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摘要:高压输电线路运行状态直接影响到整个电网运行的安全和效率。对输电线路状态检测系统的检测方法进行了总结归纳,以期为后续的设计工作提供参考。
关键词:输电线路;动态增容;弧垂;张力;线路覆冰;图像监控
中图分类号： TM7文献标识码： A
0引言
作为电网中极其重要的组成部分,输电线路的运行安全性和可靠性越来越受到电力系统运行、管理和科研人员的关注。目前,随着我国输电线路总长度和传输容量的不断增长,线路巡视、检修等运行管理的难度也越来越大,即使在特定条件下的检测也需要大量的人力、物力且难以获得即时数据。在这种情况下,急需提高输电线路运行管理的自动化水平。高压输电线路基本都采用架空线路,由于架设在空中,要承受自重、风力、冰雪等机械力的作用和空气中有害气体的侵蚀,同时还受温度变化的影响,运行条件恶劣。在冬季,导线覆冰及同时诱发的风舞(振动)等都可能对杆塔、导线、金具及部件造成损害,导致线路频繁跳闸与停电,对输电线路安全运行的危害很大,造成重大的经济损失和社会影响。而我国是输电线路覆冰严重的地区之一,线路发生冰害事故的概率较高。因此,输电线路的运行状态关系到电网的运行安全,及时发现和掌握输电线导线的温度、覆冰、气象环境等情况,对提高输电线负载能力、防止电网事故的发生具有重要意义[1-2]。
1输电线路动态增容技术
目前,我国运用的提高现有输电线路输送容量的办法有2种:一是静态提温增容技术,二是动态监测增容技术。静态提温增容技术是突破现行技术规程的规定,将导线的允许温度由现行规定的70℃适当提高,从而加大线路的输送容量。静态提温增容技术由于突破了现行技术规程的规定,因此,必须考虑提高导线允许温度后,导线线损、弧垂、配套金具的机械强度和寿命等影响[3];动态监测增容技术是在不突破现行技术规程规定(导线温度限额)的前提下,通过安在线监测装置,对导线运行状态(导线温度、电流等)和气象条件(环境温度、风速、风向、日照等)进行实时监测,充分利用线路客观存在的隐性容量,提高输电线路的输送能力。其优点是现行运行规程不变,线路运行安全性不变。
根据我国DL/T 5092—1999《110~500kV架空送电线路设计技术规程》,输电线路在设计、架设时,热容等级往往是以最恶劣的气象条件为基础而给出的一个保守的静态热容极限值。如计算导线允许载流量时,导线的允许温度为:钢芯铝绞线、钢芯铝合金绞线可采用+70℃(大跨越可采用+90℃);环境气温应采用最高气温月的最高平均气温;风速应采用0. 5m/s(大跨越采用0. 6m/s );日照强度应采用0. 1W /cm2。但事实上,这样恶劣的气象条件很少发生,这就造成了在绝大多数情况下,无法真正高效地利用输电线路的传输潜力。所谓动态热容量是指在输电线路运行的实际气象环境中,导线温度达到允许温度+70℃时导线的载流量值。通过实时监测输电线路附近的气象环境,可以得到输电线路实时的允许载流量值。输电线的实际负荷比静态传输容量等级小且在绝大多数情况下,动态传输容量等级要比静态等级大。因此,线路的传输容量有很大的挖掘潜力;同时,动态传输容量等级的变化范围较大,这是因为动态传输容量等级对周围气象因素尤其是风速较为敏感。
2线路弧垂和张力的监测
输电线路弧垂是线路设计和运行的主要指标,关系到线路的运行安全,因此,必须将其控制在设计规定的范围内。线路运行负荷和周围环境的变化都会造成线路弧垂的变化,过大的弧垂不但会造成事故隐患,也会限制线路的输送能力。在线路增容系统中,由于导线温度的增加,弧垂和张力都会产生变化,所以,也要对导线的弧垂和张力进行监测和安全性判定[3-4]。
影响弧垂的因素有很多,其中主要有导线应力、传输容量、大气温度、风、导线覆冰等。气温传输容量的改变引起的导线温度的变化会使导线热胀冷缩,从而影响输电线路弧垂的大小。导线温度越高,伸长量越大,弧垂的增加也越多。导线张力也是决定弧垂的主要因素,在架线施工时己经对导线应力与弧垂的情况进行了比较充分的考虑。导线弧垂和张力的变化是同时的,张力变大会使弧垂变小,反之亦然。风对输电线路的影响主要体现在:风加快导线周围空气的对流进而引起导线温度的变化,导线荷载的变化以及不同风速会引起导线振动和舞动。导线覆冰也会使弧垂增大造成闪络并有可能烧伤烧断导线。在这里只考虑了由于温度变化引起的线路张力变化而导致的应力变化。
3线路覆冰情况的监测
我国除南方地区外,许多输电线路都有覆冰情况发生,导线覆冰后,不但引起导线重量和弧垂的增加,而且在有风时会产生舞动,严重时有可能造成断线、倒塔(杆)、闪络事故,如何有效监测线路覆冰情况是电力部门亟待研究的课题。
导线覆冰的监测方法主要有:
(1)在导线或杆塔上安装测力、测重传感器,采集拉力、重量等数据,根据拉力、重量与覆冰状况之间的对应关系进行计算判定。通過对线路弧垂的实时测量也可对线路覆冰情况进行实时监测。
(2)在易覆冰区域的铁塔上安装覆冰自动监测站,实时测量环境温度、湿度、风速、风向、雨量等参数,工作人员根据监测到的气象条件,及时调整负
荷,增加线路电流,提高导线温度,以防止导线覆冰。
(3)直观地在线路现场安装视频监控装置,通
过无线通讯网络将照片传往监控中心,在监控中心即可随时、全天候地掌握线路的覆冰的形成和发展情况。对照片进行比较分析并结合各种气象条件,可判断积冰厚度。
4线路图像的监控
远程图像监控技术在电力系统中最早应用于无人值守变电站,它综合运用计算机网络、多体、数字视频处理等多种先进技术,更高效地实现遥测、遥信、遥控、遥调功能,是对无人值守变电站的进一步完善。近年来,随着电网建设的发展,据资料统计,全国110kV以上线路总长已达几百万千米,迅速增长的输电线路给线路运行人员带来越来越多的巡视维护工作量,对于野外偏远等地区的线路,传统的的巡视方式更显困难,已不能满足现有的安全需求。
4.1图像监控系统结构
可以采用基于GPRS的无线图像监控技术以实现对输电线路的全天候监测,系统由监控终端、GPRS通讯网络和监控中心组成。监控终端担负着图像的采集、压缩、编码和联网传输的任务,是整个系统的核心部分。通讯网络实现监控终端和监控中心之间的图像控制信号的传输。监控中心是整个系统的数据处理及系统管理中心,一方面,它负责接收监视终端传来的图像,数据整理、保存在数据库并在屏幕上显示;另一方面,管理人员可以通过系统提供相应的接口,控制监控终端进行图像采集和传输,随时了解监控现场的情况。系统的整个运行过程为:监控终端在出现异常的情况下,对事发现场进行图像的采集、压缩和编码。处理图像的同时,无线通信模块通过GPRS通信网络与监视中心实现连接,将压缩后的图像通过无线网络传输至监视中心服务器,从而达到监视的目的,如图1所示。
4.2图像压缩技术
在图像监视系统中,要求实时处理大量的数字化信息,这对其存储能力、处理能力和传输能力是一个严峻的挑战,图像的采集和压缩是前期处理的关键。因为图像传输的带宽有限,必须在有限的带宽下实现更好的传输,因此,要选择合适的压缩编码方法。目前,压缩的主要方法有硬件压缩和软件压缩。图像的软压缩方法占用系统很多资源而且效率不高,并且系统本身的资源有限,因此,在实际的系统中,图像压缩往住是由硬件来完成。压缩的方法是在保持图像信息准确传输的要求下,利用图像的统计特性等去除冗余信息。图像信号有很强的相关性,根据视频的相关性,可以压缩很多重复相同的信息量,从而使传输的信息量大量减少。
目前的静止图像压缩标准JPEG技术是以分块的离散余弦变换DCT为基础的,在中高速率上压缩效果较好,然而在低码率的情况下,重构图像存在严重的方块效应,给后续的故障检测、故障记录、故障分析造成困难。JPEG 2000是经过改进的图像压缩标准,改用以小波变换(WaveletTransform)为主的多解析编码方式。小波变换是现代谱分析工具,它既能考察局部时域过程的频域特征,又能考察局部频域过程的时域特征,它的多分辨率分析提供了渐進式压缩的基础,它的快速算法又使其如虎添翼。要完全恢复图像中的某个局部,并不需要所有的编码都被精确保留,只需要对应于它的一部分编码没有误差就可以。基于以上的原因, JPEG 2000能实现无损压缩和感兴趣区域压缩。JPEG 2000还考虑了人的视觉特性,增加了视觉权重和掩膜,在不损害视觉效果的情况下,大大提高了效率。
现阶段,由于电子技术与自动化监控技术的发展,市场上出现很多现成的模块化的图像采集卡,将图像的采集、压缩封装在一起并且屏蔽了硬件的许多细节,用户可以在不需要了解底层技术细节的情况下进行相应开发,结合自己的要求完成系统的设计。
5微气候测量
架空输电线路的运行状态与气候条件有密切的关系,其中风速、风向、日照等气象参数直接影响到导线温度的大小,进而影响到导线允许载流量、弧垂和导线张力等状态参数。线路的舞动和覆冰与风速、风向和温度也有直接关系[4]。因此,微气候的测量是输电线路在线检测中不可缺少的。
目前,工业现场控制中多采用自动气象站测量气象参数。自动气象站的组成包括传感器、数据采集器、电源部分、数据通讯接口和相关软件。该监测系统中用到的小型气象站选择气温传感器和风速、风向仪,采用集散式体系结构,即以CPU为核心,采集和处理分散配置的各传感器信号。通讯接口选择GPRS传输方式,选用太阳能电池为气象站供电,件部分是采用为该监测系统配套开发的后台软件来对气象数据进行存储、分析、生成报告和查询等。
参考文献:
[1]张志建,王培松,王玮.论电网的安全形势以及输电线路保护措施[J].广东科技, 2007(S2): 114.
[2]武小林.电力输电线路安全运行的探讨[J].应用能源技术, 2006(10): 21-22.
[3]龚坚刚.架空输电线路动态增容研究[ J].华东电力,2005, 33(7): 27-29.
[4]蒋兴良,易辉.输电线路覆冰及防护[M].北京:中国电力出版社, 2002.
关键词:输电线路;动态增容;弧垂;张力;线路覆冰;图像监控
中图分类号： TM7文献标识码： A
0引言
作为电网中极其重要的组成部分,输电线路的运行安全性和可靠性越来越受到电力系统运行、管理和科研人员的关注。目前,随着我国输电线路总长度和传输容量的不断增长,线路巡视、检修等运行管理的难度也越来越大,即使在特定条件下的检测也需要大量的人力、物力且难以获得即时数据。在这种情况下,急需提高输电线路运行管理的自动化水平。高压输电线路基本都采用架空线路,由于架设在空中,要承受自重、风力、冰雪等机械力的作用和空气中有害气体的侵蚀,同时还受温度变化的影响,运行条件恶劣。在冬季,导线覆冰及同时诱发的风舞(振动)等都可能对杆塔、导线、金具及部件造成损害,导致线路频繁跳闸与停电,对输电线路安全运行的危害很大,造成重大的经济损失和社会影响。而我国是输电线路覆冰严重的地区之一,线路发生冰害事故的概率较高。因此,输电线路的运行状态关系到电网的运行安全,及时发现和掌握输电线导线的温度、覆冰、气象环境等情况,对提高输电线负载能力、防止电网事故的发生具有重要意义[1-2]。
1输电线路动态增容技术
目前,我国运用的提高现有输电线路输送容量的办法有2种:一是静态提温增容技术,二是动态监测增容技术。静态提温增容技术是突破现行技术规程的规定,将导线的允许温度由现行规定的70℃适当提高,从而加大线路的输送容量。静态提温增容技术由于突破了现行技术规程的规定,因此,必须考虑提高导线允许温度后,导线线损、弧垂、配套金具的机械强度和寿命等影响[3];动态监测增容技术是在不突破现行技术规程规定(导线温度限额)的前提下,通过安在线监测装置,对导线运行状态(导线温度、电流等)和气象条件(环境温度、风速、风向、日照等)进行实时监测,充分利用线路客观存在的隐性容量,提高输电线路的输送能力。其优点是现行运行规程不变,线路运行安全性不变。
根据我国DL/T 5092—1999《110~500kV架空送电线路设计技术规程》,输电线路在设计、架设时,热容等级往往是以最恶劣的气象条件为基础而给出的一个保守的静态热容极限值。如计算导线允许载流量时,导线的允许温度为:钢芯铝绞线、钢芯铝合金绞线可采用+70℃(大跨越可采用+90℃);环境气温应采用最高气温月的最高平均气温;风速应采用0. 5m/s(大跨越采用0. 6m/s );日照强度应采用0. 1W /cm2。但事实上,这样恶劣的气象条件很少发生,这就造成了在绝大多数情况下,无法真正高效地利用输电线路的传输潜力。所谓动态热容量是指在输电线路运行的实际气象环境中,导线温度达到允许温度+70℃时导线的载流量值。通过实时监测输电线路附近的气象环境,可以得到输电线路实时的允许载流量值。输电线的实际负荷比静态传输容量等级小且在绝大多数情况下,动态传输容量等级要比静态等级大。因此,线路的传输容量有很大的挖掘潜力;同时,动态传输容量等级的变化范围较大,这是因为动态传输容量等级对周围气象因素尤其是风速较为敏感。
2线路弧垂和张力的监测
输电线路弧垂是线路设计和运行的主要指标,关系到线路的运行安全,因此,必须将其控制在设计规定的范围内。线路运行负荷和周围环境的变化都会造成线路弧垂的变化,过大的弧垂不但会造成事故隐患,也会限制线路的输送能力。在线路增容系统中,由于导线温度的增加,弧垂和张力都会产生变化,所以,也要对导线的弧垂和张力进行监测和安全性判定[3-4]。
影响弧垂的因素有很多,其中主要有导线应力、传输容量、大气温度、风、导线覆冰等。气温传输容量的改变引起的导线温度的变化会使导线热胀冷缩,从而影响输电线路弧垂的大小。导线温度越高,伸长量越大,弧垂的增加也越多。导线张力也是决定弧垂的主要因素,在架线施工时己经对导线应力与弧垂的情况进行了比较充分的考虑。导线弧垂和张力的变化是同时的,张力变大会使弧垂变小,反之亦然。风对输电线路的影响主要体现在:风加快导线周围空气的对流进而引起导线温度的变化,导线荷载的变化以及不同风速会引起导线振动和舞动。导线覆冰也会使弧垂增大造成闪络并有可能烧伤烧断导线。在这里只考虑了由于温度变化引起的线路张力变化而导致的应力变化。
3线路覆冰情况的监测
我国除南方地区外,许多输电线路都有覆冰情况发生,导线覆冰后,不但引起导线重量和弧垂的增加,而且在有风时会产生舞动,严重时有可能造成断线、倒塔(杆)、闪络事故,如何有效监测线路覆冰情况是电力部门亟待研究的课题。
导线覆冰的监测方法主要有:
(1)在导线或杆塔上安装测力、测重传感器,采集拉力、重量等数据,根据拉力、重量与覆冰状况之间的对应关系进行计算判定。通過对线路弧垂的实时测量也可对线路覆冰情况进行实时监测。
(2)在易覆冰区域的铁塔上安装覆冰自动监测站,实时测量环境温度、湿度、风速、风向、雨量等参数,工作人员根据监测到的气象条件,及时调整负
荷,增加线路电流,提高导线温度,以防止导线覆冰。
(3)直观地在线路现场安装视频监控装置,通
过无线通讯网络将照片传往监控中心,在监控中心即可随时、全天候地掌握线路的覆冰的形成和发展情况。对照片进行比较分析并结合各种气象条件,可判断积冰厚度。
4线路图像的监控
远程图像监控技术在电力系统中最早应用于无人值守变电站,它综合运用计算机网络、多体、数字视频处理等多种先进技术,更高效地实现遥测、遥信、遥控、遥调功能,是对无人值守变电站的进一步完善。近年来,随着电网建设的发展,据资料统计,全国110kV以上线路总长已达几百万千米,迅速增长的输电线路给线路运行人员带来越来越多的巡视维护工作量,对于野外偏远等地区的线路,传统的的巡视方式更显困难,已不能满足现有的安全需求。
4.1图像监控系统结构
可以采用基于GPRS的无线图像监控技术以实现对输电线路的全天候监测,系统由监控终端、GPRS通讯网络和监控中心组成。监控终端担负着图像的采集、压缩、编码和联网传输的任务,是整个系统的核心部分。通讯网络实现监控终端和监控中心之间的图像控制信号的传输。监控中心是整个系统的数据处理及系统管理中心,一方面,它负责接收监视终端传来的图像,数据整理、保存在数据库并在屏幕上显示;另一方面,管理人员可以通过系统提供相应的接口,控制监控终端进行图像采集和传输,随时了解监控现场的情况。系统的整个运行过程为:监控终端在出现异常的情况下,对事发现场进行图像的采集、压缩和编码。处理图像的同时,无线通信模块通过GPRS通信网络与监视中心实现连接,将压缩后的图像通过无线网络传输至监视中心服务器,从而达到监视的目的,如图1所示。
4.2图像压缩技术
在图像监视系统中,要求实时处理大量的数字化信息,这对其存储能力、处理能力和传输能力是一个严峻的挑战,图像的采集和压缩是前期处理的关键。因为图像传输的带宽有限,必须在有限的带宽下实现更好的传输,因此,要选择合适的压缩编码方法。目前,压缩的主要方法有硬件压缩和软件压缩。图像的软压缩方法占用系统很多资源而且效率不高,并且系统本身的资源有限,因此,在实际的系统中,图像压缩往住是由硬件来完成。压缩的方法是在保持图像信息准确传输的要求下,利用图像的统计特性等去除冗余信息。图像信号有很强的相关性,根据视频的相关性,可以压缩很多重复相同的信息量,从而使传输的信息量大量减少。
目前的静止图像压缩标准JPEG技术是以分块的离散余弦变换DCT为基础的,在中高速率上压缩效果较好,然而在低码率的情况下,重构图像存在严重的方块效应,给后续的故障检测、故障记录、故障分析造成困难。JPEG 2000是经过改进的图像压缩标准,改用以小波变换(WaveletTransform)为主的多解析编码方式。小波变换是现代谱分析工具,它既能考察局部时域过程的频域特征,又能考察局部频域过程的时域特征,它的多分辨率分析提供了渐進式压缩的基础,它的快速算法又使其如虎添翼。要完全恢复图像中的某个局部,并不需要所有的编码都被精确保留,只需要对应于它的一部分编码没有误差就可以。基于以上的原因, JPEG 2000能实现无损压缩和感兴趣区域压缩。JPEG 2000还考虑了人的视觉特性,增加了视觉权重和掩膜,在不损害视觉效果的情况下,大大提高了效率。
现阶段,由于电子技术与自动化监控技术的发展,市场上出现很多现成的模块化的图像采集卡,将图像的采集、压缩封装在一起并且屏蔽了硬件的许多细节,用户可以在不需要了解底层技术细节的情况下进行相应开发,结合自己的要求完成系统的设计。
5微气候测量
架空输电线路的运行状态与气候条件有密切的关系,其中风速、风向、日照等气象参数直接影响到导线温度的大小,进而影响到导线允许载流量、弧垂和导线张力等状态参数。线路的舞动和覆冰与风速、风向和温度也有直接关系[4]。因此,微气候的测量是输电线路在线检测中不可缺少的。
目前,工业现场控制中多采用自动气象站测量气象参数。自动气象站的组成包括传感器、数据采集器、电源部分、数据通讯接口和相关软件。该监测系统中用到的小型气象站选择气温传感器和风速、风向仪,采用集散式体系结构,即以CPU为核心,采集和处理分散配置的各传感器信号。通讯接口选择GPRS传输方式,选用太阳能电池为气象站供电,件部分是采用为该监测系统配套开发的后台软件来对气象数据进行存储、分析、生成报告和查询等。
参考文献:
[1]张志建,王培松,王玮.论电网的安全形势以及输电线路保护措施[J].广东科技, 2007(S2): 114.
[2]武小林.电力输电线路安全运行的探讨[J].应用能源技术, 2006(10): 21-22.
[3]龚坚刚.架空输电线路动态增容研究[ J].华东电力,2005, 33(7): 27-29.
[4]蒋兴良,易辉.输电线路覆冰及防护[M].北京:中国电力出版社, 2002.