悬挂称重式自动观冰系统应用研究进展
张桂华 孙兵
摘? 要：覆冰观测自动化是输电线路覆冰观测研究手段的一次重大变革。该文简要介绍了国内现有覆冰自动观测研究的几种方法，并着重介绍了悬挂称重式覆冰自动观测系统应用研究的进展情况，从背景、系统工作原理、系统设计、观测研究等方面对此覆冰自动观测系统平台的优势、阶段性成果做了概述，同时分析了此覆冰自动观测系统仍存在的问题，并展望了自动观冰未来取代人工观冰模式进行应用推广的前景。
关键词：覆冰自动观测;悬挂式称重法;拉力传感器;数据获取率;对比观测;误差分析
中图分类号：TP368? ? ? ? ? ? 文献标志码：A
0 前言
我国是世界上导线覆冰最严重的国家之一，为了指导输电线路气象条件设计及减轻输电线路覆冰灾害影响，从20世纪80年代开始，我国在易覆冰多灾害地区的重要输电通道上建立人工观冰站点，进行导线覆冰观测及相应气象观测研究。研究主要内容为探索研究区域的覆冰机理、覆冰类型及时空分布规律、确定覆冰量级等，研究成果应用于区域电力输电线路的勘测设计中，优化路径、合理确定设计冰厚及冰区划分取得了一定成效。
但是近年來，我国西南山区如四川多地输变电工程仍然受到雨雪冰冻灾害的影响并造成断线、倒塔等严重事故。从后续分析、评估来看，大部分事故的原因是在设计阶段因严重缺乏覆冰观测资料而造成设计余度不足或考虑不周。由于导线覆冰问题十分复杂，我国环境地理条件复杂的西部绝大部分山区缺乏观冰数据，而且受地域性限制，已获得的导线覆冰资料和研究成果大部分还难以普遍应用到其他无资料地区，对输电线路覆冰问题的认识还远远不能满足电网发展的要求。
针对这一难题，最直接的办法就是在易覆冰地区的输电通道区域增加观冰站点的密度。但是作为国内目前最为普遍的覆冰观测方法，覆冰人工观测选站选点外部制约因素较多，由于气候、地形、交通等条件的限制，布点代表性和覆冰气象资料的完整性难以得到保证，运行过程中人力物力资源投入大、后勤保障困难、安全风险较大，随着我国输电线路走廊环境的恶化，人工观冰的局限性愈加明显。在同等条件下，覆冰自动观测可以覆盖人工观测难以到达的易覆冰地区，且节省大量的人力物力，并且可以实现24 h实时观测，特定条件下具备明显优势。所以开展适合我国国情的无人值守覆冰自动观测技术和设备开发应用研究迫在眉睫，其推广应用有重大的实用意义，能解决国内送电线路覆冰观测站点严重不足带来的覆冰气象资料匮乏和环境地理条件恶劣地点覆冰资料难以获得等工程应用问题，产生倍增经济效益。
1 悬挂称重式自动观冰系统介绍
悬挂称重式自动观冰系统采用了原理简单、易于实施的拉力传感器悬挂式称重法，系统由观测塔架平台、电源组件、观测装置、无线通信网络、监控中心组成。观测装置包括导线覆冰自动观测、气象要素自动观测及图像采集3个子系统。利用电子技术、测量技术、新能源技术、通信技术、软件技术等现代化手段构成该系统，系统构成如图1所示。
1.1 观测塔架平台
根据观测研究实际需要，该系统设计的观测塔架为桁架结构，与人工观冰雨凇塔（架）类似，结构总体呈“L”形布置，布置为迎风向与顺风向进行覆冰气象观测。该结构包括2个平面桁架、3个主柱及3个基础。
平面桁架作为覆冰观测设备的主要支撑部分，下部与主柱连接。针对设备仪器的型号、尺寸、安装方式对角钢进行了连接部位打孔等专门设计。该桁架结构由螺栓连接的型钢组成，组装单件重量轻，施工、安装方便，对于交通不便的高山峻岭地区覆冰观测点的观测使用具有良好的适应性。如图2所示。
1.2 覆冰自动观测系统
覆冰自动观测系统采用了原理简单、易于实施的拉力传感器悬挂式称重法。使用2个拉力传感器悬挂一根长3 m的模拟导线，导线离地高度3 m，监测主机用于采集拉力传感器测得的重量数据，再经过相关数学模型计算得出现场实时覆冰厚度。该系统采用小型高精度拉力传感器，灵敏度和测量精度范围符合观冰站点覆冰观测要求。为避免拉力传感器在覆冰时与导线黏连引起测量误差，拉力传感器悬挂位置、拉线长度及防雪罩大小等具体设计环节在观测试验过程中进行了持续研究改进。
1.3 气象要素自动观测系统
为了认识并掌握研究区域覆冰的生成机理、时空分布规律、覆冰特性、微地形对覆冰影响，除了收集和积累覆冰重量数据资料，还需要在覆冰期内开展同期覆冰相关气象要素的观测。
气象要素自动观测系统的观测设备主要为多要素自动气象站，观测要素包括温度、湿度、气压、风速风向、日照等，数据采集时间间隔设置为10 min。
气象数据由监测主机采集完成后通过GPRS通信网络将数据传输至监控中心，中心利用软件分析、数据库技术实现对现场数据的分析处理，给出气象参数信息。
1.4 图像采集系统
在观测塔上安装高清摄像机，观测模拟导线的覆冰全过程情况，具有远程调节（焦距、光圈、景深、云台预置位、大小、色度、对比度）功能。
根据在线监测摄像设备运行中存在易被冰雪覆盖、无法拍摄清晰图像的缺陷以及该系统研究过程中遇到的实际问题及改进试验，最终图像采集采用创新设计的伸缩式可加热高清摄像系统，内置电机理论推力达90 kg，具有防冰雪功能。
图像采集时间间隔设置为30 min，单个摄像头拍照时间间隔设置为1 h，交替拍照，起止时间设置为7：00～18：00。
1.5 电源
系统电源采用超低功耗技术，装置待机电流保持在100 mA以内，配置12V96AH电池，统一采用太阳能对蓄电池浮充的方式进行供电。
根据观冰站区域覆冰期气候条件及系统配置条件，该系统配置双电源，每一套电源配置2块电池及4块17 V/80 W太阳能光伏板。一套电源为主机供电，另一套电源为摄像头加热供电。
2 观测研究过程
观冰站点冬季气候环境恶劣，所以该文中自动观冰系统首先研究验证自动观冰设备系统在具体恶劣环境下的实用性、稳定性及可靠性。其次，覆冰自动观测值应能达到可以推广应用的精度范围，为了证明覆冰自动观测值的准确度，须在同一观冰点进行自动与人工覆冰对比观测，积累足够的对比样本进行分析计算。
2.1 自动观测场地简介
四川西南部川滇交界某观冰站，为四川西部水电送出南通道之一的前期覆冰观测任务服务，其所在位置受区域地形作用和云贵静止锋影响，属中高海拔特重覆冰山区，于2013年冬开始人工覆冰气象观测研究。自2015年起，利用此观冰站作为该覆冰自动观测系统的研究实验基地，建成了覆冰自动观测系统平台，开展了2015～2016年度、2016～2017年度及2017～2018年度 3个年度的覆冰及气象连续自动观测，由于覆冰过程多、覆冰量级大，期间获取了大量的连续覆冰过程的覆冰、气象原始数据，并经过统计分析建立了资料数据库。
2.2 系统的实用性、稳定性及可靠性研究
2.2.1 系统平台实用性研究
该系统布置平台在经过3个冬季的运行试验后，取得了阶段性成果，平台的施工安装及设备仪器的安装拆卸方便易行，在复杂的重覆冰环境下未出现结构性问题，实用性及可操作性得到检验，安全可靠性有保障，已取得实用新型专利。
2.2.2 观测系统稳定性及可靠性研究
系统在2015～2016年度运行过程中由于系统稳定性问题及通信信号强度问题，出现间歇性缺失数据，导致数据获取率偏低，且数据记录时间偶尔不准时。通过优化系统软件设计，增强了系统稳定性，针对可能存在的稳定性问题，在原后台主机24 h强制重启的基础上增加系统软件控制强制重启程序功能，可供研究人员灵活掌握重启时机。2016～2017年度及2017～2018年度系统数据获取率得到有效提升，达到了设定的目标要求，如图3所示。
2.2.3 图像采集系统实用性研究
图像采集系统设备采用遮挡冰雪、镜头加热等手段，在大覆冰过程中可拍摄清晰的覆冰照片，如图4、图5所示。由于较大覆冰条件下加热摄像头耗电量很大，为避免电量不足导致系统工作失效，系统设置为不加热拍照，所以覆冰期照片数据实际获取率比较低，仅为11.7%。但在覆冰过程中可根据实际需要在后台监控中心采取人工操作加热并拍照的命令，覆冰期各阶段的覆冰照片都可以顺利获取，可以掌握覆冰全过程情况并达到监控目的。
2.2.4 系统存在问题
气象要素观测系统的温湿度、气压及日照传感器都能全天候正常工作，而超声波风向风速仪在覆冰期内外露的感应元件会被冰雪覆盖，无法正常读取风速及风向数据。实验过程中更换了不同类型的测风设备，依然无法消除冰雪遮挡的影响，目前暂时没有好的解决方案。
2.3 覆冰自动观测值误差研究
2.3.1 覆冰自动和人工观测结果对比分析
将2016～2017年度顺风向和迎风向自动与人工同步观测覆冰的标准冰厚对比，如图6所示。
图7的相关性分析结果显示，迎风向导线人工与自动观测标准冰厚数据相关系数R=0.988519。
图8的相关性分析结果显示，顺风向导线人工与自动观测标准冰厚数据相关系数R=0.991705，说明人工与自动对比观测数据具有高度的线性正相关关系。
2.3.2 误差原因分析
2.3.2.1 系统设计中存在的误差
悬挂称重式覆冰自动观测方法简单易行，但获取准确重量的前提是处于静风的理想状态。在非静风状态下，由于受到风荷载的影响，会导致测重出现误差。在未覆冰期，采集的覆冰读数正负值均有显示，经多样本分析计算，误差范围在0～5%。
2.3.2.2 对比观测方法存在的誤差
该系统人工和自动观测模拟导线离地高度存在差别，由于微地形微气象条件突出，会导致覆冰量级稍有差异。
所以覆冰人工观测除了测取下方模拟导线覆冰以外，也应择机人工测取上方导线上的覆冰，增加同根导线人工与自动同期观测值的对比样本。
根据已有的同步观测对比样本进行分析计算，以人工观测值作为参考标准，自动观测标准冰厚成果的平均误差的精度范围已达到10%以内。
同根导线对比观测数据差值为2.0%，明显小于2根导线对比观测数据的差值8.3%，说明由于受研究地点微地形微气象条件影响，2根模拟导线的离地高度差是导致对比数据差值的主要原因之一。另外，同根导线自动和人工观测值仍有2%的差距，且自动观测值都比人工观测值偏大，说明风荷载对覆冰重量的观测有加成影响但影响程度较小。
3 结语
通过该自动观冰系统研究，对设备、系统等问题进行持续改进，截止目前，覆冰重量及温度、湿度、气压等气象数据获取率均可稳定达到设定的目标值，系统的稳定性和可靠性基本达到要求。
覆冰自动观测系统应用的布置平台取得了阶段性成果，可操作性得到检验。
拉力传感器观测的重量为导线净重、冰重及风荷载之和，由于覆冰期测风仪器设备无法正常读取风速及风向数据，所以无法剔除风荷载。但经过对比观测分析，覆冰自动观测与人工观测数据具有高度的线性正相关关系，且误差较小，达到了能够应用的精度范围。风荷载占比很小且难以准确计算，因此该系统自动观测的覆冰总重不再计算、剔除风荷载。
改进建议：通过开发新型测风设备或将现有测风设备涂刷防结冰涂料等手段，研究消除覆冰影响，达到在覆冰期正常工作的目的。测试摄像系统耗电情况。改进其供电系统，设置覆冰期自动加热功能，提高照片获取率，提升自动化程度。改进系统布置平台设计，将模拟导线离地高度改进为10 m标准高度。尝试研究无通信信号地区的数据传输技术。
覆冰自动观测在技术先进性、安全性及经济性等方面相比人工观测有明显优势，但覆冰人工观测仍是目前国内最为成熟的覆冰观测手段。覆冰自动观测研究现阶段仍存在待改进的问题，需要研究人员长期试验研究并探索解决方案。覆冰自动观测系统经过进一步研究验证后，在未来很有可能会取代人工观冰模式得到推广应用。
参考文献
[1]陈百炼，胡欣欣，陈林，等.导线覆冰自动观测实验与覆冰过程分析[J].冰川冻土，2016，38（1）：129-139.
[2]郑利兵，陈林， 林云生，等.基于气象规范的电线积冰自动监测系统的研究[J].气象，2010，36（10）：97-101.
[3]徐青松，侯炜，王孟龙.架空输电线路覆冰实时监测方案探讨[J].浙江电力，2007，45（3）：9-12.
[4] 张予.架空输电线路导线覆冰在线监测系统[J].高压电技术，2008，34（9）：1992-1995.
