覆冰在線監(jiān)測預警系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析

李昊, 曾彤, 陳曉國, 李銳海, 陽林, 廖嘉駿

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

覆冰在線監(jiān)測預警系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析

李昊1, 曾彤2, 陳曉國1, 李銳海1, 陽林2, 廖嘉駿2

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

自2008年冰災以后，覆冰在線監(jiān)測技術受到普遍重視，國家電網(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)測系統(tǒng)并投入使用。首先總結了目前輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測模型的研究現(xiàn)狀，并分別展開分析論述，同時闡述了南方電網(wǎng)覆冰監(jiān)測系統(tǒng)運行流程，并對在線監(jiān)測系統(tǒng)運行期間所獲得的大量運行數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)處理的發(fā)展趨勢提出了看法和意見。最后，對覆冰在線監(jiān)測預警系統(tǒng)做出了總結和展望。

輸電線路；在線監(jiān)測系統(tǒng)；監(jiān)測模型；覆冰預測；大數(shù)據(jù)

0 引 言

輸電線路覆冰嚴重危害我國電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，如果不及時采取措施會引起絕緣子閃絡、導(地)線斷線、導線舞動、倒塔和電力通信中斷等事故[1]。覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)通過對區(qū)域范圍內(nèi)的氣象狀況、拉力傳感器上的實時拉力以及風偏角等信息的實時采集來判斷線路覆冰狀況，做好第一時間的防護與檢修工作。

近年來，國內(nèi)外學者圍繞輸電線路覆冰在線監(jiān)測模型、覆冰預測模型以及融冰方法和維護策略等方面進行了大量的研究[2]，使電網(wǎng)在覆冰期間的運行狀況有了很大改善。但是覆冰在線監(jiān)測的大量運行數(shù)據(jù)并沒有得到深度挖掘并且各類數(shù)據(jù)間的關聯(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，為覆冰期導線的覆冰機理、絕緣狀態(tài)監(jiān)測、絕緣故障預測等方面開辟新的視角。同時大數(shù)據(jù)處理方法，也將是電力行業(yè)未來各種大而雜的數(shù)據(jù)處理的總趨勢[3]。

1 輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

20世紀中期開始，國外已對輸電線路覆冰開始觀測和研究，并在導線覆冰形成和增長機理、絕緣子覆冰閃絡特性以及導線覆冰舞動等方面取得了豐碩的研究成果。我國在該領域起步比較晚，我國覆冰監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展狀況如表1所示。

南網(wǎng)和國網(wǎng)系統(tǒng)相比起來相似點居多，例如均采用兩級主站結構；使用了稱重法和視頻圖像法相結合的覆冰監(jiān)測技術；通過采集覆冰終端的信息，由GPRS/CDMA等無線網(wǎng)絡的形式把數(shù)據(jù)傳送到二級主站，再由二級主站傳送到一級主站上進行顯示。但南網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)于國網(wǎng)的地方在于南網(wǎng)采用的是統(tǒng)一的自主研發(fā)計算模型，而國網(wǎng)的計算模型來自于各個廠家，從而不同計算模型的計算覆冰厚度不易比對，不利于信息統(tǒng)一化的管理與維護。因此，針對南網(wǎng)覆冰監(jiān)測系統(tǒng)的運行過程做出如下詳細描述[9-11]。

南方電網(wǎng)覆冰監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測終端、通信網(wǎng)絡和主站三層構成。監(jiān)測終端在投運之前需要例行的入網(wǎng)檢測(即每個廠家提供幾套完整的裝置樣品，在特高壓基地進行外觀和結構檢查、性能測試、功能測試和電磁兼容測試等)，完成之后對終端裝置進行考核評分，按考核評分分數(shù)擇優(yōu)選擇終端裝置產(chǎn)品。入網(wǎng)檢測合格、安放在線路的每套終端配置一張通信卡，以GPRS/CDMA相結合的通信方式與主站建立聯(lián)系。南方電網(wǎng)覆冰監(jiān)測系統(tǒng)有一套屬于自己的通信規(guī)約，用數(shù)據(jù)幀的模式將終端設備號、控制類型碼、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)約存儲起來，再根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和當前數(shù)據(jù)，采用圖或表的形式，對反映輸電設備或其周邊環(huán)境狀況的監(jiān)測參數(shù)做數(shù)據(jù)展現(xiàn)。主站對各類監(jiān)測量設有報警閾值，當終端采集到的監(jiān)測量超過該值時則報警服務觸發(fā)報警。

表1 我國覆冰監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展歷程一覽表

2 輸電線路覆冰監(jiān)測模型研究現(xiàn)狀

輸電線路覆冰監(jiān)測模型是輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，是決定覆冰預測準確程度的先決條件。國內(nèi)外專家對覆冰模型的研究很多，總體上來說，根據(jù)監(jiān)測原理的不同覆冰監(jiān)測模型可分為兩大類，即圖像監(jiān)測模型和力學監(jiān)測模型[12]。

圖像信息量大，直觀形象，是獲取線路信息的重要來源之一。圖像監(jiān)測模型通常是通過圖像處理為手段，對覆冰狀態(tài)時的圖像和非覆冰狀態(tài)時的圖像進行分割，提取覆冰邊緣信息，對差異化信息進行分析處理，從而得出線路和絕緣子當時的覆冰厚度。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)場拍攝角度受限等原因會使估算出來的覆冰厚度不夠準確。就目前而言圖像法只能作為導線覆冰在線監(jiān)測的輔助手段，但是可針對現(xiàn)有攝像頭的不足研制出不易結冰或可以自動融冰的鏡頭，并能實現(xiàn)360度旋轉(zhuǎn)，從而解決現(xiàn)在圖像法的瓶頸。

目前，基于力學監(jiān)測模型的方法有很多且都發(fā)展的相對成熟。該模型通過測量覆冰的相關參數(shù)，如氣象參數(shù)、絕緣子串拉力和絕緣子串傾角、導線應變、導線溫度等，通過相關力學公式計算覆冰情況。根據(jù)采用的設備不同可以分為基于拉力傳感器的覆冰監(jiān)測模型、基于光纖光柵傳感器的覆冰監(jiān)測模型和基于其他在線監(jiān)測方法的覆冰監(jiān)測模型。圖1給出各種監(jiān)測模型的拓撲結構。

圖1 監(jiān)測模型拓撲結構圖

1)基于拉力傳感器的覆冰模型：分為基于稱重法計算模型、基于水平張力—傾角計算模型和基于傾角—弧垂計算模型。文獻[13]提出基于稱重法覆冰載荷模型，該模型是基于懸掛點等高的架空線。拉力傳感器安裝在主桿塔頂上，風載荷可以通過風速傳感器、導線直徑和風向夾角求出，再通過主桿塔上豎向載荷差值求出覆冰載荷，從而求出覆冰厚度，整個過程中將覆冰形狀當做圓形覆冰處理。文獻[14]又提出懸掛點不等高的模型，該模型在算法上依據(jù)輸電線路狀態(tài)方程。稱重法力學模型較為簡單，在輕覆冰情況下大體能夠滿足要求，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[15]提出水平張力—傾角模型，拉力傳感器測量耐張段絕緣子串軸向張力，角度傳感器測量懸掛點傾角數(shù)據(jù)，通過求出導線的綜合比載,可以進而求得覆冰比載，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。由于此模型是針對耐張塔，而耐張塔上安裝拉力傳感器會給結構和安全問題帶來隱患，因此應用范圍有限。文獻[16]提出根據(jù)導線傾角變化監(jiān)測弧垂的模型，它將采集到的導線傾角等參數(shù)，結合輸電線路的狀態(tài)方程、線路參數(shù)、氣象環(huán)境參數(shù)，應用專家分析系統(tǒng)分析導線的覆冰厚度。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及以上等級輸電線路, 導線的剛度較大, 視作柔索將導致較大的誤差。

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量導線應變、傾角以及導線溫度，然后依據(jù)覆冰線路力學計算公式計算導線應力、導線弧垂以及覆冰量。與上述的電測量傳感器相比，光纖傳感器具有抗電磁干擾小、使用年限長、傳輸距離遠等優(yōu)點。文獻[17]中，華北電力大學研制出光纖光柵拉力傳感器，通過增設不受力光纖光柵的方法解決了溫度與應變交叉敏感問題。文獻[18]中，北京郵電大學研制了一套基于光纖布拉格光柵傳感器測量的架空線路覆冰系統(tǒng)。文獻[19]中，華中電網(wǎng)公司研究將光纖光柵傳感器植入復合絕緣子芯棒的在線監(jiān)測系統(tǒng)，使復合絕緣子在監(jiān)測導線覆冰的同時可以監(jiān)測其內(nèi)部微弱的溫度和應力變化來判斷是否出現(xiàn)內(nèi)部缺陷。

3)基于其他在線監(jiān)測方法的覆冰模型：有基于模擬導線法的覆冰模型[20]，通常在架空線路附近建立觀測站或觀冰站，架設與導線相同型號和材質(zhì)的模擬導線，通過測量模擬導線的覆冰厚度來估計導線的覆冰厚度?；诟脖俾视嫹ǖ母脖Ｐ蚚21]，在架空線路附近安裝探頭，探頭覆冰其頻率會發(fā)生改變，可依據(jù)頻率的變化規(guī)律間接估計覆冰速率。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線路兩個端點的時間，通過輸電線路在正常運行與線路覆冰期間的行波時間差以及架空線路狀態(tài)方程來計算線路的比載，利用比載和冰厚的計算關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]，無冰和覆冰過程中因電解質(zhì)發(fā)生變化會引起電容很大變化的原理，使電容測量值反映導線覆冰厚度等。

3 覆冰在線監(jiān)測與大數(shù)據(jù)時代

輸電線路覆冰過程是一個高維的非線性時間序列過程，具有動態(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，實現(xiàn)架空線路覆冰的預警，就需要建立覆冰預測模型。現(xiàn)階段，覆冰預測模型總體分為三類：機理模型、統(tǒng)計學模型和智能計算模型。它們都是根據(jù)監(jiān)測點的氣象信息預測結果的。機理模型是根據(jù)覆冰形成機理和各種氣象數(shù)據(jù)來預測輸電線的覆冰厚度。統(tǒng)計學模型是通過統(tǒng)計學的原理，在大量數(shù)據(jù)的背景下找到映射關系并推出合適的覆冰解析模型。智能計算模型在覆冰模型上的應用是近幾年來的研究熱點，它的本質(zhì)就是建立在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與覆冰預測模型之間的I/O映射關系。

機理模型和統(tǒng)計學模型就是建立解析模型，但是在實際的工程應用中，解析模型不易建立并且一個解析模型無法適應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)測系統(tǒng)在運行過程中積累了大量數(shù)據(jù)，例如溫度、風速、風向、雨量、氣壓、絕緣子拉力、絕緣子傾斜角、風偏等信息，而單純運用微氣象數(shù)據(jù)和覆冰預測模型的I/O映射關系顯然不夠精準，所以智能計算模型也不適合新時代數(shù)據(jù)成倍增長的發(fā)展趨勢了。于是，將覆冰在線監(jiān)測與大數(shù)據(jù)的結合將是一個新的里程，大數(shù)據(jù)不需要給出一個精確的數(shù)學模型，它打破傳統(tǒng)絕緣狀態(tài)監(jiān)測、故障預測觀念。大數(shù)據(jù)不再只是定格于“隨機采樣”，而是以“全體數(shù)據(jù)”為研究對象；不再熱衷于尋找“因果關系”，而是尋找不同事物間的“相關關系”；不再對原始數(shù)據(jù)加入人工干涉，而是對一堆數(shù)據(jù)進行深度挖掘，將數(shù)據(jù)多維度地展示出來。

通過大數(shù)據(jù)分析可以從輸電線路自然覆冰時找到導線覆冰狀態(tài)和絕緣子覆冰狀態(tài)的相關關系，研究地理信息與覆冰狀態(tài)的相關關系，研究綜合覆冰應力、圖像、微氣象等評估覆冰狀態(tài)的方法等。同時，從監(jiān)測終端的生產(chǎn)廠家信息、監(jiān)測終端的運行年份信息以及終端的壽命、檢修次數(shù)、掉線次數(shù)及周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，我們可能得出不同廠家不同設備的損壞速率與程度，不同廠家的設備更適合哪種自然條件。覆冰過程是否會受到天體活動的影響，是否會和當?shù)厝说纳盍晳T、當?shù)氐闹萎a(chǎn)業(yè)種類有關系等等。

4 結束語

就目前覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)的使用情況來講，計算模型的準確度還是非常之高的，參考各桿塔傳來的微氣象數(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，并及時采取搶修補救措施。2013年冬天，整個南網(wǎng)管轄范圍內(nèi)的省市地區(qū)都未發(fā)生嚴重的覆冰倒塔、導線斷股事故，這很大程度上依賴于覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)的實時監(jiān)測。

但是，中國幅員遼闊，不同地區(qū)氣象存在明顯差異，應該按不同地域特點建立不同的監(jiān)測模型，也可以對不同地區(qū)添加不同的修正系數(shù)，這種“以一應多”的模型自然不適合未來的發(fā)展。近5年來監(jiān)測終端拍攝的覆冰期間的海量圖像數(shù)據(jù)包含了大量非結構化信息，如果能找到將這些信息轉(zhuǎn)化為以特征量表征的結構化信息的方法，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。對于覆冰預測模型，我們現(xiàn)階段考慮的影響因素過于定格，如果能打破傳統(tǒng)觀念，考慮更多影響因素，也許會有質(zhì)的突破。將大數(shù)據(jù)與輸電線路覆冰相結合是未來研究的主流方向，也許在不遠的將來傳統(tǒng)輸電線路絕緣狀態(tài)監(jiān)測、故障預測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，研究方向為電力設備在線監(jiān)測、輸電線路覆冰及防護 。 曾彤(1991-)，女，安徽人，碩士生，研究方向為輸電線路覆冰及防護。

定稿日期: 2014-06-06