关键词： 无人机   YOLO   轻量化   绝缘子缺陷   目标识别  

摘要： 近年来,随着中国经济快速发展,各行业对电力的需求日益增长,电力系统中不可避免地出现了长距离电力输送,这使得电力系统的输电线路规模不断增大。绝缘子是输变电系统的重要组成部分,起着支撑、绝缘等作用。由于绝缘子处于荒野环境中,受到日晒雨淋、风雪温度变化等因素的影响,加之高压环境的影响,随着运行时间的延长,绝缘子极易发生爆裂等故障,若得不到及时更换,将严重影响线路的安全运行,所以利用无人机采集的绝缘子图像信息进行绝缘子缺陷识别具有重要的工程意义。因此,研究的主要内容如下:本文首先通过对国内外自动化巡检、图像处理、图像识别等方面的研究现状进行调研,总结现有研究中存在的不足;其次,针对输电线无人机巡检时所采集到的绝缘子缺陷图像特征,分别从图像预处理、图像识别等方面展开研究;最后,针对无人机巡检输电线路实际需求,完成无人机巡检系统的相关设计。在图像预处理阶段,为了解决训练样本不足的问题,利用数据增强技术对训练样本进行了扩充。针对复杂多变的外部环境扰动,研究图像增强与分割算法,利用色彩、亮度、对比度、几何变换等方法对绝缘子缺陷图像进行预处理,提高图像质量,保证基础数据的准确性与有效性,提高检测模型对图像的分析与理解能力。在缺陷识别阶段,采用轻量化改进YOLOv5模型对绝缘子及其缺陷进行识别,从而检测出异常的绝缘子。首先针对不同的轻量化网络PP-LCNet和Ghost Net网络,经对比试验得出Ghost网络识别效果更好,因此选用Ghost Net网络重构原始YOLOv5,实现模型参数缩减,提高终端识别效率;在网络头部引入CA注意力机制,进一步提升模型对小目标的提取能力;最后将特征融合网络改进为增强EPANet。改进后的轻量化网络与原YOLOv5相比,m AP提升1.1%,模型量压缩34.9%,FPS得到极大提升,满足无人机等设备的绝缘子缺陷识别需求。无人机巡检系统的设计阶段,无人机飞行控制部分,选用STM32F103C8T6作为主处理器,对其遥控模块、传感器模块、串口模块等进行了设计。图像处理部分,设计了以Hi3519V101芯片为核心的拍摄与处理模块,并对相机及其传感器进行了选型。利用上述无人机巡检系统完成了某供电公司800余电力杆塔的巡检,并测试验证了其拍摄与识别性能。

摘要： 随着社会经济的持续发展,用户对输电线路的运维效率及效果提出了更高要求。基于此,本文总结了传统输电线路运维管理存在的问题,简要介绍了以大数据分析为基础的输电线路精益化运维管理策略,以期促进输电线路运维管理从劳动密集型向技术密集型转型发展,减小运维管理人员的工作强度,确保输电线路持续稳定运行。

关键词： 多端直流   故障诊断   深度学习   卷积神经网络  

摘要： 高压直流输电技术高速发展,逐步呈现出从两端到多端直流输电系统的发展趋势,多端直流输电线路故障时存在故障电流上升速度快、峰值大和不易定位等特点,同时多端直流输电网具有线路支数多,跨距远和所处地形复杂等缺点,增加了巡线检修的难度。准确、快速的判断出故障线路和类型对于提高巡线效率、快速恢复故障、减少停电损失、确保可靠供电具有重要意义。本文研究基于深度学习的多端直流输电线路故障诊断方法。分析多端直流输电网的运行方式和特性,在PSCAD/EMTDC中搭建四端直流输电网仿真模型,通过Random模块随机改变故障属性模拟不同故障工况,为提升获取故障样本数据的效率将模型进行批量化仿真,将获取的故障样本数据进行预处理,作为深度学习模型的故障诊断特征数据集,应用于深度学习算法在多端直流输电线路故障诊断中的研究。建立深度置信网络(Deep Belief Nets,DBN)、长短时记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)和卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)三种具有较强特征提取能力的模型,比较三种故障诊断模型针对多端直流输电线路诊断准确率以及训练过程的差异,仿真结果表明,DBN有过拟合风险以及训练过程较为困难,LSTM训练时间较长,CNN识别准确率最高,训练时间也最短。将30dB-70dB信噪比高斯白噪声的故障样本输入到DBN、LSTM和CNN三种已经训练好网络模型中进行测试,仿真结果表明,CNN抗干扰能力较为突出。研究CNN不同配置参数对故障诊断的影响并进行优化,给出较佳CNN网络参数模型。通过t-SNE算法对CNN模型输出进行可视化,表现出同一种故障数据存在聚集现象,不同故障类型数据之间不存在重叠且有明显边界,故CNN具有良好的特征提取能力。将CNN用于多端直流输电线路故障诊断,仿真结果表明,CNN具有很高的故障诊断准确率,针对故障类型和故障线路的诊断准确率分别达到了 99.92%和99.97%,适合用于多端直流输电线路的故障诊断,且几乎不受故障位置、故障类型、故障线路和过渡电阻的影响。

关键词： 高压输电线路   在线监测设备   谐波提取   射频取电   无线电能传输  

摘要： 高压输电线路的安全运行关乎到社会的稳定与经济发展。在我国,高压输电线路分布范围广泛,传输线路之间距离远,输电线路在未来的发展中将会面对更多的困难和挑战。为了保证输电线路安全运行,对输电线路进行在线监测是至关重要的一个环节。在输电线路在线监测的研究发展领域,电力供应问题逐渐成为在线监测的重要障碍。针对以上问题,本文基于射频能量传输技术的基础上,设计了高压输电线路在线监测设备供电系统,该系统通过提取电力系统中的谐波能量,将射频无线传输技术与磁感应相结合,将从电路提取的谐波能量进一步转化为射频能量,通过无线能量传输跨越高压绝缘的安全距离,将射频能量传输到杆塔上的射频取电装置,射频取电装置将射频能量转换为稳定的直流电能。主要研究内容:(1)对基于无线能量传输技术高压输电线路监控设备供电系统进行总体设计。总体设计分为四个部分:高压输电线路谐波能量提取电路设计、射频电能发射装置电源设计、射频电能发射装置设计和射频电能取电装置设计。(2)提取谐波能量是在无源滤波器的基本原理和相关参数设计方法的基础上,再通过结合磁通原理进行提取。本文提出了一种将三绕组变压器的初级侧连接单调谐滤波器,次级侧绕组采用滞环比较PWM电流控制方法。通过有源补偿方式,产生与一次侧大小相同、方向相反的基波补偿电流,使铁芯基波磁通量整体等效为零,串联变压器的一次侧对基波呈现近似零的漏阻抗,对谐波呈现较高的激励阻抗,基波电流平稳地流过变压器,而谐波由另一端的次级绕组提取。利用MATLAB建立单相谐波能量提取的仿真电路模型,对获得的谐波提取电路中的波形进行FFT变换,观察频谱分布,测试谐波提取电路的有效性,计算出所提取谐波能量的大小。(3)射频电能发射装置电源的设计包括线圈匝数的设计、铁芯材料的选择以及隔离保护电路设计。电源利用电磁感应原理耦合谐波电能,通过浪涌保护、整流滤波、稳压和DC-DC电路将谐波电能转换为稳定的直流电压,为射频电能发射设备供电。(4)射频电能发射及射频取电装置是采用Altium Designer进行电路设计,并利用PCB板制成实物。射频发射端选择集成射频无线收发器芯片,使整个射频传输设备更加集成化、智能化和小型化。射频取电装置是基于7阶整流倍压拓扑电路结构,使射频取电装置具有更高的输出电压和输出功率,为监测设备提供稳定的直流电源。最后,基于射频取电无线电能传输技术的高压输电线路监测设备供电系统,在传输设备的传输功率为7W前提下,射频取电装置可在高压输电线路安全绝缘距离外,采集到使在线监测设备正常运行的工作电压,实现在线监测设备稳定高效供电目标。

关键词： 逆变型电源   输电线路   故障分析   单端量保护   方向元件   动态模拟试验  

摘要： 随着碳达峰、碳中和目标的提出,我国能源转型进程进一步加快,新增风电、光伏装机容量连续多年居世界第一。我国风能、太阳能及负荷的分布特征决定了风电、太阳能发电的规模化接入、集中式送出是主要的可再生能源开发方式。大容量逆变型电源场站多点密集接入是规模化逆变型电源接入电力系统的显著特征,直驱风电机组、光伏发电机组等逆变型电源的复杂高阶电磁暂态模型和故障期间非线性受控特性使得规模化逆变型电源接入系统的故障分析面临较大困难,同时规模化逆变型电源接入系统带来的故障特征变化导致基于工频相量的传统输电线路单端量保护性能劣化难以适应。完善规模化逆变型电源接入系统故障分析、提出适应规模化逆变型电源接入系统的线路单端量保护新原理是亟待解决的问题,对电力系统的安全、稳定运行至关重要。本文在国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助下,主要围绕规模化逆变型电源接入系统故障分析和线路单端量保护开展研究。 规模化逆变型电源接入系统的故障分析是提出保护新原理的基础。在综合考虑逆变型电源结构和控制策略的基础上,推导了两相同步速坐标系(dq坐标系)下逆变型电源故障电流各分量的暂态和稳态表达式。为了提高规模化逆变型电源接入系统的故障电磁暂态仿真分析效率,在逆变型电源故障分析的基础上,基于故障后逆变型电源内部有功功率平衡的原则,提出了故障远区逆变型电源的简化模型。利用故障远区逆变型电源简化模型,通过大量仿真对规模化逆变型电源接入系统的故障特征进行了分析。规模化逆变型电源接入系统的故障分析结果指出基于工频相量的线路保护在非场站送出线输电线路中适应性良好,基于工频相量的线路单端量保护在逆变型电源场站送出线适应性问题突出,研究送出线保护时送出线外接系统可以等效为戴维南等值电路。基于dq坐标系的逆变型电源故障电流解析分析为后续送出线单端量保护新原理的提出奠定了基础。 线路保护近区故障方向判别是逆变型电源场站送出线单端量保护亟需解决的问题。在dq坐标系下逆变型电源故障电流解析分析的基础上,进一步研究了送出线逆变型电源侧保护近区正向故障后短时间内电流d轴分量变化特征;推导了送出线逆变型电源侧保护近区反向故障电流暂态表达式,综合考虑多种影响因素通过解析计算全面地分析了故障后短时间内电流d轴分量变化特征。在此基础上,提出了基于d轴电流短时变化特征的送出线保护近区故障方向元件。仿真结果表明提出的方向元件在故障后能够快速、可靠地判断送出线保护近区故障方向,逆变型电源类型、故障穿越控制策略、逆变型电源场站输出功率、外接系统短路比等因素的变化不影响方向元件动作性能,方向元件仅在电压过零时刻发生故障时存在灵敏度不足的现象。 充分利用故障后不同时段电气量特征是提升单端量方向元件灵敏度与可靠性的有效手段,基于逆变型电源正序无功电流特征提出了基于正序无功电流测量值和计算值欧氏距离的保护近区故障方向判据,并结合基于电压源故障特征的电压方向判据提出了适用于送出线保护近区故障的基于测量值和计算值比较的方向元件。综合基于d轴电流短时变化特征的方向元件、基于测量值和计算值比较的方向元件以及等传变距离元件构建了融合多时段方向元件的逆变型电源场站送出线单端量保护方案。仿真结果表明融合多时段方向元件的单端量保护方案在逆变型电源场站送出线的各种故障工况下都能够准确地判断区内外故障;当基于d轴电流短时变化特征的方向元件灵敏度不足时,基于测量值和计算值比较的方向元件能够可靠地判断保护近区故障方向;等传变距离元件能够快速可靠地识别线路非保护近区故障。 电力系统动态模拟试验是验证保护性能的重要手段之一,基于典型的逆变型电源场站并网系统结构搭建了动态模拟试验模型,通过动模试验数据对基于d轴电流短时变化特征的方向元件及融合多时段方向元件的逆变型电源场站送出线单端量保护方案进行了全面验证。结果表明基于d轴电流短时变化特征的方向元件能够快速、可靠地判断逆变型电源场站送出线路保护近区故障方向,融合多时段方向元件的单端量保护方案在各种故障工况下都能够快速、可靠地判断区内外故障。 最后总结了全文工作,凝练了主要创新点,对下一步研究工作进行了展望。

关键词： 特高压输电   红外图像   目标识别   计算机视觉   无人机巡检  

摘要： 为响应国家号召,电力行业一直在积极发展绿色电力,以减少发电所产生的温室气体。由于我国的能源分布不均,西部和北部地区资源相对较为丰富,并且在可再生能源方面拥有巨大的潜力。东部和南部发达地区则面临着日益增长的用电需求和不足的能源供应。特高压输电网络被称为“电力领域的5G网络”,它具有传输距离远、损耗低、占地面积小等优点,可以为解决能源分布不均和跨越长距离输电提供解决方案。为保证电网的安全稳定,定期对特高压输电线路巡检是非常有必要的。然而,传统的人工巡检需要大量的人力和物力,成本较高,效率较低,而且存在安全隐患。此外,人的主观性和疲劳程度也可能会影响检查的准确性和全面性。所以,引入无人机技术进行电力线路巡检,可以提高效率,降低成本,减少安全风险,提高检查的准确性和全面性。红外热图像也可以快速捕捉电力线路绝缘设备的异常温度,有利于及早发现隐患,防止故障事故的发生。如果要实现自动化巡检,就必须使其能识别出特高压线路上的绝缘设备,本文主要使用特高压线路耐张线夹部位的红外图像作为数据集,对绝缘子、间隔棒和均压环三类绝缘设备进行识别方法研究。首先,本文对卷积神经网络与目标检测算法相关理论进行介绍,为提高目标识别模型的各方面性能,对YOLOv4、YOLOv5模型分别进行改进,在深度可分离卷积中加入膨胀卷积核,有效的增加输出单元的感受野。使用D-Mobile Net V3替换了YOLOv4中的CSPDarknet53网络,使得模型更加轻量化,提高识别速度。在YOLOv5中加入CBAM和SENet,使模型更好地捕捉特高压输电线路绝缘设备的特征,并且保持高精度的同时保证较快的检测速度。其次,使用特高压线路耐张线夹部位红外图像严格制作数据集,针对红外图像拍摄过程中受各种因素的影响,易出现模糊、噪声等问题,使用基于压缩感知的盲超分辨率方法,提升纹理细节,便于模型提取更深层次的特征信息。同时,使用HJS原理,实现图像扩充,增加了数据集数量。在模型的训练过程中引入Mosaic数据增强、学习率衰减、选取合理的先验框数量、调整测试集与训练集比例等得到最优模型。最后,将改进的目标识别模型与Faster RCNN、SSD、YOLOv4等常见目标识别模型对同一测试集分别进行识别,发现改进模型在性能有明显提升。提出的改进YOLOv4目标识别模型m AP达95.91%,模型大小只有55.53MB,但又保持了较高的精度,可以满足日常电力巡检时对移动端或嵌入式设备的轻量化和准确性要求。提出的改进YOLOv5目标识别模型m AP可达97.33%,模型大小只有37.1MB,识别速度较快,准确率较高。实验结果表明,本文提出的改进算法不仅实现了对红外图像中绝缘设备的准确检测,而且具有更强的鲁棒性和泛化能力。有利于运维人员准确掌握设备运行状态,为特高压输电线路的日常无人机巡检提供参考。

关键词： 输电线路   防雷   保护间隙   电弧   灭弧  

摘要： 自然界中频繁发生的雷击现象是高压输电线路面临的最大危害,由雷击造成跳闸导致的输电线路停电事故经济损失日趋严重。抑制雷击跳闸率的关键是抑制建弧率,即抑制雷击冲击闪络演化成为稳态工频短路电弧。因此,深入研究抑制雷击建弧率的灭弧理论,开发大开断能力,具备有效灭弧功能的装置对提高输电线路安全,解决现有输电线路防雷技术困难具有十分重要的意义。 本文首先对比分析了国内外普遍采用的“疏导型”和“阻塞型”两种输电线路防雷保护方法,针对目前防雷设备存在的弊端,本文基于“疏导型”的保护原理,通过对电弧模型、电弧等离子体的物理特性、电弧的能量过程以及重燃和熄灭原理进行了深入分析,研究设计了一种基于高耦合分裂电抗器的限流型多腔室灭弧防雷装置。 本文对基于高耦合分裂电抗器的限流型多腔室灭弧防雷装置进行多物理场的耦合计算,采取间接耦合与直接耦合相结合的原则,综合分析基于高耦合分裂电抗器的限流型多腔室灭弧防雷装置在电、热、力综合作用下的应力分布特性。将基于高耦合分裂电抗器的限流型多腔室灭弧防雷装置几何模型导入多物理场耦合计算模型中进行网格划分;设定电场、磁场参数,计算电抗器在操作冲击电压下的电场分布,得出磁场分布及其损耗计算结果,将其作为热源作为温度场参数导入。进行温度场-流场流固耦合计算,将计算得到的温度场、磁场结果导入到应力场,以此计算电抗器热应力,通过安培定律计算电抗器电动力。由此,实现基于高耦合分裂电抗器的限流型多腔室灭弧防雷装置绝缘在电、热、力综合作用下的应力特性分布的计算。进而研究基于高耦合分裂电抗器的限流型多腔室灭弧防雷装置的环氧树脂绝缘在电场、温度场以及力场三者综合作用下的绝缘性能和机械性能的劣化过程。 通过ANSYS软件对本文提出的基于高耦合分裂电抗器的限流型多腔室灭弧防雷装置进行电弧等离子体高耦合分裂电抗深度限流仿真、多腔室中自膨胀效应高效传热仿真、灭弧通道内对流传热效应下快速熄灭的仿真,将仿真得到的电弧温度、流速、电流密度等实验数据进行综合分析,证明了装置在5ms内能够有效的熄灭电弧,验证本文提出系统的理论正确性。 通过高压试验,获取电弧等离子体从工频续流形成到稳态电弧持续燃烧以及最终熄灭的全过程,利用示波器记录装置动作以及电弧熄灭的具体时间,对照ANSYS仿真实验数据,分析装置熄灭电弧的过程原理,验证了本文提出的基于高耦合分裂电抗器的限流型多腔室灭弧防雷装置的实验可行性。

关键词： 压电悬臂梁   电磁悬臂梁   复合式能量收集器   在线监测系统   输电线路  

摘要： 随着无线传感网络的发展和进步,智能电网技术的广泛应用,输电线路的供电能力也在不断提升。输电线路是国家电力系统的重要组成部分,在线监测系统对电网的正常运行和高效利用尤为重要。当前输电线路在线监测系统大多数采用太阳能-电池供电或通过取能线圈获取能量从而提供电源。但前者受环境影响较大,且定期更换电池不方便,后者只能用于高压环境下供电。因此供电方式是在线监测技术发展的难题之一。转化环境中的振动能可以有效解决供电问题。振动能成本低廉,是一种很好的可再生能源。振动能转换目前有四种方法:电磁式、压电式、静电式、磁致伸缩式。本文针对可再生能源-振动能供电技术进行研究与设计。将压电和电磁两种方法耦合在一起,提出一种压电-电磁耦合能量采集装置,作为在线监测系统中传感器的供电方式。主要从以下几个方面进行研究:(1)理论分析。根据振动原理、电磁原理和压电原理的知识,建立了压电、电磁和压电-电磁复合式的数学模型。并分析各个部分的输出性能。分析结果表明,对于单一的能量收集,这种复合式的能量收集器的输出功率明显提高。(2)有限元仿真分析。利用COMSOL软件对不同形状的压电梁和磁铁线圈进行仿真。分析得出最优形状压电片进行耦合。在耦合条件下,将压电电磁仿真结合起来,得到复合式装置的仿真模型。对单压电发电、单电磁发电和耦合后复合发电装置进行了稳态分析、模态分析和谐响应分析。并且分析单一条件下和耦合条件下最优阻抗的输出性能。(3)振动装置制作。通过理论分析和有限元仿真结果制作实验所需器件。制作铍青铜材料的悬臂梁、漆包铜线圈和不同形状PZH-5H压电片。(4)能量收集电路设计。为了把压电-电磁复合式悬臂梁装置产生的电荷有效的利用起来,并存储起来。首先设计全控整流电路;其次针对各自的性能设计能量管理电路;最后进行升压电路的转化,转化后可以直接给传感器进行供电。从而给输电线路的电子设备提供良好的供电方法。(5)实验验证。根据上述制作压电-电磁悬臂梁发电装置的样机,建立实验平台对装置进行测试。实验结果表明:单压电的输出功率可以达到26.82 m W。单电磁的输出功率可以达到16.43 m W。耦合后复合能量收集装置的输出功率达到了36.57 m W。同数学模型和有限元分析比较,输出性能基本一致且波动范围较小,从而证实了实验的可行性。

关键词： 输电线路   杆塔接地网   降阻特性   散流作用   微地形特征  

摘要： 随着科技与经济的蓬勃发展，各行各业对于电量的需求正逐年上涨，电网规模也随之不断扩大，特别是位于城市工业区，大量输电线路并行搭建运行。此外，由于输电线路跨越范围广，部分杆塔架设于山脊、山腰、山脚等土壤类型差异较大的高山地区，或者架设在耕地、公路、建筑物附近乃至山谷茂林之中。上述地形环境易产生杆塔接地施工面积有限、难以敷设长距离外延接地极等降阻问题。本文针对考虑微地形特征的杆塔接地网降阻技术进行研究，主要研究内容如下：　　（1）针对平原地形下杆塔互连接地网的降阻研究。仿真对比互连接地网和方框带射线型接地网的降阻差异，优化互连接地网的结构，并进一步分析分块土壤环境下互连接地网的接地特性，研究结果发现：在工频电流作用下，相同土壤环境互连接地网的降阻效率高出方框带射线型接地网27%;随着互连接地极长度的延伸，互连接地网的降阻效率也在逐渐提高，当互连接地极长度为80m时，雷击互连接地网的降阻效率高于方框带射线型接地网11.61%。当敷设互连接地极的数量由1根添加到5根时，接地网的降阻效率最高可以提升22.53%。同时，在分块土壤环境下，通过与低土壤电阻率区域的接地网互连，能够明显改善高电阻率环境下杆塔接地网的散流特性。　　（2）考虑复杂山体地形下杆塔互连接地网的接地特性。构建山体土壤结构模型，利用CDEGS软件分析山体杆塔接地网互连时的降阻效果，研究结果表明：在雷电流作用下，山脊杆塔互连接地网的降阻效率可达到50%以上;山腰杆塔接地网互连时，高海拔接地网宜采取下延互连方式，而低海拔接地网可采取侧延互连方式;在山脊杆塔与山腰杆塔接地网互连或山腰杆塔与山脚杆塔接地网互连的情况下，雷击高处杆塔时互连接地网的降阻效率明显高于低处杆塔遭受雷击的情况。　　（3）针对杆塔分支式外延接地网的接地特性研究。仿真计算单分支式与多分支式外延接地网的降阻特性;分析不平衡分支式外延接地网和不同土壤环境的多向分支式外延接地网的接地特性;并以实际工程验证了分支式外延降阻结构的降阻优势，研究结果指出：同等外延接地极长度下，分支接地极比例为1/3的单分支式外延接地网的降阻效果略优，在多分支式外延接地网中，三分支式外延接地网具备高降阻效率和占地面积小的特点。当杆塔遭受雷击时，不平衡分支式外延接地网的分流系数超过60%，这极大地缓解了主接地网的散流压力。平原地形下，四向分支式外延接地网的降阻特性更佳，其中近水源侧分支接地极的散流作用显著;山体环境下，双向分支式外延接地网在增加入地电流泄放通道和散流区域的方面表现更优。

关键词： 西藏高海拔地区   混压同塔   绝缘配置   输电线路研究  

摘要： 西藏高海拔地区由于自然环境恶劣、空气稀薄，更容易发生绝缘击穿，对防雷和绝缘的要求较高，特别是混压同塔的绝缘配合和防雷保护需要更加合理的配置才能满足高海拔地区安全生产运行的要求。通过问卷调查和依托工程实验，研究总结各电压等级的输电线路选择绝缘子形式以及要求片数的数值，同时，确定各电压等级下的空气间隙取值。以平原地区输变电设备外绝缘配置的选择为基础，研究确定高海拔地区输电线路污秽外绝缘配置，找出污闪电压随海拔升高而减低的规律，研究得出各海拔地区所需输电线路外绝缘的配置，得出绝缘子片数以及塔头空气间隙，研究值比理论值增大20%～40%。本研究为西藏35kV以上混压同塔工程提供了实践操作的理论依据。