李昊, 曾彤, 陳曉國(guó), 李銳海, 陽(yáng)林, 廖嘉駿

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院,廣東 廣州 510080； 2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640)

覆冰在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析

李昊1, 曾彤2, 陳曉國(guó)1, 李銳海1, 陽(yáng)林2, 廖嘉駿2

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院,廣東 廣州 510080； 2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640)

自2008年冰災(zāi)以后，覆冰在線監(jiān)測(cè)技術(shù)受到普遍重視，國(guó)家電網(wǎng)管轄的華中、湖南、浙江、福建等地電網(wǎng)，南方電網(wǎng)管轄的廣東、廣西、云南、貴州省網(wǎng)和超高壓電網(wǎng)先后研制出覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并投入使用。首先總結(jié)了目前輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)模型的研究現(xiàn)狀，并分別展開(kāi)分析論述，同時(shí)闡述了南方電網(wǎng)覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行流程，并對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行期間所獲得的大量運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理的發(fā)展趨勢(shì)提出了看法和意見(jiàn)。最后，對(duì)覆冰在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)做出了總結(jié)和展望。

輸電線路；在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；監(jiān)測(cè)模型；覆冰預(yù)測(cè)；大數(shù)據(jù)

0 引 言

輸電線路覆冰嚴(yán)重危害我國(guó)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，如果不及時(shí)采取措施會(huì)引起絕緣子閃絡(luò)、導(dǎo)(地)線斷線、導(dǎo)線舞動(dòng)、倒塔和電力通信中斷等事故[1]。覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)的氣象狀況、拉力傳感器上的實(shí)時(shí)拉力以及風(fēng)偏角等信息的實(shí)時(shí)采集來(lái)判斷線路覆冰狀況，做好第一時(shí)間的防護(hù)與檢修工作。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)模型、覆冰預(yù)測(cè)模型以及融冰方法和維護(hù)策略等方面進(jìn)行了大量的研究[2]，使電網(wǎng)在覆冰期間的運(yùn)行狀況有了很大改善。但是覆冰在線監(jiān)測(cè)的大量運(yùn)行數(shù)據(jù)并沒(méi)有得到深度挖掘并且各類(lèi)數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性差。大數(shù)據(jù)處理方法能很好的解決目前數(shù)據(jù)分析的瓶頸，為覆冰期導(dǎo)線的覆冰機(jī)理、絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)、絕緣故障預(yù)測(cè)等方面開(kāi)辟新的視角。同時(shí)大數(shù)據(jù)處理方法，也將是電力行業(yè)未來(lái)各種大而雜的數(shù)據(jù)處理的總趨勢(shì)[3]。

1 輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)中期開(kāi)始，國(guó)外已對(duì)輸電線路覆冰開(kāi)始觀測(cè)和研究，并在導(dǎo)線覆冰形成和增長(zhǎng)機(jī)理、絕緣子覆冰閃絡(luò)特性以及導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)等方面取得了豐碩的研究成果。我國(guó)在該領(lǐng)域起步比較晚，我國(guó)覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r如表1所示。

南網(wǎng)和國(guó)網(wǎng)系統(tǒng)相比起來(lái)相似點(diǎn)居多，例如均采用兩級(jí)主站結(jié)構(gòu)；使用了稱(chēng)重法和視頻圖像法相結(jié)合的覆冰監(jiān)測(cè)技術(shù)；通過(guò)采集覆冰終端的信息，由GPRS/CDMA等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的形式把數(shù)據(jù)傳送到二級(jí)主站，再由二級(jí)主站傳送到一級(jí)主站上進(jìn)行顯示。但南網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)于國(guó)網(wǎng)的地方在于南網(wǎng)采用的是統(tǒng)一的自主研發(fā)計(jì)算模型，而國(guó)網(wǎng)的計(jì)算模型來(lái)自于各個(gè)廠家，從而不同計(jì)算模型的計(jì)算覆冰厚度不易比對(duì)，不利于信息統(tǒng)一化的管理與維護(hù)。因此，針對(duì)南網(wǎng)覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程做出如下詳細(xì)描述[9-11]。

南方電網(wǎng)覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)終端、通信網(wǎng)絡(luò)和主站三層構(gòu)成。監(jiān)測(cè)終端在投運(yùn)之前需要例行的入網(wǎng)檢測(cè)(即每個(gè)廠家提供幾套完整的裝置樣品，在特高壓基地進(jìn)行外觀和結(jié)構(gòu)檢查、性能測(cè)試、功能測(cè)試和電磁兼容測(cè)試等)，完成之后對(duì)終端裝置進(jìn)行考核評(píng)分，按考核評(píng)分分?jǐn)?shù)擇優(yōu)選擇終端裝置產(chǎn)品。入網(wǎng)檢測(cè)合格、安放在線路的每套終端配置一張通信卡，以GPRS/CDMA相結(jié)合的通信方式與主站建立聯(lián)系。南方電網(wǎng)覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有一套屬于自己的通信規(guī)約，用數(shù)據(jù)幀的模式將終端設(shè)備號(hào)、控制類(lèi)型碼、數(shù)據(jù)域等信息傳給主站。主站系統(tǒng)接收終端上傳的導(dǎo)地線拉力、絕緣子串偏角、圖像和微氣象數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)約存儲(chǔ)起來(lái)，再根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)，采用圖或表的形式，對(duì)反映輸電設(shè)備或其周邊環(huán)境狀況的監(jiān)測(cè)參數(shù)做數(shù)據(jù)展現(xiàn)。主站對(duì)各類(lèi)監(jiān)測(cè)量設(shè)有報(bào)警閾值，當(dāng)終端采集到的監(jiān)測(cè)量超過(guò)該值時(shí)則報(bào)警服務(wù)觸發(fā)報(bào)警。

表1 我國(guó)覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展歷程一覽表

2 輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)模型研究現(xiàn)狀

輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)模型是輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，是決定覆冰預(yù)測(cè)準(zhǔn)確程度的先決條件。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)覆冰模型的研究很多，總體上來(lái)說(shuō)，根據(jù)監(jiān)測(cè)原理的不同覆冰監(jiān)測(cè)模型可分為兩大類(lèi)，即圖像監(jiān)測(cè)模型和力學(xué)監(jiān)測(cè)模型[12]。

圖像信息量大，直觀形象，是獲取線路信息的重要來(lái)源之一。圖像監(jiān)測(cè)模型通常是通過(guò)圖像處理為手段，對(duì)覆冰狀態(tài)時(shí)的圖像和非覆冰狀態(tài)時(shí)的圖像進(jìn)行分割，提取覆冰邊緣信息，對(duì)差異化信息進(jìn)行分析處理，從而得出線路和絕緣子當(dāng)時(shí)的覆冰厚度。但是由于在惡劣氣象條件下攝像鏡頭容易覆冰、被冰雪遮擋致使拍攝到的圖片分辨率較低、現(xiàn)場(chǎng)拍攝角度受限等原因會(huì)使估算出來(lái)的覆冰厚度不夠準(zhǔn)確。就目前而言圖像法只能作為導(dǎo)線覆冰在線監(jiān)測(cè)的輔助手段，但是可針對(duì)現(xiàn)有攝像頭的不足研制出不易結(jié)冰或可以自動(dòng)融冰的鏡頭，并能實(shí)現(xiàn)360度旋轉(zhuǎn)，從而解決現(xiàn)在圖像法的瓶頸。

目前，基于力學(xué)監(jiān)測(cè)模型的方法有很多且都發(fā)展的相對(duì)成熟。該模型通過(guò)測(cè)量覆冰的相關(guān)參數(shù)，如氣象參數(shù)、絕緣子串拉力和絕緣子串傾角、導(dǎo)線應(yīng)變、導(dǎo)線溫度等，通過(guò)相關(guān)力學(xué)公式計(jì)算覆冰情況。根據(jù)采用的設(shè)備不同可以分為基于拉力傳感器的覆冰監(jiān)測(cè)模型、基于光纖光柵傳感器的覆冰監(jiān)測(cè)模型和基于其他在線監(jiān)測(cè)方法的覆冰監(jiān)測(cè)模型。圖1給出各種監(jiān)測(cè)模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 監(jiān)測(cè)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1)基于拉力傳感器的覆冰模型：分為基于稱(chēng)重法計(jì)算模型、基于水平張力—傾角計(jì)算模型和基于傾角—弧垂計(jì)算模型。文獻(xiàn)[13]提出基于稱(chēng)重法覆冰載荷模型，該模型是基于懸掛點(diǎn)等高的架空線。拉力傳感器安裝在主桿塔頂上，風(fēng)載荷可以通過(guò)風(fēng)速傳感器、導(dǎo)線直徑和風(fēng)向夾角求出，再通過(guò)主桿塔上豎向載荷差值求出覆冰載荷，從而求出覆冰厚度，整個(gè)過(guò)程中將覆冰形狀當(dāng)做圓形覆冰處理。文獻(xiàn)[14]又提出懸掛點(diǎn)不等高的模型，該模型在算法上依據(jù)輸電線路狀態(tài)方程。稱(chēng)重法力學(xué)模型較為簡(jiǎn)單，在輕覆冰情況下大體能夠滿(mǎn)足要求，但是在輸電線路重覆冰，特別是不均勻覆冰和不均勻脫冰情況下，此種算法精度較低。文獻(xiàn)[15]提出水平張力—傾角模型，拉力傳感器測(cè)量耐張段絕緣子串軸向張力，角度傳感器測(cè)量懸掛點(diǎn)傾角數(shù)據(jù)，通過(guò)求出導(dǎo)線的綜合比載,可以進(jìn)而求得覆冰比載，根據(jù)公式算出覆冰厚度。該模型在算法上也是依據(jù)輸電線路狀態(tài)方程。由于此模型是針對(duì)耐張塔，而耐張塔上安裝拉力傳感器會(huì)給結(jié)構(gòu)和安全問(wèn)題帶來(lái)隱患，因此應(yīng)用范圍有限。文獻(xiàn)[16]提出根據(jù)導(dǎo)線傾角變化監(jiān)測(cè)弧垂的模型，它將采集到的導(dǎo)線傾角等參數(shù)，結(jié)合輸電線路的狀態(tài)方程、線路參數(shù)、氣象環(huán)境參數(shù)，應(yīng)用專(zhuān)家分析系統(tǒng)分析導(dǎo)線的覆冰厚度。由于輸電線路的弧垂和傾角受到多種因素的影響, 特別是500 kV及以上等級(jí)輸電線路, 導(dǎo)線的剛度較大, 視作柔索將導(dǎo)致較大的誤差。

2)基于光纖光柵傳感器的覆冰模型：利用光纖光柵傳感器測(cè)量導(dǎo)線應(yīng)變、傾角以及導(dǎo)線溫度，然后依據(jù)覆冰線路力學(xué)計(jì)算公式計(jì)算導(dǎo)線應(yīng)力、導(dǎo)線弧垂以及覆冰量。與上述的電測(cè)量傳感器相比，光纖傳感器具有抗電磁干擾小、使用年限長(zhǎng)、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[17]中，華北電力大學(xué)研制出光纖光柵拉力傳感器，通過(guò)增設(shè)不受力光纖光柵的方法解決了溫度與應(yīng)變交叉敏感問(wèn)題。文獻(xiàn)[18]中，北京郵電大學(xué)研制了一套基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量的架空線路覆冰系統(tǒng)。文獻(xiàn)[19]中，華中電網(wǎng)公司研究將光纖光柵傳感器植入復(fù)合絕緣子芯棒的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使復(fù)合絕緣子在監(jiān)測(cè)導(dǎo)線覆冰的同時(shí)可以監(jiān)測(cè)其內(nèi)部微弱的溫度和應(yīng)力變化來(lái)判斷是否出現(xiàn)內(nèi)部缺陷。

3)基于其他在線監(jiān)測(cè)方法的覆冰模型：有基于模擬導(dǎo)線法的覆冰模型[20]，通常在架空線路附近建立觀測(cè)站或觀冰站，架設(shè)與導(dǎo)線相同型號(hào)和材質(zhì)的模擬導(dǎo)線，通過(guò)測(cè)量模擬導(dǎo)線的覆冰厚度來(lái)估計(jì)導(dǎo)線的覆冰厚度?；诟脖俾视?jì)法的覆冰模型[21]，在架空線路附近安裝探頭，探頭覆冰其頻率會(huì)發(fā)生改變，可依據(jù)頻率的變化規(guī)律間接估計(jì)覆冰速率。利用故障行波定位的覆冰模型[22]，波定位系統(tǒng)精確地記錄行波到達(dá)線路兩個(gè)端點(diǎn)的時(shí)間，通過(guò)輸電線路在正常運(yùn)行與線路覆冰期間的行波時(shí)間差以及架空線路狀態(tài)方程來(lái)計(jì)算線路的比載，利用比載和冰厚的計(jì)算關(guān)系式求得覆冰情況下線路的平均覆冰厚度。利用電容傳感器的覆冰模型[23]，無(wú)冰和覆冰過(guò)程中因電解質(zhì)發(fā)生變化會(huì)引起電容很大變化的原理，使電容測(cè)量值反映導(dǎo)線覆冰厚度等。

3 覆冰在線監(jiān)測(cè)與大數(shù)據(jù)時(shí)代

輸電線路覆冰過(guò)程是一個(gè)高維的非線性時(shí)間序列過(guò)程，具有動(dòng)態(tài)性、不確定性、非線性等特征。如果要提前知曉覆冰的發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)架空線路覆冰的預(yù)警，就需要建立覆冰預(yù)測(cè)模型?，F(xiàn)階段，覆冰預(yù)測(cè)模型總體分為三類(lèi)：機(jī)理模型、統(tǒng)計(jì)學(xué)模型和智能計(jì)算模型。它們都是根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣象信息預(yù)測(cè)結(jié)果的。機(jī)理模型是根據(jù)覆冰形成機(jī)理和各種氣象數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)輸電線的覆冰厚度。統(tǒng)計(jì)學(xué)模型是通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理，在大量數(shù)據(jù)的背景下找到映射關(guān)系并推出合適的覆冰解析模型。智能計(jì)算模型在覆冰模型上的應(yīng)用是近幾年來(lái)的研究熱點(diǎn)，它的本質(zhì)就是建立在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與覆冰預(yù)測(cè)模型之間的I/O映射關(guān)系。

機(jī)理模型和統(tǒng)計(jì)學(xué)模型就是建立解析模型，但是在實(shí)際的工程應(yīng)用中，解析模型不易建立并且一個(gè)解析模型無(wú)法適應(yīng)不同氣候條件和地理特征的覆冰線路。而另一方面，現(xiàn)有輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中積累了大量數(shù)據(jù)，例如溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、氣壓、絕緣子拉力、絕緣子傾斜角、風(fēng)偏等信息，而單純運(yùn)用微氣象數(shù)據(jù)和覆冰預(yù)測(cè)模型的I/O映射關(guān)系顯然不夠精準(zhǔn)，所以智能計(jì)算模型也不適合新時(shí)代數(shù)據(jù)成倍增長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)了。于是，將覆冰在線監(jiān)測(cè)與大數(shù)據(jù)的結(jié)合將是一個(gè)新的里程，大數(shù)據(jù)不需要給出一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型，它打破傳統(tǒng)絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)測(cè)觀念。大數(shù)據(jù)不再只是定格于“隨機(jī)采樣”，而是以“全體數(shù)據(jù)”為研究對(duì)象；不再熱衷于尋找“因果關(guān)系”，而是尋找不同事物間的“相關(guān)關(guān)系”；不再對(duì)原始數(shù)據(jù)加入人工干涉，而是對(duì)一堆數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，將數(shù)據(jù)多維度地展示出來(lái)。

通過(guò)大數(shù)據(jù)分析可以從輸電線路自然覆冰時(shí)找到導(dǎo)線覆冰狀態(tài)和絕緣子覆冰狀態(tài)的相關(guān)關(guān)系，研究地理信息與覆冰狀態(tài)的相關(guān)關(guān)系，研究綜合覆冰應(yīng)力、圖像、微氣象等評(píng)估覆冰狀態(tài)的方法等。同時(shí)，從監(jiān)測(cè)終端的生產(chǎn)廠家信息、監(jiān)測(cè)終端的運(yùn)行年份信息以及終端的壽命、檢修次數(shù)、掉線次數(shù)及周?chē)h(huán)境數(shù)據(jù)，我們可能得出不同廠家不同設(shè)備的損壞速率與程度，不同廠家的設(shè)備更適合哪種自然條件。覆冰過(guò)程是否會(huì)受到天體活動(dòng)的影響，是否會(huì)和當(dāng)?shù)厝说纳盍?xí)慣、當(dāng)?shù)氐闹萎a(chǎn)業(yè)種類(lèi)有關(guān)系等等。

4 結(jié)束語(yǔ)

就目前覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用情況來(lái)講，計(jì)算模型的準(zhǔn)確度還是非常之高的，參考各桿塔傳來(lái)的微氣象數(shù)據(jù)和攝像頭拍攝的圖片，可以較為全面的監(jiān)控架空線路的覆冰情況，并及時(shí)采取搶修補(bǔ)救措施。2013年冬天，整個(gè)南網(wǎng)管轄范圍內(nèi)的省市地區(qū)都未發(fā)生嚴(yán)重的覆冰倒塔、導(dǎo)線斷股事故，這很大程度上依賴(lài)于覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

但是，中國(guó)幅員遼闊，不同地區(qū)氣象存在明顯差異，應(yīng)該按不同地域特點(diǎn)建立不同的監(jiān)測(cè)模型，也可以對(duì)不同地區(qū)添加不同的修正系數(shù)，這種“以一應(yīng)多”的模型自然不適合未來(lái)的發(fā)展。近5年來(lái)監(jiān)測(cè)終端拍攝的覆冰期間的海量圖像數(shù)據(jù)包含了大量非結(jié)構(gòu)化信息，如果能找到將這些信息轉(zhuǎn)化為以特征量表征的結(jié)構(gòu)化信息的方法，就可以使圖像的定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)槎糠治?，這將具有非常大的研究意義。對(duì)于覆冰預(yù)測(cè)模型，我們現(xiàn)階段考慮的影響因素過(guò)于定格，如果能打破傳統(tǒng)觀念，考慮更多影響因素，也許會(huì)有質(zhì)的突破。將大數(shù)據(jù)與輸電線路覆冰相結(jié)合是未來(lái)研究的主流方向，也許在不遠(yuǎn)的將來(lái)傳統(tǒng)輸電線路絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)測(cè)觀念將被注入新鮮血液。

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An Analysis on the Research Status of Icing Online Monitoring and Early Warning System

LI Hao1， ZENG Tong2， CHEN Xiao-guo1， LI Rui-hai1， YANG Lin2， LIAO Jia-jun2

(1.China Southern Power Grid Research Institute, Guangzhou Guangdong 510080, China; 2. College of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640, China)

Since the 2008 ice disaster, icing online monitoring technology has been under general attention, and power grids of the State Power Grid in Huazhong, Hunan, Zhejiang and Fujian, provincial grids of the Southern Power Grid in Guangdong, Guangxi, Yunnan and Guizhou, as well as the super-grid have developed and put into operation the icing monitoring system. Firstly, this article summarizes the present research status of icing on-line monitoring system and monitoring models on transmission lines, carries out analytical discussions, and expounds the operational process of the icing online monitoring system in the Southern Power Grid. Then, it gives comments on the development trend of big data processing of the large amounts of operational data obtained during the operation of the online monitoring system. At the end, it made a summary and outlook about the icing online monitoring and early warning system.

power transmission line; online monitoring system; monitor model; icing forecast; big data

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.02.021

TM712

A

1000-3886(2015)02-0063-03

李昊(1987-)，男，湖北人，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備在線監(jiān)測(cè)、輸電線路覆冰及防護(hù) 。 曾彤(1991-)，女，安徽人，碩士生，研究方向?yàn)檩旊娋€路覆冰及防護(hù)。

定稿日期: 2014-06-06