1、.,1,覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng),學(xué)生：熊攀 導(dǎo)師：陳侃松 副教授 專業(yè)：11級(jí)微電子,.,2,目錄,4,相關(guān)背景介紹,1,2,3,5,輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)的原理及功能,輸電線路典型覆冰分析,華中電網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng),覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)及運(yùn)行分析,6,.,3,架空輸電線路超設(shè)計(jì)條件覆冰是影響送電線路安全運(yùn)行的突出問題之一。近年來，國內(nèi)電網(wǎng)受大氣候和微地形、微氣象條件的影響，冰害事故時(shí)有發(fā)生。凍雨覆冰使輸電線路的荷重增加，對(duì)導(dǎo)線、鐵塔、絕緣子和金具帶來不同程度的機(jī)械損壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致斷線和倒桿塔，造成大面積停電事故。 2008年一月以來，我過南方地區(qū)出現(xiàn)長時(shí)間持續(xù)的大范圍的低溫雨雪冰凍天氣，導(dǎo)致輸

2、電線路發(fā)生倒塔、斷線、覆冰閃絡(luò)、脫冰跳躍等多種事故，對(duì)電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的破壞。湖南、江西、貴州等地電網(wǎng)一度解列，部分地區(qū)電網(wǎng)幾乎全部損毀。此次冰災(zāi)的直接原因是罕見的持續(xù)大范圍低溫雨雪冰凍氣候，但同時(shí)也反映出缺乏在第一時(shí)間掌握線路覆冰狀況的手段。,.,4,目前，檢測線路覆冰的方法主要有人工巡視、觀冰站等，這些方法存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、投資高，檢測結(jié)果準(zhǔn)確性差等問題。輸電線路覆冰在線監(jiān)測技術(shù)通過在易覆冰區(qū)域的鐵塔上安裝覆冰自動(dòng)監(jiān)測站，將數(shù)據(jù)通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)傳往監(jiān)控中心，可隨時(shí)掌握線路的覆冰情況，并可實(shí)現(xiàn)預(yù)、報(bào)警，達(dá)到降低電網(wǎng)覆冰事故損失的目的。研究覆冰在線監(jiān)測技術(shù)，對(duì)防止和控制電網(wǎng)冰災(zāi)，提高電網(wǎng)的運(yùn)行可

3、靠性具有重大意義。,.,5,輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、微量信號(hào)傳感技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)、低功耗技術(shù)、視頻技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等為一體的技術(shù)集合體。系統(tǒng)在輸電線路桿塔安裝拉力傳感器、傾角傳感器、溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、攝像機(jī)，采用無線通信技術(shù)（通常是GSM或GPRS）進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)/圖像的實(shí)時(shí)傳輸。后臺(tái)專家系統(tǒng)根據(jù)前臺(tái)獲取的數(shù)據(jù)，進(jìn)行力學(xué)分析，利用等值覆冰厚度計(jì)算模型、風(fēng)荷載數(shù)學(xué)模型、風(fēng)偏距離數(shù)學(xué)模型計(jì)算出等值覆冰厚度、桿塔縱向不均衡張力和導(dǎo)線風(fēng)偏距，并可對(duì)覆冰生長進(jìn)行預(yù)測。,.,6,（1）導(dǎo)線等值覆冰厚度監(jiān)測。利用絕緣子受力數(shù)據(jù)，建立在一個(gè)垂直擋距單元內(nèi)

4、導(dǎo)線自重、風(fēng)壓系數(shù)、絕緣子傾角、絕緣子垂直荷重和導(dǎo)線等值覆冰厚度的數(shù)學(xué)模型，在線監(jiān)測在一個(gè)垂直擋距內(nèi)導(dǎo)線等值覆冰厚度的變化。 （2）視頻在線監(jiān)測。通過現(xiàn)場攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，可獲取多方位多角度的現(xiàn)場圖像，一般選取絕緣子、金具、導(dǎo)線、桿塔基礎(chǔ)等關(guān)鍵部位，定時(shí)進(jìn)行拍照。圖像通過GPRS傳至后臺(tái)與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。 （3）氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測。在線監(jiān)測測點(diǎn)周圍的溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)，必要時(shí)，可增加降雨量、日照監(jiān)測等功能。,.,7,（4）桿塔荷載監(jiān)測。利用沿兩個(gè)垂直方向（坐標(biāo)）的傾角數(shù)據(jù)，可建立桿塔受力三維力學(xué)解析模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)桿塔垂直荷載及不均衡張力的監(jiān)測。 （5）風(fēng)偏距監(jiān)測。利用絕緣子垂直線路方向的傾

5、斜角（該數(shù)據(jù)可直接獲取或解析得到，根據(jù)傾角傳感器現(xiàn)場安裝方式而定），可實(shí)現(xiàn)風(fēng)偏距監(jiān)測。 （6）自動(dòng)預(yù)警報(bào)警功能。根據(jù)線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或用戶要求，設(shè)定預(yù)、報(bào)警值，預(yù)、報(bào)警信息可在客戶端顯示，專家系統(tǒng)也會(huì)根據(jù)預(yù)報(bào)警信息，自動(dòng)提高數(shù)據(jù)采集頻率，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤。 （7）覆冰生長預(yù)測。導(dǎo)線覆冰生長模型應(yīng)考慮氣象條件、線路走向及懸掛高度、導(dǎo)線直徑及扭轉(zhuǎn)性能等因素。Makkonen把導(dǎo)線半徑、氣溫、風(fēng)速、降水率、風(fēng)向及覆冰時(shí)間等作為輸入量，對(duì)冰柱生長的覆冰模型進(jìn)行了分析和計(jì)算。考慮預(yù)測模型的可靠性及實(shí)用性，選擇Makkonen模型對(duì)導(dǎo)線覆冰生長進(jìn)行預(yù)測。,.,8,500kV孝浉I回線 115#塔監(jiān)測點(diǎn)位于湖北大悟

6、縣山區(qū)，當(dāng)?shù)睾０?83m。2009年二月下旬孝浉I回線 115#塔測點(diǎn)監(jiān)測到的一次線路覆冰數(shù)據(jù)如圖1所示。,圖1 孝浉I回線 115#塔測點(diǎn)覆冰數(shù)據(jù)圖,.,9,從圖1可見，孝浉I回線 115#塔監(jiān)測點(diǎn)的覆冰過程大致分為四個(gè)階段： （1）覆冰形成階段 從26日4：25開始，線路開始結(jié)冰，風(fēng)速風(fēng)向傳感器被凍住，氣溫維持在-1.8左右，相對(duì)濕度大于97%，完全滿足覆冰條件，至26日8:25在短短4個(gè)小時(shí)之內(nèi)，綜合拉力從30KN迅速增加到38.7KN左右，增長幅度近30%，現(xiàn)場風(fēng)速風(fēng)向儀凍住，覆冰迅速增加，至26日8：25，等值冰厚達(dá)12mm。 （2）覆冰穩(wěn)定生長階段 26日8:25后，氣溫進(jìn)一步下降

7、，由-2.0降至27日9：27的-2.5，其中27日凌晨2：27測到的氣溫最低值為-2.9。此間，相對(duì)濕度一直保持在97%或98%，覆冰穩(wěn)定增長，至27日8：27等值冰厚達(dá)20mm。,.,10,（3）覆冰緩慢生長階段 27日10時(shí)后，氣溫保持在-2.2至-1.5之間，相對(duì)濕度一直維持在97%或98%，覆冰略有增長，但增長速度變緩慢，至28日9:30，等值冰厚為22mm。 （4）覆冰消失階段 28日11：32，綜合拉力為47kN，等值冰厚仍有21.5mm，但氣溫升至0.46；至28日13：32，綜合拉力迅速減小為38kN，等值冰厚為11mm，此時(shí)氣溫為0.14；至28日15：32，綜合拉力恢復(fù)正

8、常，等值冰厚變?yōu)?，氣溫升至0.66，相對(duì)濕度為99%，風(fēng)速風(fēng)向儀已解凍，說明覆冰已消除；至3月1日2：34，相對(duì)濕度升至75%，氣溫在0以上，說明該測點(diǎn)天氣好轉(zhuǎn)。,.,11,從監(jiān)測到的幾次覆冰來看，架空輸電線路覆冰過程都與孝浉I回線 115#塔測點(diǎn)相似，大致可分為上述四個(gè)過程，主要有幾個(gè)特點(diǎn)：形成階段覆冰增長速度很快，持續(xù)時(shí)間不長；覆冰消失過程很快，通常為兩三個(gè)小時(shí)甚至更短，說明覆冰可能未完全融化，而是從線路上掉落。覆冰過程的第二及第三階段持續(xù)時(shí)間的長短則依賴于地區(qū)氣候的變化。覆冰與溫濕度密切相關(guān)，覆冰時(shí)氣溫在-1-5之間，相對(duì)濕度通常在90%以上。,.,12,華中電網(wǎng)有限公司2005年開展

9、了科研項(xiàng)目“500kV輸電線路覆冰在線監(jiān)測裝置研究”，2007年起承擔(dān)了國家電網(wǎng)公司科研項(xiàng)目“華中電網(wǎng)500kV輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用”及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架空輸電線路等值覆冰厚度在線監(jiān)測系統(tǒng)編制的任務(wù)，屬國內(nèi)較早開展輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)科研與運(yùn)行的單位。華中電網(wǎng)輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)一包含了兩次科研及技改項(xiàng)目，目前一共設(shè)置了16個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。,.,13,現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)安裝了拉力傳感器、傾角傳感器、溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、攝像機(jī)、監(jiān)測分機(jī)及太陽能電池等。其中兩個(gè)測點(diǎn)還安裝了泄漏電流監(jiān)測裝置，可供研究泄露電流與覆冰嚴(yán)重程度的關(guān)系。為保證在現(xiàn)場惡劣環(huán)境下的可靠性，現(xiàn)場部件通過了低溫

10、、覆冰、模擬電場條件下的精度試驗(yàn)、圖像功能試驗(yàn)及電磁兼容試驗(yàn)等型式試驗(yàn)。 系統(tǒng)后臺(tái)位于華中電網(wǎng)有限公司技術(shù)中心實(shí)驗(yàn)室，主要由通信平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫和和應(yīng)用軟件平臺(tái)組成。通信平臺(tái)接受測點(diǎn)傳送的CDMA/GPRS信號(hào)，將測點(diǎn)傳回的拉力、傾角、風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度等數(shù)據(jù)及現(xiàn)場圖像寫入數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用軟件平臺(tái)采用B/S模式，web服務(wù)器接受網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的請(qǐng)求，通過與數(shù)據(jù)庫連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合分析及拍照設(shè)置、數(shù)據(jù)采集設(shè)置等功能。不同級(jí)別用戶可以通過IE瀏覽器查詢覆冰圖像數(shù)據(jù)或進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)信息共享。,.,14,華中電網(wǎng)輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，獲取了大量現(xiàn)場覆冰圖像和數(shù)據(jù)，圖2是采集的一組絕緣子覆冰雪圖

11、像。圖像采用壓縮格式，占用空間較小，較為清晰，拍攝位置有絕緣子、塔基、塔頭、導(dǎo)線等位置，能較好地反映現(xiàn)場實(shí)際；各采集數(shù)據(jù)合理，有一定的精度，與現(xiàn)場條件吻合。多次成功監(jiān)測了線路覆冰，為生產(chǎn)管理部門決策提供了重要依據(jù)，亦驗(yàn)證了其可行性，尤其是在2008年年初抗擊冰災(zāi)中發(fā)揮了一定作用。,.,15,圖2 輸電線路現(xiàn)場圖像,.,16,（1）拉力傳感器是系統(tǒng)的最關(guān)鍵部件之一，目前國內(nèi)的部分覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)為圖像監(jiān)測系統(tǒng)，無拉力數(shù)據(jù)，單純的圖像系統(tǒng)只能判斷現(xiàn)場是否積雪等簡單狀況，無法判斷覆冰的嚴(yán)重程度。而通過拉力數(shù)據(jù)及力學(xué)模型，可計(jì)算等值覆冰厚度，從而對(duì)線路覆冰嚴(yán)重程度、桿塔受力情況有準(zhǔn)確全面的了解。這也對(duì)

12、拉力傳感器的可靠性及精度提出了很高要求。 （2）在線路覆冰形成、發(fā)展及融化過程中，溫濕度數(shù)據(jù)變化是最敏感的因素之一，通過溫濕度數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化情況，可推測線路覆冰是處于形成、生長或融化的哪一階段，并可在一定程度上判斷覆冰嚴(yán)重程度，與計(jì)算的等值覆冰厚度進(jìn)行對(duì)比分析。,.,17,（3）拉力傳感器的非線性區(qū)問題。系統(tǒng)采用的拉力傳感器是電阻應(yīng)變式傳感器，一般傳感器標(biāo)稱負(fù)載的15%以內(nèi)為傳感器的非線性區(qū)，而現(xiàn)場500kV線路絕緣子串的實(shí)際負(fù)載經(jīng)常不足標(biāo)稱負(fù)載的15%，即拉力傳感器將長期工作于非線性區(qū)，這將大大降低測量精度。系統(tǒng)通過非線性補(bǔ)償，將拉力傳感器非線性區(qū)壓縮至標(biāo)稱負(fù)載的5%以內(nèi)，保證了拉力數(shù)據(jù)的

13、精度。 （4）攝像頭及風(fēng)速風(fēng)向儀在覆冰降雪條件下的可靠性問題?？烨蚴綌z像頭在低溫覆冰條件下能自由轉(zhuǎn)動(dòng)與拍照，而外面有旋轉(zhuǎn)部件的攝像頭存在凍結(jié)問題；攝像頭在覆冰情況下玻璃表面可能形成大范圍的小冰塊，從而無法清晰地拍到現(xiàn)場實(shí)際圖像。覆冰試驗(yàn)及系統(tǒng)掛網(wǎng)試運(yùn)行都驗(yàn)證了這一結(jié)論。攝像頭加熱功能有一定作用，可以融化部分覆冰，但由于蓄電池容量有限，無法持續(xù)啟動(dòng)這一功能，在覆冰嚴(yán)重的狀態(tài)下意義不大。有旋轉(zhuǎn)部件的風(fēng)速風(fēng)向儀在覆冰情況下也容易凍結(jié)，通過這一點(diǎn)也可判斷現(xiàn)場是否覆冰。,.,18,（5）通過在監(jiān)測點(diǎn)安裝舞動(dòng)、污穢、泄露電流等監(jiān)測裝置，可較為全面地掌握線路工作狀況，同時(shí)可降低裝置成本，減少安裝及通訊費(fèi)用。

14、 （6）覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)能詳細(xì)準(zhǔn)確地記錄現(xiàn)場覆冰過程，可取代觀冰站，提高時(shí)效性和準(zhǔn)確性，降低成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。能在線路覆冰初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)，為運(yùn)行單位制定處理措施提供依據(jù)，有利于將覆冰事故消除在萌芽狀態(tài)，提高覆冰區(qū)線路的安全運(yùn)行水平。通過若干年的運(yùn)行，建立覆冰統(tǒng)計(jì)資料序列，為輸電線路工程設(shè)計(jì)、建設(shè)及電網(wǎng)調(diào)度提供參考依據(jù)。,.,19,（1）輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線等值覆冰厚度、線路視頻、氣象數(shù)據(jù)、桿塔荷載、風(fēng)偏距的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)警報(bào)警，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握線路覆冰情況，為生產(chǎn)管理及調(diào)度運(yùn)行部門決策提供依據(jù)。 （2）典型覆冰過程包含覆冰形成、穩(wěn)定生長、緩慢生長、消失四個(gè)階段。覆冰對(duì)氣溫及濕度變化很