输电线路在线监测系统介绍全解

1输电线路在线监测系统介绍2目录一、项目背景介绍二、覆冰监测模型介绍三、系统组成（包括前端、通讯、后台系统）四、现场选点方案介绍五、费用概算32008年，浙江电网遭受冰灾重创，尤其是金华双龙变出线的10条500kV线路中的7条发生倒塔、断线事故，是2008年冰灾的重灾区。本项目是金华500kV双龙变电站SVC兼直流融冰系统的配套项目。主要为500kV双龙变SVC兼直流融冰装置提供一套集覆冰在线监测监测、远程图像监测、融冰启动/解除、导线温度监测、覆冰分析等功能的科学决策系统。该系统同时具有气象分析、动态增容等功能，是浙江微气象-覆冰-动态增容的一体化系统。一、项目背景41、本项目采用两档三塔的全新模型为克服单塔和一档两塔模型的缺点，考虑实际线路覆冰情况和SVC覆冰测量精度要求，本研究方案推荐采用该模型，该模型考虑了主测量塔两侧覆冰前后档距的变化，能计算不平衡张力和杆塔荷载变化，也考虑了档内不均匀覆冰的集中荷载情况，以提高垂直档距和覆冰厚度计算的准确性。模型示意图见下图二、覆冰监测系统模型（1）(i+1)0i0ii+1i+1i+1iii+1i-1ii+1ii-1ii+1i+1TTi-1iT5二、覆冰监测系统模型（2）2、两档三塔模型所需监测装置示意图短距离无线传输单元铁塔温湿度传感器太阳能供电单元风速传感器导线温度传感器导线温度-倾角测量球导线倾角传感器（内置在球下半腔）绝缘子串倾角传感器风向传感器拉力传感器模拟导线6（3）两档三塔模型的优点A.为全新模型，由省院编制模型计算方案。B.解决档内不均匀覆冰的计算误差。C.具有不同测量方案的对比核对功能。二、覆冰监测系统模型（3）7本系统由前端信息采集系统、中间的通讯系统及后台软件分析系统组成。三、系统组成8•本项目的前端系统主要实现对导线覆冰模型计算相关的各状态量的采集，加工，存储，包括前端硬件系统及为能够确保采集、加工、存储、数据传送、控制等功能实现而预制在前端系统中的软件系统组成。目前比较成熟的两类测量系统的前端系统组成如下:3.1前端系统(1)9•监测终端概览输电线路监测终端安装在线路杆塔上，主要由各种传感器、摄像机、主处理器单元、通信模块和供电单元构成。传感器应包含倾角传感器、风速传感器、风向传感器、环境温度传感器、湿度传感器。导线温度传感器、拉力传感器等。主处理单元接收，采集、存储传感器信息，通信信息，控制信息等信息。目前采用GPRS传输的系统均采用太阳能电池和蓄电池组合供电，一般情况下，供电单元提供前端装置足够的电源。下图提供了本项目开发前比较成熟和通用的前端装置实际安装图见下图。3.1前端系统(2)10监测终端主要实现的功能1）气象数据：采集时间、风向、风速、温度、湿度、气压、降水强度、光照强度；2）导线悬垂角法（简称倾角法）：本塔及邻塔绝缘子倾角、本塔两侧悬挂点导线倾角、导线温度；3）绝缘子串张力法（简称张力法）：本塔及邻塔绝缘子倾角（纵向、横向）、本塔绝缘子串承受张力、导线温度、风速、风向；4）模拟导线覆冰监测法：单位导线覆冰重量，覆冰图片；5）覆冰视频：实时视频或实时照片。6）导线温度：非覆冰监测控制点的导线实时温度。3.1前端系统(3)11目前通信系统存在的问题目前成熟系统均采用GPRS通信，的主处理单元只有GPRS通信功能，均未考虑光纤通信、无线网桥通信、3G通信等功能，本系统若融合以上功能，需要对主处理单元进行硬件、软件扩展和调试，经咨询部分厂家，认为进行功能扩展在技术上是可以实现的。但需要设计、试验和调试，另外，会增加耗电，有关电池供电问题详见下面介绍。3.2通信系统(1)123.2通信系统(2)监测数据通信方案13GPRS通信3.2通信系统(3)监测终端通过GPRS传送监控数据功耗低，技术也成熟，网络覆盖相对面较广，现场适应性也比较强，成本也相对低廉。具体实现方式为：监控终端安装省公司负控抄表专用的移动GPRS/电信CDMA手机卡，经过浙江电力专用无线数据网关系统（以下简称：浙电无线网关），在信息内网与融冰系统进行采集数据传输与交换。但也存在着无线网络传输速率较低问题，对现场图片传送方面影响比较大，如利用此传输方式进行大数据量的传输，GPRS的理论传输速率为115kbps，受同一基站下GPRS接入数据影响，实际速率只有20-30kbps；CDMA的理论传输速率为153.5kbps，实际速率只有50-70kbps。浙电无线网关原是针对营销负控抄表而设计的，采用非透明转发方式进行数据交换，且同时有大量终端进行数据交换时，数据传输速率大大低于上述理论值，一般为GPRS：10-20kbps；CDMA：30-40kbps，因此并不适用于大量传输图片、视频等大数据量的业务，网关系统建设至今没有相关图片与视频传输的业务。如融冰系统需要进行图像传输，依据浙电无线网关规约及理论计算，传输一张200KB大小的图片，需要先分解成200个1KB大小的数据包进行序列传输至浙电无线网关，然后由融冰系统上连至浙电无线网关逐一取回数据包，并进行数据包合并才能完成图片上传，一般每终端完成一张200KB大小的图片传输工作需要5-10分钟的时间。另外，GPRS传输可靠性一般，尤其在覆冰等恶劣天气情况下，负责接收GPRS信号的基站可能断电，导致系统无法接收GPRS信号，系统通讯中断。14无线＋光纤通信3.2通信系统(4)在双龙变出线的5个500kV廊道（10条出线）中的均有OPGW光纤网络，因此，本项目想通过光纤通信提高传输可靠性。但是，由于OPGW光缆不能随便开端，因此，需要将信号通过无线网路（无线通信）的方式，将采集到的视频、数据等信息传输到指定接收点（一般是光纤接线盒附近），在通过电光转换成为光纤信号，传输回到金华双龙变电站接收，再通过公司信息内网直接与融冰系统进行采集数据传输与交换，此传输方式的优点是数据传输可靠性高、速率快。但存在问题是功耗大，供电设备选择困难，具体描述如下：在需要监控的杆塔传感器附近（直径2km以内），选择OPGW上的接续盒作为基站接入点。基站与双龙变之间使用光纤通信，数据传输使用IEEE802.3z1000BASE-XGbit/sEthernetoverFiber-Optic标准。各个传感器监控节点与基站之间使用强加密的无线网络传输数据，传感器采集数据通过RS-485标准与视频编码器互联，视频编码器将视频数据和传感器数据转换成IP报文发送到无线网桥上，监控点网桥与基站网桥之间使用AES加密方式加密的IEEE802.11g无线网络进行通信。153G扩展3.2通信系统(5)国家已经正式下放了3G营运牌照，预计在未来几年内，3G通讯将有较大发展。3G系统的传输速率比现有的GPRS/CDMA系统将有一个极大的提高，中国移动3G系统TD-SCDMA、中国电信的CDMA2000与中国联通的WCDMA业务将在2009年上半年正式商用，据了解，各运营商的3G业务传输速率理论都可达2MB/S-8MS/秒，预期在较短的时间内，工业用的手机模块也会出现在应用中。但由于本身中国三大电信运营商的3G基站建设工作需要逐步推进，整个过程预计需要2-3年的时间，如要3G信号能全面覆盖线路监测点附近偏僻地区，估计尚需要时日。但是，3G应用可以完全解决传输速率，实时图像传输等问题。因此，本系统的监测终端要求预留3G模块的升级接口，确保系统今后能够方便的升级为3G通信，有效的使用3G较高速率的无线传输能力。16北斗卫星通信3.2通信系统(6)对于个别GPRS信号差，又不具备光纤通信能力的点，本项目考虑采用北斗卫星通信系统，传递测量数据。与其他无线电台等传统方式比较，采用GSM短信息网络系统具有以下优点：1、速度快，实时性好，不掉线；2、可以双向通信，及时返回终端信息；3、设备体积小，操作简单；4、由于控制中心无须专门设置大功率发射电台，将大大降低安装费用；5、覆盖面广受地理环境精密授时：北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20ns-100ns时间同步精度。17能量供应系统3.2通信系统(7)本项目的一个难点就是在连续阴雨、低温等恶劣天气情况下，要确保通信、摄像等功能的能量供应需求。尤其是在采用光纤或卫星通信的情况下，功耗可达50W，为了确保能量供应，本项目采用磷酸铁锂电池组＋太阳能电池的供电方案，磷酸铁锂电池组用于在覆冰监测期间电池供电，太阳能电池用于非覆冰监测期间维持系统正常运转供电。18磷酸铁锂电池3.2通信系统(8)1.与锰酸锂相比，磷酸铁锂的容量密度更高，前者为100-115mAH/g，后者为130-140mAH/g；充放电寿命更长，前者为500次以上，后者可达1500次以上；工作温度区间更大，前者为0至50℃，后者则为-40至70℃（磷酸铁锂电池能在低温下工作这一点优势非常关键）。综合各方面的供电技术考虑，本项目采用磷酸铁锂电池比较合适。目前磷酸铁锂电池由于电动汽车工业的推动，发展迅速，目前国内有很多厂家可以根据用户需要集成各种规格的磷酸铁锂电池组。2.整个无线及光通讯系统耗电按50W功率考虑（经过系统集成和优化，还可适当降低），一天使用8小时（晚上没有光，视频系统无法使用），每天0.4KWh，假设启动20天（连续阴雨天气后）则需要8kwh，需要约15块电池，合计约120kg。由于锂电池自身存在着3%左右的电量损耗，因此建议磷酸铁锂电池在12月～1月根据现场气候情况安装。（但是电池组的组合、控制和安装点，需要专业厂家进一步研究）。19能量供应系统深化应用3.2通信系统(9)1.采用缩短电池组更换时间的等方案，可以进一步解决摄像头融冰、特殊照明等功能能量需求。2.非覆冰期，主要目的是维持系统正常运转。采用太阳能和蓄电池供电方式维持系统正常运转。20通讯系统综述3.2通信系统(10)综上所述，在近期研究上，建议每条线路光纤接入条件好的地方，选择1个点或重点选择几个点，组成互为备用的GPRS/CDMA与光纤通信双通道系统（第4章提供了10个参考点，可进一步优化）。其余点采用GPRS/CDMA通信。从远景上看，将来可采用3G通信作为本系统的支撑是比较适合的。因此，要求监测终端预留3G升级接口。北斗卫星系统考虑在极端情况下使用，相对GPRS/CDMA与光纤通信方式下的产品，终端成本和运行成本相对较高，对于无GPRS/CDMA网络覆盖与光纤网络无法到达的监测点，当一定要进行监测时，可考虑采用北斗卫星系统用短信进行数据收发，但此系统只能用于在外部网络进行数据收发，现浙江省电力公司没有与北斗星通公司的短信系统进行直接连接。21后台系统综述3.3后台系统(1)SVC融冰用微气象-覆冰后台软件系统是一套集数据收集、数据存储、数据应用为一体的大型在线检测应用系统，其实时监测数据纳入浙江省电力公司PI实时/历史数据应用系统统一管理，系统应用基于PI实时/历史数据库开发。22系统设计思想：3.3后台系统(2)1、统一的装置通信规约制定统一的接入通信规约，可降低数据接入的复杂度，系统调试方便，并为今后装置的维护和系统的升级做好准备。2、多通道主备接入方式本系统主要用于接入野外线路的覆冰检测数据，恶劣的环境决定了接入失效发生的可能相当大，有必要在设计时就考虑多个通道的备选接入方案。3、需要充分利用PI优势PI实时/历史数据库是浙江省电力公司的重要中心数据平台，具有存储效率高、运行可靠、开发便捷的优势。23系统功能：3.3后台系统(3)整个后台系统基于成熟的PI系统开发，具有以下功能：1.数据接口2.动态覆冰监测3.动态增容监测4.运行荷载5.SVC直流融冰6.查询及统计分析7.覆冰时实视频8.通讯系统9.系统设置24运行环境3.3后台系统(4)系统运行依赖前端在线监测装置监测系统、浙江电力PI实时/历史数据应用系统，以及省公司、金华局、双龙变电站通讯网络的正常运行。1、外部系统本项目的前端在线测量装置主要有：微气象-模拟导线覆冰在线监测系统；微气象-导线倾角覆冰在线监测系统；微气象-导线荷重覆冰在线监测系统；省公司GPRS/CDMA网关；金华电业局PI数据库系统；省公司PI数据库系统。2、网络