基于LabVIEW软件的输电线路覆冰舞动灾害在线监测系统
摘 要： 输电线路覆冰舞动灾害是目前我国电网运行中面临的主要灾害之一，严重情况下会导致电网设施毁坏，产生巨大经济损失。针对这一问题，研制了一种利用LabVIEW软件及无线通信技术输电线路覆冰舞动灾害在线监测系统，该系统在硬件上采用工控机、PC工作站和服务器结合的方式，利用3G通信技术，对输电线路舞动情况进行可视化在线监控；同时，主控室软件基于LabVIEW实现实时可视化接收数据，并建立了线路覆冰灾害数据库，根据不同时期监测到的覆冰舞动情况、提出电网安全运行预防措施及建议。仿真和实验验证了该系统能够准确、快捷地获得覆冰舞动情况，可为电网安全运行提供重要支撑。
关键词： 输电线路； 覆冰舞动； LabVIEW； 监测系统
中图分类号： TN98?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）02?0147?04
LabVIEW software based on?line monitoring system for overhead transmission line disaster caused by line icing and galloping
LI Hongjun1， QU Zhenjun2， LI Peng3
（1. Northeast Light Alloy Co.， Ltd.， Harbin 151000， China； 2. Jilin Electric Power Co.， Ltd.， Changchun 130000， China；
3. China EPRI Science and Technology Co.， Ltd.， Beijing 102200， China）
Abstract： The overhead transmission line disaster caused by line icing and galloping is one of the main disasters that the power grid operation in China is facing， which in severe cases can lead to the destruction of the power grid facilities， and cause great economic losses. To solve this problem， an on?line monitoring system applying with LabVIEW software and wireless communication technology for disaster caused by transmission line icing and galloping was developed， in which the combination of industrial computer， PC workstation and server is adopted for hardware， the visualization on?line monitoring of the transmission line galloping status is conducted with 3G communication technology. The master?control room software based on LabVIEW can receive real?time visualization data and establish the database of disaster caused by transmission line icing. The preventive measures and suggestions on the power network safe operation is proposed depending on icing and galloping status monitored at different periods. The simulation and experiment results verify that the system can obtain the icing and galloping situations accurately and quickly， which provides an important support for the safe operation of the power grid.
Keywords： transmission line； icing； galloping； LabVIEW； monitoring system
0 引 言
输电线路覆冰舞动是目前高压电网在运行中所面临的一个灾难性问题，由于其受气候、地形等因素直接影响且产生机理复杂，很难对覆冰舞动灾害做出准确预防，一旦线路覆冰发生舞动，将会引起倒塔、折塔、断线等事故。在我国，对于线路巡视主要由人工现场观测来实现，而覆冰产生大多是在地域荒凉、交通不便的地区，人工巡视难度大。因此，研发一种可以对输电线路覆冰舞动情况进行在线监测的系统是十分必要的，这对于提供输电线路安全稳定性具有重要实际意义。
在输电线路覆冰机理研究方便，文献[1]提出了一种在线测量输电线路履冰厚度的新方法。文献[2]建立了一个可以计算架空线路上积冰厚度的数值模型；文献[3]介绍了中国输电线路履冰的特点，分析了几个由履冰引起的重大电力事故。文献[4]研究发现冰的数量、类型、均匀度、导电性等会对击穿电压有非常明显的影响。文献[5]提出了根据线路导线悬挂点倾角和悬垂绝缘子串偏斜角进行输电线路非均匀覆冰实时计算的模型和方法。在输电线路覆冰在线监测研究方面，已有诸多文献开展了相关研究，例如文献[6?10]对电网覆冰在线监测系统的建设思路和原则、结构、功能和关键技术进行来研究，提出了具有不同特点的输电线路覆冰在线监测系统；文献[11]介绍了通过远程图像监控系统采集现场图片，根据图片直接分析导线的覆冰状况的方法；文献[12?15]分别利用全球移动通信系统、计算机图形学及相应图像识别技术，设计了具有不同特点的输电线路覆冰图像在线监测系统，实现了输电线路不同覆冰情况的可视化实时监测。上述文献主要是针对输电线路覆冰进行的监测，而针对覆冰舞动的监测，仍需要进一步深入开展相关方面研究。
本文针对如何在线监测覆冰舞动这一问题，提出了一种利用LabVIEW软件及无线通信技术输电线路覆冰舞动灾害在线监测系统，本系统在硬件上采用工控机、PC工作站和服务器结合的方式，利用3G通信技术，对输电线路舞动情况进行可视化在线监控；同时，主控室软件基于LabVIEW实现实时可视化接收数据，并建立了线路覆冰灾害数据库，根据不同时期监测到的覆冰舞动情况、提出电网安全运行预防措施及建议，可为电网安全运行提供重要支撑。
1 覆冰舞动灾害在线监控系统框架
本监测系统框架设计主要侧重于输电线路覆冰舞动监测，其整个系统工作流程如图1所示。
图1 覆冰舞动灾害在线监控系统框架图
输电线路覆冰预警系统是一个实时的线路运行状态监测系统，在图1中杆塔上安装监测传感器用来监测运行线路电测信号如电压、电流、功率以及环境信号如温度、湿度、风速等。摄像头用来监测实时的环境情况，监测到的信号通过杆塔安装的无线端传输信号，经由无线收发站向主工作站服务器传输实时监测信号。主工作站服务器对接收到的现场信号进行处理后一方面，通过局域网传送到总控屏与用户监视器中；另一方面经过电力系统数据网络上传到远程客户端，用满足远程处理要求。
2 软硬件设计
2.1 软件设计
输电线路覆冰舞动灾害在线监测系统软件的设计是基于LabVIEW软件技术。LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，广泛地用于工业界、学术界和研究实验室所，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足 GPIB，VXI，RS 232和 RS 485 协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP，ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都易于掌握。
软件设计主要包括数据库服务器中的软件、PC工作站和便携式终端中的软件两大部分。系统软件采用微软推荐的三层结构进行设计，系统的软件框图如图2所示。图3为软件系统中数据分析部分。
图2 数据采集部分软件
图3 数据分析软件部分
2.2 硬件设计
本监测系统的硬件设计主要包含数据监测终端模块、数据通信模块、PC工作站和通信通道的设计。
数据监测终端放置在输电线路，其主要功能在于监测实际运行中的电气量（包括电压、电流、有功、无功及功率因数）。为了满足数据存储容量和通信通道的要求，在平时监测过程中只考虑定时记录及传输，发现异常运行状态时，进行高采样率采样记录原始采样数据；同时，对于舞动的幅值及覆冰厚度也进行实时监测。
覆冰舞动灾害在线监控系统的关键技术有：现场监测终端技术；无线通信技术和工作站后台信号处理显示技术。
2.2.1 现场监测终端技术
现场监测终端装置的设计对于覆冰舞动灾害在线监控系统的总体设计至关重要，准确实时的采样数据是系统工作的前提，本文中的现场监测终端系统构成如图4所示。
图4 现场监测终端构成框图
2.2.2 无线通信技术
3G移动通信技术是一种网络通信技术，称为第三代移动通信（Third Generation Mobile Communication），3G是把无线通信与国际互联网等多媒体通信结合起来的新一代移动通信系统，实现了WAP（Wireless Application Protocol，无线应用协议）与Web（超文本信息系统）的结合，提供了高速的无线网络通信和多媒体技术的应用。
2.2.3 工作站后台信号处理显示技术
工作站硬件配置：为保证一定的裕度，数据库服务器配置500 GB硬盘，2个以太网口。
PC工作站共2台，其中一台放置在检修试验工区机房内，该工作站用作管理员工作站。当工作人员需要对系统进行更新或进行其他操作时，需在该工作站上完成；另一台PC工作站设在检修试验工区会议室内，可根据需要决定是否把会议室的工作站接入大屏幕显示。会议室的PC工作站配置了3G通信模块，现场检修人员需求助值班专家时，专家就进入会议室通过3G视频通话与现场进行沟通。工作站的数据量与数据库服务器中的基本相同，所以同样配置了500 GB硬盘，2个以太网口。便携式终端采用平板电脑。平板电脑带电时间长，工作时可以不用插电源，携带和使用方便，能够满足本系统的需求。设计时考虑到目前市场上可供选择的型号，选用了具有256 GB的存储空间、配置3G通信模块的产品。数据库服务器和工作站之间的通信采用以太网。为了使便携式终端下装数据和上传数据方便，机房内设置WiFi通信，当需要时便携式终端不用接线即可和主站进行通信，而且WiFi通信相对USB接口速度更快。
工作站软件配置：基于LabVIEW软件的输电线路覆冰舞动灾害在线监测系统，在Windows系统架构上进行监测系统软件的搭建。
3 实验验证及现场应用
3.1 实验验证
以现有实验室模拟供电线路为例，如图5所示，利用低温试验箱模拟外界运行环境，本文选取导线与第2节参数一致，受实验条件限制，实验室只能提供10 kV电源，因此为了和后续实验验证对比，本节的仿真系统采用供电电压为10 kV的系统。
在模拟监控系统软件界面中左半部分为现场电压、电流、功率、温度、风速等测量量的显示，并设有超限报警功能。右半部分是摄像头传输回来的现场视屏信号。在实验室进行测试与模拟控制台的信号对比分析后得出结论，该监控系统能够准确实时的显示现场信号，并在遇到情况时能够做出报警动作。
图5 实验室模拟供电线路覆冰舞动灾害在线监控系统
3.1 现场应用
该系统是在充分调查南方电网某省内输电线路覆冰情况后，对数据进行分析并搭建了覆冰舞动灾害在线监控系统。自投入运行以来，经历了一个完整的周期覆冰实验。以110 kV电网为例，该线路在2014年1月16—18日经历了一个完整的覆冰过程，16日晚21：12开始至17日凌晨4：32，环境温度降低，导线拉力缓慢上升，摄像头监控图像显示线路开始缓慢结冰，但舞动现象并不明显，此时电压电流数值接近警戒值，监控大厅屏幕警示灯闪烁，检修人员待命。由于17日温度回升，线路压力降低，从摄像视屏中观测可以看出覆冰缓慢消解，至18日警戒去除，恢复正常。整个时间段内，对覆冰与融冰过程实现全程监控，也可对覆冰舞动进行准确预警，避免了检修人员人工巡视，提高检修效率。由此可知该覆冰舞动灾害在线监控系统中可行有效的。
4 结 语
本文针对输电线路覆冰舞动在线监测问题，提出了一种利用LabVIEW软件及无线通信技术输电线路覆冰舞动灾害在线监测系统。本系统在硬件上采用工控机、PC工作站和服务器结合的方式，利用3G通信技术，对输电线路舞动情况进行可视化在线监控；同时，主控室软件基于LabVIEW实现实时可视化接收数据，并建立了线路覆冰灾害数据库，根据不同时期监测到的覆冰舞动情况、提出电网安全运行预防措施及建议。通过实验验证了文中所研发的在线监测系统的有效性，为电网覆冰舞动的监测提供了重要技术支撑。
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