0 引言

在特殊地形、微气象条件下，输电线路往往会发生覆冰现象，覆冰引起的输电线路舞动、绝缘子闪络、导地线断线、杆塔倾斜倒塌等事故严重影响电网的安全运行^[1-6]。传统的线路覆冰检测方法主要有人工巡视检测、观冰站等，这些方法存在人工巡视劳动强度大、时间长，检测结果准确度不高等问题。近年来，为降低电网覆冰事故造成的损失，国内许多专家开展了输电线路覆冰在线监测系统的研究工作，但研究成果或存在供电不稳定、可靠性低，或存在施工复杂、安全风险高等问题^[7-12]。

本文开发了1种新型输电线路覆冰在线监测系统，可实现对输电线路覆冰的在线监测，能够在重大覆冰前期给出预警信息，帮助线路运维人员及时采取措施消除覆冰隐患，提高输电线路及电网的安全运行水平。

1 新型覆冰在线监测系统简介

新型覆冰在线监测系统采用3级网络架构，即覆冰在线监测装置（终端）、传输网络及主站系统。覆冰在线监测系统结构示意图如图 1所示。

1.1 覆冰在线监测装置

覆冰在线监测装置由高电位在线监测装置（安装于导线）、低电位在线监测装置（安装于地线支架）以及自动气象站（安装于铁塔第1平台）3个部分组成。装置可实时采集环境温湿度、风速风向、雨量等微气象数据，导线应力、温度等线路运行数据，以及导线、线路走廊的图像数据等。

1.2 传输网络

传输网络采用GPRS及先进通信技术，将现场采集数据及图像信息传输至主站系统，具备定时、实时（召回）采集2种工作方式。

1.3 主站系统

主站系统对采集到的监测数据及图像进行处理分析，主站专家系统基于覆冰图像处理结果及等值覆冰厚度计算结果，对线路覆冰情况给出监测预警。当覆冰厚度超过设置的阈值后，自动通过手机及Web向用户发送覆冰状态预警信息。

2 在线监测装置的构成与功能 2.1 高电位在线监测装置

高电位在线监测装置直接安装于输电线路导线上，采集导线表面应力、温度及导线图像等数据，并传输至主站系统。基于导线应力监测覆冰厚度，避免了拉力法需要解开绝缘子串的安全隐患，且施工简单。利用电磁感应以及锂电池联合供电，供电可靠性高；镜头采用接触式加热技术，基于感应能量加热防冻，保障镜头在覆冰期间的正常工作；附加红外闪光和IR_CUT功能，可实现夜视功能。高电位在线监测装置结构（如图 2所示）包括覆冰主控模块、电源板以及摄像头等，实物图如图 3所示。

2.1.1 覆冰图像识别原理

主站专家系统通过对采集的覆冰图像进行识别，可以对覆冰进行定性预警；基于导线应力可以计算得到等值覆冰厚度，对覆冰进行定量预警^[13]。覆冰图像识别原理：

（1）当没有覆冰时，前1个时间节点和后1个时间节点采集到的导线覆冰图像不会发生变化，相应的各像素点也不会发生改变，前后两幅视频图像的对应像素之差为零；

（2）一旦发生覆冰，覆冰所在的局部区域就会产生变化，此时前后两幅图像的对应像素之差就不会为零，对相减得到的变化区域进行识别运算，即可得知存在覆冰并进行预警。

2.1.2 等值覆冰厚度计算原理

基于导线应力的等值覆冰厚度计算原理如下：

（1）导线在不同的覆冰厚度下的水平应力不同，随着覆冰厚度的增加应力随之增加^[14]；

（2）已知某个状态下的导线比载，利用导线状态方程就可以求得在此条件下任何覆冰厚度的导线最低点的应力；

（3）根据采集到的架空导线应力值，即可实时输出导线等值覆冰厚度值，并进行覆冰预警。

2.1.3 高电位在线监测装置主要技术参数

（1）高电位电磁感应取能装置核心部件为电流互感器模块，可将输电导线周围的电磁能量转换为电能，取能电源模块对其进行整流滤波处理并实现隔离稳压输出。

（2）电源板可对感应取电进行整流滤波，对电池进行充放电控制，是整个设备的供电源头；设备采用感应取电和电池供电2种方式。电池为1.5 Ah铁锂低温锂电池，尺寸50 mm×64 mm×16 mm。

（3）覆冰主板采用STM32单片机作为主控芯片，控制红外模块、拍照模块等，可采集外围的传感器数据，如温度、应力等。

（4）单片机外围电路有硬件看门狗电路、实时时钟电路、DTU控制电路、摄像头接口电路等。

（5）摄像头采用E电猿科技产品，内置OV5640模组，500万像素，SPI接口。

（6）DTU模块采用4G模块，采用RS232接口，全网通。

（7）加热膜外径30 mm，中间孔直径10 mm，贴于镜头内表面，镜头外表面贴PVC不透明薄膜，留出镜头孔位。

（8）加热膜温度测量及导线温度测量选用三线DS18B20数字温度传感器，温度范围-55~125 ℃。

（9）红外灯采用3 W红外灯珠，波长850 nm。

（10）IRCUT功能由滤光片切换器来实现。

（11）导线的应变测量采用差动变压器式位移传感器，量程0~5 mm，线性误差小于0.25%，输出为RS485接口。

2.2 低电位在线监测装置

低电位在线监测装置安装在输电杆塔地线支架上，采用太阳能电池板和蓄电池联合供电，可定时或手动控制采集导、地线以及线路走廊的图像，并将采集到的图像进行压缩处理，通过GSM/GPRS通讯方式将数据传往主站系统。低电位在线监测装置各组成部分如图 4所示，实物图如图 5所示。

低电位在线监测装置主要技术参数：

（1）摄像头采用E电猿科技产品，内置OV5640模组，500万像素，SPI接口。

（2）主板采用STM32单片机作为主控芯片，控制红外模块、拍照模块等，单片机外围电路有硬件看门狗电路、实时时钟电路、DTU控制电路、摄像头接口电路等。

（3）供电模块为太阳能电池板和锂电池联合供电方式。

（4）无线通信模块DTU采用4G模块，RS232接口，全网通。

2.3 自动气象站

自动气象站即微气象在线监测装置，采用太阳能电池板和蓄电池联合供电，通过实时采集运行线路所处环境温度、湿度、风速、风向、雨量等参数，并将这些参数进行压缩处理后，通过GSM/GPRS等通信方式将数据传至主站系统，由主站系统对数据进行综合分析^[15]。在输电杆塔第1平台处安装微气象在线监测装置（构成示意图如图 6所示），包括中心主机、供电模块、通信模块以及环境温度、湿度、风速、风向、雨量等传感器。

3 现场应用情况

近年来，内蒙古电网大青山地区架空输电线路多次发生严重覆冰灾害，引发地线窜移、地线支架变形、导地线短路故障，对电网安全稳定运行造成严重影响。为验证本文研发的覆冰在线监测系统的功能及效果，2017年以大青山地区500 kV输电线路为试点，共计安装了10套覆冰在线监测装置。

3.1 系统安装调试及试运行

覆冰在线监测装置现场安装效果如图 7所示。

覆冰在线监测装置经安装、调试完成后，装置（终端）采集的导线覆冰图像、导线应力等特征参数及微气象数据均可利用GPRS传输至主站系统PC端及手机端的主站系统，如图 8所示。

3.2 覆冰监测预警实例

覆冰在线监测装置自安装后运行状态良好，2017年末至2018年初覆冰期间，对所监测区域输电线路覆冰共预警7次，其中2017-10-10，预警武察I线89号、113号、115号塔覆冰较为严重（最大等值覆冰厚度值约为8 mm），覆冰预警信息及现场采集的导线覆冰图像如图 9、图 10所示。

4 结束语

针对现有覆冰监测技术存在的不足，研发了新型的输电线路覆冰监测装置。现场实际使用效果表明，新装置可成功实现对环境微气象数据、导线特征数据及线路走廊等图像数据进行采集，可在严重覆冰前期发出预警信息。系统投入运行后，可帮助积累内蒙古地区覆冰与微气象在线监测数据，建立覆冰与微气象数据库，为进一步研究覆冰机理与覆冰预测模型奠定基础。