CN101586971A - 输电线路覆冰预警及动态增容系统的在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路覆冰预警及动态增容系统的在线监测装置，由安装在输电线路上的监测子单元(终端节点)、安装在杆塔上的主控监测单元(基站节点)、专家分析系统、调度EMS系统四部分组成，监测子单元和监测主单元都包括传感器、电源模块、数据采集及控制模块和数据通讯模块。本装置具有实现无线化分布式测控的优点，监测子单元所采集的信息通过短距离无线射频技术发送到主控监测单元(基站节点)，然后基站节点通过GSM/GPRS/CDMA/3G技术对数据进行传输，并根据专家分析系统综合各种参数来了解线路安全，同时为调度EMS系统提供可靠的依据。无需对线路做任何改造，具有监测速度快、投资低、安全性高的优点。

Description

输电线路覆冰预警及动态增容系统的在线监测装置

技术领域

本发明涉及一种输电线路覆冰预警及动态增容系统的在线监测装置，属于高压输电电力监测领域。

背景技术

无论在山区或平原地区，春、冬季节输电线路的导线都会产生覆冰现象，对高压输电线路造成了很大的破坏作用，致使冰灾事故频频发生，如2008年的特大冰灾的发生严重威胁着电力装置的安全运行。同时，随着社会需求的发展和发电厂建设步伐的加快，电网规划建设滞后、输电走廊稀缺等引起的输电能力不足的问题日益突出，电网输电线路的增容需求量很大并很迫切。

在技术层面上，从线路覆冰所需的监测量和为线路增容所需考率的因素来看，两者具有一定的相同监测参数，如所需要的气象参数、线路高电位的监测量等。在为线路增容方面，由于线路(高压传输线)载流量的计算公式采用的是通过热平衡原理推导公式。我国现行规程(DL/T 5092----1999 110～500KV架空送电线路设计技术规程)中采用的是英国摩尔根公式，导线载流量与环境温度、风速、日照强度、导线温度限额及导线本身的物理参数有关。而输电线路的导线覆冰是在特定的自然环境条件下才能形成，目前比较成熟的覆冰理论：当空气的温度和湿度各达到一定的条件下才可能形成覆冰，且风速和风向不同，形成覆冰的速度各不相同；当温度和湿度满足条件以后，形成覆冰的量决定于风速，当为无风或微风时，只能形成极薄的冰，当风速达到一定速度之后，导线上的覆冰才会越积越厚，并在风力的作用下导线作旋转运动形成扁凌型覆冰，最终形成锯齿状覆冰，此时就极易出现冰闪、风鞭、甚至杆塔倾斜倒塌接到等事故。

因此，在节约资源的同时，能够达到输电线路监测多样化的目的是本发明初衷。而CN200820151558.X“输电线路在线监测装置”只涉及到了线路覆冰预警、舞动及泄漏电流监测等系统功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构合理，使用方便，能够对高压运行中的线路进行在线、有效的监测现场温度、湿度、风速、风向、日照辐射及导线温度、振动、倾角，绝缘子倾角、导线综合载荷和现场图像等，并以无线网络通信传输方式，将监测到的参数即时提供给“增容系统主站”，对输电线路及时进行多种方式报警，指导检修、防治和增容的输电线路覆冰预警及动态增容系统的在线监测装置。

本发明的技术方案是：输电线路覆冰预警及动态增容系统的在线监测装置，分布在需要覆冰预警监测及动态增容系统的输电线路上，由安装在输电线路上的监测子单元、安装在杆塔上的监测主单元、专家分析系统和调度EMS系统四部分组成，监测子单元所采集的信息发送到监测主单元，然后监测主单元对数据进行传输给专家分析系统，专家分析系统又与调度EMS系统连接；其特征在于：所述的监测子单元和监测主单元都包括传感器、电源模块、数据采集及控制模块和数据通讯模块；

所述的传感器在监测子单元包括导线温度传感器为线路动态增容提供依据、导线振动和倾角传感器为覆冰预警提供依据；在监测主单元的传感器包括导线载荷传感器、绝缘子倾角传感器、视频摄像头为覆冰预警提供依据，日照辐射传感器用于测量日照辐射，为线路增容提供依据；环境温湿度传感器、风速和风向传感器为线路覆冰及动态增容提供依据；各传感器分别与数据采集及控制模块的输入端连接；

所述的电源模块在监测子单元上采用高压侧取能模块来供电，在监测主单元采用的是太阳能给锂电池充电的方式供电或风能发电；

所述的数据通讯模块在监测子单元上是无线射频技术和监测主单元进行短距离通讯，在监测主单元上无线射频技术和GSM/GPRS/CDMA/3G通讯方式结合；

所述的数据采集和控制模块用于对采集到的数据进行处理、并完成对装置的控制，其与数据通讯模块之间双向链接。

如上所述的输电线路覆冰预警及动态增容系统的在线监测装置，其特征在于：所述的监测子单元和监测主单元通讯方式采用无线射频通讯技术，其频段包括433MHz、868MHz、915MHz和2.4GHz。

如上所述的输电线路覆冰预警及动态增容系统的在线监测装置，其特征在于：所述的监测主单元的数据采集和控制模块包括低功耗的微处理器、监控电路、模数转换电路；其功能是实时采集所需的各种数据，同时能主动上传监测量的警报值。

如上所述的输电线路覆冰预警及动态增容系统的在线监测装置，其特征在于：所述的高压侧取能模块包括取电电路、变换电路、保护电路、可充电源组；所述的取电电路用于高压线上取得电能给变换电路，所述的保护电路用于在高压线路短路时保护取电电路，其输出端与取电电路的输入端连接；所述的可充电源组是可充的锂电池，与变换电路的输入端连接。

如上所述的输电线路覆冰预警及动态增容系统的在线监测装置，其特征在于：所述的变换电路由整流电路、滤波电路、充电电路和电源变换组成；整流电路电连接滤波电路，滤波电路分别电连接充电电路和电源变换，充电电路电连接可充电源组，后者又与电源变换连接。

本发明的有益效果是：本装置具有实现无线化分布式测控的优点，监测子单元(终端节点)所采集的信息通过短距离无线射频技术发送到主控监测单元(基站节点)，然后基站节点通过GSM/GPRS/CDMA/3G技术对数据进行传输，并根据专家分析系统综合各种参数包括视频图像、微气象参数、导线的综合载荷、导线的温度、倾角和振动、绝缘子的倾角来了解线路安全，同时为调度EMS系统提供可靠的依据。无需对线路做任何改造，具有监测速度快、投资低、安全性高的优点。

附图说明

图1为本发明实施例组成结构示意图。

图2为图1中监测主单元工作原理图。

图3为图1中监测子单元工作原理图。

图4为图3中高压侧取能模块结构示意图。

图5为图4中变化电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

本发明实施例输电线路覆冰预警及动态增容系统的在线监测装置，分布在需要覆冰预警监测及动态增容系统的输电线路上，如图1所示，由安装在输电线路上的监测子单元(终端节点)、安装在杆塔上的监测主单元(基站节点)、专家分析系统和调度EMS系统四部分组成，所述的监测子单元和监测主单元都包括传感器、电源模块、数据采集和控制模块和数据通讯模块；

所述的数据通讯模块在监测子单元上是无线射频(RF)技术和监测主单元进行短距离通讯，在监测主单元上无线射频技术和GSM/GPRS/CDMA/3G通讯方式的结合；

所述的监测子单元和监测主单元通讯方式采用无线射频通讯技术，其频段包括433MHz、868MHz、915MHz和2.4GHz。

所述的数据采集和控制模块用于对采集到的数据进行处理、并完成对装置的控制，其与数据通讯模块之间双向链接。所述的监测主单元的数据采集和控制模块包括低功耗的微处理器、监控电路、模数转换电路；其功能是实时采集所需的各种数据，同时能主动上传监测量的警报值。

监控电路完成对微处理器的监控，其与微处理器双向连接；模数转换电路将传感器送来的模拟信号转换成数字信号后，送到微处理器；微处理器用于将各信号计算处理后，送数据通讯模块。

所述的电源模块在监测子单元上采用高压侧取能模块来供电，在监测主单元采用的是太阳能给锂电池充电的方式供电或风能发电；

本发明实施例采用分布式无线监测的方式，把监测子单元(输电线路高压侧的)所需的监测参数通过无线射频(RF)的方式传送给监测主单元(杆塔上低电位处的)，而监测主单元把所需的全部的监测参数最终通过GSM/GPRS/CDMA/3G技术传送给监控中心的专家分析系统。专家分析系统采用趋势分析技术，结合现场返回的数据信息和图像信息，定性的分析线路的运行情况，定量的推算出覆冰的厚度，以三维地理信息系统(GIS)为基础平台，实现面向输电线路的交互式可视化管理，三维场景下的信息查询和分析，实现面向输电线路的交互式、数字化的电网在线状态安全评估。

监测主单元(基站节点)包括倾角传感器、载荷传感器、视频摄像头、风速、风向传感器，温度、湿度传感器和日照辐射传感器。主要来采集现场视频图像、导线综合载荷、绝缘子倾斜角、杆塔振动、以及环境温度、湿度、风速、风向及日照辐射等气象信息。在具体的安装上，载荷传感器是在铁塔和紧靠铁塔的绝缘子之间；倾角传感器是紧贴在绝缘子的表面上；风速、风向传感器是架在输电线路的铁塔上且固定在合适高度的位置；温湿度传感器可以和监控主单元的监控箱连在一体，通过外加百叶窗后暴露在外界环境中；日照辐射传感器是安装输电线路的铁塔上；视频摄像头可以架在铁塔上的合适位置，可拍摄360度的视角，可全面观测到铁塔、线路及铁塔周围的具体情况。

监测主单元(基站节点)上所实现的功能主要是绝缘子倾角的监测，导线综合载荷的监测、环境微气象的监测、输电线路的实时视频监测等。其中倾角传感器是用来监测绝缘子的倾角，载荷传感器是用来监测导线的综合载荷，视频监测是用来实时监测输电线路的现场情况，这三个监测量是为输电线路覆冰预警的重要参考依据；风速、风向传感器，温度、湿度传感器和日照辐射传感器等五个传感器是用来监测环境微气象，是覆冰预警和增容系统的不可或缺的参数。其所实现的任务是通过无线射频通讯和监测子单元进行数据交换同时也采集本单元的监测量，最后通过无线通讯网把所有的监测数据传送到监控中心。如下图2所示。

在该监测主单元中，温湿度传感器采用的是一体化的传感器，并且采用的是数字的传输方式，其测量值直接送至核心微处理器进行处理；风向、日照辐射和载荷传感器采用的是模拟信号，其测量值要通过模数转换后再进行处理；风速传感器的输出信号是脉冲信号，通过监测连续两个脉冲信号的时间间隔来测量现场的风速；倾角和视频摄像头都是通过标准的RS232接口来和核心处理器进行通讯传输数据。

监测子单元(终端节点)的能量来源于输电线路上，采用高压电流互感取电的同时给锂电池充电得以使系统长时间运行。监测子单元包括高压侧取能模块、导线温度传感器、振动传感器和倾角传感器。导线温度传感器是用来测量导线温度的，是实现输电线路增容的一个核心的参数；而导线的振动传感器和倾角传感器是分别实现输电线路舞动和倾斜角的监测，这两个监测量是实现线路覆冰预警的重要参数之一。监测子单元的最终任务是要把三个物理量监测的数据通过无线射频(RF)的通讯方式传送到监测主单元(基站节点)。如下图3所示。

在监测子单元上的高压侧取能模块的主要功能是为整个监测子单元的各个部分电路提供独立的工作电源。主要由取电电路、保护电路、变换电路和可充电源组构成。如下图4。

取电电路由感应线圈及铁芯构成，利用互感原理，从高压输电线上取得工作所需的电能给变换电路。保护电路主要起瞬时保护和稳态保护两方面的作用，用于在高压线路短路时保护取电电路，其输出端与取电电路的输入端连接；保护电路与变换电路相配合，在高压输电线路上短路、雷击时起瞬时保护作用，主要器件是瞬变抑制二级管(TVS)，在线圈两端接一个瞬变抑制二极管(TVS)，以限制感应线圈输出的冲击电压，以保护后端的电子线路。稳态保护作用主要为使取电电路的线圈能长时间的工作而设计的，主要的核心器件是固态继电器，通过固态继电器来控制补偿线圈的工作与否，来减轻取电电路的线圈的发热问题。所述的可充电源组是可充的锂电池，与变换电路的输入端连接。

变换电路主要是由整流电路、滤波电路、充电电路、电源变换组成；整流电路电连接滤波电路，滤波电路分别电连接充电电路和电源变换，充电电路电连接可充电源组，后者又与电源变换连接。如下图5所示。变换电路主要功能是完成对整个取电模块的电源控制，利用其充电管理电路(充电电路)对可充电源组进行实时的充电，当高压线路的电流较小时，可以使用可充电源组的电源对整个监测子单元供电；当高压线路的电流较大时，进行电源的切换。

所有的监测数据最终由监测主单元通过GSM/GPRS/CDMA/3G网络上传给监控中心，监控中心服务器中的专家分析系统根据各种对象数学模型，综合相应的各种参数，计算出杆塔受力状况、覆冰厚度、绝缘子盐密、导线弧垂、导线应力、线路容量裕度，线路舞动情况，结合气象数据对覆冰趋势进行预警，为线路管理人员实现输电线路的状态检修提供重要参考依据。从而提高线路的输电容量，为解决全国各大电网输电能力问题不足的问题提供有效的途径。

本发明实施例的工作流程如下：本在线监测装置的核心部件微处理器通过日照辐射传感器、环境温湿度传感器和导线温度传感器采集增容系统所需的相关数据(即摩尔根公式中的环境温度，太阳辐射强度和导线的实时温度)，对上述数据进行运算处理后，再由数据通讯模块，以无线网络通信传输方式，提供给监控中心(增容系统主站)，而增容系统主站再依据从运行部门(总调)的EMS系统获取的本导线电流及相关导线电流数据，通过数学模型进行实时计算，确保导线温度限额不突变原规定值，进行输电线路的增容运行。在线路覆冰预警方面，根据所测载荷、倾斜角、气象参数、导线振动、现场图像等数据，利用趋势分析技术，可以模拟的分析出覆冰厚度、电导率及覆冰的发展趋势，通过监测某一个地区覆冰的速度、厚度、电导率来估算该地区覆冰的临界环境，同时与历史数据对比，指导检修或发出预警信号。本装置有效的融合了覆冰预警和动态增容功能，节省了人力、物力，是符合我国所倡导的节能型社会的一种尝试。

Claims (5)

1、输电线路覆冰预警及动态增容系统的在线监测装置，分布在需要覆冰预警监测及动态增容系统的输电线路上，由安装在输电线路上的监测子单元、安装在杆塔上的监测主单元、专家分析系统和调度EMS系统四部分组成，监测子单元所采集的信息发送到监测主单元，然后监测主单元对数据进行传输给专家分析系统，专家分析系统又与调度EMS系统连接；其特征在于：所述的监测子单元和监测主单元都包括传感器、电源模块、数据采集及控制模块和数据通讯模块；

所述的传感器在监测子单元包括导线温度传感器为线路动态增容提供依据、导线振动和倾角传感器为覆冰预警提供依据；在监测主单元的传感器包括导线载荷传感器、绝缘子倾角传感器、视频摄像头为覆冰预警提供依据，日照辐射传感器用于测量日照辐射，为线路增容提供依据；环境温湿度传感器、风速和风向传感器为线路覆冰及动态增容提供依据；各传感器分别与数据采集及控制模块的输入端连接；

所述的电源模块在监测子单元上采用高压侧取能模块来供电，在监测主单元采用的是太阳能给锂电池充电的方式供电或风能发电；

所述的数据通讯模块在监测子单元上是无线射频技术和监测主单元进行短距离通讯，在监测主单元上无线射频技术和GSM/GPRS/CDMA/3G通讯方式结合；

所述的数据采集和控制模块用于对采集到的数据进行处理、并完成对装置的控制，其与数据通讯模块之间双向链接。

2、根据权利要求1所述的输电线路覆冰预警及动态增容系统的在线监测装置，其特征在于：所述的监测子单元和监测主单元通讯方式采用无线射频通讯技术，其频段包括433MHz、868MHz、915MHz和2.4GHz。

3、根据权利要求1所述的输电线路覆冰预警及动态增容系统的在线监测装置，其特征在于：所述的监测主单元的数据采集和控制模块包括低功耗的微处理器、监控电路、模数转换电路；其功能是实时采集所需的各种数据，同时能主动上传监测量的警报值。

4、根据权利要求1所述的输电线路覆冰预警及动态增容系统的在线监测装置，其特征在于：所述的高压侧取能模块包括取电电路、变换电路、保护电路、可充电源组；所述的取电电路用于高压线上取得电能给变换电路，所述的保护电路用于在高压线路短路时保护取电电路，其输出端与取电电路的输入端连接；所述的可充电源组是可充的锂电池，与变换电路的输入端连接。

5、根据权利要求1或4所述的输电线路覆冰预警及动态增容系统的在线监测装置，其特征在于：所述的变换电路由整流电路、滤波电路、充电电路和电源变换组成；整流电路电连接滤波电路，滤波电路分别电连接充电电路和电源变换，充电电路电连接可充电源组，后者又与电源变换连接。

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