極端環境下的電網監控
2022-12-07 12:33:39 EETOP毫無疑問，在當今世界，獲得電力與清潔飲用水或住所等都是人類需求的基本需求。然而，建設和維護一個可靠地向所有人輸送電力的電網仍然是一個挑戰，尤其是在極端天氣的地方。
在這些惡劣的環境中，電網運營商遭受無法解釋和頻繁的電網損壞，導致消費者損失電力，能源公司損失數百萬美元的成本和維修費用。地球上很少有地方比冰島更生動地感受到這一挑戰，那里的北方氣候對電力基礎設施造成了嚴重破壞。
óskar Valtysson（左）、ósvaldur Knudsen（中）和All About Circuits的撰稿人Jake Hertz（右）在看最初的LKX-MULTI原型
出于這種需求，冰島公司Laki Power應運而生，該公司通過使用創新和專有的硬件和軟件解決方案找到了電網維護的解決方案。
不幸的是，在極端環境的地方，對輸電線路和其他電網基礎設施的破壞是司空見慣的。在理想的世界中，電網運營商將能夠主動采取預防措施來避免這些災難，但在實踐中，這已被證明是一項極其困難的挑戰。
在極端氣候下，防止電網損壞如此困難的一個原因是，可能影響電網的變量太多。一些有限的例子包括大風導致電線舞動，冰塊堆積的重量將線路拉下，空氣中的鹽度導致線路之間的閃失和故障。同時，這些天氣事件最有可能發生在難以或不可能直接監測線路的偏遠地區。
結果是可能會停電，但電網運營商很少知道故障的確切原因。正如Knudsen所解釋的那樣，了解這些信息以處理它們很重要。
“電網運營商正試圖了解為什么他們在整個冬天都會停電七八次。就目前而言，他們真的不知道原因，他們只知道他們停電了。
如果不了解原因，就無法防止將來的故障。對于消費者來說，這些故障是災難性的，因為它們阻止了關鍵任務位置的電力傳輸。對于電網運營商來說，這些故障也是災難性的，因為它們需要花費數千萬美元來修復。
應對這些挑戰的解決方案是在電網上使用線路監控硬件來跟蹤故障及其原因。然而，迄今為止，這些技術中的大多數都由于一個主要缺點而失敗：功率。
監測偏遠地區的環境變量需要一個可以作為獨立單元運行的電網監測設備。由于設備的遠程部署，外部電站到電網監控設備并不理想，并且僅電池解決方案不現實，因為設備的正常運行時間和功能受到電池壽命的限制。
一些解決方案試圖使用感應能量收集，其中設備通過傳輸線發出的磁場收集功率，但這些解決方案效率低下。
正如Knudsen告訴我們的那樣，“你會看到放置在高壓線上并通過感應帶動的設備只能產生幾瓦的功率。當你只有幾瓦可以使用時，你實際能做的事情就受到限制。
如果沒有持續而豐富的電能，生產線監控設備的功能和有效性將仍然受到限制。
作為冰島國家電力公司的終身雇員，Valtysson看到了這一嚴峻的挑戰，并決定為此做點什么。像所有偉大的公司一樣，Laki Power也是從Valtysson的車庫開始的。
正是在那里，他發明了關鍵技術，這是Laki今天所有解決方案的核心。該技術是Laki的專利和專有感應能量收集架構。
如美國專利US 2020/0373850 A1中所述，Valtysson的發明是一種高效感應系統，用于從交流輸電線路產生直流電輸出。該架構由圍繞單根初級導線的多個次級繞組組成。
每個次級繞組連接到下游的異步MOSFET整流橋，進行高效的AC/DC轉換，其輸出可以相加以產生所需的輸出軌值。每個繞組也有相關的控制電路，以選擇性地消除繞組對輸出的貢獻，從而實現對輸出功率的精確和動態控制。
單個次級繞組的系統架構。圖片來自美國專利US 2020/0373850 A1
Valtysson在描述該系統時說，使用MOSFET作為整流器是一個重要的選擇。
我們的整流器不使用固有0.7 V壓降的二極管，而是使用MOSFET，該MOSFET僅在通道電阻（通常低于3 mΩ）上具有損耗。正因為如此，我們的效率幾乎達到98%，這使我們能夠在幾乎沒有熱量產生的情況下實現高功率轉換。
因此，Valtysson說，他們的技術通常可以從高壓線路產生100 W至300 W的功率。
憑借大功率、高效率的能量收集器的優勢，Laki Power 現在能夠創建具有空前功能的電網監控設備。其中，Laki生產了兩個主要產品：LKX-MULTI和LKX-SURV。
LKX-MULTI。圖片由Laki Power提供
MULTI 是該公司的旗艦產品，可用作高性能線路監控設備。該設備夾在傳輸線導體周圍，集成了各種傳感器，可為電網操作員提供線路數據，例如線路電流、傾斜、滾動、飛馳、振動等。此外，該設備集成了環境傳感器，可跟蹤鹽度、表面污染、環境溫度、濕度、氣壓和風等數據。
在MULTI中，這些設備集成了用于捕獲生產線照片和視頻的攝像頭。SURV通過結合熱像儀和光學紅外熱像儀來增強MULTI，此外還可以探測野火。
然后，利用蜂窩電話連接，設備通過Laki的設備儀表板間歇性地與電網運營商共享這些數據。為了提高電力效率和數據效率，高帶寬數據（如視頻）只有在發生某種觸發時才會被傳送到儀表板上，例如線路間距超過可接受的閾值。
有了這些數據，Laki power使電網運營商能夠了解線路故障的原因，并在故障迫在眉睫時采取預防措施。
“操作員可以將大量數據和圖像配對在一起，進行一些非常有趣的分析，”Knudsen說。
“我們提供實時數據，以便電網運營商可以采取實時行動，但也有很多人對情況進行事后分析。還可以使用捕獲的數據來了解出了什么問題，然后進行一些機械更改或其他調整，以防止將來發生故障。
來自Laki Power線路監控系統之一的圖像顯示電力線結冰。圖片由Laki Power提供
憑借一套創新的硬件和軟件解決方案，Laki Power是一家有前途的公司，有潛力解決重大而重要的挑戰。今天，該公司仍處于起步階段，目前擁有一支由九人組成的團隊，剛剛在冰島、希臘、土耳其、阿根廷、挪威和加拿大等地開始試點。
然而，展望未來，該公司有雄心勃勃的計劃，包括獲得資金，發展團隊，以及探索新技術，例如用于自主無人機線路監控的無人機充電站。其他未來的計劃可能包括將機器學習技術添加到設備中，用于實時圖像分類、威脅檢測和預測。
