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“高压输电线路光纤传感监测系统”研发立项评估分析报告许继—电子科大联合实验室21.前言输电线路是电力系统的重要组成部分，保证输电线路的正常运行是整个电网安全运行的前提和保障。随着输电容量的不断扩大，对输电线路的检测越来越困难，需要大量的人力，这种情况下，输电线路的运行状态和故障隐患的不可知性与大电网安全稳定运行的矛盾日趋突出。通过使用先进的测量传感器技术，研制线路运行环境和运行状态检测系统，在各网省公司统一建设线路状态检测中心，为生产管理系统（PMS）提供基础信息。采用在线监测方法对输电线路进行监测可以及时发现故障隐患，减少停电次数，提高供电可靠性，降低供电成本，达到提高生产效率的目的。在总部汇集各网省线路状态信息，对特高压线路、跨区电网、大跨越等重要线路设施运行状态和覆冰、大风等线路微气象环境进行综合检测。实现状态评估、故障诊断、状态检修和风险预警，提高输电网安全运行水平，建设输电线路监测中心是电网安全运行现实的迫切需要，也是发展智能电网的需要。2.市场分析和产品策略2.1市场分析电力产品市场的发展源自其自身内在发展需求的演变和外部环境、政策变化的相互作用。高压输电线路监测技术和产品市场的发展遵循着这种需求演变过程的规律，顺应其发展规律，预判发展方向和多层次需求，有利于指导我们的产品研发方向和深度、生产规模和资源配置以及市场营销策略。2.1.1政策市场分析a．发展输电线路监测应用的政策背景对电力行业政策背景的分析有助于建立企业产品、技术的更新换代和研发规划，分析新产品生命周期，论证区域市场和细分市场情况，从而做出科学的产品开发决策。电力设备在线监测技术的提出和应用已经经历了几十年的发展历程，由于历史原因，这种技术和产品的应用一直是不够完善的，又由于输电线路监测的难度3大，应用经验少，未能列入电网发展建设的热点或者重点之一。在经历了几次大规模的电网改造后，电网的发展环境发生了深刻的变化，对在线监测技术的需求成为电网建设的热点之一。电网改造的新特点：经历了几次大规模电网改造，扭转了电网发展对经济发展的不适应局面，截至2008年底，全国220kV以上高压输电线路约30多万公里。未来5年，城市电网改造转为正常状态，热点转向骨干网架建设，建设一体化电网结构，到2015年，我国将形成覆盖华北、华中、华东地区的超／特高压交流同步电网，含蒙西、陕北、晋东南、淮南、徐州煤电基地及西南水电基地电力外送的超／特高压骨干电网。国家将建立西电东送三个通道：北通道、南通道、中通道。以高压输电线路用钢芯铝绞线为例，2008年至2012年我国钢芯铝绞线需求量及产量预测数据如下，5年内增幅约40%，年均8%，与国家GDP增长相吻合：年份需求量预测（万吨）产量预测（万吨）2008102.36104.392009111.58112.692010121.94121.692011133.60131.442012146.73142另一方面，电网的发展从量变（提高电网覆盖和输送能力）到质变（提供安全、可靠、高质量电能），进入新的发展阶段。这种转变是实质性的和可持续发展的。企业竞争力建设的转变：国家电网公司进入世界50强，提高核心竞争力是重要任务，为此先后提出了建设统一电网、集约化管理和智能电网等发展思路，对管理的现代化、服务的质量、技术装备的自动化和信息化等提出了更高的要求。这种深刻的变革会在今后很长时间逐步体现出来。环境变化对改变发展方式的促进作用：建设智能电网是更好地促进人与环境相互适应的战略性规划，从正面提出了电网建设的任务；而近年来自然环境的不断恶化，导致电网发生大面积灾害，严重影响了经济发展和人民生活，则从反面对电网建设的方向和任务提出了要求，4并导致一系列配套政策的出台。关联性配套政策提出的时机：上述情况的变化对电力设备的检测、维护的工作局面产生了深刻的影响。早期提出的设备状态检修是为了降低运维成本，对状态进修工作的研究是独立进行的，由于监测技术还没有较全面的、实质性的进展，状态进修工作距离实际应用还有很大距离；监测技术尤其是输电线路监测技术，因其理论研究不够充分，实施难度高，一直是在线监测技术应用的死区，同时没有建立相关技术标准，在上述情况发生实质变化之前基本上处于没有启动状态，只有零星应用。智能电网的提出和环境趋于恶劣的变化，使得发展在线检测技术迅速提上议事日程，各级相关管理部门很快提出了具体的要求，为这些工作任务的开展形成了良好的工作环境。b.政策内容与目标对电力设备在线监测应用而言，配套的政策包括：智能电网建设规划：规定了对输电线路建设的资金投入，实现自动化、信息化、互动化的设备、运维手段等。由于资金投入大，目标明确、部署迅速，对在线监测技术的应用工作是有力的推动。例如：国家电网公司下发的《网省电网智能化规范编制规划》中输电环节中明确输电环节智能化内容主要包括：输电线路运行环境类的监测（如雷电、污秽、覆冰、风雨、通道等）；输电线路运行状态类的监测（如导线风偏、弧垂、绝缘自老化、大跨越微风震动、铁塔倾斜）；输电线路地理信息系统（GIS）；输电线路灾害监测及安全预警、输电线路状态评估与状态检修；提高输电线路输送能力等。状态检修管理的推广应用：设备状态检修的研究工作意境开展了很长时间，局部的试点应用也取得了良好的效果，对设备的数据采集规范也已明确，但由于检测技术还没有普及，大部分设备尚未实现在线检测，为了尽快推进全面设备状态检修的实现，应加快监测技术和产品的研发、应用进程。灾害防范战略规划：5前几年出现的冰雪、地震、风灾等自然灾害对高压输电线路造成了严重的破坏，有些地区的结果是灾难性的。国网、南网迅速作出反应，提出了包括应急方案、差异化设计、加强监测技术手段、制定监测装备技术标准等一系列应对措施，为监测技术的研究与应用提供了全面的应用平台，直接提速研究和应用工作，形成了今天的应用局面。集约化设备生命周期管理规划：电网公司是设备密集型企业，庞大的固定资产需要进行有效地管理，历史上一直采用人工管理，辅以少量的自动化手段，随着电网建设、工作、服务质量的提升，资产的有效管理牵涉面广、工作细致，成为管理工作的一个重点，国网公司于年初出台了“资产生命周期管理规划”，并迅速部署各级工作，积极推进工作进程。在线监测工作对设备生命周期管理的贡献包括：检查设备的存在状态、使用状态、寿命评估、管理策略建议、异常和报警处理等，是设备生命周期管理必不可少的环节，也是未来最终的管理模式。随着“生命周期管理规划”的实施，也会有力地推动在线监测的应用。c.政策执行的阶段性在线监测技术为运行、维护、检修、管理部门提供了提供了一种有效地手段，提升了个管理环节的工作水平。由于发展不平衡的原因，对设备管理的手段落后，因此管理需求是多方面的，这就造成了多层次、不同时期的不同应用需求。简言之，对各及电网公司用户来说，首先是要完善监测手段，对本地区监测特点采取针对性措施，实现管理目标。这从到目前为止各地的招投标内容可见端倪；下一步，随着管理目标和管理系统功能的提升，按照智能化要求强化监测系统功能配置和应用性能；第三步，智能前端设备（监测系统）与智能化管理系统构建一体化智能系统，实现智能电网的最终目标。由于智能电网建设规划任务执行在即，按照规划要求，一旦确立具体的目标、内容会很快实施，近两年是试点阶段，估计两年后即开始推广应用。上述分析对于我们分析产品需求、进行产品定位、以合理的成本和资源配置按市场规律和应用周期提供合适的产品是有帮助的。6d.区域需求的不平衡性市场的成熟度是我们进行研发、生产和销售的重要依据之一。整体或局部市场成熟度指标可包括：区域应用类型，资金计划情况、监测工作是否纳入管理考核等。可以预见，各地区在这项工作的支持力度上肯定是有区别的，自然灾害严重、电网建设速度快、管理水平高的地区应用情况会好些、快些。2.1.2技术市场分析a.技术发展历程国外在20世纪90年代针对输电线路在线监测技术开展了系统研究，如澳大利亚红相公司开发的绝缘子泄漏电流在线监测系统，美国电科院开发的输电线路应力温度监测系统等；2000年以后，国内清华、西交大以及西安金源公司、国网富达科技公司等先后开发了部分或完整的输电线路在线监测系统，涵盖了线路覆冰、导线舞动、线路防盗、图像监控、导线测温等在线监测技术。早期产品稳定性差、缺乏经验、提供的信息不完整，达不到实用化要求。上述主流单位经过几年的努力，自2007年以后向市场推出了较为成熟的产品，在电力系统推广应用，取得了较为立项的应用效果。在上述发展过程中，2000—2004年主要是开发第一代产品、分析需求、状态识别模型理论建设、积累现场应用经验；2005年以后主要是建立状态识别模型、解决电子产品稳定性问题、解决一些关键技术（现场供电、远程通信等）问题和产品配套、系列化问题；2008年国网公司制定了相关技术标准：Q/GDW2XX-2008系列输电线路在线监测通用技术条件和技术导则。从中可见，输电线路电子式在线监测产品的成熟周期为10年，期间明确需求和识别模型理论分析以及单体装置取得初步的现场运行经验用了5年时间，属于认识、尝试阶段；后5年属于正式研发、上规模应用阶段，实现全部监测功能，重点解决（电子式）产品稳定性问题和建立技术标准。经过近10年的发展，第一代基于电子技术的输电线路在线监测系统已经成型，获得了较好的应用效果，并建立了相关技术标准，各地陆续展开招投标工作。根据电力行业监测产品应用经验，电子产品完成相关标准建设后，依据自身技术升级换代的空间较小，技术上可挖掘的潜力不大。因此，未来产品的升级换代将7以采用新材料、新技术、新型系统结构为特点，例如，基于光纤传感技术的新一代在线监测系统。新的系统在目前技术标准的基础上，将进一步贴近和满足智能电网建设的要求，提升智能电网管理模式的前端或底层系统的信息化、自动化和智能化。其研发模式由于继承了状态识别模型理论和实用化技术（专家系统），复制了技术规范规定的全部功能，采用数字仿真、真实历史数据模拟仿真等验证技术，并以光纤传感器的稳定、可靠、准确、不受干扰的技术优势，绕开了传统电子式监测技术无法避免的稳定性、可靠性技术（产品）成熟周期，将会有效缩短研发周期。b.主流公司产品技术及评价以西安金源电气股份有限公司、中国电力科学研究院（北京国网富达科技发展有限公司）、国家电网研究院（武汉）、杭州东信电力科技有限公司、杭州雷鸟公司等为代表的主流公司在近年的招投标中占据了主要的市场份额，其技术具有代表性。目前国内企业对输电线路的监测基本上都是电子式输电线路在线监测，产品较为成熟。其原理：监测系统通过再敢踏上安装气象、视频、振动、以及拉力、倾角等各种电子传感器，通过现场数据采集集中，通过公网GSM(GPRS)及CDMA通道，将数据及视频信号传到中心站后台分析系统，根据设计条件，通过专家库和对各种理论模型的计算，实现对导线等值覆冰厚度、杆塔不平衡张力、气象条件、导线振动频率、绝缘子泄漏电流、现场图像等过程监测，提供灾害预警；通过在线监测输电线路导线温度及微气象参数及后台计算分析，实现输电线路实时动态增容等。由于输电线路在线监测技术和产品研发周期只有10年左右，前期理论准备不足，应用经验、技术的积累不充分，形成了现今各公司技术的趋同化，产品同质化情况很明显，下表展示了国内各公司输电线路监测技术汇总情况：应用类别技术类型监测系统体系结构现场监测主机（主站、子站）+无线远程通信+远方专家管理系统现场监测方式主站主站+子站8通信技术GPRS/CDMAGPRS/CDMA+短距离无线通信OPGW光通信（金源）电源技术太阳能+蓄电池太阳能/风能+蓄电池抗干扰屏蔽技术多层屏蔽技术按功能、按模块屏蔽技术传感器技术种类电子式传感器电子式传感器+个别光纤传感器传感器技术细分常规电子式传感器特殊传感器核心管理系统专家系统，但各公司专家系统成熟程度有差异，影响应用效果注：“特殊传感器”指用于绝缘子脉冲电流监测、导线温度检测、视频监测用传感器。技术的同质化反映了正反两个方面的问题：随着技术不断成熟，相关标准的建立，成熟的技术得以推广应用，表明现有监