基于北斗定位和多传感器融合技术的输电线路动态增容系统研究

杨 晨， 汪 佳， 陈 阳， 李 雪， 蔡光柱

（国网信息通信产业集团北京国电通网络技术有限公司， 北京 100070）

随着东部沿海地区用电需求的急剧增加和风能、光伏等可再生能源的规模化接入，电网电源和负荷分布不均匀、电网网架结构不尽合理、线路负荷过载问题成为制约我国电力输送容量的关键因素，新能源发电集中送出以及用电需求集中地区的特高压电网输送能力卡脖子问题不断突出，因此提升特高压输电系统的传输调度能力成为亟待解决的重要课题。

考虑到用电负荷的波动不确定性和可再生能源的间歇性，输电线路增容往往不需要全天候运行，通过新建输电线路来提升电网传输能力，存在建设周期长、挤占耕地资源、投资回报长等缺点，因此国内外众多学者提出采用输电线路动态增容技术[1]提升电网传输能力。其中文献1[2]针对线路增容可靠性问题，分别从数据采集技术、感知分析技术、系统应用架构和实际应用4 个方面，指出现有输电线路动态增容技术的研究重点和存在的局限。文献2[3]设计了一种基于物联网的输电线路动态增容监测系统构架，并在实际线路上进行了验证。文献3[4]则提出在应用层部署智能增容专家辅助分析决策，实现对输电线路热稳定输送能力的智能、快速、有效控制，提升了动态增容技术的智能化和实用性。文献4[5]针对数据采集精度和时效性，提出一种基于实时闭环校核的载流量及弧垂计算模型修正方法，在动态校核线路载流量和导线弧垂的基础上，实现对实时和预测载流量限额的滚动修正。

基于以上研究及存在问题，本文提出一种基于北斗定位和多传感器融合技术的的输电线路动态增容系统。依托多传感器融合技术的动态增容一体化设备可实时采集导线电流、温度、弧垂等信息；利用毫米波雷达穿透力强、准确度高的特点，与北斗定位[6]进行融合，获取导线弧垂绝对三维位置信息；边缘物联代理装置则依据高精度微气象装置采集导线附近温湿度、风速风向、光辐射等环境气象数据；然后依据动态增容算法模型[7]，经过分析处理计算，得出输电线路载流能力，线路增容信息在有信号区通过4G 模组，无信号区则采用北斗短报文传输到物联网管理平台，输电线路动态增容平台根据增容信息动态评估线路载流能力，调整线路的输送载荷容量，在保证电网安全稳定的要求下，最大限度地提高电网输送能力，整合可再生能源，有效解决输电线路输送能力卡脖子问题，具有很好的经济应用前景。

输电线路动态增容技术是指通过实时监测输电线路微气象环境、导线温度、导线电流和导线弧垂等数据，在不突破现行技术规程和线路安全设计参数的前提下，确定线路当前的热稳定限额和动稳定限额，根据输电线路动态增容模型获取线路最大允许载流量，提升特高压输电系统的传输效率和传输容量，具有极好的经济效益和社会效益。输电线路动态增容模型是以导线和外界环境之间的热平衡方程为基础建立，需要监测的参数包括环境温度、风速风向、光辐射量、导线温度、导线电流、导线弧垂等。输电线路动态增容技术可以挖掘线路输送电能的裕度，唤醒闲置的输电网运行资源，使输电线路利用更充分，全面提升输电网使用效率。

输电线路动态增容系统主要由动态增容一体化设备、边缘物联代理装置和输电线路动态增容平台三部分组成。基于北斗定位和多传感器融合技术的输电线路动态增容系统的总体数据流程图如图1 所示。

图1 总体数据流程

动态增容一体化设备由融合北斗定位、毫米波雷达以及罗氏线圈技术的数据采集单元，CT 取电模组与太阳能模组和主控板三部分组成，能够同时监测导线多种状态参数的高集成度需求，并对参数进行关联性分析，可实现导线状态的一体化监测。可靠的电源系统是保证装置稳定运行的必备条件，动态增容一体化设备采用太阳能取电和CT 感应取电配合低温锂电池构成双保险稳定的电源系统，解决了无光、低负荷、空载线路上设备取电难题，新型的供电方式提高了系统灵活性和稳定性；为有效降低系统功耗，动态增容一体化设备装置采用低功耗设计[8]，基于国产物联网操作系统RT-Thread 开发，可以灵活设置各任务启动、关闭和配置采样周期，在非测量时间关闭各任务进程，进入低功耗休眠状态。数据采集单元可实时采集导线温度、导线电流、导线弧垂对地距离、三维坐标等数据；毫米波雷达具有穿透力强、准确度高的特点，尤其适合监测山区线路具有多个危险点的弧垂对地距离，与北斗定位进行融合，还可以获取导线弧垂绝对三维位置信息，便于实时监测线路动态增容时导线弧垂位置的动态变化；主控板负责导线工况、毫米波雷达、北斗定位数据的汇聚处理，检测数据经过Lora 模组传输至边缘物联代理装置，为输电线路动态增容提供决策依据。如图2、图3 所示。

图2 动态增容一体化设备电气流程

图3 产品实体照片

边缘物联代理装置[9]整体设计基于轻量化边缘计算框架，采用国产瑞芯微主控芯片，其内置2.0Tops算力加速器，满足输电线路动态增容算法对算力的需求。边缘物联代理装置可实时接收微气象模组采集的环境温湿度、等效风速、光辐射等监测信息；在接收到动态增容一体化设备后，依据输电线路动态增容算法模型，经过数据分析处理计算，得出输电线路载流能力，对分析后的数据进行加密处理，然后将计算出的动态增容信息依据MQTT 物联网协议通过4G 模组传输到电力公司物联网管理平台；针对无信号区数据通信，开发可插拔的北斗通信终端，根据不同场景选择配置4G 模组或北斗通信终端，可以将动态增容信息封装为北斗短报文数据报，通过北斗卫星通信技术，实现无信号区线路状态可靠监测。边缘物联代理装置采用定期主动上报线路状态模式，具有通信传输双向确认和重传功能，确保数据传输的可靠性，设备实时在线，线路状态可随时掌控。装置挂线使用后可自主运行，采用安全免维护设计，必要时可通过远程无线维护运行参数，更新故障判据或升级软件程序，方便灵活。如图4 所示。

图4 边缘物联代理装置电气流程

输电线路动态增容系统平台[10]接收边缘物联代理装置传来的线路动态增容信息，进行架空线路动态增容数据结果的展示，主要包括架空线路的线路载流量分析、动态负荷监控、动态载流量上限预警、线路温度预测、动态载流量预测、效益分析等功能模块。在不突破现有线路安全规程的基础上，软件具备线路输送能力实时计算模型、线路弧垂实时计算模型，具备实时采集线路在线监测数据、实时核算线路输送能力与运行安全性评估能力；具备日前输送能力预测等功能。在统一架构下，以架空线路动态限额计算与实时评估软件为基础，部署动态增容分析模块，模块与调度系统联通，计算结果实时推送至省公司调度监控平台。

输电线路动态增容系统包含总览、增容分析、安全分析、告警管理、监测数据、增容数据、参数管理等模块，该系统依据实时数据进行线路高温预警、弧垂对地距离预警，并评估线路安全运行载流量和安全运行时间，为解决输电通道负荷阻塞问题，实现输电线路运行负荷的精细化、智能化管理提供动态、量化的技术支持。具体见图5。

根据用户需求，实时展示某线路增容监测点的各参数监测数据，系统具备即时数据回传请求功能，可实现实时的线路增容信息采集功能，直观的显示线路的负荷、温度、环境信息、导线弧垂和实时载流量等，建立输电线路数据库，为输电线路的运行维护、输送负荷调整、电网调度等工作提供数据支持，最终达到提高输电线路输送能力的目的。如图6 所示。

图6 输电线路动态增容系统增容分析

设置导线温度限额和安全时间，计算在当前气象条件下，在设置的安全时间内，导线温度不会超过限额的安全电流限额。具体见图7。

图7 输电线路动态增容系统安全分析

根据动态增容模型计算导线最大负荷状况，可预测线路导线温度变化及弧垂变化，当导线弧垂、导线温度、气象数据、导线负荷超过设定阈值时，记录线路姿态并上传至服务平台运检人员根据告警信息，对线路输送负荷进行调整，指导调度部门合理调配线路输送容量，有序开展输电线路动态增容。具体如图8 所示。

图8 输电线路动态增容系统告警管理

动态增容系统平台收集导线温度、导线电流、气象信息、导线弧垂及线路运行数据，最大程度减小环境变化引起的误差，精准地模拟出导线实时的运动姿态，为输电线路动态增容提供数据支持。见图9。

图9 输电线路动态增容系统监测数据

2021 年5 月至今，输电线路动态增容系统在容徐线进行实际现场挂载测试。实施动态增容改造后，在调度主站可自动实现动态增容断面稳定限额滚动更新，输送容量可从2 185 MW 提升到稳定限额2 629 MW，成功满足沿线各区的供电需求，为大量外贸、化工企业的复工复产提供了坚强的电力保障，容徐线动态增容改造工程的实施，可以有效提升线路输送能力，特别是在迎峰度夏期间，对缓解电力供应紧张有着十分重大的意义。

针对输电线路动态增容存在的导线弧垂采集精度不足，无信号区无法传输、数据展示无法满足需求等诸多问题，本文提出一种基于北斗定位和多传感器融合技术的的输电线路动态增容系统。依托多传感器融合技术的动态增容一体化设备，可实时采集导线电流、温度、弧垂等信息；北斗定位技术融合毫米波雷达，获取导线弧垂对地距离和三维位置信息，可实时监测线路增容时导线弧垂位置的动态变化；针对无信号区数据通信，开发可插拔的北斗通信终端，根据不同场景选择配置4G 模组或北斗通信终端，可以将动态增容信息封装为北斗短报文数据报，通过北斗卫星通信技术，实现无信号区线路状态可靠监测。输电线路动态增容平台根据增容信息动态评估线路载流能力，调整线路的输送载荷容量，整合可再生能源，有效提高输电线路输送能力。输电线路动态增容系统在容徐线进行实际现场挂载测试，线路输送容量提升了20.32%，特别是在迎峰度夏期间，可以有效提升线路输送能力。