輸電線(xiàn)路防覆冰預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)及融冰技術(shù)在北京冬奧保電中的應(yīng)用

王雅妮，葉寬，周愷，蔡瀛淼，張睿哲，李春生

（國(guó)網(wǎng)北京電力科學(xué)研究院，北京 豐臺(tái) 100075）

隨著全球氣候變暖，平流層的升溫，減弱南北極極地渦旋，冷空氣外溢到低緯度地區(qū)，近兩年我國(guó)受冷空氣沖擊，極端雨雪冰凍災(zāi)害頻發(fā)，中國(guó)降水帶北移，北京地區(qū)覆冰風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越高。面對(duì)極端天氣和自然災(zāi)害逐年多發(fā)的嚴(yán)峻趨勢(shì)，可預(yù)見(jiàn)2022年冬奧保電輸電線(xiàn)路防覆冰工作將肩負(fù)更大的責(zé)任、面臨更大的挑戰(zhàn)。此次冬奧會(huì)對(duì)覆冰預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確度要求高、穩(wěn)定性要求強(qiáng)、有精準(zhǔn)化預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)覆冰的需求，因此，研究輸電線(xiàn)路覆冰監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、融冰新技術(shù)在冬奧保電中的應(yīng)用，助力冬奧成功舉辦，此項(xiàng)工作刻不容緩，意義重大。

1 輸電線(xiàn)路覆冰預(yù)測(cè)技術(shù)

輸電線(xiàn)路覆冰技術(shù)基于精細(xì)化微氣象數(shù)據(jù)（1 km×1km）和微地形數(shù)據(jù)，確定覆冰預(yù)測(cè)模型算法的邏輯與框架，并結(jié)合深度學(xué)習(xí)的方法，構(gòu)建覆冰預(yù)測(cè)模型，結(jié)合北京區(qū)域歷史覆冰數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行迭代優(yōu)化，最終構(gòu)建了適用于北京地區(qū)的輸電線(xiàn)路精準(zhǔn)化覆冰預(yù)測(cè)模型，可實(shí)現(xiàn)全北京地區(qū)未來(lái)24～72 h輸電線(xiàn)路覆冰風(fēng)險(xiǎn)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、覆冰厚度（mm級(jí)）的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

1.1 輸電線(xiàn)路覆冰預(yù)測(cè)技術(shù)算法模型

基于多要素衛(wèi)星遙感提取的覆冰預(yù)測(cè)模型利用隨機(jī)森林（RF）算法選擇影響覆冰的最主要因素，并采用多核相關(guān)向量機(jī)方法，建立深度學(xué)習(xí)覆冰預(yù)測(cè)模型。

首先，獲取并處理與輸電線(xiàn)路覆冰相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)，包括遙感數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)覆冰厚度數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)包括時(shí)序數(shù)據(jù)和非時(shí)序數(shù)據(jù)兩種類(lèi)型，時(shí)序數(shù)據(jù)包括濕度、溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、天氣等，非時(shí)序數(shù)據(jù)包括輸電線(xiàn)路下墊面信息、線(xiàn)路位置信息、坡度和坡向信息等。

然后構(gòu)建時(shí)序數(shù)據(jù)和非時(shí)序數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)覆冰厚度數(shù)據(jù)的映射關(guān)系，建立適用于北京地區(qū)的隨機(jī)森林-多核相關(guān)向量機(jī)（RF-MKRVM）組合架空線(xiàn)路覆冰預(yù)測(cè)模型。

最后，根據(jù)覆冰預(yù)測(cè)結(jié)果判定覆冰災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，將覆冰預(yù)測(cè)結(jié)果和覆冰災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域反饋給現(xiàn)場(chǎng)巡查部門(mén)進(jìn)行驗(yàn)證，利用現(xiàn)場(chǎng)反饋信息調(diào)整模型參數(shù)，升級(jí)優(yōu)化覆冰預(yù)測(cè)模型，并融合北京地區(qū)歷史覆冰數(shù)據(jù)、地面氣象數(shù)據(jù)（溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、凝結(jié)高度、降水量）、桿塔位置特征（海拔、微地形）等數(shù)據(jù)，完善針對(duì)北京地區(qū)的衛(wèi)星遙感覆冰預(yù)測(cè)模型，如圖1所示。優(yōu)化后，模型準(zhǔn)確度已達(dá)到80%及以上，并實(shí)現(xiàn)了mm級(jí)覆冰厚度預(yù)測(cè)。

圖1 覆冰監(jiān)測(cè)的技術(shù)流程

1.2 輸電線(xiàn)路覆冰預(yù)測(cè)技術(shù)應(yīng)用效果

自11月1日模型優(yōu)化以來(lái)，如表1所示，北京電網(wǎng)輸電線(xiàn)路實(shí)際發(fā)生覆冰3次，均成功預(yù)測(cè)。3次覆冰分別持續(xù)2天、3天和1天，其中5天成功預(yù)測(cè)，1天未能預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)83.33%。漏報(bào)率16.67%。預(yù)測(cè)模型共計(jì)預(yù)測(cè)覆冰6天，其中5天實(shí)際監(jiān)測(cè)到覆冰，一天未發(fā)生覆冰，誤報(bào)率16.67%。

表1 覆冰預(yù)測(cè)情況統(tǒng)計(jì)表

考慮所有發(fā)生覆冰和未發(fā)生覆冰的天數(shù)，從2021年11月1日—2022年2月22日共計(jì)114天，成功預(yù)測(cè)覆冰情況112天，準(zhǔn)確率高達(dá)98.25%。

2 輸電線(xiàn)路覆冰監(jiān)測(cè)技術(shù)在冬奧會(huì)中的應(yīng)用

基于OPGW的輸電線(xiàn)路分布式光纖覆冰監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用工作，通過(guò)安裝在變電站內(nèi)的監(jiān)測(cè)主機(jī)發(fā)射脈沖激光進(jìn)入OPGW的一芯冗余光纖中，依據(jù)不同覆冰狀態(tài)下OPGW中光纖內(nèi)部的脈沖激光的散射光特征變化，利用監(jiān)測(cè)主機(jī)解析散射光特征得到OPGW的應(yīng)力和振動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)信號(hào)解調(diào)和高精度算法識(shí)別線(xiàn)路覆冰區(qū)段并給出導(dǎo)地線(xiàn)實(shí)時(shí)等值覆冰厚度。具有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：利用電力通信光纜內(nèi)部冗余光纖做傳感器，抗電磁干擾強(qiáng)。解析裝置安裝在變電站內(nèi)，運(yùn)行環(huán)境良好，設(shè)備穩(wěn)定性高。實(shí)現(xiàn)了全線(xiàn)路覆冰監(jiān)測(cè)，完成了監(jiān)測(cè)范圍由點(diǎn)到面的突破。

基于分布式光纖覆冰監(jiān)測(cè)技術(shù)已在北京電網(wǎng)15條嚴(yán)重覆冰輸電線(xiàn)路全線(xiàn)路覆蓋，涵蓋所有易覆冰冬奧會(huì)重點(diǎn)保障線(xiàn)路。

自覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用以來(lái)，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)全線(xiàn)路逐檔距等值覆冰厚度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并提供全線(xiàn)路覆冰狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，向線(xiàn)路運(yùn)維人員提供存在覆冰風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段的準(zhǔn)確位置和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，集線(xiàn)路覆冰狀態(tài)監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段定位于一體，為指導(dǎo)電網(wǎng)抗冰工作提供有力支撐。

在冬奧會(huì)測(cè)試賽、正賽期間，通過(guò)全線(xiàn)路覆冰預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)能夠有效指出覆冰風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段，有效指導(dǎo)線(xiàn)路穩(wěn)定安全運(yùn)行，為冬奧保電提供堅(jiān)強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，監(jiān)測(cè)情況如表2所示。

表2 覆冰監(jiān)測(cè)情況記錄表

3 輸電線(xiàn)路融冰技術(shù)

輸變電線(xiàn)路直流融冰技術(shù)的主要工作原理是通過(guò)整流使輸電導(dǎo)線(xiàn)流過(guò)一個(gè)很大的直流電流，該直流電流超過(guò)導(dǎo)線(xiàn)正常的工作電流，引起導(dǎo)線(xiàn)發(fā)熱，從而使附著在導(dǎo)線(xiàn)上的冰、雪、霧凇等融化脫落，達(dá)到除冰的目的。

與交流融冰技術(shù)相比，直流融冰技術(shù)需要電網(wǎng)提供的融冰電源容量小、不需無(wú)功補(bǔ)償裝置、無(wú)須考慮線(xiàn)路阻抗匹配和進(jìn)行復(fù)雜的倒閘操作，在直流融冰裝置足夠的情況下，可對(duì)多覆冰地區(qū)、多覆冰線(xiàn)路同時(shí)進(jìn)行作業(yè)，效率較高。

在設(shè)計(jì)方案時(shí)，直流融冰裝置額定參數(shù)選取方法為根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 31487.1—2015《直流融冰裝置第1部分：系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用導(dǎo)則》附錄A及附錄B，選取直流融冰裝置設(shè)計(jì)的電流，同時(shí)考慮線(xiàn)路電阻確定需要的直流電壓，并留取一定的裕度。根據(jù)直流融冰裝置額定參數(shù)選取整流變壓器參數(shù)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查情況，確定融冰裝置的布置方案。

根據(jù)GB/T 31487.1—2015《直流融冰裝置第1部分：系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用導(dǎo)則》，4×JL/G1A-400/35融冰電流為3475 A。（覆冰厚度10 mm，環(huán)境溫度-5℃，風(fēng)速5 m/s）。八達(dá)嶺—西白廟需要的融冰電流最大為3475 A，決定了直流融冰裝置設(shè)計(jì)的電流，同時(shí)考慮線(xiàn)路電阻決定了需要的直流電壓，八達(dá)嶺—西白廟線(xiàn)路需要的直流電壓為1.65 kV，考慮到留取一定的裕度，直流融冰裝置額定電流選為3600 A，額定電壓選取為2 kV。直流融冰裝置額定參數(shù)如表3和表4所示。

表3 八達(dá)嶺站直流融冰參數(shù)

表4 八達(dá)嶺站直流融冰變壓器參數(shù)

采用一臺(tái)整流變加6脈動(dòng)晶閘管可控整流的方案，原理圖如圖2所示。

圖2 八達(dá)嶺站直流融冰原理圖

圖3 融冰裝置站內(nèi)布置示意圖

移動(dòng)融冰采用兩輛標(biāo)準(zhǔn)承載卡車(chē)承載融冰裝置，其中一輛車(chē)用于承載融冰變壓器，一輛車(chē)用于承載融冰整流裝置，融冰裝置的交流輸入和直流輸出電纜提前預(yù)鋪在站內(nèi)，做好電纜頭，在融冰的時(shí)候可以快速接入。兩輛車(chē)的尺寸約為10 m×2.5 m×4 m。

將融冰設(shè)備集成在承載卡車(chē)上，可以方便快速的在不同變電站移動(dòng)，不占用變電站的空間。在八達(dá)嶺站需要融冰的時(shí)候，將融冰車(chē)開(kāi)入站內(nèi)巡檢通道上，通過(guò)電纜將融冰車(chē)臨時(shí)連接在融冰間隔和待融冰線(xiàn)路上，在非融冰時(shí)間，則將車(chē)開(kāi)出變電站。

4 結(jié)束語(yǔ)

覆冰前，通過(guò)覆冰預(yù)警系統(tǒng)，發(fā)布未來(lái)3天覆冰預(yù)測(cè)信息；覆冰時(shí)，通過(guò)分布式光纖覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；覆冰后，開(kāi)展實(shí)時(shí)覆冰監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)，通過(guò)直流融冰技術(shù)，覆冰故障后第一時(shí)間開(kāi)展故障搶修工作，從面、線(xiàn)、點(diǎn)構(gòu)建立體式防覆冰預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為冬奧會(huì)保電提供技術(shù)支撐。