由輸電線路覆冰引發(fā)的事故嚴(yán)重危害到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。尤其嚴(yán)重的是2008年初，我國(guó)南方地區(qū)遭受百年一遇的特大冰凍自然災(zāi)害，全國(guó)共有近570個(gè)縣級(jí)線路和14個(gè)省級(jí)電網(wǎng)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(zāi)影響而停運(yùn)，分別占冰災(zāi)區(qū)同等電壓等級(jí)線路總條數(shù)的19.01%和9.38%；因?yàn)?zāi)造成全國(guó)人民直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1516.5億元人民幣，包括南方電網(wǎng)直接財(cái)產(chǎn)損失200億元以及國(guó)家電網(wǎng)公司直接財(cái)產(chǎn)損失104.5億元。

2008年2月開始，南方電網(wǎng)公司對(duì)輸電線路的融冰方案進(jìn)行了大量的研究，并且通過(guò)在樞紐變電站安裝直流融冰裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)出導(dǎo)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(yīng)用于地線，需要使用人工接線的方式將融冰電流從導(dǎo)線引至地線。2013年9月，地線融冰自動(dòng)接線裝置研制成功并掛網(wǎng)運(yùn)行，大大提高了地線融冰的自動(dòng)化程度，保障了操作人員的安全。

1 地線融冰自動(dòng)接線裝置的遠(yuǎn)程控制改造

地線融冰自動(dòng)接線裝置在操作上與隔離開關(guān)極為相似，裝置的導(dǎo)電桿等同于可旋轉(zhuǎn)的隔離刀閘。圖1為裝置在鐵塔上的布置圖。在導(dǎo)電桿的末端通過(guò)軟銅絞線與鐵塔頂部的地線進(jìn)行連接，非融冰時(shí)，裝置處于分閘狀態(tài)，導(dǎo)電桿前端的觸頭通過(guò)鎖緊機(jī)構(gòu)懸掛于防護(hù)機(jī)構(gòu)中，當(dāng)需要融冰時(shí)，在塔底操作控制箱，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)即會(huì)帶動(dòng)導(dǎo)電桿向安裝在導(dǎo)線上的合流線夾做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使導(dǎo)電桿端部上的觸頭插入合流線夾上的觸指，完成合閘，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線和地線之間的連接。

在確認(rèn)合閘成功后，通知變電站打開融冰電源進(jìn)行融冰。融冰結(jié)束后，再通過(guò)控制箱進(jìn)行分閘操作，導(dǎo)、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(lián)網(wǎng)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)在輸電行業(yè)中的大力推廣，電網(wǎng)部門已經(jīng)可以通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和掌握輸電線路氣象環(huán)境、導(dǎo)線溫度、導(dǎo)線舞動(dòng)、線路覆冰、桿塔傾斜、人為破壞和異物入侵等情況，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)巡線無(wú)人機(jī)、電力巡檢機(jī)器人等設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

通過(guò)多年的理論研究和實(shí)際應(yīng)用，對(duì)于線路設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和信號(hào)的在線采集、無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸和監(jiān)控系統(tǒng)的建立，完成了一定的技術(shù)儲(chǔ)備。在此基礎(chǔ)上，2018年南方電網(wǎng)公司發(fā)布了《防冰抗冰三年行動(dòng)方案》，指出要研究和推廣應(yīng)用防冰智能技術(shù)，其中，對(duì)于地線融冰自動(dòng)接線裝置，提出要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和操作，并由超高壓輸電公司作為責(zé)任單位施行。

擬進(jìn)行的裝置遠(yuǎn)控改造，形成的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。在鐵塔側(cè)布置傳感設(shè)備、控制設(shè)備、加解密裝置、風(fēng)光互補(bǔ)電源系統(tǒng)等，變電站布置服務(wù)器、控制主機(jī)以及與鐵塔側(cè)對(duì)應(yīng)的加解密裝置等。鐵塔側(cè)的采集終端和電機(jī)等設(shè)備與主控制箱連接，主控制箱通過(guò)定向的APN專網(wǎng)與運(yùn)營(yíng)商路由進(jìn)行通信，再通過(guò)數(shù)據(jù)專線實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商路由到服務(wù)器的連接。

圖2 遠(yuǎn)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的操作流程如下：系統(tǒng)操作人員得到融冰指令，從控制主機(jī)遙控融冰接地開關(guān)分閘，確認(rèn)開關(guān)到位后，合地線融冰自動(dòng)接線裝置，現(xiàn)場(chǎng)配備的狀態(tài)采集設(shè)備得到合閘信號(hào)后，傳送到控制主機(jī)。操作人員再通知變電站起動(dòng)融冰電源，地線開始融冰。待結(jié)束后，融冰電源退出，再遙控地線融冰自動(dòng)接線裝置分閘，合上接地開關(guān)，系統(tǒng)操作結(jié)束。

2 原有的就地執(zhí)行合閘操作的方式

在上述的融冰操作過(guò)程中，裝置是否完成合閘動(dòng)作直接決定了線路能否接通融冰電流，是融冰操作至關(guān)重要的一步。在現(xiàn)有的就地操作方式中，已經(jīng)設(shè)計(jì)了合閘到位時(shí)的電機(jī)保護(hù)和對(duì)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(dǎo)電桿長(zhǎng)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(dān)結(jié)構(gòu)的原因，需避開干涉與豎直方向呈一定角度安裝。

這個(gè)角度由各個(gè)鐵塔橫擔(dān)結(jié)構(gòu)決定，基本上各不相同。由此造成合流線夾與裝置導(dǎo)電桿的相對(duì)位置往往也各不相同，不同鐵塔安裝的導(dǎo)電桿和動(dòng)觸頭在合閘時(shí)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(jìn)行位置確認(rèn)。

而觸頭和觸指的接觸力是固定的，即合閘力的大小和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的扭矩是相對(duì)確定的，因此現(xiàn)階段采用了扭矩限制器控制合閘到位。合閘時(shí)，當(dāng)扭矩超過(guò)扭矩限制器的設(shè)定值時(shí)，扭矩限制器起動(dòng)對(duì)電機(jī)的過(guò)載保護(hù)，激發(fā)限位開關(guān)發(fā)出信號(hào)，就地操作的電氣控制箱接收到信號(hào)之后，切斷電源，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

在以往的現(xiàn)場(chǎng)操作中，扭矩限制器和限位開關(guān)結(jié)合的方式基本上能完成合閘到位信號(hào)的傳輸和控制電機(jī)自動(dòng)停轉(zhuǎn)，但是也偶爾出現(xiàn)限位開關(guān)失靈導(dǎo)致的電機(jī)未自動(dòng)停止的情況。就地操作時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的工作人員可以在塔下即時(shí)觀測(cè)到導(dǎo)電桿的位置狀態(tài)，如在合閘到位后電機(jī)還在旋轉(zhuǎn)，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(yuǎn)控操作合閘過(guò)程可能出現(xiàn)的故障分析

地線融冰自動(dòng)接線裝置在遠(yuǎn)方主機(jī)進(jìn)行控制操作時(shí)，由于裝置所處的鐵塔處已經(jīng)沒(méi)有工作人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀察，極有可能發(fā)生未能察覺(jué)的合閘故障。

一是動(dòng)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(fēng)等原因?qū)е挛恢闷七^(guò)大，或者是導(dǎo)電桿上的動(dòng)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(dǎo)電桿上的動(dòng)觸頭受力于跳線、保護(hù)罩或者靜觸頭前端，在扭矩到達(dá)設(shè)定值時(shí)，同樣會(huì)激發(fā)限位開關(guān)發(fā)出合閘信號(hào)，使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。但此時(shí)的合閘信號(hào)是假信號(hào)，一旦通融冰的大電流會(huì)造成融冰不成功或者裝置、跳線局部發(fā)熱過(guò)高而損毀等事故。

二是合閘操作無(wú)法自動(dòng)停止。

原因可能是扭矩限制器或者限位開關(guān)故障。限位開關(guān)發(fā)生故障時(shí)，在扭矩限制器達(dá)到限定值產(chǎn)生分離后，導(dǎo)電桿停止轉(zhuǎn)動(dòng)，但限位開關(guān)無(wú)法發(fā)出信號(hào)切斷電源，此時(shí)電機(jī)會(huì)一直轉(zhuǎn)動(dòng)。而扭矩限制器若發(fā)生故障，在達(dá)到限定值之后不分離，導(dǎo)電桿會(huì)一直向前旋轉(zhuǎn)，使裝置和跳線發(fā)生機(jī)械破壞。

如出現(xiàn)上述合閘故障不能及時(shí)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(zhǎng)時(shí)間的停電事故。

圖4動(dòng)觸頭碰觸屏蔽罩導(dǎo)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(dǎo)線，必須解決兩個(gè)問(wèn)題：①使用合理有效的手段使電機(jī)及時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；②讓遠(yuǎn)方的操作人員及時(shí)了解當(dāng)前操作過(guò)程中的狀態(tài)。

4 遠(yuǎn)方執(zhí)行合閘操作的方案

4.1 兼容遠(yuǎn)方/就地兩種操作方式

為了提高地線融冰自動(dòng)接線裝置操作的可靠性，在裝置新增遠(yuǎn)方操作方式的同時(shí)，需保留原有的就地操作方式，以備在傳輸通道、網(wǎng)關(guān)設(shè)備等原因造成遠(yuǎn)方操作失效時(shí)，可以由人工攜帶便攜式就地操作箱，到鐵塔下進(jìn)行地線融冰自動(dòng)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(yuǎn)控合閘仍采用扭矩限制器結(jié)合限位開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)到位信號(hào)的觸發(fā)和電機(jī)的停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

4.2 安裝戶外攝像機(jī)進(jìn)行輔助判斷

根據(jù)已分析的遠(yuǎn)控時(shí)易發(fā)生的兩種合閘故障，動(dòng)靜觸頭合閘不到位時(shí)的危害相對(duì)較小，因其電機(jī)可以停止轉(zhuǎn)動(dòng)，僅需新增非同源采集設(shè)備確認(rèn)限位開關(guān)發(fā)出的合閘信號(hào)的正確性，保證不在合閘未到位時(shí)通電，再由工作人員進(jìn)行排障處理即可。

對(duì)于新增的另一種形式的采集設(shè)備，應(yīng)盡量避免高電壓、強(qiáng)磁場(chǎng)的影響，與合流線夾拉開距離，因此使用圖像傳感設(shè)備，即戶外攝像機(jī)進(jìn)行輔助合閘判斷最為合理。

4.3 編制程序進(jìn)行電機(jī)停轉(zhuǎn)和故障定位

合閘操作無(wú)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(guān)故障，都有一個(gè)共同特點(diǎn)，即導(dǎo)電桿到位以后，電機(jī)仍然在繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。只要采取手段使電機(jī)及時(shí)停轉(zhuǎn)，就能有效解決這個(gè)問(wèn)題。

電機(jī)的停轉(zhuǎn)可以通過(guò)對(duì)電源的管理來(lái)實(shí)現(xiàn)，但首先需要確定滿足切斷電源的前提條件。

假設(shè)系統(tǒng)從電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)即啟動(dòng)計(jì)時(shí)，到電機(jī)停轉(zhuǎn)終止計(jì)時(shí)，將產(chǎn)生的這個(gè)時(shí)間參數(shù)定義為裝置的合閘時(shí)間。在同一套裝置的不同次操作中，正常的合閘時(shí)間應(yīng)該在一個(gè)較小范圍的區(qū)間內(nèi)。如果某次合閘時(shí)間已經(jīng)超出這個(gè)區(qū)間且仍在增長(zhǎng)，即認(rèn)為本次操作已經(jīng)滿足主控板切斷電機(jī)電源的前提條件，此時(shí)應(yīng)立即執(zhí)行切斷電源操作，電機(jī)停轉(zhuǎn)。

上述步驟雖完成了電機(jī)的停轉(zhuǎn)，避免了更嚴(yán)重事故的發(fā)生，但是為了盡快處理故障，完成融冰工作，本系統(tǒng)需在設(shè)備故障時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)的初步判斷。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)可知，電機(jī)在扭矩較大時(shí)，其電流處于過(guò)載狀態(tài)，數(shù)值往往是額定電流的數(shù)倍，可將此作為判斷故障點(diǎn)的依據(jù)。

如果是由于限位開關(guān)引起的故障，動(dòng)靜觸頭在合閘過(guò)程中，位置狀態(tài)依次從未接觸、接觸到合閘到位，電流的數(shù)值變化依次為額定電流、過(guò)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(guò)程中，由于電機(jī)在導(dǎo)電桿上的動(dòng)觸頭接觸物體后仍然施加較大扭矩，電流的數(shù)值會(huì)一直停留在過(guò)載電流直至被切斷。

根據(jù)上文描述的電機(jī)電源控制和故障定位的運(yùn)行邏輯，編制合閘控制程序，寫入主控板，可以實(shí)現(xiàn)在合閘故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)停轉(zhuǎn)電機(jī)和在遠(yuǎn)方主機(jī)實(shí)時(shí)顯示設(shè)備故障報(bào)警的功能。

4.4 遠(yuǎn)方執(zhí)行合閘操作的方案綜述

綜上所述，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)方執(zhí)行合閘操作的方案是，仍然用扭矩限制器和限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)電機(jī)停轉(zhuǎn)和信號(hào)發(fā)送；使用視頻攝像機(jī)進(jìn)行合閘位置的輔助判斷；在設(shè)備故障時(shí)由主控制板上的合閘程序執(zhí)行切斷電機(jī)電源操作，并向遠(yuǎn)方主機(jī)實(shí)時(shí)推送報(bào)警信息。此策略具體操作流程如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程控制合閘操作的流程圖

在控制主機(jī)發(fā)出合閘指令后，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用合閘程序，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間t。假設(shè)正常的合閘時(shí)間為t0，誤差為Δt。當(dāng)合閘到位時(shí)間在預(yù)設(shè)的t0±Δt范圍內(nèi)，主控制板接收到合閘到位信號(hào)后自動(dòng)觸發(fā)電機(jī)停轉(zhuǎn)，此時(shí)接入攝像機(jī)的視頻圖像，由工作人員進(jìn)行辨認(rèn)，確認(rèn)合閘到位后，裝置操作結(jié)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(fā)出合閘未到位告警，避免融冰電源通電，同時(shí)派出排障人員進(jìn)行排障處理。當(dāng)在預(yù)設(shè)的合閘到位時(shí)間內(nèi)電機(jī)未能停轉(zhuǎn)，合閘程序啟動(dòng)保護(hù)措施，并進(jìn)行故障分析和告警，具體的程序設(shè)定和執(zhí)行過(guò)程為：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主控制板記錄電機(jī)的運(yùn)行電流I，假設(shè)電機(jī)額定電流為I0，根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置過(guò)載電流為5I0，電機(jī)在運(yùn)行到正常合閘時(shí)間t0之后20s的時(shí)刻，由主控制板切斷電機(jī)電源。

如在切斷之前，檢測(cè)到的電機(jī)運(yùn)行電流I是過(guò)載電流（I＞5I0），可自動(dòng)判斷為扭矩限制器故障并向控制主機(jī)進(jìn)行告警；如在電源切斷之前，電機(jī)的運(yùn)行電流是額定電流，可自動(dòng)判斷為限位開關(guān)故障并向控制主機(jī)進(jìn)行告警。排障人員根據(jù)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(fù)。

5 合閘影像采集攝像機(jī)的選取和安裝

上述策略的實(shí)施需在鐵塔上新裝合閘影像采集攝像機(jī)。預(yù)裝的攝像機(jī)在選型上需要考慮戶外運(yùn)行時(shí)的各種不利因素：

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

另外其本身要滿足IP65以上的防護(hù)等級(jí)，以及要具備抗高電壓、抗高電磁干擾的能力，必要時(shí)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行EMC測(cè)試。

圖6 戶外攝像機(jī)專用防護(hù)罩

攝像機(jī)設(shè)計(jì)專用室外防護(hù)罩進(jìn)行保護(hù)（如圖6所示），該防護(hù)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(shí)還配置雨刷，可定期清除防護(hù)玻璃上的灰塵。

對(duì)于攝像機(jī)的安裝位置，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，選擇在鐵塔上正對(duì)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(dǎo)電桿對(duì)視線的阻擋，動(dòng)靜觸頭接觸狀態(tài)顯示效果最佳，如圖7所示。

圖7 測(cè)試時(shí)攝像機(jī)偏移10°的顯示效果

本項(xiàng)目暫定在試運(yùn)行時(shí)選擇一條線路上的兩臺(tái)地線融冰自動(dòng)接線裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程控制改造，因此在控制主機(jī)端由人工分辨合閘圖像完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原有合閘信號(hào)的有效補(bǔ)充。但是若一條線路上的幾十甚至上百臺(tái)裝置都經(jīng)過(guò)改造后，遠(yuǎn)控系統(tǒng)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(jìn)行圖像判別，會(huì)極易忽略掉關(guān)鍵的信息。

在現(xiàn)有的輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，也存在同樣的問(wèn)題。未經(jīng)處理的各種圖像信息大量匯集到運(yùn)檢人員面前，導(dǎo)致人工方式很難從海量的圖片中獲取有效信息，使監(jiān)測(cè)平臺(tái)使用效率非常低下。

電網(wǎng)部門經(jīng)過(guò)大量研究后發(fā)現(xiàn)，解決此類問(wèn)題最有效的方法是使用圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)分類、檢測(cè)、識(shí)別和跟蹤，完成智能診斷和智能預(yù)警。因此，同樣是通過(guò)采集圖像信息進(jìn)行識(shí)別，本遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)非常適合采用基于深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別技術(shù)來(lái)判斷合閘是否到位。

可在試運(yùn)行后采集海量的地線融冰自動(dòng)接線裝置合閘視頻圖像信息，使用大規(guī)模深層次卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型自動(dòng)學(xué)習(xí)合閘圖像特征，并泛化到實(shí)際場(chǎng)景識(shí)別過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)合閘狀態(tài)的自動(dòng)識(shí)別。

6 結(jié)論

輸電線路地線融冰自動(dòng)接線裝置的遠(yuǎn)程控制改造，可實(shí)現(xiàn)融冰現(xiàn)場(chǎng)無(wú)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(duì)該裝置遠(yuǎn)程控制的改造，最重要的一步是完成裝置的合閘并及時(shí)得知合閘信息。本文從以下幾點(diǎn)對(duì)裝置合閘操作的遠(yuǎn)控改造方案進(jìn)行論述：

1）為實(shí)現(xiàn)就地操作和遠(yuǎn)控操作的兼容性，裝置的遠(yuǎn)控合閘仍采用扭矩限制器結(jié)合限位開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)合閘到位信號(hào)的觸發(fā)。

2）通過(guò)在主控制板寫入合閘操作程序，可保障裝置在元器件發(fā)生故障時(shí)，能及時(shí)停止電機(jī)，并完成故障的定位報(bào)警，指導(dǎo)排障工作。

3）通過(guò)新裝合閘影像采集裝置，輔助判斷合閘狀態(tài)，可有效解決單一方式反饋信號(hào)易發(fā)生誤報(bào)的問(wèn)題，確保了融冰過(guò)程的安全性。

本文所述方案還需經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用的驗(yàn)證，根據(jù)實(shí)際使用的情況來(lái)指導(dǎo)完成地線融冰自動(dòng)接線裝置的遠(yuǎn)控改造。

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