貴州地區導線覆冰關鍵影響因素研究

吳建蓉 張迅 方陽 吳瑀 盧金科

摘 要：電力系統作為最重要的國民生命系統之一，一直遭受著覆冰災害的威脅。開展相關的輸電線路覆冰機理的研究對于提高易覆冰區域電網的安全運行具有重要意義。為此提出滑動灰關聯分析方法用于覆冰關鍵影響因素的分析。利用該方法分析了畢節局110kV威龍線現場覆冰的監測數據，確定了線路覆冰與微氣象條件之間的關系，并與灰色關聯分析進行了對比研究。結果表明：覆冰最關鍵的影響因素為溫度，其次為相對濕度，影響最小的是風向。

關鍵詞：導線覆冰;微氣象;灰色關聯度;關鍵影響因素;環境溫度

導線覆冰是微氣象、微地形、導線特性等多種因素共同作用的結果[1-4]。其中的微氣象是在微地形（山峰、溝壑、峽谷等）的影響下形成的小范圍內氣象的特異性表現。但是在近年來的覆冰預測的研究中，模型輸入項的合理性問題并沒有引起研究者的重視。

本文通過輸電線路覆冰在線監測系統獲取2019年12月20日至2019年12月22日期間畢節局110kV威龍線微氣象信息、導線覆冰厚度數據，分析該線路覆冰與環境溫度、相對濕度、風速等因素之間的關系，基于灰關聯分析法計算覆冰和環境參數之間的關聯系數，分析影響導線覆冰的關鍵影響因素，提出了分析覆冰關鍵影響因素的滑動灰色關聯分析方法，得出了覆冰的關鍵影響因素。

1 覆冰關鍵影響因素分析的數據來源

覆冰關鍵影響因素分析的數據來源是南方電網輸電線路在線監測系統。該系統能夠實時監測輸電線路附近的環境狀態和導線狀態，為電網的安全運行提供了有力的保障。本文選取了2019年12月20日至2019年12月22日期間畢節局110kV威龍線微氣象信息、導線覆冰厚度等數據作為分析實例。下圖給出了覆冰期間的環境溫度、相對濕度、風速、風向等信息，圖中t為時間。

2 灰關聯分析法

2.1 方法步驟

最后對灰色關聯結果進行排序，關聯度最大值最硬的影響因素即為覆冰的關鍵影響因素。

2.2 實例分析——畢節局110kV威龍線

灰色關聯分析法的步驟，利用python軟件為工具計算110kV威龍線的環境溫度、相對濕度、風向和風速的關聯系數和關聯度。經計算可得環境溫度、相對濕度、風向、風速的關聯系數分別為0.81050、0.80830、0.65520、0.75289。可知2019年12月20日至2019年12月22日期間畢節局110kV威龍線覆冰關聯度最大的是環境溫度，其后是相對濕度、風速、風向。

3 滑動灰關聯分析方法

3.1 分析步驟

滑動灰關聯分析步驟如下：

（1）選取覆冰有效數據序列。因輸電線路的覆冰數據量較大不便于分析，故需選取部分有效的完整覆冰過程數據作為樣本來進行分析。所以選取的數據都是在現場覆冰穩定狀態下的沒有缺失信息的數據。

（2）在指定滑動窗口內進行灰關聯分析。假定某線路選取的樣本有N個覆冰數據，在窗口大小為n的情況下以步長d沿著時間序列向后滑動，每次求解窗口內的部分樣本的灰色關聯度。

（3）每個窗口內計算所得的灰關聯度進行排序，關聯度最大的因素序列用1表示，其他因素序列用0表示。

（4）將原始關聯系數矩陣按行求和除以窗口數c，得到各個因素序列相對于系統特征序列（覆冰厚度）的關聯度。

3.2 實例分析——畢節局110kV威龍線

根據滑動灰色關聯分析法步驟，畢節局110kV威龍線的環境溫度、相對濕度、風向以及風速的覆冰關鍵影響因素計算結果如下表所示。

如上表所示覆冰關鍵影響因素計算結果中可以看出在覆冰開始的階段環境溫度對于覆冰的影響較大，前兩個窗口期的關鍵影響因素皆為環境溫度，此后階段中相對濕度、風速成為限制覆冰的關鍵因素。隨著覆冰厚度的增加，環境溫度和相對濕度成為關鍵影響因素影響著覆冰過程。

綜合整個覆冰過程的各個窗口計算可得覆冰與環境溫度、相對濕度、風向、風速的關聯度分別為0.88521、0.83985、0.59145、0.75289。該數據反映出在這個覆冰過程中覆冰關聯度最大的是溫度，風向對于覆冰的關聯度較小。因此，環境溫度是此次覆冰過程中的關鍵影響因素。

4 兩種方法的誤差分析

上述兩種方法都取得了相同的灰色關聯序。灰色關聯分析可以認為是滑動灰色關聯分析的一個特例。當窗口大小為整個數據的長度的時候，滑動灰色關聯分析就轉變為了灰色關聯分析。因此兩者取得的結果也十分相近。但是滑動灰色關聯分析通過窗口和滑動的方式能夠更加具體的得到各個階段的覆冰相關性。兩者之間關聯系數的差別主要來源于窗口內部的最值與整體的最值是不同的。但是我們可以看到相對濕度在這個過程中是不變的，而環境溫度與覆冰的相關性明顯高于相對濕度。因此，滑動灰色關聯分析的結果中環境溫度與相對濕度的關聯系數差距大于灰色關聯分析中兩者的差距，更加符合實際。

5 分析覆冰關鍵影響因素的意義

了解輸電線路覆冰的成因及影響覆冰的各種因素，是為了更好地抵御覆冰給電力系統帶來的危害。本文應用滑動灰色關聯分析和灰色關聯分析兩種方法對覆冰的關鍵影響因素進行了研究。研究表明覆冰的關鍵影響因素是環境溫度。環境溫度下降的過程中，水汽由于溫度的下降而逐漸飽和。當環境溫度達到了覆冰的要求時，飽和的水汽成為了覆冰的重要來源，不斷附著到輸電線路上。滑動灰色關聯分析進一步得出在完整的覆冰過程中，覆冰一段時間后，風速成為覆冰的關鍵影響因素。在線路的路徑選擇過程中應當避開谷口、埡口、山的陰面等會進一步加劇覆冰災害嚴重程度的地形。根據不同的地形確定不同的線路走向，有效規避加劇覆冰的條件。根據線路各分段的覆冰氣候條件采用不同的設計標準;采用高導電超耐熱鋁合金等超耐熱、特耐熱新型導線，提高導線運行溫度，防止導線覆冰等。

6 結論

（1）本文在灰色關聯分析的理論基礎上，認為在系統的研究中不同階段的研究對象具有不同的特征，進一步將研究對象特征細化，提出了滑動灰色關聯分析法，并將其應用于輸電線路覆冰系統分析中。

（2）由于覆冰在線監測系統建立的時間較短，其取得的數據量較小。在線監測設備運行環境惡劣，數據采集過程中受到的干擾較大，其獲得的數據灰度較大。因此，本文中提出了對上述情況適用性較好的滑動灰色關聯分析方法作為系統研究方法，并與灰色關聯分析進行對比研究。

（3）在進一步對貴州電網線路覆冰進行全面和系統的狀態評估和處置決策等應用方面時，應著重考慮環境溫度的影響，適當考慮濕度與風速的影響。

參考文獻：

[1]王守禮，張弦.微地形微氣象對輸電線路的影響及應對措施[J].云南電業，2005（06）：38-39.

[2]張弦.輸電線路中微地形和微氣象的覆冰機制及相應措施[J].電網技術，2007（S2）：87-89.

[3]王守禮.影響電線覆冰因素的研究與分析[J].電網技術，1994，018（004）：18-24.

[4]蔣興良.貴州電網冰災事故分析及預防措施[J].電力建設，2008，029（004）：1-4.

[5]鄧聚龍.灰色系統[M].國防工業出版社，1985.