一種基于全景狀態監測數據的新型架空輸電線路狀態評估模型

王海濤，劉春翔，范鵬，郭江，高旭

（1.國網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有限公司，武漢430072）

0 引 言

近年來，隨著輸電線路規模日益擴大，電力系統容量也逐年增大，一旦發生線路跳閘故障，將帶來巨大的經濟損失，同時影響人民的正常生活。為增強電網抵御自然災害的能力，傳統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測現場情況，難以實時掌握現場情況。

據2014年度統計，某電網公司某地區輸電管理所管轄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%。這些自然災害嚴重威脅著地區電網安全穩定的運行。目前，某電網公司某供電局已安裝了一批微氣象監測裝置，可精細化掌控線路局部微地形的氣象參數，在一定時期發揮了相應的作用。然而，這些在線監測裝置主要以監測某一類運行狀態參數為主，難以綜合多類運行狀態參數對線路運行中產生的故障和災害進行辨識。而且，這些監測以點式為主，難以反映全線的狀態［1］。

針對上述問題，研究輸電線路運行狀態特性，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的在線監測裝置，同時結合傳統在線監測技術和災害區域分布圖，構建基于“點、線、面”全景監測數據的輸電線路狀態監控體系。然后，基于全景狀態監測數據及其它線路運行參數，構建新型輸電線路狀態評估模型，通過評估手段掌握電網運行薄弱環節，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，大大提高了線路運檢管控水平。

1 全景狀態監控體系

近幾年，輸電線路狀態監測方法呈現多樣性，使用不同技術手段監測線路與通道環境的各類狀態參量，各有特點，部分方法在工程應用中取得了較好的效果。但是，如何將各類狀態監測方法有效的結合起來，如何構建更高效的全景狀態監控體系，為線路狀態評估模型提供基礎數據支撐，是開展輸電線路狀態檢修工作前亟需解決的問題。

本文將線路狀態監測方法分為“點式監測”和“線式監測”，再結合災害區域分布圖的“面狀分析”，構建基于“點、線、面”全景監測數據的輸電線路狀態監控體系，如圖1所示。

圖1 全景狀態監控體系Fig.1 System of panoramic condition monitoring

1.1 基于“點”的狀態監測模式

“點式監測”通過傳統在線監測技術以及無源光傳感監測技術，對輸電線路重點桿塔、區域進行地災、風偏、鳥害、山火等狀態量監測，為狀態評估提供數據支撐。

（1）傳統在線監測

近幾年，輸電線路在線監測技術得到了較快的發展，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）等傳統監測系統陸續出現，并逐步加量投入使用，給線路運維部門提供了助力。同時，電力系統為了規范同類監測裝置的數據接入格式，制定了一系列的狀態監測標準與導則，這也促進了傳統在線監測技術更進一步的推廣應用。

根據南方電網公司某地區氣象、地質、特殊區域等情況綜合分析，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套山火監測裝置；在220 kV木東線N43號桿塔部署1套地質災害監測裝置；在220 kV墨戈Ⅱ回線N189號桿塔附近部署2套雷擊閃絡監測裝置。

（2）無源光傳感監測

無源光傳感監測技術是新型的狀態監測技術，在輸電行業已有多年的應用經驗，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，主要包括傳感器設備和數據采集設備。傳感器設備主要是通過發射光脈沖信號來對OPGW內部的光纖進行傳感，并通過內部硬件獲取光纖內部散射回來的光信號。數據采集設備通過傳感器設備完成對光信號的采集、數字化、有效性驗證和數據預處理。

光傳感器是基于布喇格光纖光柵原理來測量線路參數，它由外部封裝和內部的光纖光柵構成。光纖光柵是一種性能優異的反射濾波器，它作為傳導介質時，入射光一部分會直接透射，另一部分會按一定的條件發生反射。當外界應變和溫度不發生變化的情況下，反射波的波長是一個固定值；當外界應變和溫度發生變化的時候，反射波的波長將發生漂移。我們借助于外界裝置將被測參量轉換成為溫度或應變的變化，通過解調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，控制不同傳感器的固定中心波長，從而達到區別不同的光柵，實現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Fig.3 Grating technology

運用無源光傳感監測技術，將無源光傳感器安裝于絕緣子串上，實現實時監測風偏狀態量，避免了傳統在線監測裝置面臨的電源和通訊問題。

1.2 基于“線”的狀態監測模式

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

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

（1）OPGW分布式溫度測量

由于OPGW內部光纖由油膏包裹，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備與溫度測量儀測量數據，建立溫度相關性模型，確保實際測量數據的準確性。如圖4所示，為一組溫度校驗曲線，數據一致性較好，誤差在±2℃以內。

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

輸電線路運行環境復雜，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通信質量與壽命。通過對220 kV思唐線全線進行OPGW溫度監測，全天候抓取線路溫度異常數據，為線路運維工作提供輔助參考資料。

（2）OPGW運行狀態監測 通常能被監測的OPGW異常狀態有斷線、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值時，光傳感器會感應到應變信號，鑒于該信號在一定時間內一直存在，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雷擊監測

針對目前輸電線路雷擊故障無法精確定位的問題，應用基于OPGW光偏振態的新型雷擊監測方法，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中傳輸光的偏振態會受到磁場和其他物理因素的調制，其偏振方向將發生旋轉，旋轉角度θ與磁感應強度在光傳播方向上的分量β和光穿越介質的長度d乘積成正比，即：

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

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

1.3 基于“面”的狀態監測模式

實施地區地處云貴高原，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、山火等自然災害。本文基于GIS地理信息技術，建立電子專題圖分析模塊，依據多年的線路運維數據，繪制雷害、地質、鳥害、山火、樹障五類災害分布圖，直觀反映線路走廊所處的自然環境狀況。線路運維人員通過專題圖疊加分析，不僅能快速鎖定災害頻發區域，縮短重點巡線區段，而且還為輸電線路改造、新建等工作提供參考數據。同時，災害專題圖可根據在線監測數據、缺陷數據、線路跳閘數據、氣象數據等自動更新。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”三種狀態監測模式相結合的形式，構建了具有地區特色的全景狀態監控體系，為線路運行狀態評估提供數據支撐。

2 新型狀態評估模型設計

輸電線路狀態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，其評估結果對線路狀態檢修具有指導意義。本文將線路走廊環境因素、全景狀態監測數據和氣象數據作為補充條件納入線路狀態評估的范疇，構建新型動態化的輸電線路狀態評估模型，如圖7所示。

圖7 狀態評估數據組織結構Fig.7 Data organization structure of state evaluation

2.1 多態分層評估方法

新型輸電線路狀態評估模型采用多態分層評估方法，結合概率理論建立因果因子的關聯關系，將統計數據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評估結果［5］。

多態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、導地線、輔助設施）的影響，以“正常”、“注意”和“不良”三種運行狀態作為評價指標，對整個架空輸電線路的運行狀態進行評估。其模型結構如圖8所示。

圖8 狀態評估模型結構Fig.8 Structure of state evaluation model

線路主要部件的狀態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；線路部件狀態作為二級事件；線路整體狀態作為一級事件。多態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評估，得到各部件“正常”、“注意”和“不良”三種運行狀態概率，再通過對部件事件進行加權處理，得出架空輸電線路的三種運行狀態概率，從而對整條架空輸電線路的運行狀態進行評估。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

通過梳理現有的線路運維數據，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評估標準，用來判斷基本子事件三種狀態的發生概率［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”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”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”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學模型，得出每個事件的運行狀態概率，其中，桿塔子事件運行狀態評估算法如下：

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

（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分層評估的架空輸電線路運行狀態評估數學模型，獨立得出各部件的運行狀態概率。

桿塔評估模型如圖10所示，結合輸電線路相關評估資料與實際線路運行經驗，可確定桿塔每個基本子事件對桿塔運行狀態影響的權重。

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

結合基本子事件評估算法，對運行狀態概率進行歸一化處理。即：

得出桿塔的三種運行狀態概率如下：

桿塔不良運行狀態概率：

桿塔注意運行狀態概率：

桿塔正常運行狀態概率：

（3）一級事件評估

同理，首先結合輸電線路相關評估資料與實際線路運行經驗，確定各部件對線路運行狀態影響的權重，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果得出整條架空輸電線路的三個運行狀態概率：

線路不良運行狀態概率：

線路注意運行狀態概率：

線路正常運行狀態概率：

3 實例分析

本文首先根據供電局線路實際運行經驗，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

運用新型狀態評估模型對某220 kV輸電線路進行狀態評估，其中，六個重要部件的狀態評估結果如表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，各部件權重值在三種狀態評估時視為不變，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。

根據一級事件評估算法可得：

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

其中二級事件評估中桿塔的“不良狀態”概率超過了15%，對P（Lb）的貢獻率高達40%，是線路“不良狀態”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，且大部分桿塔未安裝防雷裝置，工作人員應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，雷電定位系統記錄了線路2.5 km以內的雷電共31個，主要發生在凌晨1點至3點左右。OPGW雷擊監測主機共記錄到15個，其中10個與雷電定位系統的記錄時間基本一致。回擊次數也比較接近。如圖11為8月15日凌晨2點41分左右發生的雷電活動，雷電定位系統記錄含3次后續回擊，OPGW雷擊監測裝置也監測到多個脈沖，有效驗證了評估結論。

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

4 結束語

文中研究設計了一套滿足某電網公司某供電局實際運行需求的新型架空輸電線路狀態評估模型，以“點、線、面”全景狀態監測數據為基礎，通過評估計算得到線路三種運行狀態（“正常”、“注意”和“不良”）概率，篩選出該地區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，確保線路安全穩定運行。