論輸電線路自然災害的防治

陳 亮

（廣東電網有限責任公司肇慶供電局輸電管理所，廣東 肇慶 526000）

1 輸電線路自然災害類型與特點

1.1 災害類型

輸電線路的建設經過科學合理的計算和設計，受地質因素的影響相對較小，但是受到自然氣候環境的影響較大。輸電線路所受的常見災害類型主要有以下幾點。

1.1.1 雷電災害

輸電線路有電流經過且組成部件多為導電材質，又基本為高空架設，所以極易受到雷電影響，由雷電引發的事故也相對較多。其中，最常見的就是雷電直擊輸電線路導致電路電壓過高或電流過強，而瞬間產生的雷電電流可能會造成輸電線路設備緊急故障。此外，在強雷電天氣下，雷電會影響輸電線路周邊的磁場，導致線路中的電流或電壓紊亂，還可能造成絕緣擊穿、供電不穩以及短路跳閘等故障。

1.1.2 覆冰災害

輸電線路在極端天氣情況下會出現覆冰情況。在輸電線路形成覆冰后，可能造成線路重量增加，加上線路溫度較低，限制了導線的延展性，使其結構變得脆弱，最終可能導致導線破損和斷裂。此外，絕緣體、相關構件以及設備覆冰后，導電性能會發生大幅度變化，從而出現過電異常、線路局部損壞等問題[1]。

1.1.3 大風災害

不同季節下，風向和風力大小有著明顯的變化。其中，冬夏季節因冷熱氣流變化形成的氣壓突變而引發的大風天氣較多。當風速達到0.5～10 m/s時，容易引起輸電線路的微風振動。當出現強風力時，會直接引起輸電線路的擺動、劇烈振動以及不規律波動等，從而增加線路斷裂或損傷的風險。其中，閃絡現象增加可能直接引發重合閘失效而阻斷供電。

除上述災害外還存在如洪澇、地震、滑坡以及地陷等其他災害，都會給輸電線路的正常運行造成影響[2]。

1.2 災害特點

輸電線路自然災害因輸電線路的固有模式和災害發生機制具有如下特點。

1.2.1 不確定性

輸電線路自然災害并非固定的設備或者材料老化和磨損造成的，而是與自然環境變化有直接聯系，但發生的頻率和時間并不能確定。例如，雷擊發生在夏季較多，但是僅僅能夠確認夏季為雷擊事故事件高頻發生時段，而不能確定具體哪天或者什么時候出現雷擊事故事件，更不能確定某次災害一定會對輸電線路產生危害。

1.2.2 必然性

輸電線路節點多，覆蓋面廣。戶外環境下，自然災害普遍存在。因此，輸電線路必然面臨自然災害威脅。從現有的輸電線路運行數據來看，發生自然災害是大概率事件，因此運行部門和單位必須引起高度重視。

1.2.3 高危性

一旦發生自然災害，可能會出現輸電線路中不同部件和不同設備的故障疊加反應，可能會造成多個片區的變電站失壓而出線大面積停電，造成巨大的經濟損失。

1.2.4 可預見性

基于大概率發生災害的事實，結合供電線路自然災害事件和運行基本原理，可以對風險進行預判和防范。建立事前預防監控、事中緊急規避以及事后快速處理的應對機制，以預防監控為主，最大幅度降低電網運行風險發生與擴散的幾率。

2 輸電線路自然災害的防治措施

2.1 針對性措施

針對具體災害制定防治措施方案，快速應對輸電線路的運行故障。

2.1.1 防雷擊措施

防雷技術等級的確定，應當根據地域雷電等級、氣候特點、雷電活躍狀態、地形地貌、電壓數值以及負載狀態等進行確認。在高壓線路和雷電高頻、雷電易接觸區域，可采用雙線避雷或自動重合閘等辦法進行防雷。此外，可通過加裝避雷針、減少接地電阻以及增強地面導電性等措施，有效引導并加強雷電流轉移。

2.1.2 防覆冰措施

采用熱力或機械融冰等技術，清理發生覆冰的位置。此外，可使用防冰材料對線路進行保護，并加強監控和預控措施。

2.1.3 防風措施

線路的布置應當根據當地風向和地形進行設置，盡可能減少線路走向與風向之間的夾角。同時，安裝強化固定的線路設備，以降低線路擺動頻率和幅度。另外，需控制大風情況下線間的距離。

2.1.4 其他措施

通過優化線路設計方案、適配更穩定的材料和局部加固的措施完成防范。另外，建立風險預控方案和應急處理方案，發現問題后及時阻斷風險擴散，并快速組織進行故障搶修[3]。

2.2 構建輸配電線路自然災害監控系統

輸配電線路自然災害監控系統是防治輸電線路自然災害的新技術手段，依靠自然災害監控系統搜集和識別線路的運行情況和環境等信息，幫助判斷風險等級與故障情況。

2.2.1 技術方案

系統邏輯架構可分為應用層、平臺層、網絡層以及感知層共4層。輸配電線路自然災害監控系統的硬件分為前置感知裝置和后臺服務器。其中，前置感知裝置為一體化安裝設備，主要部件外殼為不銹鋼材質，使用防銹鍍鋅固件安裝在桿塔指定位置，總重量小于25 kg。后臺服務器可部署于信息中心機房或其他具備內網通信條件的機房內。硬件類型包含一體化可視智能監測裝置、視頻服務器、算法服務器以及磁盤陣列存儲。系統軟件平臺PC端使用JAVA語言開發，B/S三層架構，移動端為安裝APP使用模式，算法模塊使用C++/Python等語言開發。安裝環境中，后臺操作系統支持windows/Linux，前置支持windows/Linux操作系統，移動端支持安卓/iOS操作系統。

2.2.2 通信方式

前置設備支持通過光纖、網線、WiFi以及4G等通信模式回傳數據。目前，主流通信運營商均與電網簽有專網協議，可在設備上配備4G企業專卡，通過無線企業專網回傳數據。數據通過前置堡壘機防火墻和入侵監測后進入后臺系統和算法服務器。4G無線通信技術本身相對成熟，實施難點在于4G信號的網絡覆蓋度。特別是山區，往往會出現沒有4G網絡信號和信號時斷時續的情況。此外，不同運營商的信號覆蓋區域也有不同。針對信號問題，可采取選用全網通4G模塊、支持任意運營商網絡、前置圖像數據采用高質壓縮算法、支持H264/H265圖像壓縮以及前置數據傳輸支持延時發送與斷點續傳等技術手段。網絡構架如圖1所示。

2.2.3 電源方案

輸電線路上沒有配備低壓交流電源，現有的前置感知裝置主要采用蓄電池和太陽能板浮充電作為供電方式。考慮到設備成本和安裝實施難度，太陽能板和蓄電池的容量不能太大。為了使監控裝置在持續多日陰天和雨霧的天氣條件下還可以保持正常工作，整套設備必須運作在低功耗模式。可采取的技術手段有使用低功耗的芯片，如圖像處理和計算芯片。4G通信模塊芯片等主要耗能芯片均采用低功耗型號。設定設備定時休眠和喚醒模式，在非工作狀態下設備的主要模塊處于待機狀態，進入工作狀態再進行喚醒。鉛酸、鎳鎘和鋰離子電池作為備選電池儲能件。其中，鋰離子電池具有充電快、能量高、體積小以及無記憶等優點。通過分析地區數據，優先采用鋰離子電池儲能方案。但是，隨著電池的化學年齡增長，電池能夠儲存的電量會有所下降，導致設備在需要再次充電前的使用時間縮短，同時也可能減弱電池提供的最大瞬時性能。因此，為了保障設備的長期免維護運行，需結合電池的健康狀態和工作溫度優化鋰電池的充放電策略，從而實現智能化的電源管理。

圖1 網絡構架圖

在工作模式模式下，采用鋰電池直接供電，支持峰值電源，可為設備提供最大性能的驅動能力。用戶可通過平臺遠程設置信息的采集頻率和通信的時間間隔，從而有效保障數據的有效性和實時性。

在休眠模式模式下，采用太陽能光伏充電，將在設備不工作時自動切換進入，通過電子開關關閉除MCU以外的所有外部設備供電，只維持低頻核心的工作狀態，從而實現微安級的休眠電流，大大提高了設備的續航能力。

在節能模式模式下，將在電池電量低下或工作溫度異常的情況下自動切換進入，通過動態調節信息采集頻率和傳輸時間間隔，優化電池充放電策略，有效延展電池的使用壽命，保障電池的容量峰值性能。

2.2.4 圖像識別及預警

運用圖像識別技術是對輸電線路設備運行情況和運行環境進行處理、分析及理解，以識別各種不同自然災害的目標和對象的技術。該技術是基于人工智能深度學習算法的一種實踐應用。一般的圖像識別流程可分為“圖像采集→圖像預處理→特征提取→圖像識別”幾個步驟。使用基于深度學習的人工智能技術進行圖像識別，在電網巡檢領域已經得到了初步應用。但是，同其他所有基于機器學習的人工智能圖像識別技術一樣，在輸電線路自然災害監測場景中的樣本數據不足和樣本背景復雜等問題，會對識別準確度和識別效率造成影響。隨著數據的積累和算法的更新，識別和預警的準確度和識別效率會逐步提升，能夠做到短時間內的準確識別，并及時通過短信和APP推送等方式反饋給相關運行人員。機器學習模型化訓練圖如圖2所示。

2.2.5 系統投運效益

輸配電線路自然災害監控系統投入使用后，可在不增加現有人員配備投入的情況下，及時發現線路周邊運行環境的變化，實現全天候精確監測輸電線路桿塔等設備設施，提升設備運行的可靠性。在山區等交通不便地區，可大幅減少巡視人員到現場的巡視次數，提高巡視效率和質量。

圖2 機器學習模型化訓練圖

3 結 論

在電力系統中，輸電線路是重要的系統構成。輸電線路運行的穩定性與安全性，不僅關系居民的正常生活和企業的生產活動，也關系電力企業的生產成本。輸電線路廣泛分布于戶外，極易受到自然環境因素的影響，從而增加日常運行風險。在輸電線路管理運維工作過程中，運維單位與運維人員必須深入研究自然災害產生的機理，充分利用現有的人工智能、圖像監測以及大數據分析等新技術手段，優化和改造輸電線路，研究并總結出最有效的自然災害防治方案，提高電網運行的可靠性。