输电线路覆冰在线监测综述.docx

输电线路覆冰监测研究综述 (华南理工大学电力学院, 广州, 510640)摘 要：输电线路覆冰现象在我国较为普遍，严重影响电力系统运行。为防止输电线路覆冰现象，国内外对此进行了长期研究，并取得一定研究成果。本文对输电线路覆冰监测方法进行综述，分别说明其工作原理，深入分析各自的有点和不足，为工程应用进行有效指导。最后对输电线路覆冰监测研究方向进行几点展望展望。关键词：输电线路，覆冰监测，力学模型，图像处理，研究综述Abstract: The phenomenon of transmission line icing is more common in our country,witch seriously affects the power systems operation. To prevent transmission line Icing phenomenon, home and abroad this long-term research and made some research. this paper summary Transmission Line monitoring methods, respectively their working principle, in-depth analysis of each a little and inadequate, for engineering application effective instruction. Finally, the Transmission Line Monitoring of direction points Prospects Looking.Key words：transmission line, iced monitoring, Mechanical model, Image processing, Research0 前言我国输电线路的覆冰现象已经十分普遍。输电线路覆冰和积雪会导致其机械和电气性能急剧下降，引起导线舞动、杆塔倾斜甚至倒塌、断线以及绝缘子闪络等重大电力事故，严重影响电力系统的安全运行。2008年春节前后发生的冰冻灾害，引起大规模、长时间的电力中断，直接经济损失达1500亿元以上，同时给工农业生产和人民生活带来严重社会影响。所以，实时监测输电线路的覆冰状况并做好除冰工作成为目前研究的热点。长期以来，国内外对输电线路覆冰进行了长期的观测和研究，在覆冰理论、冰闪机理、输电线路覆冰监测研究相关技术等方面取得了很多成果。本文主要针对输电线路覆冰监测方法进行综述，分析不同监测方法的优劣，展望未来技术发展方向。1 输电线路覆冰危害根据我国已发生的各类输电线路覆冰灾害事故分析，输电线路覆冰造成的事故可分为以下几类1,2：1) 线路覆冰的过负荷事故 输电线路由导线、金具、绝缘子、杆塔和拉线等环节相互连接而成，线路负荷过重时可能导致以下事故：当导线上的覆冰重量达到一定程度时会造成导线和架空地线从压接管内抽出；外层铝股全断，钢芯抽出；也有可能导致整根拉断或耐张线夹出口附近导线外层断若干股的事故，甚至会破坏基础，引起塔身倾斜或倒杆导致倒杆。再者就是线路覆冰时因重力增大而引起弧垂增大，导致导线对地间距减小而造成闪络事故，也会因导线舞动而引起导线间的闪络。 2) 不均匀覆冰或不同期脱冰事故导线相邻档不均匀覆冰或不同期脱冰都会产生张力差，使其在线夹内滑动，严重时将使导线外层铝股在线夹出口处全部断裂、钢芯抽动，造成线夹另一侧的铝股发生颈缩，拥挤在线夹附近，长达1-20m，悬垂线夹和耐张线夹都会有这种情况发生。不均匀覆冰和不同期脱冰的区别在于前者张力差是静负荷，前者会造成线股断口有缩颈现象，而后者没有此现象。其次，因邻档张力不同致使绝缘子串产生较大的偏移，过大会造成绝缘子损伤或破裂。3) 绝缘子串冰闪事故在绝缘子严重覆冰的情况下，会造成伞裙冰凌桥接，绝缘强度降低，泄露距离缩短，在冰融化的过程中，冰表面的水膜很快溶解污秽中的电解质，使冰面水膜的电导率增大，引起绝缘子串电压分布及单片绝缘子表面电压分布的畸变，降低了其闪络电压。在恶劣天气和特殊地理环境下，大气中的污秽颗粒进一步的增大冰面水膜的电导率，最后形成冰闪。闪络过程中持续电弧会烧伤绝缘子，致使绝缘子绝缘强度下降。4) 覆冰导线舞动导线上形成的不规则形状的覆冰会使导线产生自激振荡和舞动，轻者发生闪络、跳闸，重者发生金具及绝缘子损坏，导线断股，杆塔倾斜或者倒塔。2 输电线路覆冰监测方法2.1 设置覆冰站监测法传统的输电线路覆冰监测方法主要是在重覆冰区设置覆冰观测哨所或设置更先进的覆冰气象观测站，由专人值守并记录气象信息及输电线路的覆冰情况。其主要方式有两种1,4-6：人工巡线法和模拟导线法。2.1.1 人工巡线法人工巡线法即人工通过巡查输电线路获得导线及绝缘子的覆冰情况。该方法虽然可以获得局部区域输电线路线路覆冰的真实情况，并能做到及时采取除冰措施。但是输电线路覆冰的区域一般十几公里、几十公里甚至上百公里，而且覆冰的区域通常都是在崇山峻岭之中，交通不便，不能实现整个电网监测；因主要依靠人工巡线，所监测覆冰情况受地形环境、人员素质、天气状况等因素的影响比较大。2.1.2 模拟导线法模拟导线法是通过在覆冰站内或者附近架设一段导线来模拟输电线路，通过测量模拟导线上的覆冰厚度来估算输电线路的覆冰情况，此方式目前应用比较多。模拟导线法优点原理比较简单、易于操作，但是设置观冰哨所或覆冰气象观测站的成本依然很高，而且从模拟导线上测得的覆冰厚度通常与实际运行导线上的覆冰厚度有很大差别，这是因为影响线路覆冰厚度的因素过于复杂，除了与导线直径、气温、空气湿度、地形环境、海拔高程等有关外，还受实际风速大小、导线扭转与否以及线路电场强弱等因素的影响4-7。2.2力学模型输电线路覆冰监测方法随着计算机和传感器技术的发展，输电线路的监测技术也取得突破性进展。输电线路在正常运行情况和覆冰状况下，导线的长度、应力弧垂，绝缘子串角度等参数都会发生变化，力学模型的原理是通过监测装置得到这些参数的变化来判断覆冰情况。文献8,9详细分析了架设在杆塔间的输电线路的受力情况并总结了各个力学参数的计算公式以及各参数之间的关系式，包括电线弧垂、张力、线长、绝缘子倾角等等，该分析是覆冰力学模型研究的出发点。根据采用的监测设备不同，我们可以把监测模型分为基于传统传感器的覆冰监测方法、基于光纤光栅传感器的覆冰监测方法和基于行波传感器的覆冰监测方法10-18。2.2.1基于传统传感器的覆冰监测方法早在80年代中期传感器就应用在输电线路覆冰在线监测中，最初只是在绝缘子串的悬挂点处安装一重力传感器，该传感器会将输电线路导线覆冰前后的荷重以电信号的形式通过GPRS系统发送到电力系统的控制中心，控制中心再根据式（1）将导线的覆冰荷重折算为导线的设计冰质厚度10： (1)式中，b为折算后的设计冰质（密度为0.9g/cm3）厚度（单位mm），G为导线覆冰后的单位长度的荷重增量（单位kg/m），d为导线的直径（单位mm）。该方法较传统的模拟导线等方法有了很大的进步，它实现了覆冰厚度的在线监测，降低了覆冰厚度检测的成本，减小了电力系统观冰人员的劳动强度。但是，该方法在将覆冰荷重折算成导线的设计冰质厚度时显然过于简单，没有考虑当时的气象因素特别是风速、风向等的影响，因而计算结果准确度有限。文献19提出了建立覆冰截面积的复杂模型。该模型与简单模型相比，考虑因素更全面。根据悬点处导线的受力情况（分为有风和无风的情况下），结合导线最大弧垂、悬点倾角等的相关计算，得出导线覆冰后的总截面积，进而得到导线覆冰冰厚： (2)式中：是覆冰的密度（g/cm3），D表示导线的外径（mm），A表示导线覆冰的截面积（单位：mm2，需要计算求得）。事实上，输电线路由杆塔和线路组成，杆塔主要分为耐张塔和直线塔。输电线路的一个连续档耐张段，包含两个耐张塔和几个直线塔，如图1所示：图 1 输电线路连续档线路示意图不同的杆塔类型，设备所监测的参量是不同的，根据不同的参量所采用的力学计算公式也有区别，据此可将模型分为耐张塔模型、直线塔模型和整个连续档模型10-18。（1）耐张塔模型文献12以耐张塔为研究对象，如图2所示，提出通过测量线路绝缘子悬挂点倾斜角来估算覆冰厚度和监测导线弧垂的方法。上海交通大学基于架空输电线路轴向张力、二维倾角和风速风向、温湿度等信息监测线路稳态覆冰状况，现场安装和运行证明了该模型的有效性。综合来讲，在考虑线路的冰风荷载下，耐张塔模型主要的测量参数为线路轴向拉力、线路倾斜角和线路风偏角，再结合耐张塔的力学计算公式可以达到监测覆冰的目的。 (a) (b)图 2 耐张塔及力学模型（2）直线塔模型西安交通大学以直线塔为研究对象，如图3所示，在输电线路垂直平面内建立了静力学分析模型，考虑绝缘子串倾斜角计算导线覆冰厚度和弧垂等参数。具体的计算公式如下11： (3) (4) (5)式中：为冰的密度（雨凇）；d为导线有效计算直径（mm）；b为导线覆冰厚度（mm）；qice为覆冰载荷；qwind为风载荷，可以通过风速传感器、导线直径和风夹角等算出；qw为有冰荷、风荷下导线载荷； SD1表示对应等效档距的导线长度；TV为有冰、风载荷作用与只有自重载荷作用时杆塔上竖向载荷差值。华南理工大学以绝缘子串悬挂点拉力和倾斜角为基本参量，考虑风偏因素，将导线力学参量归算到风偏平面，并通过风偏平面内竖直方向上的静力学受力平衡计算覆冰厚度的力学计算模型。并通过贵州电网输电线路覆冰的在线监测系统采集的数据进行了验证14。其折算的标准冰厚公式为： (6)(7)式中：为冰的密度（覆冰类型为雨凇，=0.9103kg/(mmm2)；d为导线有效计算直径（mm）；b为导线覆冰厚度（mm）；qice为覆冰载荷；F为绝缘子串轴向拉力；为风偏平面内的绝缘子串倾斜角；为风偏角；G为导线、绝缘子串和金具自重之和。S表示导线最低点到主杆塔的线长；n为导线分裂数。 (a) (b)图 3 直线塔及力学模型综合来讲，在考虑线路冰风荷载下，直线塔模型主要测量线路拉力、绝缘子倾斜角和绝缘子风偏角，再结合直线塔的力学计算公式可以达到监测覆冰的目的。（3）连续档模型文献15整个输电线路连续档为研究对象，提出了根据线路的导线悬挂点倾角和悬垂绝缘子串偏斜角进行输电线路非均匀覆冰实时计算的模型和方法。从输电线路耐张段内非均匀覆冰的普遍情况出发，详细推导用导线悬挂点倾角和悬垂绝缘子串偏斜角计算各档导线覆冰厚度的方法和过程。该模型适用于非均匀覆冰，但所需的装备较多，不具有经济性。以上所述三种杆塔模型的应用可因地理环境不同而适当采用，一般情况下，只需根据杆塔类型选取相应的计算模型；在整个连续档内气候差别大的情况下，有必要对整个耐张段都进行监测，以保证线路覆冰能及时得到防治。2.2.2 基于光纤光栅传感器的输电线路覆冰监测模型由于现有输电线路覆冰在线监测系统需要现场电源，易受电磁干扰，不能分布式测量，使用寿命短等缺点，华北电力大学开发基于光纤布喇格光栅传感技术的输电线路覆冰在线监测系统16,17。通过该系统中的光纤光栅拉力倾角传感器测量导线悬挂点处的拉力和倾角，然后将信号发送至控制计算机，应用专家软件中的力学模型计算覆冰荷载。该系统在测量端(杆塔附近)为无源测量，仅包括测量传感器，无需取能模块和无线发射模块，简化了系统结构，提高了可靠性；所研制的光纤光栅传感器拉力倾角测量单元线性度高，传感器的灵敏度和分辨率较好，测量误差较小；由于光纤不受电磁干扰的影响，整套系统适合应用在恶劣电磁环境下工作；时由于光纤光栅本身的特性，该系统可以实现准分布式测量，其测量范围可达100km。华北电力大学通过试验探究了温度对光纤光栅倾角传感器性能的影响，试验表明，温度内温度变化引起的拉力测量零点变化01%时,倾角测量零点变化0.67%，气候室中试验研究覆冰气候环境下开发的拉力倾角传感器的拉力测量误差0.17%。户外试验表明研发的光纤布喇格光栅拉力倾角传感器在长期低温环境下(-15C+3C)运行稳定,传感器测量未出现蠕变衰减现象。当输电线路在不均匀覆冰以及导线覆冰后刚度增大情况下，弧垂的计算以及覆冰量的计算均会产生一定的误差；同时光纤光栅传感器的成本也是需要考虑的因素之一。所以该模型的可靠性和可行性还有待研究和验证。2.2.3 基于行波传感器测量行波传输时差的覆冰监测模型长沙理工大学提出基于行波传输时差的输电线路覆冰厚度测量方法18。采用行波定位系统精确地记录行波到达线路两个端点的时间，通过输电线路在正常运行与线路覆冰期间的行波时间差以及架空线路状态方程来计算线路的比载，利用长度与比载和冰厚的计算关系式求得覆冰情况下线路的平均覆冰厚度。大多数情况下，线路各段的覆冰厚度不相同，行波传输时差的测量方法只能从全局上掌握覆冰的情况，局部地区的严重覆冰还要用其他方法进行具体的监测来弥补。2.2.4 小结综上所述，基于传统传感器的覆冰监测模型逐渐成熟完善和可靠，随着传感器的精确性和可靠性的提高，再加上覆冰参数计算式的改进，该模型可以适用于监测输电线路覆冰状况。但是在实际情况下，由于自然状况的复杂性，对所设立的计算模型进行了不同的简化，所采用的模型不同其计算覆冰厚度值也有一定的差别，同时对多个传感器的性能要求比较高，当一个传感器出现故障时，其他监测到的数据所折算的冰厚可能将会差生很大的误差，甚至影响覆冰区的系统运行。2.3 图像监测法目前，国内外一些文献中提到过应用图像法检测导线和绝缘子覆冰厚度的思想，且国内文献资料主要集中出现在08年春节期间的冰灾发生之后。其原理是利用安装在监测终端的摄像机即时获得输电线路覆冰前后的图像，运用图像处理方法得到输电线路覆冰前后的轮廓值，将两者进行差运算就能获得其覆冰厚度像素值，再利用对应关系得到真实覆冰厚度。目前在输电线路方面研究较多的图像边缘检测方法有阈值分割法、普通边缘检测算子法和小波多尺度边缘检测法。2.3.1 阈值分割法阈值分割就是将彩色图像转化成灰度图像,对以灰度值标示的图像中的每个象素,当灰度值低于一个值(阈值,根据需要设定)时让它成为一个小的值;当灰度值大于一个值(阈值)时让它成为一个大的值20。输电线路图像中，导线或者绝缘子与背景的灰度不同，找到一个恰当的阈值就可以将其与背景分开。2007年12月瑞典S.M.Berlijn等人提出将图像法应用在绝缘子覆冰处理中，先用中值滤波除去噪声，根据直方图获得的阈值对图像进行阈值变换，然后通过绝缘子串覆冰前后轮廓比较估计其覆冰厚度20。随之，S.M.Berlijn等人也提出一些相关的问题：绝缘子可能受风度或者摄像机小小的移动，都会影响图像匹配；当在复杂背景环境下很难提取绝缘子的外壳等。2009年1月上海交通大学张成等人提出基于图像平滑处理、阈值变换和轮廓跟踪等算法，实现了基于现场图像的绝缘子覆冰及覆冰厚度特征参数的自动识别20。由于现场拍摄的绝缘子图像一般带有背景噪声，其文采用平滑滤波，再对图像进行灰度化，接着将图像阈值化，然后通过轮廓检测和提取方法得到绝缘子边界独立出来，最后利用轮廓跟踪去除绝缘子环形的影响得到外边界。此文提出该方法的关键是用阈值法将绝缘子与背景分开，但是并没有提出阈值是如何确定的。即使采用最优阈值法，但是通过对大量现场覆冰照片处理发现，由于自然环境的复杂性，最优阈值法也很难找到所有图像中的关键阈值，阈值过大则会消去部分真实边缘，阈值小时，阈值化后的图像会有噪声，影响进一步的图像处理。因此此方法的适应性有限。2.3.2 普通边缘检测算子法传统的边缘检测算子有Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子、Laplacian算子、LoG算子和Canny算子26。其中Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子、Laplacian算子除了都需要参数的设定之外，对噪声比较敏感，均有各自的缺点，应用比较少。LoG算子够有效的检测边界，但是会产生虚假边界，而且精度不高，同时也需要参数。西安理工大学采用传统的Sobel算子，图像分割是纹理分析和阈值分割相结合的方法对输电线路覆冰图像进行计算。华南理工大学将LoG算子的边缘检测方法应用在远程在线系统的覆冰厚度计算中23。在阈值或者尺度选择合适的情况下，基本能达到预期处理效果。但是在输电线路复杂的背景下，所提出方法的适应性将会受到很大限制，每次处理图像都需要人工进行参数设定，同时单一参数设定很难适应自动化检测的要求。1986年Canny在总结过去边缘检测的基础上，提出边缘检测的三个准则并用数学公式表达出来，即Canny算子24，它具备非常好的边缘检测效果，迄今依然是各主要的边缘检测算法。Canny算子首先通过高斯卷积对图像进行高斯平滑,然后对平滑后的图像进行微分操作,得到梯度图,再采用“非最大抑制”算法寻找图像中的可能边缘点,最后通过双门限值递归寻找图像边缘点,得到单像素宽度边缘图。在图像处理中此方法需要人工设定三个参数：高斯滤波卷积核的宽度和双门限值。目前利用最优阈值法或者大津法确定Canny算子的高阈值，进而确定低阈值。通过对大量的现场覆冰线路图像进行处理，可以实现自适应检测图像，并能达到预期的处理效果。2.3.3 小波多尺度边缘检测法小波理论是一门新兴的数学方法，它在时域和频域同时具有良好的局部性质，因而成为信号分析和图像处理的强有力工具。2009年12月重庆大学王小朋等提出运用多尺度小波边缘检测法应用于输电线路导线和绝缘子覆冰厚度在线监测中5。其算法步骤：首先图像灰度化和中值滤波（避免使边缘模糊）；多尺度小波法边界提取；浮动阈值法进行图像二值化；轮廓跟踪确定最终边缘。最后在实验室进行了数据验证。此文提出的方法都是基于实验室为背景的图像，和实际环境中的复杂背景相比略显简单，噪声也相对较小，处理的结果相对理想。此文最后计算也是采用覆冰前后轮廓的匹配来计算覆冰厚度，实际中受风等因素的影响，导线或者摄像机多少会有一定的移动，影响计算结果。2.3.4 图像处理法应用限制目前图像监测法作为一种辅助监测手段，因其应用受以下条件限制：1）当线路覆冰时，摄像机的镜头表面也会覆冰，拍摄到的图像模糊不清，无法辨认。2）目前摄像机拍摄到的图片分辨率较低，图像处理结果的精度会受到很大影响。3）受现场拍摄角度限制，自然环境下导线有冰凌导致导线覆冰形状不规则时，二维图像处理结果与实际差异会很大。4）摄像机拍摄范围有限，档距较大且环境气候(如有雾)不理想时无法全面监测，也无法监测不均匀覆冰。总的来说，关于图像法应用在输电线路的研究还很少，许多细节以及以上存在的问题都需要更深入的研究探索。2.4 其他理论监测方法Bosisio R等人在实验室提出了一种基于Goubau模型的导线覆冰非接触式测量方法28-29。其原理是注入微波信号到覆冰导线，由 Goubau 传感器接收。该方法仅在实验室进行了试验研究，实际线路运行现场复杂环境的干扰等关键问题还需进一步研究。秦建敏等人提出基于空气与冰电阻特性差异及环境温度的输电线路与塔架覆冰厚度传感器结构及其检测方法27。该方法也是间接测量导线覆冰，其空气与冰的电阻特性和环境温度之间关系较复杂，目前无实际应用。3 总结与展望目前国内外在工程应用中已经研究出输电线路覆冰监测装置，且主要以力学模型为主。但是由于不同地区的输电线路结构不同、地理因素迥异，并考虑到覆冰的形成机理复杂、影响因素众多的情况，力学模型需要不断的完善和深入研究，并需要其他辅助监测方法，保证准确实时监测输电线路覆冰状况。总之，未来需要研究方向课归纳一下三点：1） 力学模型是经过简化进行计算，而实际线路由于地形和工况不同，受各类因素显著影响。所以力学模型应用时需要修正系数的研究。2） 间接法装置的安装、布置和安全性方面优于直接法，因此未来应当开展间接法的改进研究，并结合实际工况和历年数据积累进一步精细化改进，以推广其在电网覆冰监测的应用。3） 光纤传感器在输电线路应用中具有明显优势。在光纤传感器方面需要跟全面深入的探究，以实现输电线路任意位置状态实时监测。参考文献：1 蒋兴良,易辉. 输电线路覆冰及防护M. 北京: 中国电力出版社, 2002.2 陆佳政，张红先，方针等湖南电力系统冰灾监测结果及其分析J电力系统保护与控制，2009,37(12): 99-105.3 黄新波,刘家兵,蔡 伟,王小敬. 电力架空线路覆冰雪的国内外研究现状J. 电网技术, 2011, 24(11) : 23- 28.4 陈金熠. 输电线路覆冰在线监测技术的研究D. 上海交通大学: 2012.5 王小朋. 应用图像法在线监测输电线路覆冰厚度研究D. 重庆大学: 2009.6 龚坚刚, 徐青松, 胡旭光. 输电线路覆冰的模拟导线实时监测J. 电力建设, 2010, 31(12) : 20- 22.7 李立浧,阳林,郝艳捧. 架空输电线路覆冰在线监测技术评述J. 电网技术, 2012, 36(2) : 237- 243.8 邵天晓架空送电线路的电线力学计算M北京: 中国电力出版社, 2003.9 孟遂民,孔伟. 架空输电线路设计M北京: 中国电力出版社, 2007.10 郭庆雄. 送电线路覆冰厚度的检测方法J. 华中电力. 1992, 5(6): 71-73.11 黄新波,孙钦东,程荣贵,张冠军,刘家兵. 导线覆冰的力学分析与覆冰在线监测系统J. 电力系统自动化. 2007, 31(14): 98-101.12 邢毅,曾奕,盛戈皞,任丽佳,等. 基于力学测量的架空输电线路覆冰监测系统J. 电力系统自动化,2008,32(23):81-85.13 黄新波,孙钦,程荣贵,张冠军,等. 导线覆冰的力学分析与覆冰在线监测系统J. 电力系统自动化, 2007,31(14):98-101.14 阳林,郝艳捧,黎卫国,戴栋,李立涅,等. 架空输电线路在线监测覆冰力学计算模型J. 中国电机工程学报,2010,30(19): 100-105. 15 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