在全球气候变暖加剧的背景下,电网运行和气象条件的关系越来越密切,主要表现在3个方面。①新能源的出力由风速、辐照度等气象条件决定,具有显著的随机性和不确定性。随着电网中新能源比例的不断增加,其不确定性对电网的运行和管理带来新的挑战。气象条件是促进新能源高效消纳和健康发展的重要因素。②输变电设备外部的气象环境对线路,尤其是“三跨”线路、密集输电通道、特高压线路等重点区域的影响越来越显著,线路动态增容、调度预控和事故预想等均依赖于气象状况。气象条件是电网经济高效运行的重要影响因素。③近年来极端天气气候事件发生频率不断攀升,致灾程度日益严重,由其引起的雷击、覆冰、风偏、滑坡和泥石流等灾害导致的电网故障占比高达60%以上。气象条件已成为影响电网安全稳定运行的首要因素。

分析电力气象3类典型场景的具体需求体现在以下几方面:①降低高比例新能源不确定性对电网运行的不利影响,有效途径之一是基于实时准确的新能源场站测风、测光数据,动态优化新能源发电功率预测模型,提升功率预测精度;②输变电设备外部气象环境的实时感知能力,取决于电力气象监测数据的可靠性和实时性;③电力气象灾害预报预警的核心是以电力应用为导向的专业数值天气预报模式,而模式预报预警水平很大程度上依赖于电力气象监测数据生成的模式初始场质量。由此可见,满足电网运行需求的气象传感监测技术的研究应用,是支撑新能源高效消纳、电网安全稳定运行的关键和基础。

气象传感监测技术在电网中的应用,与电力系统在线监测技术的发展过程密不可分。电力系统在线监测技术由美国最先开始应用于设备检修工作[1]。在线监测技术在我国的发展分为4个阶段:第1阶段(1990—2000年),尚未充分认识在线监测的功能,同时电源、通信及传感器发展水平不高,没有形成成熟应用的产品[2];第2阶段(2001—2009年),随着通信传感技术[3]的发展和输电线路运行需求的明确,研发了一系列在线监测产品,包括导线测温、雷击定位、导线舞动、线路覆冰等,但仍存在装置不可靠、运行不稳定等问题;第3阶段(2010—2018年),国家电网有限公司颁布了《输电线路在线监测装置通用技术规范》[4]等多项标准,提出线路运行实现“状态化、标准化和安全化”的总体要求,在线监测技术得到了快速发展;第4阶段(2019年至今),全面实施“电力物联网”和“坚强智能电网”融合发展战略,要求在线连接能源生产与消费各环节的人、机、物,对电网运行状态的核心信息感知设备及电力气象传感监测装置提出了更多新的要求。

气象传感监测技术的发展进步,更是大气科学研究和天气预报、灾害预警业务发展的基础。气象传感监测技术的发展经历了百叶箱仪器、无线电气球探空仪、雷达监测和卫星遥感几个不同时代[5]。目前,已进入了各种传感技术融合应用的全球监测网络时代,并且仍处于不断发展之中。

1、气象传感监测技术的发展应用

1.1气象监测数据的功能

气象监测数据是研究大气运动特征、物理机理和化学变化的直接资料,是开展气象预报、灾害预警、气候预测评估以及各类专业气象服务的基础,气象监测数据的功能与分类如图1所示。气象监测的核心是气象传感器,将其封装或搭载在试验仪器上,完成对风速、风向、温度、湿度、压力等要素的收集,气象监测包括地面气象监测、高空气象监测、大气遥感监测和气象卫星监测等。

图1气象监测数据的功能与分类

目前,全球已形成完备的长期稳定运行的气象监测网络,由各国的地面气象站(包括常规地面气象站、自动气象站和加密气象站)、海上漂浮(固定浮标、飘移浮标)站、船舶站和研究船、无线电探空站、航线飞机观测、火箭探空站、气象卫星及接收站等组成。气象监测数据的功能为:一是实现对常规天气、灾害性天气以及气候的准确监测,是气象业务和大气机理研究的基础;二是为天气预报、灾害预警、气候预估提供重要的观测场资料;三是可用于气象预报预警结果的校准,提升预报预警精度;四是可作为气象预报预警和气候预测的唯一评价标准,客观评估气象服务水平。

1.2气象传感技术原理及典型仪器

1.2.1气象传感监测系统原理及传感技术指标

监测仪器是确定气象要素大小的必要条件。因此,要求气象传感技术能够及时响应待监测的物理量,同时,要能对响应结果进行量化和记录[6]。监测仪器是完成气象要素监测的物理设备,如玻璃液体温度计,但常在物理实体的基础上,还需要硬件和软件的支撑,从而获取结果并对数据进行处理,如无线电探空仪等,称之为传感监测系统。

图2为气象传感监测系统原理图,其中,传感器对所监测的特定参数作出响应,如风速计上旋转的风杯。某些情况下,需要通过变换器进行能量变换,将传感器的响应转换为更方便观测的方式,如转化为电信号的光电传感器。放大器用于增大传感器产生的幅度,其包含了机械、化学、光学、电子等多种原理。

图2气象传感监测系统原理图

气象传感器对待测参数的响应可用多种方式表征,包括实际响应的大小、传感器响应速度、读数的可靠性以及传感器正常工作的参数范围等。重点从传感器响应特性和监测性能质量两方面,阐述传感器技术指标。传感器响应特性指标包括分辨率、灵敏度、线性/非线性、动态范围、时间响应、响应特性(见表1)。传感器监测性能质量术语包含校准/标准、系统不确定性、随机不确定性、精度和准确度(见表2)。

表1传感器响应特性指标

表2传感器监测性能质量术语

1.2.2热敏电阻温度传感器

热敏电阻是具有特殊用途的半导体元件,其电阻随温度的变化十分显著,一般可分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。负温度系数热敏电阻的阻抗特性为:

式中:R是开尔文温度为T时元件的电阻;a和b是给定材料的常数,b又称为特征温度。温度在一定范围内与电阻呈指数相关。热敏电阻的灵敏性非常高,即随着温度的变化,电阻也会有显著的变化。与其他传感器一样,热敏电阻传感器在实际观测中也需要通风和辐射防护罩,但热敏电阻体积小,其响应时间取决于质量和通风速度,一般为1～10s,分辨率为0.02℃。

1.2.3热传感式风速计

热传感式风速计通过加热传感器产生的冷却量来确定风速。有加热电流的细丝传感器,如热线风速计;也有球状的热敏电阻传感器,如热珠风速计。热传感式风速计的工作模式分为2类,一类是将传感器保持在恒定的温度下,测量所需的功率;另一类是以恒定的功率供电来测量传感器的温度。以热线风速计为例,加热电流和气流速度之间存在经验关系,称为金氏定律(King’slaw),将细金属丝两端的电压降与风速联系起来即可得到下式:

式中:V为输出电压;v为风速;A和B为常数。显然这种关系是非线性的,并且灵敏度随着风速的降低呈幂函数增加。由于热传感器的构件很小,响应快,所以热传感式风速计通常用于测量在风洞中的物体的湍流和流动结构。但是它们非常精细,不太适合用于野外监测。

1.3气象传感监测的特点

气象传感监测主要服务于国民经济生产和社会公众生活,监测站点部署在城市周边,为了避免传感器受太阳和大气辐射、强风、雨雪的影响,一般需设计保护罩,如最常见的百叶箱。对传感监测设备的定期维护、周期校准、供电措施、数据记录收集、质量控制、编码上传等都具有一系列的规范和标准[7,8],因此,公共气象监测具有“监测站点城镇化、传感监测稳定可靠”等特点。

2、电力气象传感监测的总体架构

电力气象传感监测依据部署及应用场景的不同,可分为面向新能源场站的测风、测光监测网络和面向输变电线路/设备的在线气象监测系统。

1)新能源场站的测风、测光数据按照“场–省–分–国”的路径,经电力调度数据专用网络,通过SFTP、FTP、102协议传输到省调中心,再以小邮件的形式逐步汇集上传分调中心和国调中心,最后将集中开展数据的处理、分析及新能源功率预测等应用。

2)输变电线路/设备在线监测系统[9,10,11]核心流程为:首先采用状态监测装置,结合多种信息通信网络[12,13,14,15],实现对输电线路、杆塔以及绝缘子的微气象等状态信息的全面传感监测;其次通过线路状态监测代理实现所有线路在线监测装置的标准化接入[16];最后应用生产管理信息系统实现输电线路运行状态评估与预警等高级应用。

综合分析新能源场站测风、测光网络和输变电设备在线监测系统各环节功能和特征,结合电力物联网“状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活”的总体要求,给出电力气象传感监测总体架构如图3所示,分为气象信息感知层、监测数据传输层、数据融合分析层和高级应用层。

气象信息感知层主要是指通过各类电力气象传感器,获得气象监测数据;监测数据传输层则通过有线或无线网络,结合相关通信协议,实现电力气象监测数据的实时、可靠传输;数据融合分析层开展电力气象数据的质量控制、气象信息与电网故障的关联分析、电力气象预报预警模型及定制化数值模式同化及校准等工作;高级应用层包括新能源发电功率预测、输电线路典型气象灾害监测预警、线路运行状态评估等模块,充分挖掘气象监测数据价值,实现气象信息对电网业务的全面支撑。

图3电力气象传感监测总体架构

3、电力气象传感技术及应用

3.1无线传感器网络技术的应用

基于无线传感器网络技术[17],组建电力气象传感网,开展电力气象的传感监测。电力气象传感网具有无线组网的特征,包括移动性、间断性、多跳性等[18,19,20],除此之外,其在组网方面表现出网络规模大、高密度、动态性强、方便部署以及可靠性等特点。

电力气象传感网的监测流程为:输变电线路/设备微气象信息的采集由传感器节点完成,传感器节点的核心是气象专业传感器,搭配无线数据处理与发送模块封装而成;传感器节点在采集自身数据发送给通信基站外,还负责中转其他传感器节点的采集数据,通过自组织、多跳方式完成电力气象数据的收集与发送,并将所有传感器节点的数据汇集到汇聚节点;汇聚节点接受传感器节点的气象监测数据,再通过互联网或GPRS(GeneralPacketRadioService)网络,将数据发送到支撑应用的远程服务器。

3.2光纤传感技术的应用

光纤传感技术具有抗电磁干扰能力强、绝缘性好、无需额外电源等优点,满足自动化、无源化的发展趋势,完全适用于输变电线路环境微气象条件的监测[21]。

以光纤风速传感器[22]为例,光纤光栅传感器固定在2片距离较近的铁片上,前端铁片能自由活动,而后端铁片位置固定,且2铁片互不接触。当传感器挡板迎风受到风的压力时,前端铁片受力而发生位移,向后端铁片移动,将挡板所受压力转化为光纤传感器的波长漂移。依据风压W与风速v的下述关系:

式中:k为系数,与传感器设计结构有关,通过风洞实验确定;ρ为空气密度。传感器挡板所受压力F为:

式中:S为挡板面积。通过测量挡板所受的压力,即可计算出实时的风速。

3.3输变电设备物联网的应用

输变电设备物联网是以智能化输变电设备为基础,通过智能传感器、射频识别[23]等智能感知设备,采用ZigBee[24]、蓝牙、GPRS等通信技术和以云计算[25]为代表的智能信息处理技术,对输变电设备的运行状态、气象、环境等信息整合集成,实现输变电设备的状态智能感知、数据灵活传输、运行动态控制的一种电力系统应用网络[26]。

输变电设备物联网的核心为智能感知层和数据通信层。智能感知层包括智能传感器、电子标签[27]、红外感应器等,实现对输变电线路、杆塔、绝缘子等运行状态及微气象环境信息的采集;数据通信层提供数据传输通道,无论有线网还是无线网,都需根据流量和传输路径划分逻辑子网,保证传输网络的实时性和准确性。

3.4智能传感技术的应用

基于微机电系统技术的智能传感器,具有体积小、功耗低、质量轻、成本低、高度集成、性能稳定和多技术融合等特点,在输电线路监测方面,不仅可对线路周边环境(温度、湿度、风速、风向、雨量等)进行监测,同时也可以观测线路运行状态(绝缘子串拉力、绝缘子串风偏角、绝缘子串倾斜角等)。智能传感器应用于输电线路运行数据的采集,具有数据稳定、抗干扰、测量精度高的优势,为电网系统运行管理、故障诊断提供了良好的基础。

输电线路气象在线监测主要获取温度、湿度、风速、风向、雨量、辐照度等气象数据。智能传感器类型及工作原理等信息如表3所示。

表3智能传感器类型及工作原理

4、电力气象传感技术的发展趋势

4.1电力气象传感监测装置的集成化

目前,电力气象传感监测装置的主要功能是气象信息的采集与传输,数据分析与计算是通过接入网关实现的。未来气象监测数据的采集、质控、分析、预报预警等模块将逐步集成到气象传感监测装置中,同时还将集成协议转换和数据加密等功能,气象传感监测装置将向小能耗、小体积、低成本、长寿命、高可靠、集成化的方向发展。

4.2电力气象传感监测信息的智能化

传统的气象传感监测仅完成简单的数据采集工作,而数据质量控制、初步分析、预报预警等均依赖于人工经验和后台服务器计算,工作量较大,时效性不强,监测信息处理的效果不理想。而且基于先进传感器技术,可实现各类电力系统运行数据的监测,如何应用智能算法提升数据价值,也是电力物联网研究的重要领域。未来电力气象监测将引入以边缘计算为代表的智能算法,重点以装置域和网络域为计算对象,实现海量气象监测数据的初步筛选、研判和优化等工作,显著提升气象监测数据的可靠性。

4.3电力气象传感监测布局的网络化

电力物联网对气象信息感知的广度、深度和密度提出了更高需求,在气象传感监测装置集成化和监测信息处理智能化发展的基础上,根据输电线路的特点,将监测区域构建为气象传感器网络,以最小经济投入覆盖最大监测范围为优化目标,研究电力气象传感监测网络的优化布局技术,提升电力气象监测效率,实现覆盖范围广、监测站点少、观测质量高的目标。

5、结语

随着全球气候变暖的加剧和新能源的迅猛发展,气象条件对电网安全稳定运行的影响日益显著。电力物联网的建设实施,对气象信息的感知及应用也提出了新的需求。研究气象传感监测技术在电网中的应用是解决气象对电网运行诸多不利影响的基础,本文从气象传感监测数据的功能、原理及传感特性指标出发,在介绍典型气象传感器的基础上,分析给出了电力气象传感监测的总体架构,重点对几类电力气象传感技术的发展及应用情况进行了详细分析说明,包括无线传感器网络技术、光纤传感技术、输变电设备物联网技术和MEMS智能传感技术等,最后指出了未来电网对气象传感技术新的需求及电力气象传感技术的发展趋势。

气象传感监测装置将向集成化的方向发展,逐步嵌入分析、计算等模块,甚至集成转换协议和数据加密等功能。气象传感监测信息的处理将更加智能化,首先是以边缘计算为代表的智能算法的应用,可在传感装置和网关嵌入轻量级智能算法,提升传感装置的智能化。电力气象传感监测布局将向网络化的方向发展,应用物联网技术,结合输电线路特点,将监测区域构建为气象传感器网络,并开展电力气象传感监测网络的布局优化技术研究,以期提升电力气象监测效率,全面支撑电力物联网建设。

参考文献：

[1]杨勋晓.高压输电线路在线监测系统的设计与研究[D].北京:北京交通大学,2011.

[2]黄新波.输电线路在线监测与故障诊断[M].北京:中国电力出版社,2008.

[3]刘丽榕,王玉东,肖智宏,等.输电线路在线监测系统通信传输方式研究[J].电力系统通信,2011,32(4):20-24.

[4]国家电网公司.输电线路状态监测装置通用技术规范:Q/GDW1242—2015[S].2016.

[5]GILESHR.大气探测原理与仪器技术[M].文晓航,韩琳,范广州,译.北京:科学出版社,2019.

[6]浦一芬,戴新刚,张人禾,等.大气科学研究方法[M].北京:科学出版社,2015.

[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.地面气象观测规范:GB/T35221—2017[S].北京:中国标准出版社,2017.

[8]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.自动气象站观测规范:GB/T33703—2017[S].北京:中国标准出版社,2017.

[9]国家电网公司.输电线路状态监测代理技术规范:Q/GDW563—2010[S].北京:中国电力出版社,2010.

[10]国家电网公司.输电线路气象监测装置技术规范:Q/GDW1243—2015[S].北京:中国电力出版社,2016.

[11]黄新波,蒋兴良.智能电网输电线路在线监测技术进展[J].广东电力,2014,27(6):72-76.

[12]任雁铭,操丰梅,唐喜,等.智能电网的通信技术标准化建议[J].电力系统自动化,2011,35(3):1-4.

[13]霍司天.智能输电网信息安全技术研究[D].北京:华北电力大学,2011.

[14]陶耕,焦群,何迎利,等.输电线路状态监测通信系统的应用[J].电力系统通信,2011,32(12):11-14.

[15]陈建军,马慧英,谭卫东,等.OPPC光缆在电网中的应用分析[J].电力建设,2009,30(8):132-132.

[16]李鹏,黄新波,赵隆,等.智能输电线路状态监测代理的研究与设计[J].中国电机工程学报,2013,33(16):153-161.

[17]孙利民.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.

[21]况庆强,罗开基,桑明煌,等.基于相关连续波的布里渊传感技术[J].光通信技术,2004,28(12):54-56.

[22]李星谕.智能电网中光纤式微气象监测系统关键技术研究[D].北京:北京邮电大学,2016.

[26]何杰.输变电设备物联网关键技术研究[D].长沙:湖南大学,2013.

靳双龙,迟永宁,王勃,刘晓琳.气象传感监测技术在电网中的应用研究[J].电力信息与通信技术,2020,18(04):84-90.

基金:国家电网有限公司总部科技项目资助“广泛互联的天-地-网气象观测及数据融合技术研究”(5200-201955490A-0-0-00).