高压电网输电线路的智能化实时在线监测系统 技术领域：
本发明属于电力工业中高压电网技术领域，应用于高压输电线路、电站、变电所、输配电枢纽等电力工业相关领域，尤其是高压输电线路中高压杆(铁)塔上绝缘子串的绝缘性能的实时在线监测。
背景技术：
高压电网输电线路是把高电压大功率电能，从电站(火电厂、水电站、核电站)输送到用户所在地(如城市，工业基地等)的电力输运系统。
由于高压电网输电线路的关键部件的技术故障，例如用于悬挂高压输电线的绝缘子串的绝缘性能劣化、绝缘子串表面污染等，往往会引发高压电网‘跳闸’乃至大面积停电事故，造成巨大的社会影响和经济损失。上世纪90年代发生在我国东北和华北电网的大面积停电事故已经足以说明维持电网安全运行的重要意义。最近又发生在美国、加拿大电网的长时间大面积停电事故更引起全界性的震撼和关注。
迄今为止，国内外所有的高压电网输电线路历来都处于人工检测和维护的状态。为了保证高压电网输电线路的安全运行，目前只能够采用可靠性维修体制，即利用人工手段进行定时的、预防性的检测和维护操作。
可靠性维修体制虽然是目前唯一可用的维修方法，但费时、费力、成本高昂、难以及时发现隐患、存在疏忽大意等人为因素，无法预测事故隐患的发展规律、更无法预报潜在地危险性等。
同时，面对战争状态下的军事进攻，如美军使用的石墨炸弹，以及和平时期的恐怖分子的恶性破坏，现有的维修体制根本没有积极有效的快速应变能力。以我国‘西电东送’为代表的的主干高压电网，现在就完全处于‘不设防’状态。
一个完整的高压电网，包括电站、变电所和送配电枢纽、高压输电线路三大组成部分。目前，对于前两个部分(即电站、变电所和送配电枢纽)的‘实时在线监测’已经具备较好的技术基础，唯独对第三个部分，即高压输电线路完全缺乏‘实时在线监测’的技术和装备。
针对高压电网输电线路的现状、缺陷和不足，本发明提出高压电网输电线路的智能化实时在线监测系统。该系统基于传感器技术、信息和通讯技术、计算机和因特网技术，用以对整个电网的输电线路，实现智能化的实时在线监测。
发明内容：
本发明由下述技术方案实现：高压电网输电线路的智能化实时在线监测系统，覆盖电网中所有的变电所、高压杆塔和输电线路。各变电所之间的输电区段有数百公里，其间包括数百个高压杆塔，各高压杆塔之间一般相距数百米。监测系统的特征是设置在电网中央调控室内有全电网高压输电线路测控中心。在该测控中心配备有‘电网运行分析诊断软件’，它是本发明的大脑、核心和司令部；每个变电所内设置信息监测系统，连接测控中心和信息监测系统有因特网系统，它将测控中心与变电所内的信息监测系统连接成一个完整的、双向互动的、智能化的信息系统。通过因特网，测控中心向所有变电所的信息监测系统发送指挥和控制指令；而变电所的信息监测系统通过因特网向测控中心发送电网输电线路实时在线监测信息。
变电所与高压杆塔之间设置有双向互动多路数码通讯系统，通讯系统机站设在变电所，子机设在每一个高压杆塔上；在每个变电所和该变电所两侧的(半个)输电区段中所有的高压杆塔之间，建立起一个双向互动多路数码通讯系统：即变电所向所有的相关高压杆塔，传送来自变电所内信息监测系统的监测指令，以保证杆塔上的传感器阵列和信息处理系统能够按照预定的程序或某种优先程序协调工作。同时，按照信息监测系统的指令，高压杆塔向变电所的信息监测系统传送杆塔信息：包括传感器阵列采集的输电线路信息、传感器阵列和信息处理系统自身工作状态信息等。
在每个高压杆塔上设置有传感器阵列、信息处理系统、通讯系统子机及自给电源系统。所述传感器阵列用以监测高压杆塔上安装的主要器件的几何和物理参数，采集高压杆塔和杆塔器件的技术性能和运行状况的实时在线信息。信息处理系统用以收集、处理和储存来自传感器阵列的有用信息，实施传感器阵列的自检和保护，以便保证传感器阵列正常、有序、安全工作，排除人为和自然(如雷电)干扰和有害信号。在传感器阵列中至少包括用于绝缘子串的监测传感器，它应具备承受工频高电压、操作冲击电压和雷电冲击电压的能力，以确保高压输电线路的安全运行。该监测传感器由铁心线圈耦合器、过电流保护器及AD变换器构成。
所述高压杆塔上的自给电源系统，本质上是一台电磁驱动的电磁感应发电装置，由电磁感应器、冲击电压保护器、电压电流变换器、整流稳压器及自充电蓄电池组成。该系统从高压杆塔周围空间的电磁场中获取驱动能量，经过电压电流变换后，向安装在高压杆塔的电子装置提供稳定的直流功率。
本发明中央调控室内的测控中心1、变电所内的信息监测系统9和高电杆塔4上的信息处理系统11构成一个智能化的三级监控系统。主要进行信息采集、处理、融合、分析、诊断、预测、报警、指挥维修、检查维修效果等电网管理工作。
本发明是一种大型系统工程，实施本发明，可以实现对整个高压电网的输电线路的智能化管理，包括电网的技术性能和运行状态的实时在线监测、实时分析和诊断、及时识别、预测、报警和组织力量排除隐患和事故、以及检验隐患和事故的排除情况和效果。保障高压电网输电线路安全运行，给国民经济建设提供稳定的动力资源。
附图说明：
图1为‘电网输电线路智能化实时在线监测系统’总体工作原理示意图，其中：1为全电网高压输电线路‘测控中心’、2为变电所、3为因特网系统、4为高压杆塔、5为双向互动多路数码通讯系统、6为高压输电线路(悬挂在高压杆塔的绝缘子串的下方)。
图2为双向互动多路数码通讯系统5原理示意图，其中：7为变电所2的通讯系统机站(包括天线)、8为高压杆塔4上通讯系统子机(包括天线)。
图3为安装在变电所2内的电子系统示意图，其中：9为信息检测系统，7为通讯系统的机站(包括天线)，
图4为安装在高压杆塔4上电子装置示意图，其中：10为传感器阵列，11为信息处理系统、12为自给电源系统。
图5为高压杆塔4上的自给电源系统12的示意图，其中：13为电磁感应器、14为冲击电压保护器、15为电压电流变换器、16为整流稳压器、17为自充电蓄电池。
图6为高压杆塔4上的绝缘子串的监测传感器的原理示意图，其中：18为铁心线圈耦合器、19为缓冲器、20为过电流保护器、21为放大器、22为AD变换器。
具体实施方式：
本发明具体实施方式如下：主要包括五个主要组成部分和若干个必要的配套部分。现在分别描述各个主要部分的实施方式。
1)全电网高压输电线路测控中心，简称测控中心1。设置在高压电网输电系统的中央调控内。
●测控中心1包括微机、电网信息数据库和‘电网运行分析诊断软件’三个主要部分组成。其中，微机和电网信息数据库可以利用常规的技术和设备，再加以精心的设计和设置就能够实现。
●‘电网运行分析诊断软件’的基础是一种‘能够准确描述全电网高压输电线路技术性能和运行状态’的数学模型。
●该测控中心1的作用是：
·收集、融合、处理和储存来自各个变电所2的，关于全电网高压输电线路的技术性能和运行状况的全部信息；包括长期信息和当前信息，以及各种有关技术参数的变化规律、变化速度、变化趋势等。
·利用数学模型，对全部信息进行分析、融合、比较和计算，给出全电网高压输电线路的技术性能和运行状况的诊断结论和隐患预测，并适时对重点高压杆塔4和重点器件进行重复检测和数据核对和发布进行重点和优先检测的指令；
·发布隐患和事故警报，指挥检测和维修；检查维修效果，解除隐患和事故警报等。
●测控中心1的‘电网运行分析诊断软件’，应具备‘自我学习的能力’，即能够根据系统长期运行的全部数据，智能化地自我调整、改进和完善系统的功能。
●安装在变电所2内的信息检测系统9，是电网测控中心1的‘下级分支’装置，它与电网测控中心1分工配合，各施其职。信息检测系统9的构成和功能与电网测控中心1类同，只是规模较小，功能较单一，覆盖范围只有变电所2两侧的各半个输电区段。
2)因特网系统3，可以利用常规网络的技术和装置。
3)双向互动多路数码通讯系统5，
●双向互动多路数码通讯系统5的基本工作原理与传统的‘移动通讯系统类同，主要的差别有：
·该通讯系统5规模较小，与变电站2内的通讯系统机站7配合的高压杆塔4上的子机12的数目一般小于1000(相当于变电所2两侧各半个输电区段中的高压杆塔4的数目)；
·通讯距离较大，约为100-150公里(相当于变电所2两侧半个输电区段的长度)；
·通讯内容是数据传输；
●基于以上所述的主要差别，本发明的双向互动多路数码通讯系统5的设计原则为：
·每个变电所2内的机站7需要较大的发射功率；
·变电所2内的机站7和高压杆塔上的子机12都采用定向天线(如八木天线、线形阵列天线或八木阵列天线)，天线波束指向输电线路方向，波束较窄，有较高的方向性系数。
·采用数码通讯方式；
4)传感器阵列10和信息处理系统11
●传感器阵列10
按照电网安全运行的需要，在传感器阵列10中应当包括多种不同功能的传感器，诸如物理参数(包括电气参数)传感器、几何参数传感器等。但其中必须包括高压杆塔4的绝缘子串绝缘性能监测传感器。其主要原因是：绝缘子串的隐性缺陷、材料老化、局部应力集中、热胀冷缩、再加上日益严重的环境污染等众多素因，必将导致绝缘子串的绝缘性能劣化、老化、损坏直至突然崩溃，以至造成高压输电线路閃络、跳闸乃至整体高压电网瘫痪的灾难性后果。
●绝缘子串绝缘性能检测传感器·该监测传感器由铁心线圈耦合器18、缓冲器19、过电流保护器20、放大器21、AD变换器22和自充电蓄电池17等组成。
·除了必须在超高电压下正常工作外，传感器还必须具备承受各种非正常高压脉冲(包括操作冲击电压、雷电冲击电压等)的能力；
·传感器应具备自检能力，配备敏感器件的冗余备件和具备自动切换能力。
●信息处理系统11
安装在高压杆塔4上的信息处理系统11由单片机、储存器、编码器等部件构成。信息处理系统11的工作原理是常规的，但应当按照本发明的特定要求进行精心设计和制作。
5)自给电源系统12
安装在高压杆塔4的自给电源系统12，本质上是一台电磁驱动的‘电磁感应发电装置’，它从高压杆塔4周围空间的电磁场中获取驱动能量，经过电压电流变换和整流稳压后，向安装在高压杆塔4上的其他电子装置提供稳定的直流功率。工作原理如图6所示。
·自充电蓄电池17的作用是：当高压电网跳闸或损坏，自给电源系统12无法从空间电磁场中获取驱动能量时，用自充电蓄电池17自动维持电源继续供电，直至电网工作恢复正常。