基于北斗定位和多傳感器融合技術的輸電線路動態增容系統研究

楊 晨， 汪 佳， 陳 陽， 李 雪， 蔡光柱

（國網信息通信產業集團北京國電通網絡技術有限公司， 北京 100070）

0 引言

隨著東部沿海地區用電需求的急劇增加和風能、光伏等可再生能源的規?；尤?，電網電源和負荷分布不均勻、電網網架結構不盡合理、線路負荷過載問題成為制約我國電力輸送容量的關鍵因素，新能源發電集中送出以及用電需求集中地區的特高壓電網輸送能力卡脖子問題不斷突出，因此提升特高壓輸電系統的傳輸調度能力成為亟待解決的重要課題。

考慮到用電負荷的波動不確定性和可再生能源的間歇性，輸電線路增容往往不需要全天候運行，通過新建輸電線路來提升電網傳輸能力，存在建設周期長、擠占耕地資源、投資回報長等缺點，因此國內外眾多學者提出采用輸電線路動態增容技術[1]提升電網傳輸能力。其中文獻1[2]針對線路增容可靠性問題，分別從數據采集技術、感知分析技術、系統應用架構和實際應用4 個方面，指出現有輸電線路動態增容技術的研究重點和存在的局限。文獻2[3]設計了一種基于物聯網的輸電線路動態增容監測系統構架，并在實際線路上進行了驗證。文獻3[4]則提出在應用層部署智能增容專家輔助分析決策，實現對輸電線路熱穩定輸送能力的智能、快速、有效控制，提升了動態增容技術的智能化和實用性。文獻4[5]針對數據采集精度和時效性，提出一種基于實時閉環校核的載流量及弧垂計算模型修正方法，在動態校核線路載流量和導線弧垂的基礎上，實現對實時和預測載流量限額的滾動修正。

基于以上研究及存在問題，本文提出一種基于北斗定位和多傳感器融合技術的的輸電線路動態增容系統。依托多傳感器融合技術的動態增容一體化設備可實時采集導線電流、溫度、弧垂等信息；利用毫米波雷達穿透力強、準確度高的特點，與北斗定位[6]進行融合，獲取導線弧垂絕對三維位置信息；邊緣物聯代理裝置則依據高精度微氣象裝置采集導線附近溫濕度、風速風向、光輻射等環境氣象數據；然后依據動態增容算法模型[7]，經過分析處理計算，得出輸電線路載流能力，線路增容信息在有信號區通過4G 模組，無信號區則采用北斗短報文傳輸到物聯網管理平臺，輸電線路動態增容平臺根據增容信息動態評估線路載流能力，調整線路的輸送載荷容量，在保證電網安全穩定的要求下，最大限度地提高電網輸送能力，整合可再生能源，有效解決輸電線路輸送能力卡脖子問題，具有很好的經濟應用前景。

1 系統總體設計

1.1 動態增容技術原理

輸電線路動態增容技術是指通過實時監測輸電線路微氣象環境、導線溫度、導線電流和導線弧垂等數據，在不突破現行技術規程和線路安全設計參數的前提下，確定線路當前的熱穩定限額和動穩定限額，根據輸電線路動態增容模型獲取線路最大允許載流量，提升特高壓輸電系統的傳輸效率和傳輸容量，具有極好的經濟效益和社會效益。輸電線路動態增容模型是以導線和外界環境之間的熱平衡方程為基礎建立，需要監測的參數包括環境溫度、風速風向、光輻射量、導線溫度、導線電流、導線弧垂等。輸電線路動態增容技術可以挖掘線路輸送電能的裕度，喚醒閑置的輸電網運行資源，使輸電線路利用更充分，全面提升輸電網使用效率。

1.2 總體架構

輸電線路動態增容系統主要由動態增容一體化設備、邊緣物聯代理裝置和輸電線路動態增容平臺三部分組成?；诒倍范ㄎ缓投鄠鞲衅魅诤霞夹g的輸電線路動態增容系統的總體數據流程圖如圖1 所示。

圖1 總體數據流程

1.3 動態增容一體化設備

動態增容一體化設備由融合北斗定位、毫米波雷達以及羅氏線圈技術的數據采集單元，CT 取電模組與太陽能模組和主控板三部分組成，能夠同時監測導線多種狀態參數的高集成度需求，并對參數進行關聯性分析，可實現導線狀態的一體化監測?？煽康碾娫聪到y是保證裝置穩定運行的必備條件，動態增容一體化設備采用太陽能取電和CT 感應取電配合低溫鋰電池構成雙保險穩定的電源系統，解決了無光、低負荷、空載線路上設備取電難題，新型的供電方式提高了系統靈活性和穩定性；為有效降低系統功耗，動態增容一體化設備裝置采用低功耗設計[8]，基于國產物聯網操作系統RT-Thread 開發，可以靈活設置各任務啟動、關閉和配置采樣周期，在非測量時間關閉各任務進程，進入低功耗休眠狀態。數據采集單元可實時采集導線溫度、導線電流、導線弧垂對地距離、三維坐標等數據；毫米波雷達具有穿透力強、準確度高的特點，尤其適合監測山區線路具有多個危險點的弧垂對地距離，與北斗定位進行融合，還可以獲取導線弧垂絕對三維位置信息，便于實時監測線路動態增容時導線弧垂位置的動態變化；主控板負責導線工況、毫米波雷達、北斗定位數據的匯聚處理，檢測數據經過Lora 模組傳輸至邊緣物聯代理裝置，為輸電線路動態增容提供決策依據。如圖2、圖3 所示。

圖2 動態增容一體化設備電氣流程

圖3 產品實體照片

1.4 邊緣物聯代理裝置

邊緣物聯代理裝置[9]整體設計基于輕量化邊緣計算框架，采用國產瑞芯微主控芯片，其內置2.0Tops算力加速器，滿足輸電線路動態增容算法對算力的需求。邊緣物聯代理裝置可實時接收微氣象模組采集的環境溫濕度、等效風速、光輻射等監測信息；在接收到動態增容一體化設備后，依據輸電線路動態增容算法模型，經過數據分析處理計算，得出輸電線路載流能力，對分析后的數據進行加密處理，然后將計算出的動態增容信息依據MQTT 物聯網協議通過4G 模組傳輸到電力公司物聯網管理平臺；針對無信號區數據通信，開發可插拔的北斗通信終端，根據不同場景選擇配置4G 模組或北斗通信終端，可以將動態增容信息封裝為北斗短報文數據報，通過北斗衛星通信技術，實現無信號區線路狀態可靠監測。邊緣物聯代理裝置采用定期主動上報線路狀態模式，具有通信傳輸雙向確認和重傳功能，確保數據傳輸的可靠性，設備實時在線，線路狀態可隨時掌控。裝置掛線使用后可自主運行，采用安全免維護設計，必要時可通過遠程無線維護運行參數，更新故障判據或升級軟件程序，方便靈活。如圖4 所示。

圖4 邊緣物聯代理裝置電氣流程

2 動態增容系統平臺

輸電線路動態增容系統平臺[10]接收邊緣物聯代理裝置傳來的線路動態增容信息，進行架空線路動態增容數據結果的展示，主要包括架空線路的線路載流量分析、動態負荷監控、動態載流量上限預警、線路溫度預測、動態載流量預測、效益分析等功能模塊。在不突破現有線路安全規程的基礎上，軟件具備線路輸送能力實時計算模型、線路弧垂實時計算模型，具備實時采集線路在線監測數據、實時核算線路輸送能力與運行安全性評估能力；具備日前輸送能力預測等功能。在統一架構下，以架空線路動態限額計算與實時評估軟件為基礎，部署動態增容分析模塊，模塊與調度系統聯通，計算結果實時推送至省公司調度監控平臺。

2.1 動態增容平臺系統組成

輸電線路動態增容系統包含總覽、增容分析、安全分析、告警管理、監測數據、增容數據、參數管理等模塊，該系統依據實時數據進行線路高溫預警、弧垂對地距離預警，并評估線路安全運行載流量和安全運行時間，為解決輸電通道負荷阻塞問題，實現輸電線路運行負荷的精細化、智能化管理提供動態、量化的技術支持。具體見圖5。

2.2 增容分析

根據用戶需求，實時展示某線路增容監測點的各參數監測數據，系統具備即時數據回傳請求功能，可實現實時的線路增容信息采集功能，直觀的顯示線路的負荷、溫度、環境信息、導線弧垂和實時載流量等，建立輸電線路數據庫，為輸電線路的運行維護、輸送負荷調整、電網調度等工作提供數據支持，最終達到提高輸電線路輸送能力的目的。如圖6 所示。

圖6 輸電線路動態增容系統增容分析

2.3 安全分析

設置導線溫度限額和安全時間，計算在當前氣象條件下，在設置的安全時間內，導線溫度不會超過限額的安全電流限額。具體見圖7。

圖7 輸電線路動態增容系統安全分析

2.4 告警管理

根據動態增容模型計算導線最大負荷狀況，可預測線路導線溫度變化及弧垂變化，當導線弧垂、導線溫度、氣象數據、導線負荷超過設定閾值時，記錄線路姿態并上傳至服務平臺運檢人員根據告警信息，對線路輸送負荷進行調整，指導調度部門合理調配線路輸送容量，有序開展輸電線路動態增容。具體如圖8 所示。

圖8 輸電線路動態增容系統告警管理

2.5 監測數據

動態增容系統平臺收集導線溫度、導線電流、氣象信息、導線弧垂及線路運行數據，最大程度減小環境變化引起的誤差，精準地模擬出導線實時的運動姿態，為輸電線路動態增容提供數據支持。見圖9。

圖9 輸電線路動態增容系統監測數據

3 現場測試

2021 年5 月至今，輸電線路動態增容系統在容徐線進行實際現場掛載測試。實施動態增容改造后，在調度主站可自動實現動態增容斷面穩定限額滾動更新，輸送容量可從2 185 MW 提升到穩定限額2 629 MW，成功滿足沿線各區的供電需求，為大量外貿、化工企業的復工復產提供了堅強的電力保障，容徐線動態增容改造工程的實施，可以有效提升線路輸送能力，特別是在迎峰度夏期間，對緩解電力供應緊張有著十分重大的意義。

4 結論

針對輸電線路動態增容存在的導線弧垂采集精度不足，無信號區無法傳輸、數據展示無法滿足需求等諸多問題，本文提出一種基于北斗定位和多傳感器融合技術的的輸電線路動態增容系統。依托多傳感器融合技術的動態增容一體化設備，可實時采集導線電流、溫度、弧垂等信息；北斗定位技術融合毫米波雷達，獲取導線弧垂對地距離和三維位置信息，可實時監測線路增容時導線弧垂位置的動態變化；針對無信號區數據通信，開發可插拔的北斗通信終端，根據不同場景選擇配置4G 模組或北斗通信終端，可以將動態增容信息封裝為北斗短報文數據報，通過北斗衛星通信技術，實現無信號區線路狀態可靠監測。輸電線路動態增容平臺根據增容信息動態評估線路載流能力，調整線路的輸送載荷容量，整合可再生能源，有效提高輸電線路輸送能力。輸電線路動態增容系統在容徐線進行實際現場掛載測試，線路輸送容量提升了20.32%，特別是在迎峰度夏期間，可以有效提升線路輸送能力。