李朋，錢文姝

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司，陜西西安 710048；2.國網(wǎng)陜西省電力公司 電力科學(xué)研究院，陜西西安 710100）

隨著電力需求的不斷增長，輸變電設(shè)備運行與防災(zāi)技術(shù)成為保障電力系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵?？茖W(xué)信息技術(shù)的發(fā)展與完善，為合理進(jìn)行輸變電設(shè)備的運行與維護(hù)提供了有力的技術(shù)支撐，進(jìn)而保障電力系統(tǒng)的安全有效運行和可靠供電[1-2]。近年來，雨雪冰凍、強風(fēng)、雷暴、大風(fēng)寒潮等極端天氣頻繁發(fā)生，對電網(wǎng)設(shè)備造成了嚴(yán)重的危害，這些特大自然災(zāi)害已經(jīng)逐漸成為引發(fā)大面積停電的重要原因之一[3-4]。

本文在總結(jié)輸變電設(shè)備運行與防災(zāi)技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對其發(fā)展趨勢和重點發(fā)展方向進(jìn)行了預(yù)測。

1 輸變電設(shè)備運行及防災(zāi)技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

輸變電設(shè)備運行及防災(zāi)技術(shù)主要包括帶電檢測與在線監(jiān)測技術(shù)、試驗與檢修技術(shù)、電網(wǎng)防災(zāi)措施及應(yīng)用技術(shù)等子領(lǐng)域，如圖1所示。

圖1 輸變電設(shè)備運行及防災(zāi)技術(shù)的主要內(nèi)容Fig.1 Main contents of power transmission equipment operation and disaster prevention technology

1）帶電檢測與在線監(jiān)測技術(shù)。帶電檢測與在線監(jiān)測技術(shù)是狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)[5-6]。輸變電設(shè)備在線監(jiān)測的發(fā)展主要經(jīng)歷帶電測試、各專用測試設(shè)備向數(shù)字化過渡以及微機化智能監(jiān)測這3個階段，已取得了一定的研究成果。國外在線監(jiān)測技術(shù)的研究相較國內(nèi)要早一些。目前輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)方面已經(jīng)有復(fù)合絕緣子缺陷在線監(jiān)測系統(tǒng)、輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)和輸電線路視頻監(jiān)控等投入電網(wǎng)的實際運行中。而變電站設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)方面則體現(xiàn)在高壓開關(guān)設(shè)備、電力變壓器、避雷器以及高壓互感器在電網(wǎng)中的應(yīng)用。

2）試驗與檢修技術(shù)領(lǐng)域。在試驗與檢修領(lǐng)域，國外的設(shè)備狀態(tài)檢修發(fā)展相對較早。加拿大魁北克水電公司開發(fā)的在線狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)可實現(xiàn)不停機就知曉水電機組的運行狀態(tài)；美國電力科學(xué)研究院利用先進(jìn)的分析軟件以及測量技術(shù)，對多家電廠的設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測與故障分析，明確運行狀態(tài)后計劃設(shè)備維護(hù)與檢修；歐洲多數(shù)國家也從狀態(tài)檢修的方向進(jìn)行輸變電設(shè)備檢修體制改革。

我國在電力設(shè)備狀態(tài)檢修方面的工作目前尚處于初步階段。長期以來，我國電力系統(tǒng)采用預(yù)防性試驗和定期檢修來判斷輸變電設(shè)備的運行狀態(tài)和健康等級，常常會對尚未發(fā)生缺陷的設(shè)備停運檢修甚至更換設(shè)備，進(jìn)而造成巨大的浪費。與此同時，定期維修也會存在一定的“維修不足”。

3）電網(wǎng)防災(zāi)措施及應(yīng)用技術(shù)。雷電災(zāi)害研究主要包括雷電監(jiān)測和雷電防護(hù)兩方面。在雷電監(jiān)測方面，美國科學(xué)家Martin A Uman和E Philip Krider實現(xiàn)了現(xiàn)代雷電遙測定位技術(shù)，并建立了覆蓋全國的國家雷電監(jiān)測網(wǎng)。我國繼美國之后成為第2個擁有雷電定位技術(shù)自主知識產(chǎn)權(quán)的國家。目前雷電在線監(jiān)測主要包含以下兩點：一是雷電定位系統(tǒng)，二是雷電流在線監(jiān)測系統(tǒng)。目前我國已經(jīng)在30個省建立了雷電定位系統(tǒng)，形成了覆蓋全國電網(wǎng)的雷電監(jiān)測網(wǎng)，但在雷電流幅值和波形等方面仍存在一定誤差和雷電信號漏識別等問題。在雷電防護(hù)方面我國取得了一定的成果，但在防雷設(shè)計方法和措施效果評估方法上仍存在雷電基礎(chǔ)參數(shù)缺乏、防雷設(shè)計和分析方法不夠完善以及雷電屏蔽模擬試驗技術(shù)有待發(fā)展等基礎(chǔ)關(guān)鍵問題亟待進(jìn)一步深入研究。

在電網(wǎng)冰災(zāi)監(jiān)測及防護(hù)方面，我國研發(fā)了輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)并投入實際應(yīng)用。電網(wǎng)防冰雪災(zāi)害的重要技術(shù)手段是融冰和除冰。其中電網(wǎng)輸電線路融冰研究包括交流融冰技術(shù)、直流融冰技術(shù)、可調(diào)電容串聯(lián)補償式交流融冰技術(shù)。除冰技術(shù)主要指輸變電設(shè)備除冰技術(shù)[7-10]。

2 輸變電設(shè)備運行及防災(zāi)技術(shù)發(fā)展趨勢研究

2.1 停電防御框架向自然災(zāi)害預(yù)警的擴展

停電防御框架向自然災(zāi)害預(yù)警擴展示意圖如圖2所示。目前的停電防御系統(tǒng)只能對內(nèi)部電氣量進(jìn)行采集和相關(guān)處理，卻無法融合反映環(huán)境條件的氣象、地質(zhì)等信息，不能實時準(zhǔn)確地預(yù)警故障的影響，更不能在大停電后進(jìn)行自適應(yīng)恢復(fù)與控制。近年來頻發(fā)的極端自然災(zāi)害充分反映了將停電防御框架向自然災(zāi)害預(yù)警延伸的必要性[11-12]。

表1 國內(nèi)外輸變電設(shè)備運行及防災(zāi)技術(shù)對比Tab.1 Comparison of the power transmission equipment operation and disaster prevention technology at home and abroad

圖2 停電防御框架向自然災(zāi)害預(yù)警擴展示意圖Fig.2 Schematic of Extension of the blackout prevention framework to the natural disaster warning

在采集氣象、地質(zhì)與地貌等環(huán)境信息的基礎(chǔ)上，考慮災(zāi)害成因后建立災(zāi)害引起的電力設(shè)備故障的概率模型以及電網(wǎng)相繼故障的風(fēng)險評估模型，用以防御極端自然災(zāi)害導(dǎo)致的大停電事故。采用在線修正的時空概率模型識別較大風(fēng)險的潛在故障，預(yù)估各時間尺度的相繼故障風(fēng)險并做出早期預(yù)警。

2.2 輸變電設(shè)備在線監(jiān)測與檢修的融合

圖3為輸變電設(shè)備在線監(jiān)測與檢修的融合示意圖，這是輸變電設(shè)備在線監(jiān)測與檢修今后的發(fā)展趨勢。目前，電力系統(tǒng)的檢修方案一般在規(guī)定時間內(nèi)對設(shè)備進(jìn)行檢修而不考慮設(shè)備狀態(tài)是否正常，會導(dǎo)致正常的設(shè)備尚未發(fā)生缺陷就停運檢修甚至更換，與此同時也會由于試驗方法的不同導(dǎo)致一些缺陷未被發(fā)現(xiàn)而造成“維修不足”。

作為輸變電設(shè)備檢修的基礎(chǔ)，目前輸變電設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)主要需克服以下問題：①需進(jìn)一步改進(jìn)和提升在線監(jiān)測裝置和和關(guān)鍵技術(shù)，從而對輸變電運行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的采集以實現(xiàn)智能電網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)化交互；②需逐步形成完善的標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測體系，對其進(jìn)行全面的統(tǒng)一與規(guī)范，提升其通用性的同時兼顧監(jiān)測經(jīng)濟(jì)性和實用性。

圖3 輸變電設(shè)備在線監(jiān)測與檢修融合示意圖Fig.3 A sketch map of on-line monitoring and maintenance of transmission and transformation equipment

3 輸變電設(shè)備運行及防災(zāi)技術(shù)重點研究方向

考慮自然災(zāi)害的輸變電設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)與風(fēng)險評估、建立特高壓輸電走廊設(shè)備預(yù)警信息平臺、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輸變電設(shè)備智能監(jiān)測與全壽命周期管理等3個方面是本領(lǐng)域發(fā)展的重點。

3.1 考慮自然災(zāi)害的輸變電設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)與風(fēng)險評估

輸變電設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)在考慮自然災(zāi)害時需要拓展的信息包括：自然環(huán)境信息（氣象信息、地形信息和地質(zhì)信息），電力設(shè)備的背景、健康狀態(tài)以及社會信息。

考慮自然災(zāi)害的輸變電設(shè)備風(fēng)險評估，需首先分析自然災(zāi)害對電力設(shè)備故障率的影響。進(jìn)而歸納各類自然災(zāi)害對電力系統(tǒng)運行可靠性的影響，并對其引發(fā)電力系統(tǒng)設(shè)備故障的途徑進(jìn)行分析，建立各有關(guān)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，提煉災(zāi)害預(yù)警所需要的環(huán)境信息，從而將停電防御系統(tǒng)的信息采集范圍拓廣到宏觀與微觀的氣象信息與地質(zhì)信息。通過采集氣象、地質(zhì)與地貌等環(huán)境信息并結(jié)合外部背景信息、實時的運行工況，在線估算各類自然災(zāi)害對電力設(shè)備故障率影響的時空分布。

3.2 特高壓輸電走廊設(shè)備預(yù)警信息平臺的建立

特高壓輸電線路具有輸送距離長，輸送容量大的特點。線路上任何位置的設(shè)備故障導(dǎo)致的線路停運，都將對送端和受端造成很大影響。交流線路發(fā)生故障，會對直流線路產(chǎn)生擾動。電網(wǎng)發(fā)生故障會導(dǎo)致直流換相失敗，故障切除不及時或者發(fā)生連鎖故障，電壓在一段時間內(nèi)無法達(dá)到要求，會造成直流閉鎖。

因此需要在特高壓直流線路沿線裝配災(zāi)害預(yù)警設(shè)施，對線路輸變電設(shè)備所處的氣象、地質(zhì)等環(huán)境條件及設(shè)備本身的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和分析；同時更加規(guī)范特高壓直流輸電相關(guān)區(qū)域的管理與協(xié)調(diào)，對于可能存在的設(shè)備停運風(fēng)險要實現(xiàn)沿線的預(yù)警信息共享，以便于各調(diào)度部門提前安排備用容量，確保本地供電。

3.3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輸變電設(shè)備智能監(jiān)測與全壽命周期管理

物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用可以實現(xiàn)電網(wǎng)信息的模型化、精細(xì)化與可視化，但其目前暫未應(yīng)用到電網(wǎng)監(jiān)管優(yōu)化和設(shè)施運行等方面。輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)是智能電網(wǎng)由系統(tǒng)智能化向輸變電設(shè)備智能化的延續(xù)，將對輸變電設(shè)備的信息、評估、監(jiān)測以及管理等體系進(jìn)行有序的規(guī)范。因此，后續(xù)可深入研究該技術(shù)在分析設(shè)計、運維優(yōu)化、高級應(yīng)用以及全壽命周期管理等方面的重點技術(shù)，進(jìn)一步推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用與發(fā)展[13-15]。

4 結(jié)論

本文在對輸變電設(shè)備運行及防災(zāi)技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對該技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測，進(jìn)而確定了考慮自然災(zāi)害的輸變電設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)與風(fēng)險評估、特高壓輸電走廊設(shè)備預(yù)警信息平臺的建立、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輸變電設(shè)備智能監(jiān)測與全壽命周期管理這3個方面的發(fā)展重點，對我國今后輸變電工程的建設(shè)以及防災(zāi)減災(zāi)工作具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]夏清，徐國新，康重慶.抗災(zāi)型電力系統(tǒng)的規(guī)劃[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（3）：1-7.XIA Qing，XU Guoxin，KANG Chongqing.Planning of anti-disaster power system[J].Power System Technology，2009，33（3）：1-7.

[2]湯涌.電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定綜合防御體系框架[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（8）：1-5.TANG Yong.Frameworkofcomprehensivedefense architecture for power system security and stability[J].Power System Technology，2012，36（8）：1-5.

[3]路永玲，陶風(fēng)波，周志成，等.氣象災(zāi)害對江蘇電網(wǎng)設(shè)備的影響及防御分析[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，7（5）：469-474.LU Yongling，TAO Fengbo，ZHOU Zhicheng，et al.Analysis of influence and prevention of meteorological disasters on Jiangsu's power grid equipment[J].Journal of Nanjing University of Information Science and Technology（Natural Science Edition），2015，7（5）：469-474.

[4]張行，王逸飛，何迪，等.電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)現(xiàn)狀分析及建議[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016，40（9）：2838-2844.ZHANG Hang，WANG Yifei，HE Di，et al.Overview of situation，problems and suggestions of disaster prevention and mitigation in power systems[J].Power System Technology，2016，40（9）：2838-2844.

[5]孫才新.輸變電設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測與診斷技術(shù)現(xiàn)狀和前景[J].中國電力，2005，38（2）：1-7.SUN Caixin.Presentsituation and developmentof condition on-line monitoring and diagnosis Technology for power transmission and transformation equipment[J].Electric power.2005，38（2）：1-7.

[6]姚臻.基于狀態(tài)檢修的變電設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2010.

[7]王昊昊，羅建裕，徐泰山，等.中國電網(wǎng)自然災(zāi)害防御技術(shù)現(xiàn)狀調(diào)查與分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34（23）：5-10.WANG Haohao，LUO Jianyu，XU Taishan，et al.Ques?tionnaire survey and analysis of natural disaster defense techniques of power grids in China[J].Automation of Elec?tric Power Systems，2010，34（23）：5-10.

[8]楊衛(wèi)東，徐政，韓禎祥.電力系統(tǒng)災(zāi)變防治系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀與目標(biāo)[J].電力系統(tǒng)自動化，2000，24（1）：7-12.YANG Weidong，XU Zheng，HAN Zhenxiang.Review and objective of research on power system collapse prevention[J].Automation of Electric Power Systems，2000，24（1）：7-12.

[9]林土方，許家益，沈淼.架空配電線路防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究[J].安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2016，21（1）：49-55.LIN Tufang，XU Jiayi，SHEN Miao.Technology of disaster prevention and reduction of overhead power lines[J].JournalofAnhuiElectricalEngineeringProfessional Technique College，2016，21（1）：49-55.

[10]李冬，孫世軍，張昊，等.智能電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)信息系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].山東電力技術(shù)，2016，43（7）：18-20.LI Dong，SUN Shijun，ZHANG Hao，et al.Design and implementation ofdisasterprevention and mitigation information system of smart grid[J].Shan Dong Electric Power，2016，43（7）：18-20.

[11]薛麗芳，王亦寧，謝凱，等.基于防災(zāi)預(yù)警電網(wǎng)氣象信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2013，37（2）：5-9.XUE Lifang，WANG Yining，XIE Kai，et al.Design and implementation of grid meteorological information system based on disaster warning[J].Hydropower Automation and Dam Monitoring，2013，37（2）：5-9.

[12]謝強，李杰.電力系統(tǒng)自然災(zāi)害的現(xiàn)狀與對策［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2006，8（15）：126-130.XIE Qiang，LI Jie.Current situation of natural disaster in electric power system and counter measures[J].Journal of Natural Disasters，2006，8（15）：126-130.

[13]王春新，楊洪，王煥娟，等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在輸變電設(shè)備管理中的應(yīng)用 [J].電力系統(tǒng)通信，2011，32（223）：116-122.WANG Chunxin，YANG Hong，WANG Huanjuan，et al.Applications of internet of things in condition monitoring and life cycle management for power transmission and transformation equipment[J].Telecommunications for Electric Power System，2011，32（223）：116-122.

[14]鄭淮，陳海波，楊凌輝，等.輸變電資產(chǎn)全壽命周期管理的探索研究[J].華東電力，2009，37（5）：738-741.ZHENG Huai，CHEN Haibo，YANG Linghui，et al.Study of life cycle management for transmission and transformation assets[J].East China Electric Power.2009，37（5）：738-741.

[15]盧志俊，黃若函，周招洋.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)通信，2010，31（7）：50-52.LU Zhijun，HUANG Ruohan，ZHOU Zhaoyang.Applica?tion prospects of internet of things in smart grid[J].Telecom?munications for Electric Power System，2010，31（7）：50-52.