基于分布式光纖的電網(wǎng)臺風(fēng)災(zāi)害預(yù)警方法研究

譚磊，趙永強，趙留學(xué)，周愷，王蓉

(1.國網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031； 2.國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京 100075；3.武漢康普常青軟件技術(shù)股份有限公司，武漢 430074)

0 引 言

輸電線路長期裸露在外，極易遭受自然災(zāi)害的影響，尤其是破壞力度極大的臺風(fēng)[1-2]。2014年7月的強臺風(fēng)“威馬遜”導(dǎo)致廣東省臨海區(qū)域大面積輸電走廊出現(xiàn)倒塔等事故，使得電力、通訊長時間癱瘓。因此實時監(jiān)測輸電走廊風(fēng)速，并建立臺風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)，從而強化災(zāi)前預(yù)警、預(yù)防和災(zāi)后搶修預(yù)判的能力，并對優(yōu)化電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計、運維、搶修調(diào)配等起到關(guān)鍵作用，極力減少損失，保障線路安全可靠運行是目前電網(wǎng)亟需解決的重要問題。

研究表明：線路風(fēng)災(zāi)主要源于風(fēng)荷載的大小，其停運也主要受控于風(fēng)荷載的設(shè)計不足[3-5]。輸電線路長期暴露于自然環(huán)境中，不僅因線路遭受高頻微風(fēng)振動以及自身的老化作用發(fā)生疲勞折損，而且持續(xù)的大風(fēng)侵襲也會極大的降低線路實際承受風(fēng)荷載，從而一旦再遇到大風(fēng)或者長時間的大風(fēng)下，會大幅增加線路的故障率[6]；而服役時間長的線路可以通過實施風(fēng)偏改造等措施彌補線路的抗風(fēng)能力，從而減少故障率。而有些線路段因運維施工等原因?qū)е戮€路存在缺失遺漏的器件，或者器件的使用壽命已大大降低了，這些情況無疑會直接加大故障的發(fā)生概率。因此綜合評判受風(fēng)時間、線路老化和防風(fēng)措施以及線路運維三方面的線路實況，即可得線路實際能承受的最大風(fēng)荷載。

目前的風(fēng)速數(shù)據(jù)基本源于氣象臺站觀測，分布散亂、場地開闊，多遠離輸電線路，尚不足以充分表征復(fù)雜地形下輸電線路的風(fēng)速；而風(fēng)害預(yù)警基于定時定點的氣象預(yù)報，及時性和針對性嚴重不足。雖然已有很多學(xué)者對其進行研究，以期細化氣象區(qū)域性風(fēng)速，從而表征不同環(huán)境下的輸電線路風(fēng)速，例如包博[7]等人通過信息關(guān)聯(lián)，建立了一種計及微地形修正的輸電線臺風(fēng)風(fēng)險預(yù)警方法，并成功得到驗證；高雁等人[8]從風(fēng)荷載出發(fā)，同樣建立了微地形下的修正系數(shù)計算方法，從而得到較精確的設(shè)計風(fēng)荷載；靳軍[9]根據(jù)經(jīng)緯度將氣象風(fēng)速換算為輸電線路的有效風(fēng)速，建立風(fēng)力荷載、地形因素以及自身狀況為輸入下的模糊推理模型，計算出臺風(fēng)影響下的停運概率；宋嘉婧[6]則直接應(yīng)用觀測風(fēng)速于輸電線路兩個檔距上，根據(jù)風(fēng)參數(shù)的實時變化，結(jié)合風(fēng)荷載設(shè)計水平，動態(tài)分析輸電線路的實時停運概率。但是這些研究均存在一些問題：

(1)實際地形千差萬別，經(jīng)修正的氣象風(fēng)速仍舊無法精準代表輸電線路上的風(fēng)速；

(2)預(yù)警方案未考慮持續(xù)大風(fēng)下的損耗以及運維施工等遺留缺陷的影響。

基于分布式光纖設(shè)備的實時監(jiān)測風(fēng)速數(shù)據(jù)，從實時風(fēng)荷載和動態(tài)修正設(shè)計風(fēng)荷載兩方面著手分析計算：首先獲取整條線路每個檔距處的風(fēng)速大小，計算對應(yīng)的實時風(fēng)荷載；再結(jié)合線路實際情況，從線路自身狀態(tài)、運維缺陷、以及持續(xù)大風(fēng)下的損耗三個方面，綜合修正以表征實際所能承受的最大風(fēng)荷載；最后評估實際風(fēng)荷載與修正后的設(shè)計風(fēng)荷載之間的關(guān)系，從而有效的判斷線路所受的荷載威脅，發(fā)布實時預(yù)警信息，并對臺風(fēng)過后的全線風(fēng)險實行排序，可高效指導(dǎo)搶修調(diào)配工作。

1 分布式光纖測風(fēng)技術(shù)簡介

文中的實時風(fēng)速數(shù)據(jù)來源于分布式光纖風(fēng)速在線監(jiān)測系統(tǒng)，分布式光纖傳感技術(shù)利用線路上的通信光纖OPGW和相位敏感光時域反射儀設(shè)備組成線路的風(fēng)速傳感測量系統(tǒng)。該測風(fēng)技術(shù)通過分析探測其散射信號的特征獲取與線路振動相關(guān)的信息，經(jīng)過快速傅里葉變換處理提取線路的振動特征線譜，由其回波時間差異完成對監(jiān)測位置的分辨，根據(jù)卡曼漩渦原理可計算出風(fēng)速，從而實現(xiàn)對全線路的風(fēng)速同步監(jiān)測。

為了保證高精度的監(jiān)測，對各檔距采取每30 s作為一個基本探測單元，進而統(tǒng)計15 min間隔內(nèi)的平均值和最大值作為最后的輸出結(jié)果。該設(shè)備已在試驗線路得到驗證，圖1展示了某臺風(fēng)期監(jiān)測的平均風(fēng)速和最大風(fēng)速與鄰近氣象站的風(fēng)速對比圖。該氣象站距離此檔距不到4 km，且位處同一平原地帶，有著一定的參考對比價值。

圖1 試驗線路某檔距與氣象臺的風(fēng)速時間演化圖

圖1中可清晰看到兩者的趨勢一致性，但因為統(tǒng)計時距、測量高度的差異，使得風(fēng)速數(shù)值的重合度出現(xiàn)一些偏差，但臺風(fēng)瞬態(tài)的變化趨勢一致，表明分布式光纖測風(fēng)技術(shù)原理具有可行性。

2 風(fēng)荷載影響因素與設(shè)計風(fēng)荷載修正

2.1 受風(fēng)時間所造成的線路損耗

風(fēng)荷載的概率分布一般用廣義極值分布來擬合表示[6]。雖然極值分布對于評估少有的事情非常有效，但是持續(xù)時間的長短也是評估故障率的有利因素，顯然持續(xù)較大風(fēng)荷載的作用必然會帶來更大的損耗。因此，為了量化這種損耗大小，引入損耗因子γ1，定義為固定時間段內(nèi)持續(xù)受風(fēng)荷載作用后的承受能力Wx與設(shè)計風(fēng)荷載We之比。

由理論與經(jīng)驗可知，γ1與該時間段內(nèi)風(fēng)荷載的大小有關(guān)，即持續(xù)風(fēng)荷載越大，則其帶來的損耗也越大，因此，持續(xù)風(fēng)荷載與損耗的示意關(guān)系如圖2所示。

從圖2可知，持續(xù)風(fēng)荷載可用面積來表征，面積越大，對應(yīng)的損耗越大。于是從面積法出發(fā)，附加風(fēng)荷載的加權(quán)值來求取其面積，即：

(1)

式中s是t1、t2時間段內(nèi)的累積加權(quán)風(fēng)荷載；Wx是計算的實時風(fēng)荷載；ω是跟隨風(fēng)荷載變化的權(quán)值量，定義為實時風(fēng)速v與設(shè)計風(fēng)速v0的比值，即可充分避免因面積相當，而風(fēng)荷載大小不一的兩者判定為相同的損耗。

圖2所示的關(guān)系圖近似于反正切曲線，經(jīng)過對歷史數(shù)據(jù)的擬合，可得到損耗的求解表達式：

(2)

式中參量a、b、c根據(jù)歷史風(fēng)速及實際損耗數(shù)據(jù)進行擬合求解,從而得到該線路對應(yīng)的參量，實現(xiàn)損耗修正；s是式(1)中的面積。

2.2 線路自身狀況帶來的折損或強化

威布爾分布可形象表征輸電線路的三個服役過程：初始運行期、穩(wěn)定運行期、損耗期[6]。那么同樣的兩條線路同處于損耗期時，服役時間的長短則決定了該線路抗風(fēng)能力的強弱。一般線路設(shè)計使用年限是按電壓等級規(guī)劃的[9]，如表1所示，其中前后十年是其初裝期和損耗期。結(jié)合線路的電壓等級判斷其服役狀態(tài)，確定其折損系數(shù)γ21。

表1 一般線路設(shè)計使用年限表

防風(fēng)改造舉措的實施，例如采用加強型材料、增設(shè)防風(fēng)拉線、加強桿塔基礎(chǔ)等方式，又會明顯提升線路的抗風(fēng)強度，使得線路實際承受風(fēng)荷載能力加強[10]，可用加強系數(shù)γ22表示。

2.3 外部環(huán)境的影響

雖然風(fēng)速過大是事故發(fā)生的最大問題，但運維施工等問題帶來的影響不容小覷。歷史出現(xiàn)過大風(fēng)跳閘等事故后遺留的缺陷未進行消缺處理或者未發(fā)現(xiàn)隱藏的缺陷等問題，都會影響實際承受風(fēng)荷載，因此可以利用外部參數(shù)γ3表征運維問題的影響程度。

2.4 綜合修正系數(shù)

根據(jù)運維人員收集到的缺陷信息以及運行經(jīng)驗，劃定不同情況下的損耗影響等級A-E，分別對應(yīng)不同的損耗因子，以進行不同調(diào)整，最終整理成表2所示的修正準則表，實現(xiàn)數(shù)值化評判受風(fēng)時間、線路自身狀況(老化和防風(fēng)舉措)、線路運維三方面的線路實況問題，以乘積的形式表示綜合損耗系數(shù)。

表2 綜合評判下的修正風(fēng)荷載準則表

如式(3)所示，獲取相對準確的線路實際最大風(fēng)荷載，完成設(shè)計風(fēng)荷載修正。

Wmax=γ1×γ2×γ3×We=

γ1×γ21×γ22×γ31×γ32×We

(3)

式中Wmax為修正后的設(shè)計風(fēng)荷載，表征實際能承受的風(fēng)荷載。

3 預(yù)警機制及具體實施步驟

圖3展示了整個臺風(fēng)實時預(yù)警系統(tǒng)具體實施步驟的框架圖，根據(jù)上文分析的三方面不同損耗綜合修正獲得線路實際所能承受的風(fēng)荷載，然后比較實時風(fēng)荷載與修正風(fēng)荷載的比值大小λ，配合臺風(fēng)四級預(yù)警信號，按照圖中的預(yù)警機制發(fā)布各時刻各檔距相應(yīng)的預(yù)警等級。

與預(yù)警信息同時發(fā)布的還有實時計算的全線風(fēng)災(zāi)損耗風(fēng)險排序，更可待臺風(fēng)過后，生成全線各檔距在臺風(fēng)前后的損耗排序，供災(zāi)后巡檢提供參考依據(jù)。

圖3 臺風(fēng)作用下的線路狀態(tài)評判框架圖

4 應(yīng)用舉例

以某110 kV線路的兩個代表性檔距為例，應(yīng)用本文所提出的臺風(fēng)預(yù)警方案，對臺風(fēng)“鯨魚”時期的預(yù)警過程進行計算說明。圖4展示了這兩個檔距在臺風(fēng)前后的實時風(fēng)速，從風(fēng)速變化趨勢可以清楚知曉臺風(fēng)時段的風(fēng)速大小，其中檔距A處的風(fēng)速較B要大，接近35 m/s。

圖4 兩檔距的風(fēng)速變化圖

表3為所選線路兩檔距的參數(shù)信息。

其中檔距A即為#A1與#A2之間的線路段，而檔距B則為#B1與#B2之間的線路段。對比表信息，可知選取的這兩個檔距線路參數(shù)基本相同，區(qū)別在于檔距長度以及所處海拔高度的不同，檔距A的海拔明顯高于檔距B，這也在一定程度上驗證了其風(fēng)速相對較大的結(jié)論。鑒于該110 kV線路運行了10年，正處于穩(wěn)定期，則因線路年限造成的疲勞折損γ21=1，但是桿塔#A2有增設(shè)防風(fēng)拉線，可提高其抗風(fēng)能力。介于此線路沒有歷史風(fēng)速數(shù)據(jù)，無法準確計算此次臺風(fēng)前實際能承受的最大風(fēng)荷載，于是此算例暫不考慮以往所遭受的大風(fēng)損害，根據(jù)式 (1)和式(2)可分別計算檔距A、B在此次臺風(fēng)前實際能承受的最大風(fēng)荷載Wmax_A、Wmax_B：

表3 線路參數(shù)對比

Wmax_A=γ×We_A=1.2×3860.5=4632.5 N

Wmax_B=We_B=2691.7 N

式中We_A、We_B分別表示檔距A、B的設(shè)計風(fēng)荷載。

很明顯，在臺風(fēng)來臨之際，檔距A比B能承受更多的風(fēng)荷載。根據(jù)表1提供的參數(shù)表也可知曉，臺風(fēng)期間的損耗僅來自持續(xù)大風(fēng)下的折損γ1。與分布式測風(fēng)系統(tǒng)的輸出頻率保持一致，運用式(1)和式(2)計算每15 min時間段內(nèi)的大風(fēng)損耗，其中式(1)中權(quán)重ω設(shè)定了一個閾值(設(shè)計風(fēng)速的0.4倍)，即低于該閾值的給予權(quán)重為0，式(2)中的a、b、c通過對歷史風(fēng)速數(shù)據(jù)的擬合，可得此算例的取值分別為0.58、7.8、179 500。圖5為整個臺風(fēng)前后兩個檔距的實時預(yù)警比值λ，結(jié)合圖5和圖3中設(shè)定的預(yù)警機制可以獲知實時的預(yù)警信息。

表4展示了臺風(fēng)前后兩個檔距的風(fēng)荷載對比情況，并計算了對應(yīng)的損耗比，通過排序比較可知檔距A的損耗相對較大。分析原因：雖然#A2有增設(shè)防風(fēng)拉線，但在臺風(fēng)時期所受的持續(xù)風(fēng)速較大，損耗也相對較大，比相同規(guī)格下的B所存在的風(fēng)險稍大，如若去巡檢搶修，建議優(yōu)先選擇A。

圖5 實時預(yù)警比值

AB臺風(fēng)之前Wmax4 632.52 691.7臺風(fēng)過后W'max3 489.42 143.8損耗比1-W'maxWmax0.246 80.203 6

5 結(jié)束語

基于分布式光纖設(shè)備的實時監(jiān)測風(fēng)速數(shù)據(jù)，從臺風(fēng)對輸電線路的重要影響因素—風(fēng)荷載出發(fā)，數(shù)值化評估線路自身狀態(tài)、缺陷遺留帶來的損耗，同時提出了持續(xù)大風(fēng)下所帶來的荷載損耗計算式子，綜合評估這三方面的荷載損耗，動態(tài)修正設(shè)計風(fēng)荷載。提出了大風(fēng)預(yù)警機制，實現(xiàn)實時預(yù)警和風(fēng)險排序，可評估輸電線路在臺風(fēng)災(zāi)害下的潛在危險性，指導(dǎo)巡檢規(guī)劃。從算例的結(jié)果中可知，所提出的損耗數(shù)值化方式以及預(yù)警機制可以計算大風(fēng)期間的實時損耗，表征線路的實際運行狀況，并發(fā)布實時預(yù)警信息，為電網(wǎng)巡護人員的工作安排提供指導(dǎo)意見。