一種基于全景狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的新型架空輸電線路狀態(tài)評估模型

王海濤，劉春翔，范鵬，郭江，高旭

（1.國網(wǎng)電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢430074；2.武漢瑞萊保能源技術(shù)有限公司，武漢430072）

0 引 言

近年來，隨著輸電線路規(guī)模日益擴大，電力系統(tǒng)容量也逐年增大，一旦發(fā)生線路跳閘故障，將帶來巨大的經(jīng)濟損失，同時影響人民的正常生活。為增強電網(wǎng)抵御自然災(zāi)害的能力，傳統(tǒng)的輸電線路巡視往往采用人員巡視，通過手工記錄和拍照來監(jiān)測現(xiàn)場情況，難以實時掌握現(xiàn)場情況。

據(jù)2014年度統(tǒng)計，某電網(wǎng)公司某地區(qū)輸電管理所管轄110 kV及以上線路跳閘42條次，雷擊跳閘39條次，占92.86%，山火跳閘2條次，占4.76%，地震跳閘1條次，占2.38%。這些自然災(zāi)害嚴重威脅著地區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運行。目前，某電網(wǎng)公司某供電局已安裝了一批微氣象監(jiān)測裝置，可精細化掌控線路局部微地形的氣象參數(shù)，在一定時期發(fā)揮了相應(yīng)的作用。然而，這些在線監(jiān)測裝置主要以監(jiān)測某一類運行狀態(tài)參數(shù)為主，難以綜合多類運行狀態(tài)參數(shù)對線路運行中產(chǎn)生的故障和災(zāi)害進行辨識。而且，這些監(jiān)測以點式為主，難以反映全線的狀態(tài)［1］。

針對上述問題，研究輸電線路運行狀態(tài)特性，選取具有典型線路故障特征（如：雷擊、山火、鳥害等）的輸電線路，安裝基于光傳感技術(shù)的在線監(jiān)測裝置，同時結(jié)合傳統(tǒng)在線監(jiān)測技術(shù)和災(zāi)害區(qū)域分布圖，構(gòu)建基于“點、線、面”全景監(jiān)測數(shù)據(jù)的輸電線路狀態(tài)監(jiān)控體系。然后，基于全景狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)及其它線路運行參數(shù)，構(gòu)建新型輸電線路狀態(tài)評估模型，通過評估手段掌握電網(wǎng)運行薄弱環(huán)節(jié)，使線路運維工作更有目標性，有效的將線路故障遏制在萌芽狀態(tài)，大大提高了線路運檢管控水平。

1 全景狀態(tài)監(jiān)控體系

近幾年，輸電線路狀態(tài)監(jiān)測方法呈現(xiàn)多樣性，使用不同技術(shù)手段監(jiān)測線路與通道環(huán)境的各類狀態(tài)參量，各有特點，部分方法在工程應(yīng)用中取得了較好的效果。但是，如何將各類狀態(tài)監(jiān)測方法有效的結(jié)合起來，如何構(gòu)建更高效的全景狀態(tài)監(jiān)控體系，為線路狀態(tài)評估模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，是開展輸電線路狀態(tài)檢修工作前亟需解決的問題。

本文將線路狀態(tài)監(jiān)測方法分為“點式監(jiān)測”和“線式監(jiān)測”，再結(jié)合災(zāi)害區(qū)域分布圖的“面狀分析”，構(gòu)建基于“點、線、面”全景監(jiān)測數(shù)據(jù)的輸電線路狀態(tài)監(jiān)控體系，如圖1所示。

圖1 全景狀態(tài)監(jiān)控體系Fig.1 System of panoramic condition monitoring

1.1 基于“點”的狀態(tài)監(jiān)測模式

“點式監(jiān)測”通過傳統(tǒng)在線監(jiān)測技術(shù)以及無源光傳感監(jiān)測技術(shù)，對輸電線路重點桿塔、區(qū)域進行地災(zāi)、風偏、鳥害、山火等狀態(tài)量監(jiān)測，為狀態(tài)評估提供數(shù)據(jù)支撐。

（1）傳統(tǒng)在線監(jiān)測

近幾年，輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)得到了較快的發(fā)展，絕緣子泄漏電流、鹽密、微風振動、風偏、桿塔傾斜、微氣象、圖像（視頻）等傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)，并逐步加量投入使用，給線路運維部門提供了助力。同時，電力系統(tǒng)為了規(guī)范同類監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)接入格式，制定了一系列的狀態(tài)監(jiān)測標準與導則，這也促進了傳統(tǒng)在線監(jiān)測技術(shù)更進一步的推廣應(yīng)用。

根據(jù)南方電網(wǎng)公司某地區(qū)氣象、地質(zhì)、特殊區(qū)域等情況綜合分析，選取示范線路進行整體布點：在500 kV博尚墨江Ⅱ回線118號桿塔部署1套山火監(jiān)測裝置；在220 kV木東線N43號桿塔部署1套地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測裝置；在220 kV墨戈Ⅱ回線N189號桿塔附近部署2套雷擊閃絡(luò)監(jiān)測裝置。

（2）無源光傳感監(jiān)測

無源光傳感監(jiān)測技術(shù)是新型的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，在輸電行業(yè)已有多年的應(yīng)用經(jīng)驗，采用光纖作為傳感器，通過OPGW復合地線作為通訊通道，變電站安裝解析主機，主要包括傳感器設(shè)備和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。傳感器設(shè)備主要是通過發(fā)射光脈沖信號來對OPGW內(nèi)部的光纖進行傳感，并通過內(nèi)部硬件獲取光纖內(nèi)部散射回來的光信號。數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過傳感器設(shè)備完成對光信號的采集、數(shù)字化、有效性驗證和數(shù)據(jù)預(yù)處理。

光傳感器是基于布喇格光纖光柵原理來測量線路參數(shù)，它由外部封裝和內(nèi)部的光纖光柵構(gòu)成。光纖光柵是一種性能優(yōu)異的反射濾波器，它作為傳導介質(zhì)時，入射光一部分會直接透射，另一部分會按一定的條件發(fā)生反射。當外界應(yīng)變和溫度不發(fā)生變化的情況下，反射波的波長是一個固定值；當外界應(yīng)變和溫度發(fā)生變化的時候，反射波的波長將發(fā)生漂移。我們借助于外界裝置將被測參量轉(zhuǎn)換成為溫度或應(yīng)變的變化，通過解調(diào)光纖光柵反射中心波長的變化量，達到檢測外界物理量的目的［2］，如圖2所示。

圖2 光譜分析Fig.2 Spectral analysis

通過刻柵技術(shù)，控制不同傳感器的固定中心波長，從而達到區(qū)別不同的光柵，實現(xiàn)了同一根光纖可復用多個傳感器的目的，如圖3所示。

圖3 刻柵技術(shù)Fig.3 Grating technology

運用無源光傳感監(jiān)測技術(shù)，將無源光傳感器安裝于絕緣子串上，實現(xiàn)實時監(jiān)測風偏狀態(tài)量，避免了傳統(tǒng)在線監(jiān)測裝置面臨的電源和通訊問題。

1.2 基于“線”的狀態(tài)監(jiān)測模式

“線式監(jiān)測”通過分布式光傳感監(jiān)測技術(shù)對輸電線路全線進行溫度、OPGW雷擊、OPGW運行狀態(tài)監(jiān)測以及故障定位，從整體的角度把握輸電線路運行狀態(tài)，有效的保障了線路的安全穩(wěn)定運行。

通過引入基于應(yīng)力分布式測量技術(shù)的輸電線路新型在線監(jiān)測方法，解決了當前輸電線路在線監(jiān)測裝置監(jiān)測范圍有限、使用壽命較短等問題，提高監(jiān)測的穩(wěn)定性和可靠性。

（1）OPGW分布式溫度測量

由于OPGW內(nèi)部光纖由油膏包裹，其溫度與光纜外絕緣皮溫度存在一定差別，本文通過對比分布式設(shè)備與溫度測量儀測量數(shù)據(jù)，建立溫度相關(guān)性模型，確保實際測量數(shù)據(jù)的準確性。如圖4所示，為一組溫度校驗曲線，數(shù)據(jù)一致性較好，誤差在±2℃以內(nèi)。

圖4 溫度校驗曲線Fig.4 Temperature calibration curve

輸電線路運行環(huán)境復雜，纜線長期遭受熱輻射、導線放電等因素影響，局部高溫加速了纜線老化，直接影響OPGW通信質(zhì)量與壽命。通過對220 kV思唐線全線進行OPGW溫度監(jiān)測，全天候抓取線路溫度異常數(shù)據(jù)，為線路運維工作提供輔助參考資料。

（2）OPGW運行狀態(tài)監(jiān)測 通常能被監(jiān)測的OPGW異常狀態(tài)有斷線、斷股、雷擊損傷、外破損傷等。以地線斷股為例，斷股處的光纖會承受更大的拉力，當拉力增大到一定數(shù)值時，光傳感器會感應(yīng)到應(yīng)變信號，鑒于該信號在一定時間內(nèi)一直存在，因此可以從溫度干擾中解析出來，也就可以判斷是否為斷股。實驗表明，OPGW100可測斷股區(qū)間為：斷股后截面積小于0.6RTS，如圖5所示。

圖5 OPGW100拉力與可測斷股剩余截面積關(guān)系趨勢線Fig.5 Trend curve of the relationship between OPGW100 pulling force and the remaining section area of measurable fault strand

（3）OPGW雷擊監(jiān)測

針對目前輸電線路雷擊故障無法精確定位的問題，應(yīng)用基于OPGW光偏振態(tài)的新型雷擊監(jiān)測方法，在110 kV東那遷糯I回線進行效果驗證。

當線路遭受雷擊時，必定會引起磁場變化，OPGW中傳輸光的偏振態(tài)會受到磁場和其他物理因素的調(diào)制，其偏振方向?qū)l(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度θ與磁感應(yīng)強度在光傳播方向上的分量β和光穿越介質(zhì)的長度d乘積成正比，即：

式中比例系數(shù)V取決于介質(zhì)和工作波長，表征著物質(zhì)的磁光特性，稱為Verdet常數(shù)。

該方法利用OPGW內(nèi)部兩芯光纖作為傳感器，通過變電站一端的監(jiān)測主機向光纖中發(fā)射穩(wěn)定探測光，通過檢測OPGW內(nèi)部光纖中傳輸光的偏振態(tài)變化判定雷擊點位置。

1.3 基于“面”的狀態(tài)監(jiān)測模式

實施地區(qū)地處云貴高原，多山、多雷雨，森林覆蓋率高，氣候多變，線路微地形復雜，常見雷害、鳥害、山火等自然災(zāi)害。本文基于GIS地理信息技術(shù)，建立電子專題圖分析模塊，依據(jù)多年的線路運維數(shù)據(jù)，繪制雷害、地質(zhì)、鳥害、山火、樹障五類災(zāi)害分布圖，直觀反映線路走廊所處的自然環(huán)境狀況。線路運維人員通過專題圖疊加分析，不僅能快速鎖定災(zāi)害頻發(fā)區(qū)域，縮短重點巡線區(qū)段，而且還為輸電線路改造、新建等工作提供參考數(shù)據(jù)。同時，災(zāi)害專題圖可根據(jù)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、缺陷數(shù)據(jù)、線路跳閘數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等自動更新。如圖6所示，為雷害專題圖分析模塊［3-4］。

圖6 雷害專題圖分析模塊Fig.6 Analysis module of lightning damage thematic graph

采用“點、線、面”三種狀態(tài)監(jiān)測模式相結(jié)合的形式，構(gòu)建了具有地區(qū)特色的全景狀態(tài)監(jiān)控體系，為線路運行狀態(tài)評估提供數(shù)據(jù)支撐。

2 新型狀態(tài)評估模型設(shè)計

輸電線路狀態(tài)評估是對線路運行水平和缺陷進行客觀、標準化的判定，對安全性指標和缺陷判別標準進行量化，其評估結(jié)果對線路狀態(tài)檢修具有指導意義。本文將線路走廊環(huán)境因素、全景狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)作為補充條件納入線路狀態(tài)評估的范疇，構(gòu)建新型動態(tài)化的輸電線路狀態(tài)評估模型，如圖7所示。

圖7 狀態(tài)評估數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)Fig.7 Data organization structure of state evaluation

2.1 多態(tài)分層評估方法

新型輸電線路狀態(tài)評估模型采用多態(tài)分層評估方法，結(jié)合概率理論建立因果因子的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將統(tǒng)計數(shù)據(jù)以條件概率的形式融入模型中，分層進行推理評估，最后得到線路多狀態(tài)評估結(jié)果［5］。

多態(tài)分層評估方法以事件為分析對象，將架空輸電線路運行狀態(tài)評估總體分為三級事件，綜合考慮輸電線路的六個重要部件（桿塔、絕緣子、金具、基礎(chǔ)、導地線、輔助設(shè)施）的影響，以“正常”、“注意”和“不良”三種運行狀態(tài)作為評價指標，對整個架空輸電線路的運行狀態(tài)進行評估。其模型結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 狀態(tài)評估模型結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of state evaluation model

線路主要部件的狀態(tài)一般由多個影響因子來判定，這些影響因子作為三級事件，是整個評價體系中的基本子事件；線路部件狀態(tài)作為二級事件；線路整體狀態(tài)作為一級事件。多態(tài)分層評估方法采用分層評估的方式，首先對基本子事件進行運行狀態(tài)評估，得到各部件“正常”、“注意”和“不良”三種運行狀態(tài)概率，再通過對部件事件進行加權(quán)處理，得出架空輸電線路的三種運行狀態(tài)概率，從而對整條架空輸電線路的運行狀態(tài)進行評估。輸電線路的分層評估模型如圖9所示。

圖9 分層評估模型Fig.9 State hierarchical evaluation model

2.2 評估分析

（1）基本子事件評估

通過梳理現(xiàn)有的線路運維數(shù)據(jù)，本文篩選出了56個影響因素作為評估基本子事件，每個基本子事件都有與之相對應(yīng)評估標準，用來判斷基本子事件三種狀態(tài)的發(fā)生概率［6］。

以桿塔評估為例，桿塔（X）共15個基本子事件，如表1所示。

表1 桿塔評估基本子事件Tab.1 Tower evaluation of basic event

其中X6-桿塔傾斜情況，“正常狀態(tài)”為：鐵塔高50 m以上，傾斜度小于4‰，鐵塔高50 m以下，傾斜度小于8‰，鋼筋混凝土電桿，傾斜度小于1%；“注意狀態(tài)”為：鐵塔高50 m以上，傾斜度在4‰～5‰之間，鐵塔高50 m以下，傾斜度在8‰～l%之間，鋼筋混凝土電桿，傾斜度在1%～1.5%之間；“不良狀態(tài)”為：鐵塔高50 m以上，傾斜度超過5‰，鐵塔高50 m以下，傾斜度超過1%，鋼筋混凝土電桿，傾斜度超過1.5%［7］。

對各基本子事件分別建立評估數(shù)學模型，得出每個事件的運行狀態(tài)概率，其中，桿塔子事件運行狀態(tài)評估算法如下：

式中P（Xib）是某基本子事件不良狀態(tài)發(fā)生概率；P（Xiz）是某基本子事件注意狀態(tài)發(fā)生概P（Xil）是某基本子事件正常狀態(tài)發(fā)生概率；Xib是基本子事件不良狀態(tài)發(fā)生次數(shù)；Xiz是基本子事件注意狀態(tài)發(fā)生次數(shù)；Xil是基本子事件正常狀態(tài)發(fā)生次數(shù)；gt是線路桿塔總基數(shù)。

（2）二級事件評估

二級事件評估是對線路六個重要部件分別建立基于多態(tài)分層評估的架空輸電線路運行狀態(tài)評估數(shù)學模型，獨立得出各部件的運行狀態(tài)概率。

桿塔評估模型如圖10所示，結(jié)合輸電線路相關(guān)評估資料與實際線路運行經(jīng)驗，可確定桿塔每個基本子事件對桿塔運行狀態(tài)影響的權(quán)重。

圖10 桿塔評估模型Fig.10 Tower state evaluation model

結(jié)合基本子事件評估算法，對運行狀態(tài)概率進行歸一化處理。即：

得出桿塔的三種運行狀態(tài)概率如下：

桿塔不良運行狀態(tài)概率：

桿塔注意運行狀態(tài)概率：

桿塔正常運行狀態(tài)概率：

（3）一級事件評估

同理，首先結(jié)合輸電線路相關(guān)評估資料與實際線路運行經(jīng)驗，確定各部件對線路運行狀態(tài)影響的權(quán)重，分別為P（X/L）、P（Y/L）、P（Z/L）、P（U/L）、P（V/L）、P（W/L），再通過二級事件評估結(jié)果得出整條架空輸電線路的三個運行狀態(tài)概率：

線路不良運行狀態(tài)概率：

線路注意運行狀態(tài)概率：

線路正常運行狀態(tài)概率：

3 實例分析

本文首先根據(jù)供電局線路實際運行經(jīng)驗，以及評估模型的特點，約定部件異常、線路異常的評判標準，如表2所示。

表2 異常事件評判標準Tab.2 Abnormal event criteria

運用新型狀態(tài)評估模型對某220 kV輸電線路進行狀態(tài)評估，其中，六個重要部件的狀態(tài)評估結(jié)果如表3所示，評估時間：2015/08/10 15：30：00。

表3 實例二級事件評估信息Tab.3 Examples of secondary event evaluation information

同時，為了簡化計算，各部件權(quán)重值在三種狀態(tài)評估時視為不變，分別為：P（X/L）→0.28；P（Y/L）→0.16；P（Z/L）→0.12；P（U/L）→0.1；P（V/L）→0.14；P（W/L）→0.2。

根據(jù)一級事件評估算法可得：

綜上所述，該線路的“不良狀態(tài)”概率為0.126 2；“注意狀態(tài)”概率為0.248 2；“正常狀態(tài)”概率為0.625 6。“不良狀態(tài)”概率已超過了10%，根據(jù)評判標準，該線路處于異常狀態(tài)，應(yīng)及時派遣人員前往現(xiàn)場巡查，防范于未然。

其中二級事件評估中桿塔的“不良狀態(tài)”概率超過了15%，對P（Lb）的貢獻率高達40%，是線路“不良狀態(tài)”概率超標的重要影響因素。通過反向追溯可知該線路處于雷害區(qū)，且大部分桿塔未安裝防雷裝置，工作人員應(yīng)重點進行線路防雷維護。

2015年8月15日凌晨0點到早上8點，雷電定位系統(tǒng)記錄了線路2.5 km以內(nèi)的雷電共31個，主要發(fā)生在凌晨1點至3點左右。OPGW雷擊監(jiān)測主機共記錄到15個，其中10個與雷電定位系統(tǒng)的記錄時間基本一致。回擊次數(shù)也比較接近。如圖11為8月15日凌晨2點41分左右發(fā)生的雷電活動，雷電定位系統(tǒng)記錄含3次后續(xù)回擊，OPGW雷擊監(jiān)測裝置也監(jiān)測到多個脈沖，有效驗證了評估結(jié)論。

圖11 線路監(jiān)測到的雷擊脈沖信號Fig.11 Lightning pulse signal monitored by the line

4 結(jié)束語

文中研究設(shè)計了一套滿足某電網(wǎng)公司某供電局實際運行需求的新型架空輸電線路狀態(tài)評估模型，以“點、線、面”全景狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過評估計算得到線路三種運行狀態(tài)（“正常”、“注意”和“不良”）概率，篩選出該地區(qū)需要重點巡查的線路或重要部件，為線路運維工作提供助力，確保線路安全穩(wěn)定運行。