基于衛星遙感技術的電網污穢分析和推演

方 圓，阮 羚，熊 宇

（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.高壓電氣設備現場試驗技術國網重點實驗室，湖北 武漢430077）

基于衛星遙感技術的電網污穢分析和推演

方 圓1，阮 羚2，熊 宇1

（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.高壓電氣設備現場試驗技術國網重點實驗室，湖北 武漢430077）

探討了傳統電網污穢分析技術存在的數據獲取周期長、范圍有局限性、數據可靠性低等問題，對比分析了衛星遙感技術監測范圍廣、重訪周期固定、分辨率高、連續快速、信息準確客觀等特點，并展望了基于衛星遙感技術的電網污穢分析和推演的應用方法和前景。

衛星遙感；電網污穢；大氣污染

1 電網污穢研究對電網安全運行的重要性

我國經濟發展正處于轉型改革時期，近年來，大氣污染、灰霾天氣在大部分地區頻繁發生。非周期性區域大氣污染的加劇，對電力系統輸變電設備外絕緣構成了威脅，為污閃事故的預警與預防帶來了全新的挑戰。

大氣污染對電力系統的影響主要體現在：顆粒物附著在絕緣子表面，導致絕緣子表面的污穢增多；NO2、SO2等氣體遇到高濕環境增加酸雨[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。這些現象不僅增加絕緣子在過電壓作用下發生污閃的可能性，更加劇在長期運行電壓下發生污閃的頻率。

污閃隨工業的發展和輸電電壓的升高而日趨嚴重。1950年代，我國僅東北和沿海地區發生過污閃事故；1960年代，逐步向全國各電網發展；1980年代，隨著城鄉工業的迅速發展，大氣環境日趨惡化，污染加劇，同時高壓輸變電設備大幅度增加，500 kV輸電系統相繼投運，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，相繼發生了大面積污閃跳閘。據統計，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應用增多，污穢絕緣子閃絡成為電網最大的安全隱患。

當前電力系統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測數據，人工清掃設備或申請降壓運行（直流線路）。（2）采用新技術提高防污閃能力，推廣使用復合絕緣、加裝增爬裙、涂防污涂料，根據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量檢測，在污閃季節前及時更換零低值、自爆、年劣化率達到更換標準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，且無法從根本上預測、防止污閃事故的發生[3]。因此，必須發展有效的污穢數據獲取及推演方法，及時了解大范圍大氣污染對輸變電設備外絕緣產生的影響，有效獲取監測數據實現污穢評估由點到面擴展。

2 現階段電網污穢分析技術

現階段，電網污穢數據來源主要有兩個：人工現場取樣與污穢在線監測裝置測量。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、表面電導測量法、紅紫外成像監測法、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、氣象條件和地形狀況等影響，時空變化很大。而常規取樣只能在有限的監測點上進行，很難得到大區域、長時期全面而準確的結果。現階段電網污穢分析手段存在下面3個問題。

2.1 獲取數據周期長、連續性差

為了保障電網正常運營，輸電線路的定期清掃與人工采樣需遵循整個電網停電檢修的計劃調度。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評測結果，但試品較難獲得，試驗周期較長，所得數據量較小。例如，基于停電狀態下獲取絕緣子污穢的等值鹽密法受到停電周期的制約，難以實時動態地依據外部沙塵、霧霾等污染天氣調整取樣周期，無法做到針對電網污穢分布變化的實時動態估計。

現行國標DL/T 374-2010《電力系統污區分布圖繪制方法》中污區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（鹽密、灰密等）進行測量。當前污穢特殊區域專題圖一般2～3年甚至更長時間才更新一次，存在嚴重的時間滯后性。盡管標準中建議污區圖可以1年內進行小范圍修訂，但是這種固定時間周期的修訂沒有考慮到國家、省級局部地區經濟建設以及基礎設施建設發展的非周期變化，獲取的數據缺乏連續性反映周邊污染源變化的參數支撐，不能客觀反映區域污穢情況。

2.2 獲取數據范圍局限于離散的點

在理論研究中，還沒有學者將空間數據挖掘的思想應用于電網污穢分析中。絕大多數國內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系，也有采用絕緣子等值鹽密動態累積規律經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境下的數值統計方法，是基于離散和小面積地面數據進行的，無法實現大面積覆蓋[3]。

在實際應用中，現階段的污穢參數都是來自輸電線路上安裝的離散監測點，僅覆蓋了有限的點位，數據僅表征了觀測點位周邊有限范圍內的污穢附著情況，不能得到大范圍內每個絕緣子及輸變電設備的污穢信息[3]，為面域尺度上污區圖的繪制帶來了不確定性。

2.3 獲取數據不能真實反映污穢情況

人工現場取樣展開的污穢試驗中，不同試驗人員存在經驗差異，取樣過程中個人主觀性大，造成采樣標準難以統一。同時，難以避免現場讀數等人工誤差。加之人工取樣機會較少，增加了試驗不可靠性，最終導致試驗結果在不同區域間可比性較差。

在線監測裝置的污穢試驗中，受監測技術、蓄電池容量等問題制約，部分污穢監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，獲取數據質量參差不齊，上傳的監測數據存在不完整、不準確、不及時等情況，技術人員難以開展高效的應用和分析處理。而在試驗方法上，數據表征等價性問題經過多次修正，仍未完全得到解決[5]。例如常應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，常常泄露電流發生突變時污閃已經發生，不能準確反映劣化過程。等值鹽密法是在理論上僅僅指示了絕緣子污穢中能導電部分物質，而忽略了非導電部分的污穢，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 應用衛星遙感技術獲取污穢參數分析

衛星遙感歷經多年的研究和發展，在設計和研制方面攻克了一系列高精度、定量化的技術難題，其衍生的產品種類、數量，以及定量化指標均有顯著提升[7]。按照我國“十三五”發展戰略，衛星遙感系統將重點發展大氣觀測系列，逐步形成高、中、低空間分辨率合理配置、多種觀測手段優化組合的綜合高效全球觀測能力。可預期，氣象衛星事業將邁入新階段。衛星遙感技術監測大氣具有以下3個優勢。

3.1 易獲取海量周期性、連續性數據

衛星遙感監測通過多種衛星周期性重復覆蓋地球表面，對陸地表面進行大范圍、多時次的掃描，提供了海量、準確、穩定的數據源，便于對大氣污染進行長時期動態監測和預報。通過選擇不同周期、分辨率、觀測對象的衛星數據，可有效獲取所需的大氣污染數據。例如，美國對地觀測系統（EOS）計劃發射的下午星群飛行在太陽同步軌道上，在與當地時間下午13：30相隔不到30 min的時間內經過赤道上空。其CALIPSO衛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生散射信號，獲取氣溶膠特性數據。同為EOS計劃的Terra和Aqua衛星在大氣數據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。美國宇航局發射的Aura衛星對地球臭氧層、空氣質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變化，為深入研究污染物的遠距離輸送及其復雜性提供支持。

3.2 監測范圍廣泛

與傳統以監測點的絕緣子為測量范圍開展推算相比，衛星遙感技術突破了局限性，可以獲得三維空間數據，得到污染物垂直和水平分布信息。

同時，采用衛星遙感技術易于獲取多元實測數據，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、以小范圍代表大區域、污穢分析較粗放的不足，實現污穢綜合評估和預測方法的融合、創新與應用。

3.3 數據來源可靠、多樣，能真實反映污穢情況

衛星遙感技術可以瞬時獲得大區域內地表和大氣的綜合信息，客觀、準確、實時地反應大氣污染情況，避免大氣污染時空易變性、人工取樣的隨機性、人工試驗干預的誤差性等產生的誤差。例如，高光譜遙感通過光譜區間的連續分布，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。

采用衛星遙感的手段進行大氣污染檢測，還能通過融合不同衛星監測源，對絕緣子污穢提供多樣、有效的數據。例如，風云四號定量遙感氣象衛星[7],采用高精度轉角測量及掃描控制、定標、實時補償、圖像配準等創新技術,可提供溫濕度、大氣、導風、閃電等34種數據，涵蓋沙塵檢測、氣溶膠光學厚度、大氣穩定度指數等應用，實現在靜止軌道的大氣垂直探測，可與太陽同步軌道衛星形成時空、監測種類及精度等方面數據互補。

4 基于衛星遙感技術的電網污穢推演前景展望

基于衛星遙感技術監測范圍廣、重訪周期固定、分辨率高、快速連續、信息準確客觀等特點，能直觀、動態監測污染物的多時空尺度的變化趨勢和分布特征，對污穢的產生機理及其與大氣污染數據的關聯性研究、電網污穢預測和預防發展具有重要意義。

4.1 應用思路探究

（1）通過衛星遙感數據獲取長時間、大范圍污染情況

對搜集到的實時氣象、污染數據進行清理與重組，結合鹽密、灰密實測數據進行關鍵要素篩選和過程規則推理，分析、探索污穢引發閃絡過程及機理的本質化學成分，與不同電壓等級下發生的污閃情況關聯，得出不同影響權重因子。例如，通過綜合分析衛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、區域地理氣候特征與電網設備污穢實測參數之間關聯關系，建立相應的多元因素關聯模型及各因子間的量化關系，研究其特征和規律，建立基于環境因素的灰密、鹽密等數值濃度預測預報模型。

對來自不同衛星的數據進行時空配準與融合，實現大氣污染數據的空域擴展[8-12]。建立類型豐富、尺度層次多樣、面向應用的衛星遙感數據庫，能更加精確的篩選出與電網設備污穢相關的數據，為模型優化等研究提供數據支持。

（2）融合地面離散測量數據與衛星遙感數據

衛星遙感數據和地面人工采樣數據的融合，實現衛星-地基觀測相結合的污穢在面域的擴展。采用多時相加權平均等數據融合及ARIMA、集合卡爾曼濾波等由點及面的數據同化方法，將衛星遙感大氣污染數據與地面監測數據進行時空匹配，構建具有共同時空屬性的分析數據集，利用空間數據挖掘等方法建立關系模型；最后，輸入衛星大氣污染數據，實現衛星-地基觀測相結合的輸變電設備外絕緣污穢在面域的擴展。將地面人工監測結果作為驗證參考，動態更新輸入，展開模型參量微調。

（3）無地面監測點區域開展推演、比對研究

針對地面無監測點區域，可以建立氣象、地形地貌數據的污染物擴散遷徙模型，開展其在區域環境特征下的污穢評估。

采用衛星遙感的手段，實時、動態探測土地利用變化，結合輸電線路周邊區域地形的精確測繪數據和氣象數據，發展數據挖掘和模式預測的新方法，對大面積區域絕緣子污穢進行評估和預測。可以擴散統計理論出發點，假設污染物濃度分布在一定程度上服從高斯分布，構建多種排放源排污的模式系統，開展推演、估算，針對新建的工廠、熱電廠等高污染源區域及時修正。模型成熟后，可擴展到適用于鄉村環境和城市環境、平坦地形和復雜地形、地面源和高架源等多種排放擴散情形的模擬和預測。

4.2 應用效果展望

通過衛星遙感數據與絕緣子積污、電網污閃間關聯研究的深入，可以減少電網污穢分析的主觀性、局限性，增加分析方法多樣性。與已有精益化評估方法相結合，開展與歷史污穢數據、離散監測點數據、實時氣象預報等融合的污穢推演，實現監測區到無布點區的拓展，將有效指導污穢特殊區域分布圖的繪制及動態修訂，為電網防污的差異化規劃設計、運維管理和檢修防治等提供判據，科學指導絕緣子防污閃能力配合、電網防污工作的開展和決策的制定實施。

5 結語

隨著空氣污染問題的日益突顯,利用衛星遙感進行大氣探測的技術得到了不斷發展。通過應用衛星遙感技術監測范圍廣、重訪周期固定、分辨率高、快速連續、信息準確客觀等優勢，有效彌補傳統電網污穢分析技術存在的不足。綜合分析衛星遙感監測大氣污染等多元實測數據，開展推演與建模，實現污穢綜合分析和預測方法的創新與應用，為電網差異化污穢狀況分析、治理和預防提供判據，將有望高效指導電網防污工作的開展和決策的制定實施，科學建立電網防污穢體系。

（References）

[1]張明，余建飛，詹約章，等.500 kV輸電線路架空地線腐蝕斷裂原因分析[J].湖北電力,2014,38(12):39-42.

Zhang Ming,Yu Jianfei,Zhan Yuezhang,et al.Analysis on Cause of Corrosion Fracture of Overhead Ground Wire in 500 kV Transmission Line[J].Hubei Electric Power, 2014,38(12):39-42.

[2]蘆海.500 kV輸電線路在沿海地區防污閃運行維護策略分析[J].機電信息,2016(6):22-23.

Lu Hai.Analysis on Operation and Maintenance Strategy of Prevention against Pollution Flashover in 500 kV Trans?mission Lines in Coastal Areas[J].Mechanical and Electri?cal Information,2016(6):22-23.

[3]Ye Hanyu,Clemens M,Seifert J.Electroquasistatic Field Simulation for the Layout Improvement of Outdoor Insula?tors Using Microvaristor Material[J].IEEE Transactions on Magnetics,2013,49(5):1709-1712.

[4]蔡盛舟，王登菊，陳仁軍，等.絕緣子污穢度監測方法研究[J].電工電氣,2014(9):9-12.

Cai Shengzhou,Wang Dengju,Chen Renjun,et al.Re?search on Filth Insulator Monitoring Method[J].Jiangsu Electrical Apparatus,2014(9):9-12.

[5]趙晨龍，梅紅偉，戴罕奇，等.自然污穢與人工污穢絕緣子等價性分析方法研究[J].中國電機工程學報,2014,34 (6):955-964.

Zhao Chenlong,Mei Hongwei,Dai Hanqi,et al.Research on Analysis Method of Equivalence Between Natural Pollut?ed Insulators and Artificial Contaminated Insulators[J].Pro?ceedings of the CSEE,2014,34(6):955-964.

[6]張志勁，蔣興良，孫才新．污穢絕緣子閃絡特性研究現狀及展望[J].電網技術,2006,30(2):35-40. Zhang Zhijin,Jiang Xingliang,Sun Caixin.Present Situa?tion and Prospect of Research on Flashover Characteristics of Polluted Insulators[J].Power System Technology,2006,30 (2):35-40.

[7]董瑤海.風云四號氣象衛星及其應用展望[J].上海航天, 2016,33(2):1-8.

Dong Yaohai.FY-4 Meteorological Satellite and Its Appli?cation Prospect[J].Aerospace Shanghai,2016,33(2):1-8.

[8]陳輝.基于多源衛星的區域大氣環境質量遙感信息提取及綜合評價研究[D].北京：中國地質大學(北京),2012.

Chen Hui.Research on theAtmosphericEnvironment Quality Information Retrieval and Its Comprehensive Evalu-ation Based on Multi-source Remote Sensing[D].Beijing: China University of Geosciences(Beijing),2012.

[9]范辰乾.基于MODIS數據的氣溶膠光學厚度與PM2.5濃度關系研究[D].濟南：山東師范大學,2014.

Fan Chenqian.Research on the Relationship between Aero?sol Optical Depth Based on MODIS Data and PM2.5 Con?centration[D].Jinan:Shandong Normal University,2014.

[10]何秀,鄧兆澤,李成才,等.MODIS氣溶膠光學厚度產品在地面PM10監測方面的應用研究[J].北京大學學報：自然科學版,2010（2）:178-184.

He Xiu,Deng Zhaoze,Li Chengcai,et al.Application of MODIS AOD in Surface PM10 Evaluation[J].Acta Scienc? tiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 2010(2）: 178-184.

[11]岳輝.武漢市大氣PM10濃度空間分布特征及其影響因素研究[D].武漢：華中農業大學,2012.

Yue Hui.Research on the Spatial Distribution Characteris?tic and Its Influencing Factors of Atmospheric PM10 Con?centration in Wuhan City[D].Wuhan:Huazhong Agricul?tural University,2012.

[12]Chu D A,Kaufman Y J,Ichoku C,et al.Validation of MODIS aerosol optical depth retrieval over land[J].Geo?physical Research Letters,2002,29(12):1-4.

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。