项目名称：基于地线电磁信号的输电线路多状态参量一体化在线监测系统
- 清华大学
- 北京市海淀区清华园
- 100084
- 杜君亭
- 13681118582
| 姓名 |
张 波 |
电话 |
|
电子邮件 |
shizbcn@tsinghua.edu.cn |
| 区号 |
|
邮编 |
|
通信地址 |
北京市海淀区清华大学高压馆302室 |
崔哲睿 张哲程 胡 军 何金良 再木然·乌斯曼 庄池杰 曾 嵘 余占清
| 专利类型 |
|
专利状态 |
|
| 申请号 |
授权日期 |
授权专利号 |
| 202111511460.7 |
2022-09-16 |
ZL202111511460.7 |
| 201910479461.4 |
2020-10-09 |
ZL 2019 1 0479461.4 |
| 201810732822.7 |
2020-11-24 |
ZL 2018 1 0732822.7 |
| 201810575566.5 |
2019-08-23 |
ZL 2018 1 0575566.5 |
| 201810575590.9 |
2020-06-02 |
ZL 2018 1 0575590.9 |
| 201611019659.7 |
2019-12-31 |
ZL 2016 1 1019659.7 |
| 201611022569.3 |
2019-03-19 |
ZL 2016 1 1022569.3 |
| 201710384016.0 |
2019-10-01 |
ZL 2017 1 0384016.0 |
| 201711208012.3 |
2019-08-16 |
ZL 2017 1 1208012.3 |
| 201810191564.6 |
2020-02-18 |
ZL 2018 1 0191564.6 |
我国110kV及以上架空线路超过7万回，长度超过135万公里。由于覆盖范围广、沿途地形复杂、极端天气频发，线路故障是电网故障的主要原因。随着服役时间不断增加，线路老化问题突出，故障更难以避免。为此输电线路必须定期巡线运维。但由于线路大都位于荒郊野岭，运维及其不便，极端天气下更加困难，输电线路运维成为电网最繁重的工作。尽管无人机已大规模用于线路定期巡视工作，但大量影响线路状态、引发线路事故的因素具有时间短、随机性大的特点，且极端天气中无人机无法工作，因此必须发展输电线路的在线实时监测技术。
目前输电线路的在线监测技术存在诸多问题，主要包括：1）输电线路需要监测的参量具有量大面广的特点，例如需要监测导线的位置、导线的运动状态、导线的温度、线路电压电流、线路各位置处的微气象信息等，现有传感器大多针对单一参量，导致线路上安装的传感器多、杂、散，变相增加了运维工作量，并且不利于数据的融合。2）导线状态的监测大量基于周边其他参数的间接测量，这些参数与导线状态的关系复杂且滞后，只能用于粗略预测，缺乏可靠的输电线路导线位置和运动状态的实时在线监测方案。3）大量传感器安装在高压导线上，工作环境差、可靠性低，装置故障可能影响线路运行，安装和维修不得不采取停电或者带电作业方式，费事费力，运维部门难以承受。
针对上述问题，本发明提出了能够同时监测多个参量，既能满足输电线路导线位置和运动状态监测、又能满足故障监测，且不用安装在高压导线上的基于地线电磁信号的输电线路一体化在线监测技术，并对装置进行了设计开发。地线不仅是线路防雷的重要部件，其与导线之间强烈的电磁耦合使其也可以作为监测输电线路状态和故障的天然传感器。较其他监测装置，地线作为传感器具有如下优势：1）同时作为集多种传感功能为一体的综合传感器。不仅能通过感应导线对其电磁耦合的变化来监测导线电流、导线位置和运动信息，实现线路状态关键参数的在线监测。还能够通过感应导线对其电磁耦合的瞬态变化实现线路雷击和故障特征的监测。2）作为线路状态传感器监测范围远大于目前的光学和力学传感器。由于地线很长，电磁感应范围很大，地线作为传感器可以监测很长区间的线路情况。3）不仅可以作为传感器，还可以为自身供电。导地线之间的工频电磁耦合形成了电能损失，但同时也是能量巨大的电源。4）作为传感器缺远离高压导线，可靠性高，装置安装和维护方便，即使损坏也不影响线路的运行。
本发明巧妙利用地线的电磁耦合，使用地线同时作为多种传感器，提出了基于地线电磁信号的输电线路一体化全景在线监测方法，开发了监测装置及配套的分析软件系统，主要发明创新点如下：
1） 基于地线电磁信号的导线舞动幅值和频率反推以及舞动点定位方法：舞动时导线在竖直方向的位置会发生周期性变化，造成导地线间的互感周期性变化，地线上的感应信号会在工频上耦合一个额外的低频分量。低频分量的频率和幅值随导线舞动的频率和幅值而改变，基于此原理本发明实现了导线舞动幅值和频率的反推以及舞动点的定位。
2） 基于地线电磁信号的导线覆冰厚度监测方法：覆冰时导线会因冰的重力产生弧垂变化，造成导地线间的互感变化，地线的感应电压和电流也会随之变化。本发明通过计算得到覆冰厚度变化量与地线电磁信号变化近似呈线性关系，基于此原理实现了导线覆冰厚度的反推。
3） 基于地线电磁信号的导线风偏监测方法：当线路发生风偏时，本发明计算得到风偏引发的导线在水平位置上的偏移量与地线电磁信号变化近似呈线性关系。基于此原理本发明实现了导线风偏水平偏移的反推。
4） 基于地线电磁信号的输电线路短路故障识别与定位方法；不同原因导致线路短路故障时，导线中的故障电流波头处的暂态波形差异明显，此差异会通过互感耦合到地线电磁信号上。同时部分导致短路的原因只会在特定天气情况下出现。配合气象信息，本发明基于地线电磁信号实现了输电线路短路故障识别与定位。
5） 基于地线电磁信号的输电线路雷击监测方法：雷电直击杆塔或避雷线，冲击电流沿地线传播；雷电绕击导线，冲击电流通过互感耦合到地线上。不同雷击情况下地线电磁信号差异明显，基于此本发明实现了线路雷击情况识别与定位。
6） 基于地线电磁感应的取能方法：面向不同地线运行方式下的不同取能方案，本发明提出了面向多档距取能的取能功率计算方法。取能功率影响因素众多，如档距、杆塔接地电阻等，不同因素对取能功率影响规律不同，本发明综合考虑这些因素，提出了取能位置选择方法以保证获得最大的取能功率。
7） 开发了基于地线电磁信号的输电线路状态监测与取能一体化设备，针对地线电磁信号特点，设计了专门的电路保护模块、在线取能模块与电源管理模块，测试装置满足线路在线监测的行业标准。
8） 开发了基于局域MESH组网的分布式监测装置通讯系统、基于边缘计算的监测数据预处理系统以及监测数据的云存储与实时可视化系统，在软件层面推进输电线路的全面数字化与可视化。
本发明瞄准国民经济主战场中的卡脖子问题，服务于科技创新自立自强，具有广阔的产业化前景和市场应用效益。输电电路长度长、覆盖范围广，目前我国110kV及以上架空线路总计超过7万回，长度超过135万公里，对在线监测装置的需求量巨大。高效、智能的输电线路在线监测装置可以有效减轻输电线路运维工作的压力、大幅减少线路运维的成本，并且是电网安全稳定运行的重要保障。快速、准确的线路故障识别与定位方案可以显著降低线路故障的损失，尽可能减小线路故障对社会用电的影响。本发明面向上述国家需求，提出了基于地线电磁信号的输电线路状态一体化监测方法，对硬件装置和软件系统进行了设计开发，并申请了多项专利，具有良好的落地应用前提条件。相较其他在线监测方案，本发明方案具有突出的先进性：1）地线可以同时作为集多种传感功能为一体的综合传感器。2）地线作为线路状态传感器监测范围远大于目前的光学和力学传感器。3）地线不仅可以作为传感器，还可以为自身供电。4）地线作为传感器缺远离高压导线，可靠性高，相关装置安装和维护方便，即使损坏也不影响线路的安全运行。
本发明团队已经就基于地线电磁信号的输电线路状态一体化监测系统同陕西电力科学研究院、湖北电力科学研究院等单位展开合作，并已初步安装使用，得到了专家的高度肯定。
本发明不仅在国内市场上具有广阔的应用空间，在国际市场上同样应用前景明朗：部分欧美发达国家如加拿大、美国等所处纬度较高，覆冰严重影响其线路的正常运行，并且发达国家的线路投运时间更长、老化问题更突出、停电代价更大，因此同样重视输电线路的运维与在线监测工作。本发明团队已经与英国电网公司开展技术交流，明确了欧美发达国家对此项技术的迫切需求。
此外，本发明未来的技术延展空间广阔。例如在双碳目标下，动态增容是解决负荷集中地区及新能源发电集中地区的电力输送问题的重要手段，但在动态增容的过程中需要对导线的弧垂等信息进行实时在线监测。本发明基于地线电磁感应，可直接快速反推导线弧垂变化情况，有效服务于输电线路的动态增容工作。
