智能輸電線路綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

智能輸電線路綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

1用電及用電技術(shù)方面世界各國(guó)根據(jù)不同的國(guó)情將智能電網(wǎng)的發(fā)展重點(diǎn)有所不同。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家電網(wǎng)格局已基本穩(wěn)定,智能電網(wǎng)的研究重點(diǎn)放在配電和用電領(lǐng)域;我國(guó)能源分布和電力負(fù)荷極度不平衡,此外在能源利用方面,風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源利用率較低,現(xiàn)階段我國(guó)智能電網(wǎng)圍繞清潔能源的有效利用以及堅(jiān)強(qiáng)輸電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和維護(hù)等方面。輸電智能化主要體現(xiàn)在:(1)廣泛采用柔性交流、直流輸電技術(shù),充分利用現(xiàn)有電網(wǎng)資源,提高輸電線路穩(wěn)定性和線路輸送能力,優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行條件,降低輸電成本;(2)建設(shè)覆蓋全國(guó)的能源輸送通道,全面實(shí)現(xiàn)“西電東送,南北互供”;(3)建立覆蓋全國(guó)范圍的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)微氣象信息和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的集中實(shí)時(shí)采集,并給出災(zāi)害預(yù)警信息,并在此基礎(chǔ)上建立國(guó)家防災(zāi)預(yù)警體系。2系統(tǒng)介紹和設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)介紹(1)氣調(diào)與監(jiān)測(cè)信息智能輸電線路綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由國(guó)家電網(wǎng)、省網(wǎng)、地市網(wǎng)、線路監(jiān)測(cè)分機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測(cè)信息組成,見(jiàn)圖1。該系統(tǒng)綜合了現(xiàn)有的多個(gè)監(jiān)測(cè)裝置的功能,實(shí)現(xiàn)了對(duì)影響絕緣子污穢、風(fēng)偏、導(dǎo)線溫度、覆冰雪、舞動(dòng)、桿塔防盜、桿塔傾斜的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)/定時(shí)采集。通過(guò)GPRS通信模塊發(fā)送至地市局監(jiān)測(cè)中心,監(jiān)測(cè)中心專家軟件則利用相應(yīng)的監(jiān)測(cè)信息根據(jù)不同的智能算法及其修正理論模型和試驗(yàn)結(jié)果給出不同功能的監(jiān)測(cè)判斷。各地市局監(jiān)控中心與網(wǎng)省公司監(jiān)控中心采用LAN方式組網(wǎng),省公司監(jiān)測(cè)中心可以直接調(diào)用各地市局監(jiān)測(cè)中心的設(shè)備狀態(tài)信息。各網(wǎng)省公司與國(guó)家電網(wǎng)總部亦采用LAN方式組網(wǎng),國(guó)家電網(wǎng)總部可以直接調(diào)用各網(wǎng)省公司的整體信息,便于統(tǒng)一管理。(2)導(dǎo)線監(jiān)控系統(tǒng)智能輸電線路綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸電線路微氣象信息和設(shè)備狀態(tài)信息的全面監(jiān)控,其主要功能如下:1)微氣象區(qū)監(jiān)測(cè);2)覆冰監(jiān)測(cè);3)舞動(dòng)監(jiān)測(cè);4)微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測(cè);5)導(dǎo)線溫度及動(dòng)態(tài)增容監(jiān)測(cè);6)絕緣子串風(fēng)偏監(jiān)測(cè);7)絕緣子串污穢監(jiān)測(cè);8)桿塔防盜報(bào)警監(jiān)測(cè);9)桿塔傾斜監(jiān)測(cè);10)遠(yuǎn)程圖像/視頻監(jiān)控。2.2監(jiān)測(cè)采辦的設(shè)計(jì)(1)監(jiān)測(cè)單元組成監(jiān)測(cè)主分機(jī)主要用來(lái)完成對(duì)導(dǎo)線周圍微氣象信息、設(shè)備狀態(tài)相關(guān)參量的采集和節(jié)點(diǎn)加速度、溫度數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。主要由微處理器和微氣象、絕緣子、桿塔、導(dǎo)線、視頻等監(jiān)測(cè)單元以及電源、ZigBee和GPRS通信等模塊組成,見(jiàn)圖2。硬件設(shè)計(jì)的核心微處理器選用TI公司的16位MSP430單片機(jī),具備超低功耗和豐富的外設(shè),該微處理器除了活動(dòng)模式外還有4種低功耗模式,在實(shí)現(xiàn)高性能的同時(shí),降低系統(tǒng)功耗,能滿足野外環(huán)境長(zhǎng)期工作的需要。(2)射頻單元s1監(jiān)測(cè)副分機(jī)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)線溫度和節(jié)點(diǎn)加速度的采集和無(wú)線傳輸,主要由CC2430、加速度傳感器、溫度傳感器和簡(jiǎn)單外圍電路組成。在電路中非平衡變壓器由電容C21和電感L1、L2、L20及PCB(印制板)微波傳輸線組成,整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50Ω)的要求,R13為射頻單元提供合適的參考電流,阻值為43kΩ。內(nèi)部T/R交換電路完成LNA和PA之間的交換。R12主要用來(lái)為芯片提供合適的參考電流,阻值為56kΩ。用1個(gè)32MHz的石英諧振器(Y2)和2個(gè)電容(C36和C37,22pF)構(gòu)成一個(gè)32MHz的晶振電路,用1個(gè)32.768kHz的石英諧振器(Y1)和2個(gè)電容(C1和C2,15pF)構(gòu)成1個(gè)32.768kHz的晶振電路。電容C3和C27(220nF)為電源濾波電容,以提高芯片工作的穩(wěn)定性。整個(gè)無(wú)線ZigBee模塊接口電路采用2排12腳標(biāo)準(zhǔn)的排針,將CC2430單片機(jī)所有的21個(gè)IO引腳以及電源引腳、復(fù)位引腳全部引出,在應(yīng)用中就可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的IO功能定義,大大增強(qiáng)了無(wú)線ZigBee模塊的通用性以及互換性。3智能算法的應(yīng)用由于監(jiān)測(cè)量與故障之間缺乏對(duì)應(yīng)關(guān)系,專家軟件中智能算法的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn),目前模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家知識(shí)和小波分析等智能算法已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)。3.1一條路線處理(1)振動(dòng)監(jiān)測(cè)導(dǎo)線舞動(dòng)分析采用3自由度數(shù)學(xué)模型,3自由度模型是把覆冰的輸電導(dǎo)線簡(jiǎn)化為1個(gè)同時(shí)具有垂直、水平及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的系統(tǒng),3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)方程1u3000de1u3000y2m2mudm?2y?t2+[12ρu2D(?CL?θ+CD)+m?2y?t2+[12ρu2D(?CL?θ+CD)+2mξyωy]dydt+kyy=-mrcosθ0?2θ?t2+12ρu2D?Cy?θθ-12ρu2DCy1Udxdt2mξyωy]dydt+kyy=?mrcosθ0?2θ?t2+12ρu2D?Cy?θθ?12ρu2DCy1Udxdt2u3000kx、kx、ucd1u+2m2x2x2.33.32.33.33.2x2x2x2.03.33.2352.352.3.23.23.23.23.2x2.33.2x3.2x2.33.2x3.2x3.2x3.2x2x2x2+383.2x3.2x3.2+kx3.2+33.2+3.233335.2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2x3.2xm?2x?t2+[12ρu2DCD1U+2mξxωx]dxdt+kxx=-mirsinθ0?2θ?t2+12ρu2D?CD?θθm?2x?t2+[12ρu2DCD1U+2mξxωx]dxdt+kxx=?mirsinθ0?2θ?t2+12ρu2D?CD?θθ3表1mirgsin12e2Ι?2θ?t2+[12ρu2D2(?CΜ?θRU)+2Ιξθωθ]dθdt+(ki-12ρu2D2?CΜ?θ-mirgsinθ0)θ=-mirgcosθ0?2y?t2-mirgsinθ0?2x?t2-12ρu2DCm1UdxdtI?2θ?t2+[12ρu2D2(?CM?θRU)+2Iξθωθ]dθdt+(ki?12ρu2D2?CM?θ?mirgsinθ0)θ=?mirgcosθ0?2y?t2?mirgsinθ0?2x?t2?12ρu2DCm1Udxdt式中mi——單位長(zhǎng)度覆冰質(zhì)量;θ0——初始覆冰角;r——導(dǎo)線半徑;R——特征半徑;U——風(fēng)速;D——迎風(fēng)尺寸,此處為導(dǎo)線直徑;θ——攻角;ρ——流體(此處為空氣)的密度;CL、CD——升力與阻力系數(shù)。(2)覆冰荷載計(jì)算根據(jù)線路導(dǎo)線覆冰后的重量變化以及絕緣子的傾斜/風(fēng)偏角進(jìn)行覆冰載荷(覆冰厚度、桿塔受力、導(dǎo)線應(yīng)力等)計(jì)算,直接與線路設(shè)計(jì)參數(shù)比較,當(dāng)覆冰達(dá)到預(yù)警值,及時(shí)給出報(bào)警信息。計(jì)算公式詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)。(3)導(dǎo)線載流量的計(jì)算增容技術(shù)的關(guān)鍵在于根據(jù)外界環(huán)境條件和導(dǎo)線本身特性,計(jì)算出導(dǎo)線載流量。導(dǎo)線載流量的計(jì)算公式很多,也很繁瑣,但在一定條件下,可將其簡(jiǎn)化,當(dāng)雷諾數(shù)為100～3000時(shí),即環(huán)境溫度為40℃、風(fēng)速0.5m/s、導(dǎo)線溫度不超過(guò)120℃時(shí),用于直徑4.2～100mm導(dǎo)線的載流量計(jì)算。其摩爾根簡(jiǎn)化式Ι=√9.92θ(υD)0.485+πsDke[(273+t0)4-(273+t0)4]-γDsiβRdI=9.92θ(υD)0.485+πsDke[(273+t0)4?(273+t0)4]?γDsiβRd?????????????????????????????√式中I——安全載流量,A;θ——導(dǎo)線的溫升,℃;t0——環(huán)境溫度,℃;tc——導(dǎo)體穩(wěn)態(tài)溫度,℃。在實(shí)驗(yàn)室假設(shè)氣象條件下,對(duì)該公式進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),計(jì)算出的載流量和簡(jiǎn)化前的公式計(jì)算出的載流量非常接近,采用摩爾根簡(jiǎn)化公式可以充分保證導(dǎo)線運(yùn)行的安全性。(4)做好線路的運(yùn)行維護(hù)通過(guò)監(jiān)測(cè)導(dǎo)線的彎曲應(yīng)變來(lái)計(jì)算輸電線路的微風(fēng)振動(dòng)頻率、振幅等情況,并通過(guò)相應(yīng)算法判斷導(dǎo)線的疲勞磨損壽命,對(duì)線路安全運(yùn)行進(jìn)行評(píng)價(jià),在疲勞損壞前給出預(yù)報(bào)警信息,及時(shí)采取措施,減少風(fēng)振損失。3.2塔處理(1)定期向監(jiān)測(cè)產(chǎn)物的巡檢監(jiān)控中心接受到監(jiān)測(cè)分機(jī)發(fā)送的信息,可以及時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)信息。同時(shí),專家軟件數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)桿塔的基本信息(線路、編號(hào)、位置等)以及各巡檢人員的手機(jī)號(hào)碼,監(jiān)控中心定期向監(jiān)測(cè)分機(jī)發(fā)出巡檢信息,若某監(jiān)測(cè)分機(jī)沒(méi)有回復(fù)信息,則通知巡檢人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢修。(2)桿塔傾斜角度檢測(cè)暴雪、臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣容易導(dǎo)致桿塔傾斜,通過(guò)雙軸傾角傳感器測(cè)出桿塔在順線路方向和橫線路方向傾斜角度,進(jìn)而計(jì)算出桿塔在順線路方向和橫線路方向的傾斜度和綜合傾斜度,當(dāng)達(dá)到預(yù)警值時(shí)給出報(bào)警信息。3.3絕緣材料的處理(1)風(fēng)偏角的確定根據(jù)風(fēng)偏角計(jì)算模型以及最大風(fēng)偏角修正方法,繪制各項(xiàng)數(shù)據(jù)的曲線圖,結(jié)合風(fēng)速、雨量等環(huán)境信息,得出風(fēng)偏角的范圍。當(dāng)風(fēng)偏角超過(guò)預(yù)警值時(shí),給出預(yù)警信息。(2)泄漏電流與溫度的關(guān)系泄流電流是判斷污穢的重要參數(shù)之一,通過(guò)數(shù)學(xué)分析和建?？梢哉业叫孤╇娏麟S時(shí)間變化情況與電弧長(zhǎng)度、污層電阻等的非線性關(guān)系。具體計(jì)算步驟如下。1比較序列結(jié)果yi={yi(k)}={yi(1),yi(2),…,yi(u)}比較序列xj={xj(k)}={xj(1),xj(2),…,xj(n)}2序列相似性的處理數(shù)據(jù)規(guī)范化是為了消除數(shù)據(jù)量綱影響,合并數(shù)量級(jí),使整個(gè)序列具有可比性,常用的有化均值化、區(qū)間值化和歸一化等方法。采用均值化法處理數(shù)據(jù)后得新序列x′ij=xij(k)/xij(k)3—)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)Lij=minmin|yi(k)-x′j(k)|+ρmaximax|yi(k)-x′j(k)||yi(k)-x′j(k)|+ρmaximax|yi(k)-x′j(k)|式中ρ——分辨系數(shù),反映了系統(tǒng)各個(gè)因子對(duì)關(guān)聯(lián)度的間接影響程度,通常取ρ=0.5。43序列與序列之間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)Yij=1nn∑i=1Lij(k)5多序列比較法將Yij依大小順序排成一列,以明確各子序列的“主次”“優(yōu)劣”關(guān)系,即與母序列變化狀態(tài)越接近者,關(guān)聯(lián)度越大。對(duì)于多序列比較則可生成關(guān)聯(lián)矩陣。利用該方法量化分析了絕緣子泄漏電流變化與相對(duì)濕度、溫度、溫度變化率等氣象因素變化的接近程度,得出了各氣象因素均與泄漏電流相關(guān),且相對(duì)濕度關(guān)聯(lián)度最大。目前,也可采用光纖直接測(cè)量鹽密和灰密值。3.4智能算法分析監(jiān)控中心接收各裝置的數(shù)據(jù),利用專家軟件植入的HDevelop智能算法對(duì)視頻進(jìn)行分析,并將信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。用戶通過(guò)專家軟件系統(tǒng)可隨時(shí)查閱任意地點(diǎn)的圖像資料,結(jié)合環(huán)境信息,決定是否派人巡視。也可將多幅圖像進(jìn)行對(duì)比,以觀察線路周圍樹(shù)木等的發(fā)展趨勢(shì)。4試與運(yùn)行測(cè)試結(jié)果運(yùn)用該系統(tǒng)在貴州110kV土楊松茅線等現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試與運(yùn)行,獲得了較理想的結(jié)果,其