在线监测论文架空输电线路覆冰在线监测研究综述

1、电气设备在线监测ElectricalEquipmentOnlineMonitoring.1输电线路覆冰在线监测研究综述ReviewofOnlineMonitoringofIceCoatingonOverheadTransmissionLineABSTRACT:Thestructureandfunctionsofonlinemonitoringsystemforicecoatingonoverheadtransmissionlinesarepresented,andthecalculationmodelstomonitoricecoatingonoverheadtransmissionlineshomeandabroadaresummarizedandadvantageaswellasdisadvantageinthesemethodsarepointedout.Combinedwithshortcomingsexistingmonitoringsystemforicecoatingandmodelstomonitoricecoating,weightmethodbasedonstat。

2、icmechanicsshouldbeoptimizedandadynamicmodelshouldbeconsidered;bigdatashouldbeusedtoimprovethefunctionofwarningofmonitoringsystemandadvancedfunctionsofsystemareneeded.KEYWORDS：monitoringsystemforicecoating，calculationmodel,weightingmethod,dynamicmodel,bigdata摘要：介绍了输电线路覆冰在线监测系统的结构和功能，综述了国内外覆冰在线监测模型方法，并比较其优缺点。结合现有覆冰在线监测系统与监测模型的不足，提出要优化基于静态力学的称重法，加入动态模型；要综合大数据应用，提高系统预警，开展系统高级应用功能。关键词：覆冰监测系统，监测模型，称重法，动态模型，大数据1引言输电线路覆冰问题一直是影响中国电力系统安全稳定运行的重点和难点问题，其他国家也存在同样的问题。输电线路覆冰和积雪会导致其机械和电气性能急剧下降，造成导线断线、金具损坏、杆塔倾斜。

3、、绝缘子冰闪、线路跳闸，严重甚至引起电力通信中断事故[1-3]。2008年初，我国南方地区遭受了严重的冰雪灾害，国家电网、南方电网的直接经济损失分别达104.5、150亿元[4]，因此研究覆冰在线监测系统，及时掌握覆冰的发生、发展情况，及时采取有效措施确保电网安全显得尤为紧急而必要。20世纪中期以来，国外在导线覆冰形成和增长机理、绝缘子覆冰闪络特性等方面取得了许多研究成果[5-8]。国内外普遍采用观冰站进行输电线路覆冰研究，但其存在着建设周期长、成本大、数量有限、区域局限性等缺点，不能广泛用于电网实时监测。近年来，输电线路覆冰和微气象在线监测逐渐发展成为掌握覆冰状态、预防大面积覆冰雪灾害事故的主要手段之一[9-12]。本文将围绕覆冰在线监测系统，介绍系统结构，综述不同在线监测方法并分析其优劣，结合现有在线监测技术的不足，提出该领域的研究趋势与研究热点。2输电线路覆冰监测系统2008年灾后，南方电网和国家电网迅速启动建立了输电线路覆冰状态监测系统[13]。结构框架上采用三层结构，由监测终端、通信网络和主站构成，如图1所示。图1系统结构Fig.1SystemStructure二级主站二级主。

4、站First二级主站二级主站一级主站GPRS/CMDA因特网因特网拉力传感器照相机角度传感器微气象传感器22.1监测终端监测终端指安装在输电线路上或杆塔上的全套数据采集单元，主要由摄像设备、各种传感器、主处理器单元、通信模块和供电单元构成。监测终端实时测量线路悬挂绝缘子串的拉力、倾斜角、风偏角、耐张串或悬垂串导线线夹出口处的导线倾角、导线温度、终端杆塔附近微气象参数(环境温度、相对湿度、风速、风向等)、绝缘子串泄漏电流及线路覆冰图像等相关参量，通过通信网络上传至主站。为了方便安装、使用及检修，一个监测点要求的全部监测功能集成在一套监测终端上，一个监测点的所有图像及传感器信息应可以通过同一个主处理单元实现数据采集和处理，并由同一个通信模块实现与主站系统通信[14]。2.2通信模块给安放在线路的每套终端配置一张通信卡，通过采集覆冰终端的信息，由GPRS/CDMA无线网络的形式把数据传送到二级主站，再由二级主站传送到一级主站上进行显示。覆冰监测系统有一套属于自己的通信规约，用数据帧的模式将终端设备号、控制类型码、数据域等信息传给主站。主站系统接收终端上传的导地线拉力、绝缘子串偏角、图像和微气。

5、象数据，将数据按照一定的规约存储起来，再根据历史数据和当前数据，采用图或表的形式对反映输电设备或其周边环境状况的监测参数做数据展现。2.3主站主站即后台分析系统，主要包括计算机服务器集群组、数据通信模块、应用模型分析软件、大屏幕显示器和外围设备，完成各监测量的存储、分析、显示以及根据计算模型给出导线的实时等值覆冰厚度、环境状况等预警信息。南方电网和国家电网均采用两级主站结构[13]。如图1所示，在总部建立预警系统一级预警中心，在各下级公司建立起预警系统二级预警中心。各二级预警中心采集线路上监测设备的监测数据，通过网络与一级预警中心互联。一级预警中心的数据与二级预警中心采集的监测数据同步更新，在两级预警中心之间建立预警联动机制。3输电线路覆冰监测模型研究现状输电线路覆冰监测模型起着计算输电线路覆冰厚度的作用，是输电线路覆冰在线监测系统的核心部分，是决定覆冰预测准确程度的先决条件。目前国内外学者对覆冰监测模型的研究很多，总体上，根据原理可以分为图像监测模型和力学检测模型两种[15]。3.1图像检测模型图像监测模型是通过图像处理，对覆冰状态时的图像和非覆冰状态时的图像进行分割，提取覆冰边缘信。

6、息，分析处理差异化信息，从而得出线路和绝缘子当时的覆冰厚度。输电线路覆冰监测模型力学监测模型图像监测模型基于拉力传感器的覆冰模型基于光栅传感器的覆冰模型基于其他在线监测方法的覆冰模型称重法倾角-弧垂法水平拉力-倾角法基于故障行波定位的覆冰模型模拟导线法覆冰速率法电容传感器的覆冰模型图2监测模型拓扑结构图Fig.2TopologicalStructureofmonitoringmodel3文献[16]研究了基于自适应阈值图像分割和Hough变换的导线覆冰厚度自动计算方法；文献[17]运用最优阈值灰度分割法和Canny算子等图像处理技术，提出了一种基于改进Canny算子的覆冰厚度测量方法；文献[18]提出对导线和绝缘子采用小波变换边缘检测与浮动阈值法边缘跟踪处理相结合的方法，提取导线和绝缘子覆冰边界以获取覆冰实际厚度。在工程应用中，受天气、现场拍摄角度和拍摄范围、相机分辨率等影响，估算的覆冰厚度不够准确。就目前而言，只能作为导线覆冰在线监测的辅助手段。3.2力学检测模型目前，基于力学监测模型的方法有很多且都发展的相对成熟。该模型通过测量覆冰的相关参数，如气象参数、绝缘子串拉力和绝缘子串倾角。

7、、导线温度等，通过相关力学公式计算覆冰情况根据采用的设备不同可以分为基于拉力传感器的覆冰监测模型、基于光纤光栅传感器的覆冰监测模型和基于其他在线监测方法的覆冰监测模型。3.2.1基于拉力传感器的覆冰监测模型1）称重法称重法是将拉力传感器替换球头挂环，通过测量垂直档内导线的质量，并根据风速、风向以及绝缘子串倾角等数据，计算输电线路的覆冰质量，再用冰的密度（0.9g/cm3）换算为等值覆冰厚度。称重法被认为是现有覆冰载荷力学计算模型中最准确的方法[10]。称重法的关键在于建立力学计算模型，近年来，学者纷纷提出来了不同基于称重法覆冰计算模型。黄新波[19]等提出了在悬挂点等高情况下力学模型。建立水平张力静态平衡方程求解覆冰与风的总荷载，总荷载-风荷载=覆冰荷载，即得单位长度覆冰荷载，整个过程中将覆冰形状当做圆形覆冰处理。但是模型没有考虑导线风偏的影响，风荷载受导线布置与风向、风压不均匀系数等经验值影响显著。吕玉祥[20]等提出了悬挂点不等高的力学模型。该模型在算法上依据输电线路状态方程。称重法力学模型较为简单，在轻覆冰情况下大体能够满足要求，但是在输电线路重覆冰，特别是不均匀覆冰和不均匀脱冰。

8、情况下，此种算法精度较低。阳林[21]等提出了以绝缘子串悬挂点拉力和倾斜角为基本参量，考虑风偏因素将导线力学参量归算到风偏平面，通过风偏平面内竖直方向的静力学受力平衡方程，方程的解为单位导线长度覆冰荷载，进而求得等效覆冰厚的力学计算模型。2）水平拉力-倾角法邢毅[22]等提出了水平张力—倾角法覆冰模型：通过拉力传感器测量耐张段绝缘子串轴向张力，角度传感器测量悬挂点倾角数据，利用线路参数及气象参数得出覆冰质量。在算法上主要依据输电线路状态方程。由于此模型是针对耐张塔，而耐张塔上安装拉力传感器会给结构和安全问题带来隐患，此外，该模型只能在稳态下求解覆冰厚度，因此应用范围有限[23]。3）倾角-弧垂法徐青松[24]等提出根据导线倾角变化监测弧垂的模型，它将采集到的导线倾角等参数，结合输电线路的状态方程、线路参数、气象环境参数，应用专家分析系统分析导线的覆冰厚度。以倾角变化监测弧垂简单可行，但是由于输电线路的弧垂和倾角受到多种因素的影响，特别是500kV及以上等级输电线路，导线的刚度较大，视作柔索将导致较大的误差。3.2.2基于光纤光栅传感器的覆冰监测模型利用光纤光栅传感器测量导线应变、倾角以。

9、及导线温度，然后依据覆冰线路力学计算公式计算导线应力、导线弧垂以及覆冰量。与上述的电测量传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰小、使用年限长、传输距离远等优点。可以预见光纤传感技术可以实现导线覆冰、导线舞动等输电线路状态监测的目的。未来应用于输电线路状态监测中，可实现输电线路实时、任意位置的监控，更重要的是能实现目前在线监测技术匮乏的导线舞动等故障监测。3.2.3基于其他在线监测方法的覆冰模型1）基于故障行波定位法波定位系统精确地记录行波到达线路两个端点的时间，通过输电线路在正常运行与线路覆冰期间的行波时间差以及架空线路状态方程来计算4线路的比载，利用比载和冰厚的计算关系式，求得覆冰情况下线路的平均覆冰厚度。该方法仅在实验室进行了试验研究，实际线路运行现场复杂环境的干扰等关键问题还需进一步研究。2）模拟导线法通常在架空线路附近建立观测站或观冰站，架设与导线相同型号和材质的模拟导线，通过测量模拟导线的重量与覆冰厚度来估计导线的覆冰厚度[25]。该方法普遍用于国内外观冰站内现场测量导线覆冰，通过积累长期观测数据研究线路覆冰机理。测量原理简单，无须改变线路原有结构。不足之处是监测结果受无电压、。

10、电流影响，且无法反映运行导线扭转、不均匀覆冰等现象[26]。3）覆冰速率法在架空线路附近安装金属探头，当探头上覆有一定质量冰雪时，其振动频率会按一定的比例降低，可依据采集到的频率的变化规律间接估计覆冰速率[13,27]。但是该装置仅反映环境覆冰，与带高电压、大电流运行中的线路覆冰状况不同[26]。4）电容传感器法张思建[28]等设计了一种能够反映导线覆冰厚度的电容传感器，传感器的电容值随着覆冰厚度的变化而单调变化。由于冰和空气的介电常数不同，因此当传感器两极板间填充不同厚度的冰时，电容器的电容值便会产生相应的变化。但是目前实际应用较少。4覆冰在线监测系统的改进目前研制的覆冰导线在线监测系统，在一定程度上为覆冰状态预警起到积极作用，但是在实际应用中，现有监测技术仍然存在一些问题，主要有：测量精度不够高；稳定性不够好；监测终端电源不能稳定持续工作；摄像头容易被冰挡住；机械传动部件容易冻结；覆冰增长预测与实际偏差较大；数据传输通信技术不高等。4.1提高监测终端可靠性4.1.1改善并推广在线取能电源输电线路的监测终端电源一般采用太阳能结合蓄电池方式，部分采用采用电流感应方式[29]。容量一般较小。