建國(guó)以來(lái)，我國(guó)有記載的輸電線路覆冰事故達(dá)上千次，其中較為嚴(yán)重的當(dāng)屬2008年初，華中、華東和南方等區(qū)域發(fā)生的大面積冰災(zāi)，造成了國(guó)內(nèi)15座500kV變電站停電，86座220kV變電站停電；119條500kV輸電線路停運(yùn)，343條220kV輸電線路停運(yùn)；678基500kV桿塔倒塔，295基受損，1432基220kV桿塔倒塔，586基受損，嚴(yán)重危害了我國(guó)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)輸電線路覆冰事故多發(fā)生在高海拔地區(qū)，如云南、貴州、四川、湖南和湖北等省，而且有如下幾個(gè)特點(diǎn)：①持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，往往會(huì)持續(xù)一個(gè)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間；②覆冰事故在某一固定地區(qū)頻繁發(fā)生，如1961—1989年，云南省35～220kV輸電線路先后發(fā)生覆冰事故達(dá)到101次；③覆冰事故發(fā)生時(shí)機(jī)械故障和電氣故障并存，不僅會(huì)造成金具損壞、導(dǎo)線斷線、桿塔倒桿和絕緣子串損毀等機(jī)械事故，還會(huì)因?qū)Ь€弧垂增大，導(dǎo)致導(dǎo)線對(duì)地距離或者導(dǎo)線間距減小，造成放電和燒毀導(dǎo)線的電氣事故。

由于多年來(lái)深受覆冰事故的侵害，國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)一直致力于輸電線路防冰、抗冰和除冰技術(shù)的研究和應(yīng)用，特別是在除冰方面，形成了熱力除冰、機(jī)械除冰和自然脫冰三大主流技術(shù)，解決了大部分的輸電線路導(dǎo)線覆冰問(wèn)題。同時(shí)，對(duì)于地線本身不通過(guò)電流，覆冰時(shí)無(wú)法依靠自身發(fā)熱融除冰雪的難題，南方電網(wǎng)公司通過(guò)使用輸電線路地線融冰自動(dòng)接線裝置，將導(dǎo)線的融冰電流引至地線，實(shí)現(xiàn)了地線的熱力除冰。

隨著越來(lái)越多的地線融冰自動(dòng)接線裝置被安裝在鐵塔上，為了便于對(duì)輸電線路鐵塔地線融冰自動(dòng)接線裝置進(jìn)行集中管理，同時(shí)提高裝置操作的智能化水平，以電力物聯(lián)網(wǎng)的形式建立一套地線融冰自動(dòng)接線裝置遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)勢(shì)在必行。本文擬通過(guò)分析和計(jì)算完成就地電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為地線融冰自動(dòng)接線裝置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制解決現(xiàn)場(chǎng)鐵塔側(cè)用電設(shè)備的供電難題。

1 地線融冰自動(dòng)接線裝置遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

地線融冰自動(dòng)接線裝置如圖1所示，具有性能穩(wěn)定可靠、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。在需要融冰時(shí)，操作人員直接攜帶控制箱到塔底連上控制線進(jìn)行操作，無(wú)需登塔即可進(jìn)行導(dǎo)線和地線的連接。

圖1 裝置在鐵塔上的安裝圖

擬采用的地線融冰自動(dòng)接線裝置遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通過(guò)在鐵塔側(cè)布置傳感設(shè)備、控制設(shè)備、加解密設(shè)備和通信設(shè)備等采集現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)參數(shù)、控制裝置的運(yùn)行、收發(fā)信號(hào)及數(shù)據(jù)，在變電站布置服務(wù)器、控制主機(jī)等對(duì)鐵塔側(cè)的裝置和設(shè)備進(jìn)行控制和管理。鐵塔側(cè)和變電站通過(guò)定向的APN專網(wǎng)進(jìn)行通信，其工作原理如圖2所示。

但是由于地線融冰自動(dòng)接線裝置的安裝位置比較偏僻，常在無(wú)人的山區(qū)，沒有配網(wǎng)線路的布置，需在現(xiàn)場(chǎng)安裝合適的就地電源系統(tǒng)，使鐵塔側(cè)的裝置本體和新布置的各種設(shè)備可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)工作原理圖

2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)鐵塔側(cè)的設(shè)備用電情況

上述遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的鐵塔側(cè)用電設(shè)備主要有兩類：①持續(xù)在線工作的設(shè)備；②在融冰時(shí)才開啟運(yùn)行的設(shè)備。

2.1 持續(xù)在線工作的設(shè)備

本系統(tǒng)的鐵塔側(cè)要時(shí)刻保持和變電站的通信，完成傳輸現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)和接收變電站指令的工作。因此，網(wǎng)關(guān)需要時(shí)刻處于發(fā)射和接收狀態(tài)，一直處于在線工作模式。值得注意的是，擬采用的網(wǎng)關(guān)兼有縱向加密功能，可同時(shí)滿足數(shù)據(jù)與信號(hào)加解密和遠(yuǎn)端通信的需求。

環(huán)境狀態(tài)傳感器主要采集鐵塔側(cè)的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和濕度等環(huán)境參數(shù)，為工作人員提供即時(shí)的氣象數(shù)據(jù)，為線路覆冰的判斷提供參考。為了能在鐵塔所在地區(qū)氣候發(fā)生驟變時(shí)產(chǎn)生快速反饋，環(huán)境狀態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)需實(shí)時(shí)更新。

地線融冰自動(dòng)接線裝置擬采用LoRa無(wú)線霍爾傳感器進(jìn)行開關(guān)合閘狀態(tài)的采集，傳感器本身內(nèi)置電池，不用另行設(shè)計(jì)供電接口，但是其信號(hào)發(fā)射之后，需要在主控制箱使用對(duì)應(yīng)的LoRa接收網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信號(hào)的接收，該網(wǎng)關(guān)也需處于持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。

擬采用的上述設(shè)備的用電參數(shù)見表1。

表1 持續(xù)在線工作的設(shè)備用電參數(shù)

2.2 間斷性工作的設(shè)備

出于節(jié)約能源和保護(hù)輸電線路運(yùn)行安全考慮，本系統(tǒng)部分設(shè)備在平時(shí)處于斷電狀態(tài)，需要融冰時(shí)再遠(yuǎn)控電源接通。如進(jìn)行地線融冰操作時(shí)需驅(qū)動(dòng)的接地開關(guān)電動(dòng)機(jī)、地線融冰自動(dòng)接線裝置的主電動(dòng)機(jī)和閉鎖電動(dòng)機(jī)。另外現(xiàn)場(chǎng)還在鐵塔上布置一臺(tái)戶外攝像機(jī)，使其在地線融冰自動(dòng)接線裝置動(dòng)作時(shí)全程進(jìn)行視頻傳輸，平時(shí)也不需打開。

上述間斷性工作的設(shè)備用電參數(shù)見表2。

2.3 其他設(shè)備

還有分合閘行程開關(guān)、主控板上的CPU、以太網(wǎng)接口、RS 485接口和RS 232接口等元器件也需要消耗電能，但是由于耗電極少，在配置整體電源容量時(shí)通過(guò)適當(dāng)放大余量，即可滿足需求。綜合以上的分類和敘述，本系統(tǒng)電源樹如圖3所示。

表2 間斷性工作的設(shè)備用電參數(shù)

圖3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)電源樹

3 就地電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算

3.1 在線供電方式的比較與選取

目前常用的輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電方式，主要有如下幾種：①光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)，利用太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)化成電能進(jìn)行供電；②風(fēng)力儲(chǔ)能系統(tǒng)，利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能進(jìn)行供電；③風(fēng)光互補(bǔ)儲(chǔ)能電源系統(tǒng)，綜合前兩種的優(yōu)勢(shì)可實(shí)現(xiàn)白天和夜間的持續(xù)儲(chǔ)能進(jìn)行供電；④導(dǎo)線感應(yīng)取能電源系統(tǒng)，利用在導(dǎo)線上安裝的感應(yīng)線圈或電流互感器將高電壓轉(zhuǎn)化成可直接使用的低電壓進(jìn)行供電。

風(fēng)力儲(chǔ)能系統(tǒng)和風(fēng)光互補(bǔ)儲(chǔ)能系統(tǒng)，在凍雨多發(fā)的地區(qū)，風(fēng)機(jī)極易被冰凍住導(dǎo)致不能有效取能，且安裝融冰裝置的位置一般山區(qū)較多，風(fēng)力資源相對(duì)匱乏，不適合使用；對(duì)于導(dǎo)線取能的方式，適用于直接安裝在導(dǎo)線上的傳感設(shè)備，而地線融冰自動(dòng)接線裝置安裝在接地的鐵塔上，感應(yīng)電場(chǎng)較低，取能效率嚴(yán)重不足，如通過(guò)將取能裝置安裝在導(dǎo)線上，再拉電線給用電設(shè)備供電，則會(huì)有使鐵塔帶電的安全隱患。

因此，經(jīng)綜合比較，最適合本文遠(yuǎn)控系統(tǒng)的在線供電方式為光伏儲(chǔ)能方式，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)布置太陽(yáng)能光伏板，結(jié)合儲(chǔ)能電池給系統(tǒng)的各種設(shè)備供電。

3.2 儲(chǔ)能電池的選型和計(jì)算

1）電池的選型

目前常在低溫條件下使用的儲(chǔ)能電池有鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池等。鉛酸電池雖然價(jià)格低廉、材料豐富，但是相同電池容量的情況下，鉛酸電池的質(zhì)量往往是其他兩種電池的3倍以上，安裝在鐵塔上極其不便，而且其污染性較大，使用壽命較短，需經(jīng)常進(jìn)行更換維護(hù)。

三元鋰電池的能量密度是三種儲(chǔ)能電池中最高的，但根據(jù)近年在工業(yè)上實(shí)際使用的情況來(lái)看，其穩(wěn)定性較差，易發(fā)生自燃事故。磷酸鐵鋰電池在輸電行業(yè)有多年的成功使用經(jīng)驗(yàn)，性能相比三元鋰電池更加穩(wěn)定，雖然其價(jià)格較高，但是其循環(huán)壽命次數(shù)可達(dá)2000次，是三元鋰電池的2倍，是鉛酸電池的7～10倍，從全壽命周期來(lái)看，更適用于本系統(tǒng)的使用。

2）電池的容量計(jì)算（略）

電源系統(tǒng)的電池容量需滿足在最惡劣的儲(chǔ)能條件下，能供應(yīng)各設(shè)備在最大連續(xù)陰雨天內(nèi)的正常運(yùn)行。

首先，主要集中用電的時(shí)間在冬季，因此，在光伏儲(chǔ)能的設(shè)計(jì)上，應(yīng)以光照條件最差的冬季為參考。其次，從國(guó)內(nèi)太陽(yáng)輻照度數(shù)據(jù)來(lái)看，五類地區(qū)的貴州、四川等地最差，最具有代表性。以貴州為例，查詢?cè)摰赜涗浀臍v年氣象數(shù)據(jù)，冬季最多連續(xù)陰雨天數(shù)為20天，在此期間需要進(jìn)行的融冰次數(shù)不超過(guò)10次。以此作為計(jì)算的輸入條件。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇4塊光伏板可滿足對(duì)儲(chǔ)能電池的充電要求。

3.4 電源系統(tǒng)的智能管理

本電源系統(tǒng)需考慮地線融冰自動(dòng)接線裝置遠(yuǎn)程控制操作的特殊性，其在春季、夏季和秋季由于氣候溫暖，不需進(jìn)行裝置操作，光伏方陣的發(fā)電量遠(yuǎn)大于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的使用量，容易導(dǎo)致儲(chǔ)能電池的過(guò)充現(xiàn)象；儲(chǔ)能電池如長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，易引起高溫發(fā)熱，更有甚者導(dǎo)致電池自燃，嚴(yán)重威脅輸電線路的正常運(yùn)行；而在冬季線路覆冰頻繁的時(shí)候，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備集中耗電，電池剩余電量較少，易引起儲(chǔ)能電池的過(guò)放現(xiàn)象；另外如果鋰電池遇到極端低溫狀態(tài)（-20℃以下），很可能會(huì)無(wú)法充放電。

因此，為了避免上述危害的產(chǎn)生，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的充電和放電狀態(tài)的可測(cè)可控，應(yīng)設(shè)置智能電源管理模塊，完成下列工作。

1）光伏組件發(fā)電量和儲(chǔ)能電池用電量的監(jiān)測(cè)管理，并在控制主機(jī)顯示預(yù)估的電池剩余電量、可使用天數(shù)及裝置可進(jìn)行融冰操作的次數(shù)。

2）電池電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理，并在低電壓、過(guò)電壓時(shí)進(jìn)行告警。

3）結(jié)合電氣箱內(nèi)的泄放電阻進(jìn)行電池的活化管理，可根據(jù)電池的充電狀態(tài)啟動(dòng)自動(dòng)活化，也可以在變電站進(jìn)行遠(yuǎn)程啟動(dòng)和停止活化操作。

4）定期進(jìn)行電源系統(tǒng)的自動(dòng)評(píng)估工作，指導(dǎo)電池的維護(hù)，在電池處于異常狀態(tài)時(shí)進(jìn)行報(bào)警，必要時(shí)提醒更換電池。

4 結(jié)論

太陽(yáng)能發(fā)電和儲(chǔ)能電池結(jié)合的方式能夠?yàn)榈鼐€融冰自動(dòng)接線裝置遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)提供就地電源，使其完成遠(yuǎn)程控制操作，可有效解決現(xiàn)有就地操作方式帶來(lái)的融冰效率不高、操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、人身和設(shè)備有安全隱患等問(wèn)題。

本文通過(guò)分析和計(jì)算，對(duì)該供電方式進(jìn)行了論述：

1）通過(guò)對(duì)不同在線取能供電方案的對(duì)比，得出光伏儲(chǔ)能供電的形式更適合于本系統(tǒng)的使用。

2）通過(guò)對(duì)電源系統(tǒng)的計(jì)算，選擇電池額定電壓48V、額定容量110A?h的磷酸鐵鋰電池作為儲(chǔ)能電池，光伏陣列采用4塊160W光伏板進(jìn)行組合，可有效維持冬季的融冰工作。

3）基于就地電源長(zhǎng)期無(wú)故障供電的考慮，需對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行智能電源管理。

按照以上設(shè)計(jì)配置的就地電源系統(tǒng)目前正在試制中，待完成后，即會(huì)在實(shí)際工程中進(jìn)行安裝使用，驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)的正確性。

本文編自2021年第2期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“地線融冰自動(dòng)接線裝置就地電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”，作者為徐望圣、曹偉偉 等。