基于激光雷達的輸電線路山火災害損傷評估

趙瑞芹

(鄭州理工職業(yè)學院，河南 鄭州 454000)

當前，電網(wǎng)事故發(fā)生幾率越來越高，電網(wǎng)事故與其他事故不同，其會加大電網(wǎng)供電負荷并嚴重損壞電網(wǎng)設施，對居民生活和社會生產(chǎn)造成了嚴重的影響[1]。因此，電網(wǎng)災害的解決技術成為目前國內(nèi)外研究的重點課題。

在輸電線路災害中，由山火引起的跳閘事故較為突出，其嚴重程度得到學者們的密切關注。對于山火引發(fā)的輸電線路跳閘事故，其監(jiān)測方法有圖像識別法、終端監(jiān)測法等[2]，這些方法雖然能夠起到一定的監(jiān)測作用，但是仍受多方面因素的限制。劉春翔等[3]提出基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的輸電線路災害損傷評估方法，該方法未考慮空氣粒子的影響，評估結(jié)果不準確。晏鳴宇[4]提出基于短期覆冰預測的電網(wǎng)災害損傷評估方法，該方法缺少支路過載程度計算，評估過程不完善。激光雷達技術在監(jiān)測距離、圖像清晰度以及測量精度上具有較大的優(yōu)勢[5-6]，利用激光雷達監(jiān)測山火是有效進行輸電線路災害損傷評估的一個前提條件。因此，本文提出基于激光雷達的輸電線路災害損傷評估方法，利用激光雷達監(jiān)測山火，通過線路負荷損失比等指標構(gòu)建輸電線路災害評估體系，為今后的電網(wǎng)災情評估提供科學依據(jù)。

1 基于激光雷達的輸電線路災害損傷評估

1.1 輸電線路山火災情監(jiān)測

輸電線路災害損傷評估的前提條件是對災情進行有效的監(jiān)測，為彌補目前輸電線路監(jiān)測方法的不足，利用激光雷達技術進行輸電線路山火監(jiān)測。

激光雷達監(jiān)測輸電線路地區(qū)山火的原理是，激光束和煙霧粒子以及大氣分子間的相互作用，令激光雷達信號向前傳送和返回的能量發(fā)生改變[7-8]。當監(jiān)測地區(qū)發(fā)生山火時會有大量煙霧產(chǎn)生，激光雷達發(fā)射的激光束信號遇到煙霧發(fā)生散射，散射后的返回信號傳送到監(jiān)測設備的光學系統(tǒng)中，系統(tǒng)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號通過高速光子計數(shù)器獲取后載入計算機，利用反演運算能夠得出煙霧的距離、濃度等信息，實現(xiàn)輸電線路山火監(jiān)測的目的[9]。圖1為激光雷達監(jiān)測輸電線路山火原理示意圖。

圖1 激光雷達監(jiān)測輸電線路山火原理示意圖

由圖1可知，激光器發(fā)出一條激光束脈沖，通過濾光鏡發(fā)射到空中，當激光束脈沖經(jīng)過煙霧粒子時受到散射而衰減，它的后向散射信號被光學系統(tǒng)獲取，后向散射信號功率的激光雷達方程可表達為：

(1)

式中：Q(x)是光學系統(tǒng)獲取到的功率；x是激光監(jiān)測地與山火發(fā)生地的距離；Q0是激光發(fā)射功率；d是光速；ν是激光束脈沖寬度；δ(x)是后向散射系數(shù)；B(x)是接收系統(tǒng)面積；ε(x)是消光系數(shù)；其中，δ(x)與ε(x)的數(shù)值是未知的。依據(jù)Fernald算法，將激光雷達方程中的空氣粒子散射與煙霧粒子散射區(qū)分開來[10]，令ε代表煙霧粒子，n代表空氣粒子：

ε(x)=εa(x)+εn(x)；

(2)

δ(x)=δa(x)+δn(x)。

(3)

激光雷達方程反映了返回信號和被測物光學性質(zhì)間的函數(shù)關系，所以可利用激光雷達獲取的返回信號，求解激光雷達方程，從而得到煙霧信息[11-12]。由式(2)或(3)可以看出，該方程中包含以下未知量：空氣粒子和煙霧粒子后向散射系數(shù)δn(x)、δa(x)和消光系數(shù)εn(x)、εa(x)。因為空氣粒子散射一致，其散射系數(shù)與消光系數(shù)可通過常規(guī)大氣數(shù)據(jù)得到。激光雷達方程中，煙霧粒子的相關系數(shù)δa(x)、εa(x)需依靠以下算法得到：

(4)

(5)

由式(4)或(5)可知，T2已知，T1未知。根據(jù)實際情況，波長范圍在530 ～ 1 060時，T1的取值為40 ～ 50，以此可以求解煙霧粒子的散射系數(shù)δa(x)和消光系數(shù)εa(x)：

(6)

(7)

假設煙霧后向散射系數(shù)與消光系數(shù)比為50，即T1=50，那么：

εa(x)=50δa(x)。

(8)

利用激光雷達方程組得到散射系數(shù)δa(x)和消光系數(shù)εa(x)，經(jīng)過反演計算得到煙霧相關信息，進而可以判斷輸電線路區(qū)域是否發(fā)生山火災害[13]。

1.2 輸電線路災害損傷評估體系的構(gòu)建

通過激光雷達監(jiān)測到災害后，根據(jù)獲取到的災害數(shù)據(jù)，對輸電線路災害損傷進行評估[14]，建立與之對應的評估指標體系。從支路過載程度、線路負荷損失比、用戶停電損失比等方面構(gòu)建輸電線路災害損傷評估指標體系。

(1)支路過載程度：

(9)

式中：γL是輸電線支路過載程度；n與N分別是未過載/過載支路總數(shù)；σk、σL是對應支路的權重因子，代表支路的重要程度；Lk、LL是對應的各支路電流；Lkmax、LLmax是支路電流最大值；γL為非負數(shù)，值越大代表過載程度越大。

(2)母線電壓越限程度：

(10)

式中：γV是母線電壓越限程度；c與C分別是未越限電壓母線數(shù)和母線總數(shù)；σk、σt是對應母線的權重因子；Vk、Vt是對應母線的電壓幅值；Vtmin是電壓限值。γV為非負數(shù)，值越大代表電壓越限程度越大。

(3)線路負荷損失比：

γs=Sloss/Smax。

(11)

式中：γs是輸電線路負荷損失比，是用于判斷電路災害最準確的指標[15]；Sloss是災害產(chǎn)生的損失負荷；Smax是預估電網(wǎng)最大負荷。

(4)關鍵負荷損失比：

(12)

式中：Fp是關鍵負荷損失比；m是損失的關鍵負荷數(shù)；n是關鍵負荷總數(shù)；Rg、Rl是第g、l個關鍵負荷功率；σg、σl是第g、l個關鍵負荷權重。不同程度負荷停止供電，對社會產(chǎn)生的損失是不同的，所以在輸電線路災害損傷評估時分開處理[16]。

(5)停電人數(shù)比：

γT=Tloss/T。

(13)

式中:γT是停電人數(shù)比，它能夠反映輸電線路災害的波及范圍；Tloss是遭到停電的總?cè)藬?shù)；T是該地區(qū)總?cè)藬?shù)。

(6)用戶停電損失比：

(14)

式中：γU是用戶停電損失比，Upre是預估供電量；gCCDF(y)是停電損失函數(shù)，代表停電時間與用戶損失的關系；Oj是停電損失負荷；yj是由災害導致的停電次數(shù)。

(7)負荷轉(zhuǎn)移能力：

γN=(1.3cosφAre+Flr)/Floss。

(15)

式中：γN是負荷轉(zhuǎn)移能力；cosφ是功率因子；Are是變壓器容量；Flr是輸電線路負荷傳送量；Floss是災害損失負荷。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 激光雷達監(jiān)測實驗

為驗證激光雷達能否有效監(jiān)測輸電線路區(qū)域山火災害，通過點燃木材的煙霧模擬輸電線路區(qū)域山火的煙霧，對距離激光雷達設備270 m、370 m、470 m、570 m位置的煙霧進行監(jiān)測，不同檢測點的煙霧效果存在較大的差異，為了驗證基于激光雷達的煙霧災害損傷評估方法的全面性，實驗檢測所提方法對不同位置處煙霧情況的檢測結(jié)果。為減少建筑物對激光束的影響，實驗選在較為筆直的公路進行。首先在距激光雷達設備570 m的位置點燃木材，設置激光的水平和垂直掃描范圍并開始掃描，將獲取到的信息傳送至計算機進行數(shù)據(jù)處理，將監(jiān)測到的煙霧信息實時反饋在軟件窗口中。由于激光的發(fā)射速度非?？?，令計算機無法獲取到距離監(jiān)測點30 m內(nèi)的煙霧信息，因此將30 m設為監(jiān)測盲區(qū)。得到的煙霧監(jiān)測信息如圖2～圖5所示。由圖2可知，在距監(jiān)測點570 m的位置監(jiān)測到一個振幅較大的脈沖波形，說明該位置存在大量煙霧，令發(fā)射出去的激光束被大量散射回來，在實際應用中能夠根據(jù)監(jiān)測到的明顯脈沖波形，判斷輸電線路區(qū)域發(fā)生山火災情。如圖3所示，以步長為100 m向燃燒位置移動，利用激光雷達進行水平和垂直方向的掃描，監(jiān)測到距監(jiān)測點470 m位置存在一個明顯幅值的脈沖波形，說明在此處激光束被大量散射回來，反映出此處具有大量煙霧。如圖4、圖5所示，以相同步長向燃燒位置移動，分別在距監(jiān)測點370 m、270 m位置發(fā)現(xiàn)較大振幅的脈沖波形，由此可知，在370 m、270 m位置存在大量煙霧。

圖2 距監(jiān)測點570 m處煙霧信息

圖3 距監(jiān)測點470 m處煙霧信息

以上四組實驗驗證了利用基于激光雷達的輸電線路災害損傷評估方法監(jiān)測輸電線路區(qū)域山火具有可行性和全面性，為輸電線路災害損傷評估提供了必要的前提條件。通過上述實驗發(fā)現(xiàn)，所提方法能夠在較大范圍內(nèi)準確監(jiān)測輸電線路周邊發(fā)生的山火，為輸電線路的安全運行提供了有效的保障。

2.2 案例分析

2007年我國北方遭遇了幾十年不遇的特大山火災害，災害對電網(wǎng)造成了巨大損失，總計200多座變電所停電，幾十條高壓輸電線路共跳閘100余次，損失電量150 GWh。實驗利用激光雷達技術監(jiān)測輸電線路區(qū)域山火災害，以歷史數(shù)據(jù)中具有代表性的數(shù)據(jù)作為樣本集，驗證本文的災害評估方法的應用性能。選擇溫度、降雪量、輸電線直徑等作為條件屬性，輸電線路負荷損失比等作為決策屬性(表1)。

圖4 距監(jiān)測點370 m處煙霧信息

圖5 距監(jiān)測點270 m處煙霧信息

災害記錄溫度P1/℃降水量P3/mm風速P4/(m/s)相對濕度P5/rh輸電線直徑P7/mm線路負荷損失比Q1/%綜合影響比Q2/%140.2475.57515.250.522.82302813.85646.100327.43016.22330.10.630.15432.43113.54513.65.142.31515.13312.34727.20.710.26626.33511.74221.85.312.05715.73412.15544.22.170.83838.53513.66211.49.24.52

將各屬性模糊化，每條屬性有兩個語言變量：低(L)、高(H)。根據(jù)所提方法得到每個屬性的隸屬度和非隸屬度如表2所示，這里的指數(shù)πi(x)符合πi(x)=-0.8μi(x)(μi(x)-1)的拋物線分布條件。

表2 隸屬度與非隸屬度

表3 決策規(guī)則表

根據(jù)表2數(shù)據(jù)利用所提方法得到?jīng)Q策屬性Q對條件屬性P的依賴度，設定屬性約簡的截止條件為，這里取ε=0.3。經(jīng)屬性約減和值約簡得到?jīng)Q策規(guī)則表3。

由表3可知，屬性約簡結(jié)果為L={P2,P3,P4,P5,P6}，冗余屬性為P1、P7。以第一、二條記錄為例，其含義為：第一條規(guī)則中只有P3、P5、P6影響決策屬性，該條規(guī)則代表當降水量和相對濕度較大且輸電線直徑較小時，災害對輸電線路的損傷程度較大。第二條規(guī)則中除了P2均影響決策屬性，它代表當風速較大，輸電線直徑較大時，災害對輸電線路的損傷程度較小。最后，將實驗所得數(shù)據(jù)與歷史庫中的數(shù)據(jù)進行匹配，匹配結(jié)果得到輸電線路山火災害評估指標數(shù)值為0.39，則輸電線路災害等級為一般，該等級與歷史災后評估結(jié)果吻合。由此可見，所提輸電線路災害損傷評估方法是可行的。

3 結(jié) 論

輸電線路災害損傷評估的前提是災害監(jiān)測，本文提出基于激光雷達的輸電線路災害損傷評估方法，利用激光雷達技術監(jiān)測輸電線路區(qū)域山火煙霧，給出了激光雷達監(jiān)測煙霧的原理及算法。實驗采用所提方法監(jiān)測到了距監(jiān)測點270 ～ 570 m間的煙霧波形，所得數(shù)據(jù)表明運用所提方法監(jiān)測輸電線路區(qū)域山火具有可行性。此外，本文的方法構(gòu)建了輸電線路災害損傷評估體系，該體系可用于評估山火、雪災等任何災害對輸電線路的損傷。以山火災害為例，實驗評估中通過屬性約簡降低災害屬性的冗余度，通過匹配歷史數(shù)據(jù)得到評估指標為0.39，確定災害等級，實驗結(jié)果表明，本文的方法能夠準確評估輸電線路災害損傷。