由輸電線路覆冰引發的事故嚴重危害到電力系統的安全運行。尤其嚴重的是2008年初，我國南方地區遭受百年一遇的特大冰凍自然災害，全國共有近570個縣級線路和14個省級電網的用戶供電受到不同程度的影響，119條500kV和343條220kV輸電線路受冰災影響而停運，分別占冰災區同等電壓等級線路總條數的19.01%和9.38%；因災造成全國人民直接經濟損失高達1516.5億元人民幣，包括南方電網直接財產損失200億元以及國家電網公司直接財產損失104.5億元。

2008年2月開始，南方電網公司對輸電線路的融冰方案進行了大量的研究，并且通過在樞紐變電站安裝直流融冰裝置實現對進出導線的融冰。但是，由于地線本身不通電流，該直流融冰方式不能直接應用于地線，需要使用人工接線的方式將融冰電流從導線引至地線。2013年9月，地線融冰自動接線裝置研制成功并掛網運行，大大提高了地線融冰的自動化程度，保障了操作人員的安全。

1 地線融冰自動接線裝置的遠程控制改造

地線融冰自動接線裝置在操作上與隔離開關極為相似，裝置的導電桿等同于可旋轉的隔離刀閘。圖1為裝置在鐵塔上的布置圖。在導電桿的末端通過軟銅絞線與鐵塔頂部的地線進行連接，非融冰時，裝置處于分閘狀態，導電桿前端的觸頭通過鎖緊機構懸掛于防護機構中，當需要融冰時，在塔底操作控制箱，傳動機構即會帶動導電桿向安裝在導線上的合流線夾做旋轉運動，使導電桿端部上的觸頭插入合流線夾上的觸指，完成合閘，實現導線和地線之間的連接。

在確認合閘成功后，通知變電站打開融冰電源進行融冰。融冰結束后，再通過控制箱進行分閘操作，導、地線之間的連接斷開。

圖1 裝置在鐵塔上的布置圖

隨著物聯網技術和自動化技術在輸電行業中的大力推廣，電網部門已經可以通過在線監測系統及時發現和掌握輸電線路氣象環境、導線溫度、導線舞動、線路覆冰、桿塔傾斜、人為破壞和異物入侵等情況，同時也實現了對巡線無人機、電力巡檢機器人等設備的遠程控制。

通過多年的理論研究和實際應用，對于線路設備狀態參數和信號的在線采集、無線遠程傳輸和監控系統的建立，完成了一定的技術儲備。在此基礎上，2018年南方電網公司發布了《防冰抗冰三年行動方案》，指出要研究和推廣應用防冰智能技術，其中，對于地線融冰自動接線裝置，提出要實現遠程控制和操作，并由超高壓輸電公司作為責任單位施行。

擬進行的裝置遠控改造，形成的系統網絡拓撲如圖2所示。在鐵塔側布置傳感設備、控制設備、加解密裝置、風光互補電源系統等，變電站布置服務器、控制主機以及與鐵塔側對應的加解密裝置等。鐵塔側的采集終端和電機等設備與主控制箱連接，主控制箱通過定向的APN專網與運營商路由進行通信，再通過數據專線實現運營商路由到服務器的連接。

圖2 遠控系統網絡拓撲圖

該遠程控制系統的操作流程如下：系統操作人員得到融冰指令，從控制主機遙控融冰接地開關分閘，確認開關到位后，合地線融冰自動接線裝置，現場配備的狀態采集設備得到合閘信號后，傳送到控制主機。操作人員再通知變電站起動融冰電源，地線開始融冰。待結束后，融冰電源退出，再遙控地線融冰自動接線裝置分閘，合上接地開關，系統操作結束。

2 原有的就地執行合閘操作的方式

在上述的融冰操作過程中，裝置是否完成合閘動作直接決定了線路能否接通融冰電流，是融冰操作至關重要的一步。在現有的就地操作方式中，已經設計了合閘到位時的電機保護和對合閘位置的判斷方式。

由于合流線夾是安裝在跳線上，而不同的鐵塔跳線的弧垂高度各不相同，所需裝置的導電桿長度也不相同，再加上起固定和支撐合流線夾作用的跳線串往往因不同鐵塔橫擔結構的原因，需避開干涉與豎直方向呈一定角度安裝。

這個角度由各個鐵塔橫擔結構決定，基本上各不相同。由此造成合流線夾與裝置導電桿的相對位置往往也各不相同，不同鐵塔安裝的導電桿和動觸頭在合閘時的位移不是固定值，因此不宜采用角度或位移傳感器等方式進行位置確認。

而觸頭和觸指的接觸力是固定的，即合閘力的大小和傳動機構的扭矩是相對確定的，因此現階段采用了扭矩限制器控制合閘到位。合閘時，當扭矩超過扭矩限制器的設定值時，扭矩限制器起動對電機的過載保護，激發限位開關發出信號，就地操作的電氣控制箱接收到信號之后，切斷電源，電機停止轉動。

在以往的現場操作中，扭矩限制器和限位開關結合的方式基本上能完成合閘到位信號的傳輸和控制電機自動停轉，但是也偶爾出現限位開關失靈導致的電機未自動停止的情況。就地操作時，現場的工作人員可以在塔下即時觀測到導電桿的位置狀態，如在合閘到位后電機還在旋轉，可以立即按下就地控制箱（如圖3所示）的急停按鈕，切斷電源使其停止。

圖3 就地控制箱

3 遠控操作合閘過程可能出現的故障分析

地線融冰自動接線裝置在遠方主機進行控制操作時，由于裝置所處的鐵塔處已經沒有工作人員在現場進行觀察，極有可能發生未能察覺的合閘故障。

一是動靜觸頭合閘不到位。

原因可能是安裝在跳線上的合流線夾由于大風等原因導致位置偏移過大，或者是導電桿上的動觸頭有覆冰，致使不能與靜觸頭有效接觸，如圖4所示。此情況使導電桿上的動觸頭受力于跳線、保護罩或者靜觸頭前端，在扭矩到達設定值時，同樣會激發限位開關發出合閘信號，使電機停止轉動。但此時的合閘信號是假信號，一旦通融冰的大電流會造成融冰不成功或者裝置、跳線局部發熱過高而損毀等事故。

二是合閘操作無法自動停止。

原因可能是扭矩限制器或者限位開關故障。限位開關發生故障時，在扭矩限制器達到限定值產生分離后，導電桿停止轉動，但限位開關無法發出信號切斷電源，此時電機會一直轉動。而扭矩限制器若發生故障，在達到限定值之后不分離，導電桿會一直向前旋轉，使裝置和跳線發生機械破壞。

如出現上述合閘故障不能及時停止，輕則影響地線的融冰操作，重則破壞輸電線路，造成大面積、長時間的停電事故。

圖4動觸頭碰觸屏蔽罩導致的合閘不到位

因此，為提高合閘的成功率，避免破壞裝置和導線，必須解決兩個問題：①使用合理有效的手段使電機及時停止轉動；②讓遠方的操作人員及時了解當前操作過程中的狀態。

4 遠方執行合閘操作的方案

4.1 兼容遠方/就地兩種操作方式

為了提高地線融冰自動接線裝置操作的可靠性，在裝置新增遠方操作方式的同時，需保留原有的就地操作方式，以備在傳輸通道、網關設備等原因造成遠方操作失效時，可以由人工攜帶便攜式就地操作箱，到鐵塔下進行地線融冰自動接線裝置的操作。

所以，考慮到不同操作方式的兼容性，裝置的遠控合閘仍采用扭矩限制器結合限位開關來實現到位信號的觸發和電機的停止轉動。

4.2 安裝戶外攝像機進行輔助判斷

根據已分析的遠控時易發生的兩種合閘故障，動靜觸頭合閘不到位時的危害相對較小，因其電機可以停止轉動，僅需新增非同源采集設備確認限位開關發出的合閘信號的正確性，保證不在合閘未到位時通電，再由工作人員進行排障處理即可。

對于新增的另一種形式的采集設備，應盡量避免高電壓、強磁場的影響，與合流線夾拉開距離，因此使用圖像傳感設備，即戶外攝像機進行輔助合閘判斷最為合理。

4.3 編制程序進行電機停轉和故障定位

合閘操作無法停止的故障，其危害較大。不管是扭矩限制器還是限位開關故障，都有一個共同特點，即導電桿到位以后，電機仍然在繼續轉動。只要采取手段使電機及時停轉，就能有效解決這個問題。

電機的停轉可以通過對電源的管理來實現，但首先需要確定滿足切斷電源的前提條件。

假設系統從電機開始運轉即啟動計時，到電機停轉終止計時，將產生的這個時間參數定義為裝置的合閘時間。在同一套裝置的不同次操作中，正常的合閘時間應該在一個較小范圍的區間內。如果某次合閘時間已經超出這個區間且仍在增長，即認為本次操作已經滿足主控板切斷電機電源的前提條件，此時應立即執行切斷電源操作，電機停轉。

上述步驟雖完成了電機的停轉，避免了更嚴重事故的發生，但是為了盡快處理故障，完成融冰工作，本系統需在設備故障時實現對故障點的初步判斷。經過實測可知，電機在扭矩較大時，其電流處于過載狀態，數值往往是額定電流的數倍，可將此作為判斷故障點的依據。

如果是由于限位開關引起的故障，動靜觸頭在合閘過程中，位置狀態依次從未接觸、接觸到合閘到位，電流的數值變化依次為額定電流、過載電流和額定電流；如果是由于扭矩限制器引起的故障，合閘過程中，由于電機在導電桿上的動觸頭接觸物體后仍然施加較大扭矩，電流的數值會一直停留在過載電流直至被切斷。

根據上文描述的電機電源控制和故障定位的運行邏輯，編制合閘控制程序，寫入主控板，可以實現在合閘故障發生時自動停轉電機和在遠方主機實時顯示設備故障報警的功能。

4.4 遠方執行合閘操作的方案綜述

綜上所述，設計遠方執行合閘操作的方案是，仍然用扭矩限制器和限位開關實現電機停轉和信號發送；使用視頻攝像機進行合閘位置的輔助判斷；在設備故障時由主控制板上的合閘程序執行切斷電機電源操作，并向遠方主機實時推送報警信息。此策略具體操作流程如圖5所示。

圖5 遠程控制合閘操作的流程圖

在控制主機發出合閘指令后，系統自動調用合閘程序，電機開始轉動，記錄電機運轉的時間t。假設正常的合閘時間為t0，誤差為Δt。當合閘到位時間在預設的t0±Δt范圍內，主控制板接收到合閘到位信號后自動觸發電機停轉，此時接入攝像機的視頻圖像，由工作人員進行辨認，確認合閘到位后，裝置操作結束，通知融冰電源通電。

如判斷裝置未能有效合閘，工作人員發出合閘未到位告警，避免融冰電源通電，同時派出排障人員進行排障處理。當在預設的合閘到位時間內電機未能停轉，合閘程序啟動保護措施，并進行故障分析和告警，具體的程序設定和執行過程為：電機運轉時，主控制板記錄電機的運行電流I，假設電機額定電流為I0，根據實際操作經驗，設置過載電流為5I0，電機在運行到正常合閘時間t0之后20s的時刻，由主控制板切斷電機電源。

如在切斷之前，檢測到的電機運行電流I是過載電流（I＞5I0），可自動判斷為扭矩限制器故障并向控制主機進行告警；如在電源切斷之前，電機的運行電流是額定電流，可自動判斷為限位開關故障并向控制主機進行告警。排障人員根據告警提示的信息安排檢修工作，可盡快完成故障元件的修復。

5 合閘影像采集攝像機的選取和安裝

上述策略的實施需在鐵塔上新裝合閘影像采集攝像機。預裝的攝像機在選型上需要考慮戶外運行時的各種不利因素：

①針對不同角度太陽光照的情況，所選的攝像機需可在逆光環境下拍攝；②針對可能在夜間或光線不足的情況下工作，攝像機需具備高效紅外照射功能；③針對大霧天氣，需具備透霧功能；④針對冬季室外的低溫天氣，需支持低溫起動。

另外其本身要滿足IP65以上的防護等級，以及要具備抗高電壓、抗高電磁干擾的能力，必要時按照國家標準和電力行業標準進行EMC測試。

圖6 戶外攝像機專用防護罩

攝像機設計專用室外防護罩進行保護（如圖6所示），該防護罩有整體溫控功能，可在被冰雪包敷情況下加熱融化冰雪，同時還配置雨刷，可定期清除防護玻璃上的灰塵。

對于攝像機的安裝位置，經過實測，選擇在鐵塔上正對合流線夾的位置向左或者向右偏移10°左右安裝，可完美避開導電桿對視線的阻擋，動靜觸頭接觸狀態顯示效果最佳，如圖7所示。

圖7 測試時攝像機偏移10°的顯示效果

本項目暫定在試運行時選擇一條線路上的兩臺地線融冰自動接線裝置進行遠程控制改造，因此在控制主機端由人工分辨合閘圖像完全可以實現對原有合閘信號的有效補充。但是若一條線路上的幾十甚至上百臺裝置都經過改造后，遠控系統接入更多的視頻圖像信息，工作人員如仍然用人工的方式進行圖像判別，會極易忽略掉關鍵的信息。

在現有的輸電線路在線監測系統中，也存在同樣的問題。未經處理的各種圖像信息大量匯集到運檢人員面前，導致人工方式很難從海量的圖片中獲取有效信息，使監測平臺使用效率非常低下。

電網部門經過大量研究后發現，解決此類問題最有效的方法是使用圖像識別技術進行目標分類、檢測、識別和跟蹤，完成智能診斷和智能預警。因此，同樣是通過采集圖像信息進行識別，本遠程控制系統非常適合采用基于深度學習的圖像識別技術來判斷合閘是否到位。

可在試運行后采集海量的地線融冰自動接線裝置合閘視頻圖像信息，使用大規模深層次卷積神經網絡模型自動學習合閘圖像特征，并泛化到實際場景識別過程中，實現合閘狀態的自動識別。

6 結論

輸電線路地線融冰自動接線裝置的遠程控制改造，可實現融冰現場無人值守，大幅提高地線融冰的工作效率，減少操作人員的工作量，保障了融冰工作人員的安全。而對該裝置遠程控制的改造，最重要的一步是完成裝置的合閘并及時得知合閘信息。本文從以下幾點對裝置合閘操作的遠控改造方案進行論述：

1）為實現就地操作和遠控操作的兼容性，裝置的遠控合閘仍采用扭矩限制器結合限位開關來實現合閘到位信號的觸發。

2）通過在主控制板寫入合閘操作程序，可保障裝置在元器件發生故障時，能及時停止電機，并完成故障的定位報警，指導排障工作。

3）通過新裝合閘影像采集裝置，輔助判斷合閘狀態，可有效解決單一方式反饋信號易發生誤報的問題，確保了融冰過程的安全性。

本文所述方案還需經過大量實驗和工程應用的驗證，根據實際使用的情況來指導完成地線融冰自動接線裝置的遠控改造。

以上研究成果發表在2021年第2期《電氣技術》，論文標題為“地線融冰自動接線裝置合閘操作遠控方案的研究”，作者為徐望圣、曹偉偉、譚勁、陸桂來、顏艷。