基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的電網(wǎng)污穢分析和推演

方 圓，阮 羚，熊 宇

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.高壓電氣設(shè)備現(xiàn)場試驗技術(shù)國網(wǎng)重點實驗室，湖北 武漢430077）

基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的電網(wǎng)污穢分析和推演

方 圓1，阮 羚2，熊 宇1

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.高壓電氣設(shè)備現(xiàn)場試驗技術(shù)國網(wǎng)重點實驗室，湖北 武漢430077）

探討了傳統(tǒng)電網(wǎng)污穢分析技術(shù)存在的數(shù)據(jù)獲取周期長、范圍有局限性、數(shù)據(jù)可靠性低等問題，對比分析了衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測范圍廣、重訪周期固定、分辨率高、連續(xù)快速、信息準(zhǔn)確客觀等特點，并展望了基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的電網(wǎng)污穢分析和推演的應(yīng)用方法和前景。

衛(wèi)星遙感；電網(wǎng)污穢；大氣污染

1 電網(wǎng)污穢研究對電網(wǎng)安全運行的重要性

我國經(jīng)濟發(fā)展正處于轉(zhuǎn)型改革時期，近年來，大氣污染、灰霾天氣在大部分地區(qū)頻繁發(fā)生。非周期性區(qū)域大氣污染的加劇，對電力系統(tǒng)輸變電設(shè)備外絕緣構(gòu)成了威脅，為污閃事故的預(yù)警與預(yù)防帶來了全新的挑戰(zhàn)。

大氣污染對電力系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在：顆粒物附著在絕緣子表面，導(dǎo)致絕緣子表面的污穢增多；NO2、SO2等氣體遇到高濕環(huán)境增加酸雨[1]概率，腐蝕絕緣子。沉積在絕緣子表面的固體、液體和氣體微粒與霧、毛毛雨、融冰、融雪等惡劣氣象條件的同時作用，使絕緣子的電氣強度大大降低。這些現(xiàn)象不僅增加絕緣子在過電壓作用下發(fā)生污閃的可能性，更加劇在長期運行電壓下發(fā)生污閃的頻率。

污閃隨工業(yè)的發(fā)展和輸電電壓的升高而日趨嚴(yán)重。1950年代，我國僅東北和沿海地區(qū)發(fā)生過污閃事故；1960年代，逐步向全國各電網(wǎng)發(fā)展；1980年代，隨著城鄉(xiāng)工業(yè)的迅速發(fā)展，大氣環(huán)境日趨惡化，污染加劇，同時高壓輸變電設(shè)備大幅度增加，500 kV輸電系統(tǒng)相繼投運，全國污閃事故明顯上升。1980年代末和1990年代初，東北、華北及華中幾個大電網(wǎng)，相繼發(fā)生了大面積污閃跳閘。據(jù)統(tǒng)計，污閃事故造成的損失是雷擊事故損失的10倍以上。隨著我國超特高壓電網(wǎng)應(yīng)用增多，污穢絕緣子閃絡(luò)成為電網(wǎng)最大的安全隱患。

當(dāng)前電力系統(tǒng)采用的防污閃措施主要有3種[2]：（1）通過人工巡視情況及在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，人工清掃設(shè)備或申請降壓運行（直流線路）。（2）采用新技術(shù)提高防污閃能力，推廣使用復(fù)合絕緣、加裝增爬裙、涂防污涂料，根據(jù)污穢特性合理選用防污涂料種類。（3）通過定期對絕緣子進行質(zhì)量檢測，在污閃季節(jié)前及時更換零低值、自爆、年劣化率達到更換標(biāo)準(zhǔn)等不符合運行要求的絕緣子，保持外絕緣的有效性。

這些措施在一定程度上遏制了污閃跳閘，但存在人力、物力、財力的多重浪費，且無法從根本上預(yù)測、防止污閃事故的發(fā)生[3]。因此，必須發(fā)展有效的污穢數(shù)據(jù)獲取及推演方法，及時了解大范圍大氣污染對輸變電設(shè)備外絕緣產(chǎn)生的影響，有效獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)污穢評估由點到面擴展。

2 現(xiàn)階段電網(wǎng)污穢分析技術(shù)

現(xiàn)階段，電網(wǎng)污穢數(shù)據(jù)來源主要有兩個：人工現(xiàn)場取樣與污穢在線監(jiān)測裝置測量。污穢評估方法主要針對研究對象的不同，分為等值鹽密法、泄露電流法、表面電導(dǎo)測量法、紅紫外成像監(jiān)測法、激光多普勒振動法等[4]。

大氣污染受污染源分布、污染物性質(zhì)、氣象條件和地形狀況等影響，時空變化很大。而常規(guī)取樣只能在有限的監(jiān)測點上進行，很難得到大區(qū)域、長時期全面而準(zhǔn)確的結(jié)果?，F(xiàn)階段電網(wǎng)污穢分析手段存在下面3個問題。

2.1 獲取數(shù)據(jù)周期長、連續(xù)性差

為了保障電網(wǎng)正常運營，輸電線路的定期清掃與人工采樣需遵循整個電網(wǎng)停電檢修的計劃調(diào)度。因此，自然污穢試驗雖可獲得最真實的運行線路絕緣子的外絕緣狀態(tài)評測結(jié)果，但試品較難獲得，試驗周期較長，所得數(shù)據(jù)量較小。例如，基于停電狀態(tài)下獲取絕緣子污穢的等值鹽密法受到停電周期的制約，難以實時動態(tài)地依據(jù)外部沙塵、霧霾等污染天氣調(diào)整取樣周期，無法做到針對電網(wǎng)污穢分布變化的實時動態(tài)估計。

現(xiàn)行國標(biāo)DL/T 374-2010《電力系統(tǒng)污區(qū)分布圖繪制方法》中污區(qū)分布圖的繪制考慮到停電周期問題，以3年為周期對累積的污穢參數(shù)（鹽密、灰密等）進行測量。當(dāng)前污穢特殊區(qū)域?qū)ｎ}圖一般2～3年甚至更長時間才更新一次，存在嚴(yán)重的時間滯后性。盡管標(biāo)準(zhǔn)中建議污區(qū)圖可以1年內(nèi)進行小范圍修訂，但是這種固定時間周期的修訂沒有考慮到國家、省級局部地區(qū)經(jīng)濟建設(shè)以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展的非周期變化，獲取的數(shù)據(jù)缺乏連續(xù)性反映周邊污染源變化的參數(shù)支撐，不能客觀反映區(qū)域污穢情況。

2.2 獲取數(shù)據(jù)范圍局限于離散的點

在理論研究中，還沒有學(xué)者將空間數(shù)據(jù)挖掘的思想應(yīng)用于電網(wǎng)污穢分析中。絕大多數(shù)國內(nèi)外研究人員針對絕緣子污穢的累積情況，提出不同的絕緣子類型、氣象條件、大氣污染等因素與等值鹽密之間的定性關(guān)系，也有采用絕緣子等值鹽密動態(tài)累積規(guī)律經(jīng)典模型開展基于時間變化的仿真建模等。這些均采用單一變量或單一環(huán)境下的數(shù)值統(tǒng)計方法，是基于離散和小面積地面數(shù)據(jù)進行的，無法實現(xiàn)大面積覆蓋[3]。

在實際應(yīng)用中，現(xiàn)階段的污穢參數(shù)都是來自輸電線路上安裝的離散監(jiān)測點，僅覆蓋了有限的點位，數(shù)據(jù)僅表征了觀測點位周邊有限范圍內(nèi)的污穢附著情況，不能得到大范圍內(nèi)每個絕緣子及輸變電設(shè)備的污穢信息[3]，為面域尺度上污區(qū)圖的繪制帶來了不確定性。

2.3 獲取數(shù)據(jù)不能真實反映污穢情況

人工現(xiàn)場取樣展開的污穢試驗中，不同試驗人員存在經(jīng)驗差異，取樣過程中個人主觀性大，造成采樣標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一。同時，難以避免現(xiàn)場讀數(shù)等人工誤差。加之人工取樣機會較少，增加了試驗不可靠性，最終導(dǎo)致試驗結(jié)果在不同區(qū)域間可比性較差。

在線監(jiān)測裝置的污穢試驗中，受監(jiān)測技術(shù)、蓄電池容量等問題制約，部分污穢監(jiān)測裝置存在誤報率高、故障率高、易受電磁干擾、實時性差等缺點，獲取數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)存在不完整、不準(zhǔn)確、不及時等情況，技術(shù)人員難以開展高效的應(yīng)用和分析處理。而在試驗方法上，數(shù)據(jù)表征等價性問題經(jīng)過多次修正，仍未完全得到解決[5]。例如常應(yīng)用的泄露電流法受運行過程中表面污穢、運行電壓、絕緣子尺寸等因素的影響，常常泄露電流發(fā)生突變時污閃已經(jīng)發(fā)生，不能準(zhǔn)確反映劣化過程。等值鹽密法是在理論上僅僅指示了絕緣子污穢中能導(dǎo)電部分物質(zhì)，而忽略了非導(dǎo)電部分的污穢，它所計算出來的污穢含量與真實值其實存在一定差異[4]。污層電導(dǎo)率法由于污穢分散性大，受溫度變化和污穢分布不均、絕緣子形狀不同的影響較明顯[6]。

3 應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取污穢參數(shù)分析

衛(wèi)星遙感歷經(jīng)多年的研究和發(fā)展，在設(shè)計和研制方面攻克了一系列高精度、定量化的技術(shù)難題，其衍生的產(chǎn)品種類、數(shù)量，以及定量化指標(biāo)均有顯著提升[7]。按照我國“十三五”發(fā)展戰(zhàn)略，衛(wèi)星遙感系統(tǒng)將重點發(fā)展大氣觀測系列，逐步形成高、中、低空間分辨率合理配置、多種觀測手段優(yōu)化組合的綜合高效全球觀測能力。可預(yù)期，氣象衛(wèi)星事業(yè)將邁入新階段。衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測大氣具有以下3個優(yōu)勢。

3.1 易獲取海量周期性、連續(xù)性數(shù)據(jù)

衛(wèi)星遙感監(jiān)測通過多種衛(wèi)星周期性重復(fù)覆蓋地球表面，對陸地表面進行大范圍、多時次的掃描，提供了海量、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)源，便于對大氣污染進行長時期動態(tài)監(jiān)測和預(yù)報。通過選擇不同周期、分辨率、觀測對象的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，可有效獲取所需的大氣污染數(shù)據(jù)。例如，美國對地觀測系統(tǒng)（EOS）計劃發(fā)射的下午星群飛行在太陽同步軌道上，在與當(dāng)?shù)貢r間下午13：30相隔不到30 min的時間內(nèi)經(jīng)過赤道上空。其CALIPSO衛(wèi)星通過激光束與光路上的云粒子、氣溶膠粒子和大氣分子等相互作用產(chǎn)生散射信號，獲取氣溶膠特性數(shù)據(jù)。同為EOS計劃的Terra和Aqua衛(wèi)星在大氣數(shù)據(jù)采集時間上形成互補，其搭載的對地觀測器之一MODIS一天覆蓋全球兩次，具有多光譜分辨率、高時間分辨率、多空間分辨率等特點。美國宇航局發(fā)射的Aura衛(wèi)星對地球臭氧層、空氣質(zhì)量和氣候變化進行觀測和研究，1 d覆蓋1次全球，能夠以較高的空間分辨率獲取大氣污染物的空間分布和動態(tài)變化，為深入研究污染物的遠距離輸送及其復(fù)雜性提供支持。

3.2 監(jiān)測范圍廣泛

與傳統(tǒng)以監(jiān)測點的絕緣子為測量范圍開展推算相比，衛(wèi)星遙感技術(shù)突破了局限性，可以獲得三維空間數(shù)據(jù)，得到污染物垂直和水平分布信息。

同時，采用衛(wèi)星遙感技術(shù)易于獲取多元實測數(shù)據(jù)，可通過觀測大氣中氣溶膠和微量氣體的變化趨勢，研究其源和匯，改變以往以點代面、以小范圍代表大區(qū)域、污穢分析較粗放的不足，實現(xiàn)污穢綜合評估和預(yù)測方法的融合、創(chuàng)新與應(yīng)用。

3.3 數(shù)據(jù)來源可靠、多樣，能真實反映污穢情況

衛(wèi)星遙感技術(shù)可以瞬時獲得大區(qū)域內(nèi)地表和大氣的綜合信息，客觀、準(zhǔn)確、實時地反應(yīng)大氣污染情況，避免大氣污染時空易變性、人工取樣的隨機性、人工試驗干預(yù)的誤差性等產(chǎn)生的誤差。例如，高光譜遙感通過光譜區(qū)間的連續(xù)分布，可探測到更精細的地物信息和大氣吸收特征，提高遙感高定量分析的精度和可靠性。

采用衛(wèi)星遙感的手段進行大氣污染檢測，還能通過融合不同衛(wèi)星監(jiān)測源，對絕緣子污穢提供多樣、有效的數(shù)據(jù)。例如，風(fēng)云四號定量遙感氣象衛(wèi)星[7],采用高精度轉(zhuǎn)角測量及掃描控制、定標(biāo)、實時補償、圖像配準(zhǔn)等創(chuàng)新技術(shù),可提供溫濕度、大氣、導(dǎo)風(fēng)、閃電等34種數(shù)據(jù)，涵蓋沙塵檢測、氣溶膠光學(xué)厚度、大氣穩(wěn)定度指數(shù)等應(yīng)用，實現(xiàn)在靜止軌道的大氣垂直探測，可與太陽同步軌道衛(wèi)星形成時空、監(jiān)測種類及精度等方面數(shù)據(jù)互補。

4 基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的電網(wǎng)污穢推演前景展望

基于衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測范圍廣、重訪周期固定、分辨率高、快速連續(xù)、信息準(zhǔn)確客觀等特點，能直觀、動態(tài)監(jiān)測污染物的多時空尺度的變化趨勢和分布特征，對污穢的產(chǎn)生機理及其與大氣污染數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性研究、電網(wǎng)污穢預(yù)測和預(yù)防發(fā)展具有重要意義。

4.1 應(yīng)用思路探究

（1）通過衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲取長時間、大范圍污染情況

對搜集到的實時氣象、污染數(shù)據(jù)進行清理與重組，結(jié)合鹽密、灰密實測數(shù)據(jù)進行關(guān)鍵要素篩選和過程規(guī)則推理，分析、探索污穢引發(fā)閃絡(luò)過程及機理的本質(zhì)化學(xué)成分，與不同電壓等級下發(fā)生的污閃情況關(guān)聯(lián)，得出不同影響權(quán)重因子。例如，通過綜合分析衛(wèi)星遙感大氣污染中的大氣氣溶膠、硫氧化物、氮氧化物等因子、區(qū)域地理氣候特征與電網(wǎng)設(shè)備污穢實測參數(shù)之間關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立相應(yīng)的多元因素關(guān)聯(lián)模型及各因子間的量化關(guān)系，研究其特征和規(guī)律，建立基于環(huán)境因素的灰密、鹽密等數(shù)值濃度預(yù)測預(yù)報模型。

對來自不同衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進行時空配準(zhǔn)與融合，實現(xiàn)大氣污染數(shù)據(jù)的空域擴展[8-12]。建立類型豐富、尺度層次多樣、面向應(yīng)用的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)庫，能更加精確的篩選出與電網(wǎng)設(shè)備污穢相關(guān)的數(shù)據(jù)，為模型優(yōu)化等研究提供數(shù)據(jù)支持。

（2）融合地面離散測量數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和地面人工采樣數(shù)據(jù)的融合，實現(xiàn)衛(wèi)星-地基觀測相結(jié)合的污穢在面域的擴展。采用多時相加權(quán)平均等數(shù)據(jù)融合及ARIMA、集合卡爾曼濾波等由點及面的數(shù)據(jù)同化方法，將衛(wèi)星遙感大氣污染數(shù)據(jù)與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)進行時空匹配，構(gòu)建具有共同時空屬性的分析數(shù)據(jù)集，利用空間數(shù)據(jù)挖掘等方法建立關(guān)系模型；最后，輸入衛(wèi)星大氣污染數(shù)據(jù)，實現(xiàn)衛(wèi)星-地基觀測相結(jié)合的輸變電設(shè)備外絕緣污穢在面域的擴展。將地面人工監(jiān)測結(jié)果作為驗證參考，動態(tài)更新輸入，展開模型參量微調(diào)。

（3）無地面監(jiān)測點區(qū)域開展推演、比對研究

針對地面無監(jiān)測點區(qū)域，可以建立氣象、地形地貌數(shù)據(jù)的污染物擴散遷徙模型，開展其在區(qū)域環(huán)境特征下的污穢評估。

采用衛(wèi)星遙感的手段，實時、動態(tài)探測土地利用變化，結(jié)合輸電線路周邊區(qū)域地形的精確測繪數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，發(fā)展數(shù)據(jù)挖掘和模式預(yù)測的新方法，對大面積區(qū)域絕緣子污穢進行評估和預(yù)測?？梢詳U散統(tǒng)計理論出發(fā)點，假設(shè)污染物濃度分布在一定程度上服從高斯分布，構(gòu)建多種排放源排污的模式系統(tǒng)，開展推演、估算，針對新建的工廠、熱電廠等高污染源區(qū)域及時修正。模型成熟后，可擴展到適用于鄉(xiāng)村環(huán)境和城市環(huán)境、平坦地形和復(fù)雜地形、地面源和高架源等多種排放擴散情形的模擬和預(yù)測。

4.2 應(yīng)用效果展望

通過衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與絕緣子積污、電網(wǎng)污閃間關(guān)聯(lián)研究的深入，可以減少電網(wǎng)污穢分析的主觀性、局限性，增加分析方法多樣性。與已有精益化評估方法相結(jié)合，開展與歷史污穢數(shù)據(jù)、離散監(jiān)測點數(shù)據(jù)、實時氣象預(yù)報等融合的污穢推演，實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)到無布點區(qū)的拓展，將有效指導(dǎo)污穢特殊區(qū)域分布圖的繪制及動態(tài)修訂，為電網(wǎng)防污的差異化規(guī)劃設(shè)計、運維管理和檢修防治等提供判據(jù)，科學(xué)指導(dǎo)絕緣子防污閃能力配合、電網(wǎng)防污工作的開展和決策的制定實施。

5 結(jié)語

隨著空氣污染問題的日益突顯,利用衛(wèi)星遙感進行大氣探測的技術(shù)得到了不斷發(fā)展。通過應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測范圍廣、重訪周期固定、分辨率高、快速連續(xù)、信息準(zhǔn)確客觀等優(yōu)勢，有效彌補傳統(tǒng)電網(wǎng)污穢分析技術(shù)存在的不足。綜合分析衛(wèi)星遙感監(jiān)測大氣污染等多元實測數(shù)據(jù)，開展推演與建模，實現(xiàn)污穢綜合分析和預(yù)測方法的創(chuàng)新與應(yīng)用，為電網(wǎng)差異化污穢狀況分析、治理和預(yù)防提供判據(jù)，將有望高效指導(dǎo)電網(wǎng)防污工作的開展和決策的制定實施，科學(xué)建立電網(wǎng)防污穢體系。

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The Prospect of Pollution Analysis and Deduction of Power System Based on Satellite Remote Sensing Technology

FANG Yuan1,RUAN Ling2,XIONG Yu1
(1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China; 2.State Grid Key Laboratory of High-Voltage Field-Test Technique,Wuhan Hubei 430077,China)

The existing problems in retrieval and analysis of traditional pollution data are dis?cussed in this paper,which are of long period,limited scale to discrete monitoring points and low data reliability.Comparatively,the advantages of wide monitoring scope,the confirmed revisit peri?od,high resolution,quick and continuous response,accurate and objective information based on satellite remote sensing technology are studied.Furthermore,the application method and effects of pollution study and deduction of power system based on satellite remote sensing technology is pros?pected.

satellite remote sensing;pollution of power system;atmospheric pollution

TM75

A

1006-3986(2016)04-0013-04

10.19308/j.hep.2016.04.003

2016-03-011

方 圓（1989），女，湖北武漢人，助理工程師。