基于分布式光纖的電網臺風災害預警方法研究

譚磊，趙永強，趙留學，周愷，王蓉

(1.國網北京市電力公司，北京 100031； 2.國網北京市電力公司電力科學研究院，北京 100075；3.武漢康普常青軟件技術股份有限公司，武漢 430074)

0 引 言

輸電線路長期裸露在外，極易遭受自然災害的影響，尤其是破壞力度極大的臺風[1-2]。2014年7月的強臺風“威馬遜”導致廣東省臨海區域大面積輸電走廊出現倒塔等事故，使得電力、通訊長時間癱瘓。因此實時監測輸電走廊風速，并建立臺風預警系統，從而強化災前預警、預防和災后搶修預判的能力，并對優化電網規劃、設計、運維、搶修調配等起到關鍵作用，極力減少損失，保障線路安全可靠運行是目前電網亟需解決的重要問題。

研究表明：線路風災主要源于風荷載的大小，其停運也主要受控于風荷載的設計不足[3-5]。輸電線路長期暴露于自然環境中，不僅因線路遭受高頻微風振動以及自身的老化作用發生疲勞折損，而且持續的大風侵襲也會極大的降低線路實際承受風荷載，從而一旦再遇到大風或者長時間的大風下，會大幅增加線路的故障率[6]；而服役時間長的線路可以通過實施風偏改造等措施彌補線路的抗風能力，從而減少故障率。而有些線路段因運維施工等原因導致線路存在缺失遺漏的器件，或者器件的使用壽命已大大降低了，這些情況無疑會直接加大故障的發生概率。因此綜合評判受風時間、線路老化和防風措施以及線路運維三方面的線路實況，即可得線路實際能承受的最大風荷載。

目前的風速數據基本源于氣象臺站觀測，分布散亂、場地開闊，多遠離輸電線路，尚不足以充分表征復雜地形下輸電線路的風速；而風害預警基于定時定點的氣象預報，及時性和針對性嚴重不足。雖然已有很多學者對其進行研究，以期細化氣象區域性風速，從而表征不同環境下的輸電線路風速，例如包博[7]等人通過信息關聯，建立了一種計及微地形修正的輸電線臺風風險預警方法，并成功得到驗證；高雁等人[8]從風荷載出發，同樣建立了微地形下的修正系數計算方法，從而得到較精確的設計風荷載；靳軍[9]根據經緯度將氣象風速換算為輸電線路的有效風速，建立風力荷載、地形因素以及自身狀況為輸入下的模糊推理模型，計算出臺風影響下的停運概率；宋嘉婧[6]則直接應用觀測風速于輸電線路兩個檔距上，根據風參數的實時變化，結合風荷載設計水平，動態分析輸電線路的實時停運概率。但是這些研究均存在一些問題：

(1)實際地形千差萬別，經修正的氣象風速仍舊無法精準代表輸電線路上的風速；

(2)預警方案未考慮持續大風下的損耗以及運維施工等遺留缺陷的影響。

基于分布式光纖設備的實時監測風速數據，從實時風荷載和動態修正設計風荷載兩方面著手分析計算：首先獲取整條線路每個檔距處的風速大小，計算對應的實時風荷載；再結合線路實際情況，從線路自身狀態、運維缺陷、以及持續大風下的損耗三個方面，綜合修正以表征實際所能承受的最大風荷載；最后評估實際風荷載與修正后的設計風荷載之間的關系，從而有效的判斷線路所受的荷載威脅，發布實時預警信息，并對臺風過后的全線風險實行排序，可高效指導搶修調配工作。

1 分布式光纖測風技術簡介

文中的實時風速數據來源于分布式光纖風速在線監測系統，分布式光纖傳感技術利用線路上的通信光纖OPGW和相位敏感光時域反射儀設備組成線路的風速傳感測量系統。該測風技術通過分析探測其散射信號的特征獲取與線路振動相關的信息，經過快速傅里葉變換處理提取線路的振動特征線譜，由其回波時間差異完成對監測位置的分辨，根據卡曼漩渦原理可計算出風速，從而實現對全線路的風速同步監測。

為了保證高精度的監測，對各檔距采取每30 s作為一個基本探測單元，進而統計15 min間隔內的平均值和最大值作為最后的輸出結果。該設備已在試驗線路得到驗證，圖1展示了某臺風期監測的平均風速和最大風速與鄰近氣象站的風速對比圖。該氣象站距離此檔距不到4 km，且位處同一平原地帶，有著一定的參考對比價值。

圖1 試驗線路某檔距與氣象臺的風速時間演化圖

圖1中可清晰看到兩者的趨勢一致性，但因為統計時距、測量高度的差異，使得風速數值的重合度出現一些偏差，但臺風瞬態的變化趨勢一致，表明分布式光纖測風技術原理具有可行性。

2 風荷載影響因素與設計風荷載修正

2.1 受風時間所造成的線路損耗

風荷載的概率分布一般用廣義極值分布來擬合表示[6]。雖然極值分布對于評估少有的事情非常有效，但是持續時間的長短也是評估故障率的有利因素，顯然持續較大風荷載的作用必然會帶來更大的損耗。因此，為了量化這種損耗大小，引入損耗因子γ1，定義為固定時間段內持續受風荷載作用后的承受能力Wx與設計風荷載We之比。

由理論與經驗可知，γ1與該時間段內風荷載的大小有關，即持續風荷載越大，則其帶來的損耗也越大，因此，持續風荷載與損耗的示意關系如圖2所示。

從圖2可知，持續風荷載可用面積來表征，面積越大，對應的損耗越大。于是從面積法出發，附加風荷載的加權值來求取其面積，即：

(1)

式中s是t1、t2時間段內的累積加權風荷載；Wx是計算的實時風荷載；ω是跟隨風荷載變化的權值量，定義為實時風速v與設計風速v0的比值，即可充分避免因面積相當，而風荷載大小不一的兩者判定為相同的損耗。

圖2所示的關系圖近似于反正切曲線，經過對歷史數據的擬合，可得到損耗的求解表達式：

(2)

式中參量a、b、c根據歷史風速及實際損耗數據進行擬合求解,從而得到該線路對應的參量，實現損耗修正；s是式(1)中的面積。

2.2 線路自身狀況帶來的折損或強化

威布爾分布可形象表征輸電線路的三個服役過程：初始運行期、穩定運行期、損耗期[6]。那么同樣的兩條線路同處于損耗期時，服役時間的長短則決定了該線路抗風能力的強弱。一般線路設計使用年限是按電壓等級規劃的[9]，如表1所示，其中前后十年是其初裝期和損耗期。結合線路的電壓等級判斷其服役狀態，確定其折損系數γ21。

表1 一般線路設計使用年限表

防風改造舉措的實施，例如采用加強型材料、增設防風拉線、加強桿塔基礎等方式，又會明顯提升線路的抗風強度，使得線路實際承受風荷載能力加強[10]，可用加強系數γ22表示。

2.3 外部環境的影響

雖然風速過大是事故發生的最大問題，但運維施工等問題帶來的影響不容小覷。歷史出現過大風跳閘等事故后遺留的缺陷未進行消缺處理或者未發現隱藏的缺陷等問題，都會影響實際承受風荷載，因此可以利用外部參數γ3表征運維問題的影響程度。

2.4 綜合修正系數

根據運維人員收集到的缺陷信息以及運行經驗，劃定不同情況下的損耗影響等級A-E，分別對應不同的損耗因子，以進行不同調整，最終整理成表2所示的修正準則表，實現數值化評判受風時間、線路自身狀況(老化和防風舉措)、線路運維三方面的線路實況問題，以乘積的形式表示綜合損耗系數。

表2 綜合評判下的修正風荷載準則表

如式(3)所示，獲取相對準確的線路實際最大風荷載，完成設計風荷載修正。

Wmax=γ1×γ2×γ3×We=

γ1×γ21×γ22×γ31×γ32×We

(3)

式中Wmax為修正后的設計風荷載，表征實際能承受的風荷載。

3 預警機制及具體實施步驟

圖3展示了整個臺風實時預警系統具體實施步驟的框架圖，根據上文分析的三方面不同損耗綜合修正獲得線路實際所能承受的風荷載，然后比較實時風荷載與修正風荷載的比值大小λ，配合臺風四級預警信號，按照圖中的預警機制發布各時刻各檔距相應的預警等級。

與預警信息同時發布的還有實時計算的全線風災損耗風險排序，更可待臺風過后，生成全線各檔距在臺風前后的損耗排序，供災后巡檢提供參考依據。

圖3 臺風作用下的線路狀態評判框架圖

4 應用舉例

以某110 kV線路的兩個代表性檔距為例，應用本文所提出的臺風預警方案，對臺風“鯨魚”時期的預警過程進行計算說明。圖4展示了這兩個檔距在臺風前后的實時風速，從風速變化趨勢可以清楚知曉臺風時段的風速大小，其中檔距A處的風速較B要大，接近35 m/s。

圖4 兩檔距的風速變化圖

表3為所選線路兩檔距的參數信息。

其中檔距A即為#A1與#A2之間的線路段，而檔距B則為#B1與#B2之間的線路段。對比表信息，可知選取的這兩個檔距線路參數基本相同，區別在于檔距長度以及所處海拔高度的不同，檔距A的海拔明顯高于檔距B，這也在一定程度上驗證了其風速相對較大的結論。鑒于該110 kV線路運行了10年，正處于穩定期，則因線路年限造成的疲勞折損γ21=1，但是桿塔#A2有增設防風拉線，可提高其抗風能力。介于此線路沒有歷史風速數據，無法準確計算此次臺風前實際能承受的最大風荷載，于是此算例暫不考慮以往所遭受的大風損害，根據式 (1)和式(2)可分別計算檔距A、B在此次臺風前實際能承受的最大風荷載Wmax_A、Wmax_B：

表3 線路參數對比

Wmax_A=γ×We_A=1.2×3860.5=4632.5 N

Wmax_B=We_B=2691.7 N

式中We_A、We_B分別表示檔距A、B的設計風荷載。

很明顯，在臺風來臨之際，檔距A比B能承受更多的風荷載。根據表1提供的參數表也可知曉，臺風期間的損耗僅來自持續大風下的折損γ1。與分布式測風系統的輸出頻率保持一致，運用式(1)和式(2)計算每15 min時間段內的大風損耗，其中式(1)中權重ω設定了一個閾值(設計風速的0.4倍)，即低于該閾值的給予權重為0，式(2)中的a、b、c通過對歷史風速數據的擬合，可得此算例的取值分別為0.58、7.8、179 500。圖5為整個臺風前后兩個檔距的實時預警比值λ，結合圖5和圖3中設定的預警機制可以獲知實時的預警信息。

表4展示了臺風前后兩個檔距的風荷載對比情況，并計算了對應的損耗比，通過排序比較可知檔距A的損耗相對較大。分析原因：雖然#A2有增設防風拉線，但在臺風時期所受的持續風速較大，損耗也相對較大，比相同規格下的B所存在的風險稍大，如若去巡檢搶修，建議優先選擇A。

圖5 實時預警比值

AB臺風之前Wmax4 632.52 691.7臺風過后W'max3 489.42 143.8損耗比1-W'maxWmax0.246 80.203 6

5 結束語

基于分布式光纖設備的實時監測風速數據，從臺風對輸電線路的重要影響因素—風荷載出發，數值化評估線路自身狀態、缺陷遺留帶來的損耗，同時提出了持續大風下所帶來的荷載損耗計算式子，綜合評估這三方面的荷載損耗，動態修正設計風荷載。提出了大風預警機制，實現實時預警和風險排序，可評估輸電線路在臺風災害下的潛在危險性，指導巡檢規劃。從算例的結果中可知，所提出的損耗數值化方式以及預警機制可以計算大風期間的實時損耗，表征線路的實際運行狀況，并發布實時預警信息，為電網巡護人員的工作安排提供指導意見。