线路监测数据类型较多，数据内容本身也相对复杂，因此保证一定的网络带宽，为视频、图片信息的传输创设良好的条件，网络带宽原则上不应小于350kb/s。采集终端布局在传感器节点，在布局采集终端时需要注意供电需求，可以利用太阳能或者电磁能达到采集终端的电能供能效果，电能模块接收并储存电能，为采集模块的工作提供充足的能量基础。监测子站是在线监测体系的关键一环，以主控模块为核心，存储模块设计在主控模块中，存储传感器节点上报的数据；监测子站中提供了多个通信模块，满足异步、以太网、Wifi等多种网络通信需求。由于监测子站需要与子板进行交互，因此设计了子板接口模块提供对接的接口，子板部分中则设计了支持Zigbee网络的通信模块。

三、在线监测智能化系统实现

1．监测子站实现。监测子站在系统架构中扮演极为重要的上传下达角色，监测子站主要由通信模块、电源模块等多个模块组成。监测子站的微处理器工作频率达到500MHz，而且工作产生的功耗较低。监测子站工作状态下产生的电流≤3A。数据存储模块中内置有32M大小的Flash存储器，同时包括128M的RAM。主板电源支持Zigbee和IEEE网络通信标准协议，子板同样支持Zigbee网络，通过接口实现通信效果，提升监测子站适应所在环境的能力。监测子站接收到传感器上报的数据后需要汇聚处理并形成数据包，由汇聚节点实现对上报数据的汇聚效果，与变电站之间的数据传输则通过以太网环境实现。监测子站安装Linux系统，为高压输电线路监测数据查询提供方便。

2．抗电磁干扰实现。高压输电线路在工作过程中可能产生较强的电磁场，对于电力输电体系的正常运行产生严重干扰。因此需要采取措施降低电磁干扰，在实现在线监测系统时选择的Zigbee网络工作频段至少为2.4GHz，同时支持IEEE协议，通过提升工作频段达到对电磁干扰的抑制效应，降低脉冲电流造成的高频干扰现象。

3．监测设备供电体系实现。高压输电线路监测设备需要保持长期稳定的工作状态，对于供电体系提出很高要求，需要稳定的供电体系作为后备支撑。原则上不能直接通过高压输电线路获取检测设备电能，而且将供电设备直接安装在杆塔上的方式并不科学，影响到杆塔的工作状态以及供电设备的更换工作。在线监测智能化系统的传感器节点布局在杆塔上，供电设施可以安装在传感器节点上，这些供电设施的能量来源是太阳能。在此关注到供电设施（主要为电池）的容量，计算电池容量时需要考虑到当地发生连阴雨天气的概率以及设备本身的功耗状况，此处主要使用铅酸蓄电池。计算中尤其要注意每次连阴雨天气发生的间隔时间，由此确定太阳能电池组件的选择方案。最终的供电方案必须满足长时间稳定供电的要求，避免传感器节点设备出现供电中断现象，同时提升对光照资源的利用效率。另外要考虑传感器节点所在杆塔的工作环境，由于杆塔的承重能力与抵抗大风能力存在上限，在设计供电设备的空间大小和重量时需要考虑杆塔本身的属性，不能影响杆塔正常工作范围。在温度监测场景中需要保护高压输电线路结构，因此可以采用电磁感应供电方式，在完成温度监测任务的同时避免线路本身受到损害。实际工作中采取电磁感应供电和太阳能供电相结合的方式，以太阳能供电为主导；当供电蓄电池处于维修或者充电状态时，由电磁感应供电体系执行供电任务，避免高压输电线路监测设备出现跳闸或者供电中断现象。另外针对不同IEEE通信协议种类分别指定对应的通信信道，同时设计了公用的通信信道。

结束语：在线监测智能化系统的应用，无疑在相关线路监测领域起到显著的积极作用，最大限度降低传统线路监测模式的弊端。当然该领域的研究并不是无止境的，需要在积累经验的同时不断深入探索。

参考文献：

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