输电线路多参数可视化监测系统设计

黄金柱

（国网宁夏电力有限公司固原供电公司 宁夏回族自治区固原市 756000）

由于当前我国的电力系统发展迅速，为了满足当前国家对智能电网的需求，电网企业要加强对输电线路工作环境以及运行状态的实时监测，从而可以保障电路运输线路的安全状态，满足工业及人们生活所需要的用电量，稳定电力行业的稳定发展。在我国北方地区，冬季季节气候较为严寒，这就使得暴露上室外的输电线路表面会出现挂霜、结冰的现象，造成电杆、铁塔受到破坏引起倒塌，从而影响输电线路的安全性与稳定性[1]。传统的方法主要利用传感器进行数据图像采集，以判断被冰覆盖的线路状况，但导线中的跳线会降低采集图像的质量，降低识别精度。布里渊时域反射策略系统可以用来监测输电线路冰，其所使用的传感器是光线传感器，因此在监测过程中需要较长的时间将图像与数据进行传输分析，所利用的张力与倾斜传感器所监测得到的图像及数据由于电缆线路奔腾现象而导致所得到的测量数据不准确。电力线的下水控制所采用的方法为接触式与非接触式两种，并将这两种方法与传感器进行结合，但此种方法未能考虑到其他因素对电力线所产生的影响[2]。

输电线路所传导出的电流其间距是由光幕传感器进行控制，在不考虑大雾等特殊天气条件下，其间距的策略高度不足，因此，会在很大程度上对传感器所测量的结果产生影响。

全球定位系统（Global Positioning System，GPS）利用空间位置测量舞动方法，由于所接收到的卫星信号状态不佳，导致出现严重的策略误差，因此，提出了输电线路多参数可视化监测系统设计。该方法利用输电线路输出状态，模拟出当时的全景模式，对电力线路的实际运行过程具有一定的参考价值[3-4]。因此，很难在复杂的环境下对输电线路进行精准监控力。

在输电线路监测过程中，为了保障其所监测的数据精准程度，要尽量减少监测过程中的故障诊断情况发生，因此，设计出了监测系统内置高速记录模块，该模块可以在2m/s的速度上进行对高速电流进行实时记录，并将所记录的数据发送到10个周期的记录波当中[5-6]。针对输电线路结冰以及条线的检测需求，利用传感器、集成器、通讯器、控制系统以及互联网技术等均应用其中，在输电线路导线的综合状态下，形成输电线路可视化物联网监测系统（theinternetofthings，IoT），同时利用全球卫星定位系统（GPS）对所监测到的信号进行参数排列，并严格按照所监测到得到时间进行对齐，并为了实现所有的输电线路传输过程的参数及故障诊断奠定了基础[7]。利用物联网的监控系统，可以进行多参数对输电线路进行全面监测，使其运行过程及运行状态得到全面了解，同时，随输电线路运行过程中出现的故障可以实时进行判断。实验结果表明，该系统在输电线路的实际应用中，具有较高的研究与使用价值。

基于物联网的多个可视性监测系统构建组成包括：数据传输基站、中继服务器、线球、智能支柱、综合状态监测设备、数据服务器以及物联网等。在这些系统中，包括：激光测距仪GPS定位系统模块，电流传感器，内置电源，温湿度传感器等。一体化线材监测球则主要是利用温/湿度、电流等参数组成，一体化桅杆监测装置采集桅杆最轻微变形等参数，输电线路的数据基站是利用4G的通信方法，将数据传输的继电服务器当中，利用电路传输方法将其传输到物联网平台，利用平台将所得数据进行分析检测，同时进行实时监控[8]。

1.1 自感应取电模块

因为在输电线路监测系统中，其内置所安装的导体监测球本身球体较小，很难获得持续稳定的输电电力。测试结果表明，输电线路上的静电所吸附使用的光伏板发电较为困难。根据监控终端的耗电量，通过互感获得电源，电源来自高压线。利用互感原理从高压电力线发电。

（1）自感取力器从高压输电线中感应出电能；

（2）输电线路中所使用的自感线圈，在接收感应电流上，整个电流的整流滤波除高频电波外，还要添加绝缘体来保护输电线路，从而可以防止强电流冲击下所造成的短路现象；

（3）输电线路电压的稳定使用，可以有效保障电流输出情况，从而使得电流的应用更加安全稳性。

1.2 高速录波模块

在建立高素波模块式，其采用了16位模数进行数据参数转换，高素波模块中的芯片在对输电电流进行测试，其最高速度可到达到2000000次/s的采样。该数据采样特点为数率高、噪声低以及能耗低，在高速绿波模块的建立过程中，主要利用了AD芯片来控制单元所运行的状态，改设备为turbo，在主要控制单元下来实现2MSPS的采样效率。高速滤波模块主要是为了将输电线路运行过程及在输电线路运行过程中产生的故障进行即时排除与修整，从而可以提供出较高精准率的电路运输监测数据。

1.3 温/湿度模块

热湿度传感器被用来监测电力线介质中的温和湿度。当周围环境温度-1-5℃，湿度85%以上，容易引起电线结冰。通过使用热湿度传感器控制的数据，我们可以确定是否有电线结冰的风险。

1.4 测高模块

通过测量两种尺寸的高度，传输线由GPS模块和激光距离模块控制。由于GPS模块支持GPS定位系统、北斗七星和许多其他定位方法，它可以大大提高GPS定位模块的精度，使其在恶劣条件下得使用也非常可靠。通过改变传输线路的高度，就可以判断出输电线路是否产生异常情况。

1.5 通信模块

当代的通信系统最为主要的应用也是最为便捷的为蓝牙软件，其作为当代应用较为广泛的通信方法，利用其进行数据传输较为便捷，蓝牙的数据传输方法具有距离短、功耗低等特点。在信息通信过程中，选用蓝牙通讯方法，进行信号传输中，可以在200m范围进行数据交换，蓝牙软件的数据传输频率在2.4GHz。通过对蓝牙主控但愿设备进行数据传输速率分析，得到的传输数据速率为256Kbps。由此可知，在使用蓝牙设备过程中，其最大的数据传输公路为4dBm，所监测到的发射模块平均功耗为60mW。

高压输电线路主要由全面监测输电线路状态的球进行控制，可以有效控制高压线路在运行过程中出现间歇性情况，通过对输电线路电流进行实时监控记录，保持环境的温度/湿度的正常状态，如图1所示。

图1：导线综合状态监测球内部结构示意图

2.1 供电系统

导线综合状态监测球的供电系统分为两部分：

第一部分，自感取力器用于产生电能，用于为内置球控线供电。当内置的线路控制球电路消耗功率小于感应线圈的功率时，则会产生多余的电量，该电量会存储在内置的线圈控制球的锂电池当中。第二部分，当拉线圈内部的电路能耗大于感应器的电路接收器电量时，则不能保障拉线控制球的整场运行工作。

2.2 电流传感器

该电流传感器主要采用罗氏线圈方法对输电线路中的电流进行测量，利用法拉第电磁感应定律和安培环路定律测量电流，得到的电能满足：

式（1）中：

U——罗氏线圈输出电压；

M——互感系数；

I——为电流；

T——为时间。

根据式（1）中所的可以看出，所得到的电流信号数值结果将其运用到时间的导数当中，因此，就要对输电线路进行时间测量，通过所需要的时间内，将输电电流的信号进行分析与开发，并将所分析的信号进行转化同时将所转化后的电流信号进行发送。

2.3 对地测高

高压电缆在风中移动，引导气球导线进行全面监测。根据导游的情况，你可以控制气球到地面的高度，以及跳线的状态。考虑到天气等因素，激光定位和GPS模块包括在对电线的全面监测范围内。在正常天气条件下，位置模块的激光精度更高，精确到离地面一厘米。本次所设计出的GPS系统监测模块，可以有效避免因天气因素所造成的低昂为点误差，从而可以大大提高GPS定位系统的精准性。

2.4 通信系统

在考虑到输电线路在传输电流过程中，外界会对其产生一定的干扰，因此，在设计监测系统时，输电线路状态球要具有静电屏障的功能，留下一个小孔，用于设置天线，而其他部位要进行全封闭，从而确保电流数据传输的稳定性。

3.1 硬件系统及其工作原理

波浪记录设备是对电源线球的综合监测中最重要的部分。有缺陷波收集系统(STM32)、rosch线圈、过滤电路、AD电路、数字安全模块、SD)、随机随机存取器(SRAM)。主导IC在意大利半导体中使用高性能stm32f407zg6ic, ADI抽样IC在ADI中使用ad4001。北斗七星定位模块使用midae ATGM332D-5R31芯片，同时支持GPS和北斗七星的双位置定位。

atgm33d -5R31深芯片接收PPS信号，STM32主控制芯片接收PPS信号，同时调制出输出脉冲宽度(PWM)的波。row线圈诱导通过可转换电路的集成滤波器接收到的高压电线的电信号。在处理和过滤电流信号后，ADC抽样电路中的动态流被处理。一旦确定了抽样显示值，实时信号识别算法就会实时计算，接收到损坏波的数据，并计算实际值，保障传输过程的安全稳定。

图2：有效值计算示意图

3.2 故障电流识别

为了识别短路波形，差分电流分类算法可用于有效识别短路电流。与其他方法不同，这种检测电流故障的方法简单实用，适用于小功率内置产品。实验测量的电流 I 可以表示为：

式（2）中：B 为电流的幅值；
ω 为角频率；
φ 为初相位。

设备AD采样率为2ms/s，AD采样获取的数据点以100K/S显示，相当于对采样数据进行平均滤波。设前一个AD采样电流瞬时值I1为：

式（3）中：I1为 t1时刻对应的电流瞬时值。

后一AD 采样电流瞬时值 I2为：

式（4）中：I2为 t2时刻对应的电流采样瞬时值。

根据国家高压输电线路工频交流电的频率f=50Hz，则有：

前后两个 AD 采样电流瞬时值作差归一化处理为：

当ΔI大于某一阈值ε时，则认为电流波形发生了故障。

3.3 有效值计算

有效值可作为判断输电线路电流是否故障的依据之一。与故障电流识别的电流采样方法类似。

如图1所示，计算公式为：

式（7）中：n 为第 n 个采样点；
f[n]表示第 n 个采样点的电流瞬时值。

计算出第一个有效值后，用矩形窗移动采样间隔，得到位置②处的1000个AD离散电流瞬时值，用公式（7）计算有效值。以此类推，可以实时得到离散电流的有效值。

3.4 软件设计

（1）要对初始化的信号故障硬件程序进行设置，利用GPS系统所发出的脉冲PPS脉冲信号对MCU所输出的电流信号进行对比，并保持信号的均衡性。

（2）利用AD波形所记录的电流信号进行采用分析，评估所采集到的信号，其所得出的有效数值，利用GPS模块中的定位功能，识别出电流限号所产生的故障以及有效值的时间戳。

（3）将接收到的数据保存到 SD 卡中。

设计用于监测电力线和物理控制的多参数系统的关键是确保离散信号的同步。

因此，需要保证北斗芯片发射的第二个脉冲的严格对准，要对其脉冲的同步性进行检查，从而可以看出其可操作性较强，在对电流运行进行测试时，搭建输电线路的监测场地，同时要连接一套实用性较强的网络监测设备。

4.1 北斗模块秒脉冲同步性实验

在对输电线路将的电流进行检测的过程中，测试平台会采用两块故障检测板和一根3m长的陶瓷天线进行设置，所设计出的电流测试平台，可以接受北斗卫星信号，其所输出的脉冲为同步秒脉冲信号。该输电线路所输出的电流在经过北斗模块ATGM332D-5R31中，其利用北斗芯片，对输出电流进行接受，并在DSO-X3034A示波器中得到现实，分析所接收到的信号。电流输出引脚对于电流接收的单片机所产生的电流信号采集要保持严格的同步性，要使所控制的输电线路在各个电流导体上能够进行同步信号采集。

4.2 高速录波波形采集实验

实验室搭建了测试平台，测试故障记录仪的高速记录能力。所使用的信号发生器为 Tektro-nixAFG3022C ，在使用信号发生器时，其输出的信号幅度为50mV，其所产生的标准信号所输出的正弦电流幅度电流信号的频率为50Hz。从而可以证明，该故障记录仪的检测结果可能性较为精准，如图3所示。

图3：AD采集信号波形图

4.3 故障录波波形重现

故障记录仪的应用是为了记录输电线路产生的故障以及输电过程算法的正确性。取归一化差别电流的算法对两次的输电量进行阈值计算，该算法为ε=2.19×10-9A。在计算过程中，所使用的信号发生器所改变的信号幅值来模拟出故障信号的变化情况，在标准值发出的正弦限号下，瞬间产生的变化为12.5mV 。

通过上述故障记录识别算法，可以有效的对输电线路信号波产生的故障进行识别。在实际应用过程中，可以有效控制输电线路所出现的故障。

4.4 多参数物联监测系统

在输电线路的两端，安装了多个输电线路多参数可视化监测系统，利用物联网智能系统进行完成实时监测。在每套监测设备当中，都包含了3对集成导体状态的监测球，数据库和自感取力环。实验表明，输电线路监测过程中，多参数可视化监测系统的应用，提高输电线路监测的精准性，对输电线路多参数监控过程具有重要意义，如图4所示。

图4：多参物联监测系统参数曲线

综上所述，输电线路的多参数可视化监控系统升级，是利用物联网的监测系统进行控制与监测，对电流、舞动、输电温湿度等进行监测线。因此得出以下结论。

（1）球内物联网内置监测控制系统模块，可以全面对输电线路的运行状态进行监测，并对所监测的数据进行采集，这样可以全面了解输电线路的运行状态，内置监测系统设置了GPS芯片和PPS数据输出软件，并将所输出的电流脉冲进行严格定时，这样可以进行高速记录。同时，由于各个点所采集的电流脉冲输出均吻合，也保障了各个采集数据不同设备的电流脉冲输出的一致性，为多段数据采集的多变量分析奠定的监事基础。

（2）在此次输电线路监测系统中，加入了物联网技术，因此在对电流进行测量时，其高速记录结果精准，稳定性较强，可以精准的对输电线路障碍作出反应，因此，其实用性较强。