基于氣象參數(shù)聚類分析的高原地區(qū)輸電線路在線監(jiān)測裝置電源選擇

馬小敏, 王 超2，袁 志3，劉 凡, 范松海

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；2. 國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041；3.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610041)

0 引 言

隨著跨區(qū)域大電網(wǎng)的逐步建設發(fā)展和形成，近年來在線監(jiān)測裝置被越來越廣泛地應用于輸電線路，尤其是在運行環(huán)境復雜、運行維護難度較大的高海拔惡劣環(huán)境地區(qū)[1-6]。從兩大電網(wǎng)(國網(wǎng)和南網(wǎng))現(xiàn)場應用調(diào)研可知，當前輸電線路在線監(jiān)測裝置供電電源方式普遍采用3種技術手段[7-11]：太陽能+蓄電池、風能+蓄電池、太陽能+風能+蓄電池。另外，還有少數(shù)采用在輸電線路上感應取能的供電方式[12-18]。

由于缺乏特別的技術標準規(guī)范，目前高原地區(qū)的輸電設備在線監(jiān)測普遍采用平原地區(qū)的輸電設備在線監(jiān)測技術規(guī)范。然而，高海拔地區(qū)地形地貌獨特及氣候環(huán)境復雜，各區(qū)域內(nèi)太陽能、風能大小、分布及可利用程度差異較大，同時高原地區(qū)低溫和大溫差也影響著蓄電池持續(xù)穩(wěn)定運行、儲能容量及使用壽命，因此該地區(qū)在線監(jiān)測裝置經(jīng)常出現(xiàn)電源供電不足、裝置停運或斷續(xù)運行等適應性問題，平原地區(qū)監(jiān)測裝置電源供電方式不適用于高海拔地區(qū)。

據(jù)統(tǒng)計，在高海拔地區(qū)的輸電線路，在線監(jiān)測裝置的電源故障占到總故障70%以上。電源問題已成為高海拔地區(qū)輸電在線監(jiān)測裝置應用的瓶頸，亟需開展高海拔地區(qū)輸電在線監(jiān)測裝置供電的電源技術研究，特別在輸電線路在線監(jiān)測裝置的電源方式選擇與設備選型方面需加強研究，以提高線路在線監(jiān)測裝置電源的環(huán)境適應性，保障在線監(jiān)測裝置持續(xù)可靠地運行。現(xiàn)場運行實踐表明，監(jiān)測裝置電源供電不足問題特別突出，其續(xù)航時間高度依賴于輸電線路途經(jīng)的自然環(huán)境氣象條件，因此環(huán)境氣象判定是輸電線路在線監(jiān)測裝置電源選擇首要考慮的技術問題。

1 影響輸電線路在線監(jiān)測裝置電源供電選擇的氣象因素分析

輸電線路在線監(jiān)測裝置的供電方式主要包括太陽能供電、風能供電、蓄電池供電、在線感應取能線圈供電。影響輸電線路在線監(jiān)測裝置供電方式選擇的氣候環(huán)境因素主要包括裝置安裝地點的日照、風能、環(huán)境溫度等因素。高原地區(qū)普遍具有的氣壓低、紫外強、晝夜溫差大等特點，且同為高原地區(qū)，氣象環(huán)境參數(shù)差異也較大，對高拔地區(qū)輸電線路在線監(jiān)測裝置及其供電提出了更高的要求。

1)高原地區(qū)普遍存在海拔較高、空氣稀薄、日照強等特點，適宜在日照充足且時間長的高原地區(qū)利用太陽能供電。但如統(tǒng)一采用太陽能+蓄電池方式并不能完全滿足不同高原地區(qū)的需要。

運行環(huán)境溫度對蓄電池性能影響很顯著，當環(huán)境溫度較高或較低時，將加速蓄電池能量消耗，從而降低蓄電池的供電持續(xù)時間。此外，環(huán)境溫度對太陽能電池板的工作效率也有較大影響。當太陽能電池板表面溫度較高時，太陽能板輸出功率與其表面溫度呈負相關的線性關系特征使得太陽能電池板的輸出效率降低；當環(huán)境溫度低于0 ℃且空氣溫度較高時，在線監(jiān)測裝置電池板覆冰后將會降低太陽能板接收太陽光的能力從而降低太陽能電池板的供電效率，此時主要依靠蓄電池給在線監(jiān)測裝置持續(xù)供電，從而降低輸電線路在線監(jiān)測裝置電源的不可靠運行風險。

2)高原風能資源較好的地區(qū)，適宜選擇風能供電方式，但當裝置安裝地點的最大風速超過40 m/s或極大風速超過60 m/s，或安裝地點的最低氣溫低于-20 ℃，長期冰雪、雷暴、鹽霧或沙塵氣候時，將大幅增加風機的運行維護難度和成本，不宜選擇風能+蓄電池的供電方式。

2 高原地區(qū)典型環(huán)境氣象分類

2.1 高原地區(qū)氣象分類因子選擇

中國高原地區(qū)分為青藏高原、云貴高原、內(nèi)蒙古高原和黃土高原，其典型氣候環(huán)境特點如下：1)青藏高原地區(qū)太陽輻射強烈，日照時間長，年太陽輻射總量586～753 kJ/cm2，年日照總時數(shù)2500～3200 h；氣溫低，最高平均溫度20 ℃，最低平均溫度-6 ℃；年平均風速約1～3 m/s。2)黃土高原地區(qū)最高平均溫度28 ℃，最低平均溫度3 ℃，具有冬季嚴寒、夏季暖熱的特點；年均風速約3～5 m/s；年日照總時數(shù)2800～3200 h。3)云貴高原地區(qū)最高平均溫度24 ℃，最低平均溫度5 ℃；日照時數(shù)偏少，年日照總時數(shù)1200～1400 h；年平均風速約1～3 m/s。4)內(nèi)蒙古高原地區(qū)是中國多風地區(qū)之一，年均風速約7～9 m/s，8級以上大風日數(shù)約50～90 d；高原上日照充足，年日照總時數(shù)約2800～3200 h；最高平均溫度24 ℃，最低平均溫度-3 ℃。

以上四大高原地區(qū)氣象特點較為粗略，由于同一高原的氣候環(huán)境差異也較大，難以在輸電線路在線監(jiān)測裝置電源選擇時使用。此外，上述地區(qū)分類以地理位置劃分，但各區(qū)域內(nèi)或區(qū)域間可能存在相似的氣象區(qū)域。

根據(jù)前面的高原氣象條件對輸電線路在線監(jiān)測裝置供電方式的影響分析，高原地區(qū)氣象條件的主要分類因子包括平均日照、環(huán)境風速、環(huán)境溫度等。考慮到在線監(jiān)測裝置供電方式的選擇更多依賴于當?shù)氐钠骄照諘r間和環(huán)境風速，而環(huán)境溫度主要對蓄電池的影響最為顯著，不論采用何種供電方式，為提高在線監(jiān)測裝置供電可靠性，均需搭配蓄電池供電，因此在供電方式選擇中主要分析平均日照和環(huán)境風速兩個氣象因子。表1將四大高原細分為60個高原地市，并列出其平均日照和環(huán)境風速兩項環(huán)境氣象數(shù)據(jù)作為所做研究的依據(jù)。

表1 高原氣候環(huán)境氣象數(shù)據(jù)

(續(xù))

2.2 聚類分析算法及數(shù)據(jù)規(guī)范化

聚類分析是指將一個物理或抽象的數(shù)據(jù)對象集合分組成為多個具有類似特征數(shù)據(jù)族的新集合處理過程。換而言之，聚類分析目的就是在相似基礎上對收集數(shù)據(jù)進行聚類分類。通過對采集樣本數(shù)據(jù)進行聚類以衡量不同數(shù)據(jù)源間的相似性，把數(shù)據(jù)源分類到不同的聚類族中，獲得新的類似特征數(shù)據(jù)集合。聚類算法的一般步驟如下：

1)初始化：從m個樣本數(shù)據(jù)x中選擇k個代表點p1,p2,p3，...,pk；k為聚類族數(shù)量。

2)建立k個空間聚類表。

3)按照最小距離法則逐個對樣本x進行分類計算，用dmin表示最小距離，即

dmin=min?(x,pk)

(1)

4)計算目標函數(shù)J及用各聚類列表數(shù)據(jù)計算聚類均值，作為各聚類新代表點，即

(2)

式中：xi為第i個測量值；ck(i)為數(shù)據(jù)xi就近的第k個聚類中心。

5)若J不變或代表點未發(fā)生變化，則停止,否則轉(zhuǎn)第2步。

通常而言，實測數(shù)據(jù)應進行規(guī)范化預處理，以消除實測數(shù)據(jù)量綱及取值范圍差異而導致的聚類分析結(jié)果異常，常采用的最大-最小(MAX-MIN)規(guī)范化轉(zhuǎn)換如式(3)：

(3)

式中：x*為實測數(shù)據(jù)據(jù)的歸一化值；max(x)為最大實測數(shù)據(jù)；min(x)為最小實測數(shù)據(jù)；max(x)-min(x)為實測數(shù)據(jù)極差。

2.3 高原地區(qū)環(huán)境氣象因子聚類分類

1)高原環(huán)境氣象因子聚類族數(shù)量選擇

針對表1中所給環(huán)境氣象因子數(shù)據(jù)，在進行聚類分類前應進行聚類族數(shù)量k的選擇確定,采用內(nèi)平方和啟發(fā)式算法(within sum of square，WSS)實現(xiàn)，其算法表達式為

(4)

式中：c(i)為與第i個數(shù)據(jù)點最近的聚類中心；d(xi,c(i))為第i個數(shù)據(jù)點到cj(i)的距離；WSS為所有數(shù)據(jù)點到最近中心距離的平方和。

利用式(4)進行聚類族數(shù)量計算選擇，其WSS曲線如圖1所示。很顯然，在k=4時WSS已經(jīng)沒有顯著減小，因此，該高原環(huán)境氣象因子聚類族數(shù)量適宜取4個。

圖1 聚類分析聚類族選擇

2)高原環(huán)境氣象因子聚類分類

根據(jù)所確定的聚類族數(shù)量對表1中環(huán)境氣象因子數(shù)據(jù)進行聚類計算與分析，采用K均值算法實現(xiàn)聚類處理，其計算輸出聚類結(jié)果如圖2所示。

觀察圖2中聚類情況，很顯然，表1中環(huán)境氣象因子數(shù)據(jù)被聚類為4類，如圖中①、②、③、④所示，其中符號“”表示各聚類族中心，各聚類族聚類效果明顯，只有族①和族③邊緣相對較近，但聚類中心也相對較遠。根據(jù)圖2聚類結(jié)果，將表1中環(huán)境氣象因子分類成4類氣象環(huán)境地區(qū)，如表2所示。

圖2 高原氣象環(huán)境因子聚類分類

表2 高原氣候環(huán)境氣象分類結(jié)果

(續(xù))

結(jié)合圖2及表2整理分類情況，歸類獲得4個典型的高原地區(qū)氣象特性分類結(jié)果：(1)強太陽能、中等風能地區(qū)；(2)強太陽能強風能地區(qū)；(3)中等太陽能、強風能地區(qū)；(4)弱太陽能、弱風能地區(qū)。比較分析表2中環(huán)境氣象因子數(shù)據(jù)分類情況，數(shù)據(jù)歸類適當，與所在高原地區(qū)氣象特性描述一致。

3 高原線路在線監(jiān)測裝置電源供電方式選擇

根據(jù)上述高原地區(qū)太陽能、風能分布情況確定聚類分類的典型氣象特征區(qū)域，進行該地區(qū)輸電線路在線監(jiān)測裝置電源供電的合理選擇，以提高線路在線監(jiān)測裝置電源供電的穩(wěn)定性和可靠性。

1)強太陽能、強風能高原地區(qū)

針對強太陽能、強風能高原地區(qū)，輸電線路在線監(jiān)測裝置電源適宜采用太陽能+風能+蓄電池的供電方式。在此電源供電方式下，當日照和風能條件較好時，以太陽能+風能混合供電為主，同時向蓄電池充電；當太陽能和風能條件均較差時，利用蓄電池向在線監(jiān)測裝置供電。蓄電池選型選擇耐高溫或耐低溫型蓄電池。

2)強太陽能、中等風能高原地區(qū)

針對強太陽能、中等風能高原地區(qū)，輸電線路在線監(jiān)測裝置電源適宜采用太陽能+蓄電池的供電方式。在此電源供電方式下，當日照條件較好時，以太陽能供電為主，同時向蓄電池充電；當日照條件均較差時，利用蓄電池向在線監(jiān)測裝置供電。蓄電池選型結(jié)合環(huán)境的最高、最低平均溫度選擇。

3)中等太陽能、強風能高原地區(qū)

針對強風能、中等太陽能高原地區(qū)，輸電線路在線監(jiān)測裝置的電源適宜采用風能+蓄電池的供電方式。在此電源供電方式下，當風能條件較好時，以風能供電為主，同時向蓄電池充電；當風能較差時，利用蓄電池向在線監(jiān)測裝置供電。蓄電池選型結(jié)合環(huán)境的最高、最低平均溫度進行選擇。

4)弱太陽能、弱風能高原地區(qū)

針對弱太陽能、弱風能高原地區(qū)，輸電線路在線監(jiān)測裝置電源適宜采用在線感應取能+蓄電池的供電方式。線路帶負荷時，利用在線感應取能線圈向線路在線監(jiān)測裝置供電，同時向蓄電池充電；當線路不帶電時，利用蓄電池向在線監(jiān)測裝置供電。蓄電池選型結(jié)合環(huán)境的最高、最低平均溫度進行選擇。

4 結(jié) 語

1)在缺乏高原地區(qū)輸電線路在線監(jiān)測裝置電源供電選擇技術規(guī)范或標準指導前提下，提出了影響高原地區(qū)輸電線路在線監(jiān)測裝置電源可靠運行的環(huán)境氣象問題，為高原地區(qū)輸電線路監(jiān)測裝置電源供電選擇提供思路。

2)深入分析影響高原地區(qū)輸電線路在線監(jiān)測裝置電源的環(huán)境氣象問題，獲得了影響高原地區(qū)輸電線路在線監(jiān)測裝置電源的主要氣象因素并提出了環(huán)境氣象分類因子，實現(xiàn)了高原地區(qū)輸電線路在線監(jiān)測裝置電源選擇的環(huán)境氣象分類。

3)針對高原地區(qū)環(huán)境氣象分類的典型氣象特征，提出了相應氣象區(qū)域的輸電線路在線監(jiān)測裝置電源供電選擇參考，具有工程應用意義。