输电线路智能间隔棒在线监测技术

输电线路智能间隔棒在线监测技术研究内容二一研究背景技术创新点和难点三现场应用案例四应用展望五随着电力系统状态检修工作的开展和智能电网的建设，输电线路在线监测技术得到迅速发展。但目前输电线路在线监测产品还存在着与一次设备的集成度不高，功能单一、结构庞杂、体积笨重、耗电巨大等问题。而智能化、小型化、集成化、高可靠、长寿命是电网监测装置的发展趋势。一次设备智能化水平的提升和传感监测业务的深化应用亟需开展传感电气集成技术研究，提升电力系统集成化、智能化水平。一、研究背景4针对电力物联网传感器独立安装、测试困难等问题，通过一次设备和传感器在物理结构、机械性能、电气性能方面相互匹配，推动一次设备与传感器的一体化设计、一体化试验、一体化交付，提高设备本体智能化水平，提升输电线路通道环境状态信息的监测稳定性、准确性和智能化水平。需求以间隔棒为例，攻克复杂电磁环境下传感器与一次设备集成涉及的封装、稳定供电、可靠通信、电气安全等技术，实现一次设备内置传感器小型化、集成化、高可靠、长寿命设计，提高一次设备智能化水平，为输电线路智能化监测提供支撑。

目标一、研究背景研究内容二一研究背景技术创新点和难点三现场应用案例四应用展望五二、研究内容强电磁环境下多跳组网、可靠通信技术1配置原则研究及典型业务场景应用示范2无线传感器与输电线路金具集成技术及制造工艺4高压输电线路电磁感应取电技术3研究内容本项目立足解决一次设备智能化需求及现有监测装置面临的体积、质量、安装、运维、功能、寿命等问题，提出对传感器与一次设备集成的智能化装置需求；归纳总结出智能间隔棒研发面临的主要技术难点，并有针对性地对应提出技术研究内容；选取典型应用场景，对已研发的智能间隔棒进行功能及性能验证，最终闭环解决应用问题。项目研究技术路线二、研究内容项目研究技术路线二、研究内容技术路线关键点间隔棒和传感器机电一体化设计柔性组网设计高压环境下取能设计受限运动状态区域定位间隔棒采用四分裂导线用间隔棒，传感器与间隔棒采用一体化设计，并采用与间隔棒相同的铝制材料。传感器和备用电池扣合在间隔棒的臂上，采用前后扣合的方式进行设计，保证与间隔棒一样的热胀冷缩系数。取电线圈扣合在导线上，重量小，自重上与间隔棒比例为1:500。传感器模块功能框图传感器模块及备用电池外形尺寸主机盒内部主线路板无线传感器与间隔棒集成制造工艺研究二、研究内容间隔棒内置的通信天线，采用2套平板天线实现上下行通信，利用平板天线的指向性，通过多个辐射单元组阵，实现天线的高增益、高指向性，降低天线物理高度，减少强电磁场耦合感应危害并提高无线链路的工作质量。平板天线方向图天线设计二、研究内容天线延导线方向的水平轴被压缩，垂直轴的后辦被压缩，增益达到10db以上，与导线的走向一致，且可以辐照覆盖前向的杆塔，可以满足输电线路状态监测无线传感器网络的需求。天线物理高度仅5mm左右，不会破坏间隔棒的电磁场分布，也不会影响到间隔棒的施工、维保，很好的与间隔棒融合为一体。采用智能感知和自组网技术，实现基于物联网技术的电网状态综合监测系统。电网无线传感器网络由汇聚网关（NET）、汇聚节点（Sink）和感知终端节点（Nod）等组成。通过在电网设备和工作环境安装传感器节点（Nod），实现对电网设备进行环境及运行状态在线监测。组网结构拓扑图强电磁环境下柔性组网研究二、研究内容对于组网策略，重点研究了以下主要的问题：传感器节点的感知区域模型；传感器节点布置策略；数据传输与保障机制；应答与重传；快速路由重建；网络安全机制；AES加密改进算法研究与实现。组网流程图强电磁环境下柔性组网研究（续）二、研究内容采用高压等电位互感器取能，从输电线路中获取能量为传感器供电，保证设备可以进行全天候工作。CT取电原理框图不同匝数线圈的取电性能测试高压环境下取能设计研究二、研究内容14感应取电使用CT（电流互感器）从导线上获取电能，为传感器供电。太阳能供电使用太阳能电源板获取电能，为传感器供电。超级电容供电超级电容作为后备电源，在主电源断开后为传感器供电，项目选用的超级电容标称充放电500,000次。感应取电示意图混合取电模式高压环境下取能设计研究（续）多重电源保障二、研究内容15搭建如下测试电路，在不同的副边线圈匝数下，通过调压器改变原边电流，观察副边电流、电压变化，计算输出功率，测量磁芯温度综合确定最优线圈匝数。项目组根据实验线路载流量研发了1A-300A、20A-800A两种规格的感应取电模块。感应电流的动态范围由磁芯材料、磁芯大小、副边线圈匝数共同确定；磁芯材料选择：通过在铍莫合金，非晶，硅钢片间进行对比实验选择非晶材料作为磁芯材料；副边线圈匝数确定：通过综合考虑不同电流下的输出电压、输出功率及磁芯温度等因素，由实验确定；输出保护电路：采取了可控硅过载保护、压敏电阻过载保护、脉冲尖峰保护管(TVS)保护3重保护措施，并通过实验证明有效性。感应取电设计高压环境下取能设计研究（续）二、研究内容导线悬挂于两个铁塔之间，进行运动是受限运动，速度会周期性归零，故而采用高精度加速度传感器可以对当前导线的运动状态进行感知。根据对受限运动研究后设计的加速度传感器电气原理图如下图所示。加速度传感器电气原理图受限运动研究二、研究内容研究内容二一研究背景技术创新点和难点三现场应用案例四应用展望五创新点三、技术创新点及难点无线传感器与一次设备集成技术突破检测装置与一次设备集成度不高，独立安装部署的问题，采用先进的封装工艺实现无线传感器自身功能集成及无线传感器与一次设备的集成，为传感器智能集成化、小型化设计提供支撑，提高一次设备智能化水平。高压强电磁场环境下的可靠通信技术采用不锈钢全封闭外壳电位技术应对强工频电磁场干扰、高湿和太阳紫外线辐射，对裸露在高电磁场环境的天线等部件采取防静电保护设计和工频干扰抑制设计，实现智能间隔棒在高压输电线路强电磁干扰环境下可靠通信。通过合理的布局与固定实现传感器电源模块、主控模块、感知模块、通信模块与一次设备的紧密集成固定方式：采用卡接、箍接、螺钉等方式固定，避免胶接连接处理：各模块之间采用多重防水的航空插头连接电气处理：各模块电路板由金属外壳封装，尽量内嵌于一次设备本体中，与一次本体紧密耦合形成等电势体，避免尖端突出创新点-无线传感器与一次设备集成封装工艺三、技术创新点及难点传感器与间隔棒集成设计原则计算各个频点的带宽功率值；计算带外干扰，选择满足带外阻塞条件的频点组成备选频点集；计算备选频点的有效带内功率；备选频点的带外阻塞折算；备选频点的峰值干扰处理；备选频点集内选择干扰最小的频点，并置有效标记位。对带内异系统干扰进行识别，并通过调度加以规避通过传感节点和基站之间的协商，对无线信道进行不间断评测，实时感知无线环境的时域和频域特性，自适应地调整通信频带、所占带宽、发射功率等重要指标，避免干扰，提升本系统抗干扰能力和频带利用效率。创新点-多跳组网、抗干扰通信设计三、技术创新点及难点三、技术创新点及难点难点输电线路在线监测需感知线路本身及环境多参量信息，这些信息一般来自多个信号源，多传感器的松散结合应用带来了信息冗余甚至矛盾。所以必须通过对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用，将其采集的信息依据某种优化准则组合，实现对线路状态信息的一致性解释和描述，因此迫切需要解决多传感器信息融合问题。1、多传感器信息融合问题三、技术创新点及难点难点输变电线路所处环境异常复杂，存在强电磁干扰，导致无线通信链路中断、通信质量极不稳定，研究电力系统复杂电磁环境下的微功率无线电通信的可靠性问题，针对不同应用场景，给出各种典型的基站布设标准和信号链路预算的估算方法，指导现场布设无线传感器网络。2、复杂电磁环境下可靠通信问题三、技术创新点及难点难点在线监测输电线路时，检测装置电源供给是关键问题。由于采集信号的各种传感器及信号发送单元均安装在架空线附近，不可能使用传统电源。而且电源在野外工作，不便于实时维护对可靠性也提出了很高要求。为保证智能间隔棒的供电，研究采用电流互感耦合取电结合超级电容的方式，给系统提供不间断电源。3、感应取电问题研究内容二一研究背景技术创新点和难点三现场应用案例四应用展望五智能间隔棒的主要技术参数如下：功能技术指标导线工作温度监测范围－55℃～＋150℃导线工作温度监测精度±1℃导线舞动监测范围±10m，0～5Hz导线舞动监测精度±10％导线对地距离监测范围5～100米（人眼安全）产品成果四、现场应用案例传感器安装效果图导线温度测量智能间隔棒组成航空插头连接取电模块四、现场应用案例智能间隔棒现场挂装四、现场应用案例基站设备采用单晶硅太阳能板和磷酸铁锂电池组合供电方式，太阳能板采用30W单晶硅太阳能板，蓄电池采用40AH磷酸铁锂电池。每个监测传输点位置分别安装2套供电太阳能板和电池组合。基站设备先与磷酸铁锂电池安装在不锈钢防水箱中，再安装到线路杆塔上。基站与电池安装于防水箱中太阳能板基站及其供电系统安装四、现场应用案例基站及其供电系统安装使用高强度不锈钢支架将防水箱和太阳能板安装到杆塔上。500kV线路杆塔上安装太阳能板及基站基站及其供电系统安装（续）四、现场应用案例线路杆塔上安装太阳能板及基站基站及其供电系统安装（续）四、现场应用案例

监控软件，包括导线温度、环境湿度、导线舞动监测、对地距离监测数据展示及系统告警等功能。监控软件四、现场应用案例监控信息展示四、现场应用案例导线水平方向原始加速度数据（蓝色为原始数据，红色为处理后数据）对加速度积分求速度（最小二乘法修正）对速度积分求位移（最小二乘法修正）导线垂直方向原始加速度数据（蓝色为原始数据，红色为处理后数据）对加速度积分求速度（最小二乘法修正）对速度积分求位移（最小二乘法修正）导线舞动监测四、现场应用案例最终计算得到的导线水平方