一种基于全景状态监测数据的新型架空输电线路状态评估模型

2017-12-21王海涛刘春翔范鹏郭江高旭

电测与仪表 2017年14期

王海涛，刘春翔，范鹏，郭江，高旭

（1.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉430074；2.武汉瑞莱保能源技术有限公司，武汉430072）

0 引言

近年来，随着输电线路规模日益扩大，电力系统容量也逐年增大，一旦发生线路跳闸故障，将带来巨大的经济损失，同时影响人民的正常生活。为增强电网抵御自然灾害的能力，传统的输电线路巡视往往采用人员巡视，通过手工记录和拍照来监测现场情况，难以实时掌握现场情况。

据2014年度统计，某电网公司某地区输电管理所管辖110 kV及以上线路跳闸42条次，雷击跳闸39条次，占92.86%，山火跳闸2条次，占4.76%，地震跳闸1条次，占2.38%。这些自然灾害严重威胁着地区电网安全稳定的运行。目前，某电网公司某供电局已安装了一批微气象监测装置，可精细化掌控线路局部微地形的气象参数，在一定时期发挥了相应的作用。然而，这些在线监测装置主要以监测某一类运行状态参数为主，难以综合多类运行状态参数对线路运行中产生的故障和灾害进行辨识。而且，这些监测以点式为主，难以反映全线的状态［1］。

针对上述问题，研究输电线路运行状态特性，选取具有典型线路故障特征（如：雷击、山火、鸟害等）的输电线路，安装基于光传感技术的在线监测装置，同时结合传统在线监测技术和灾害区域分布图，构建基于“点、线、面”全景监测数据的输电线路状态监控体系。然后，基于全景状态监测数据及其它线路运行参数，构建新型输电线路状态评估模型，通过评估手段掌握电网运行薄弱环节，使线路运维工作更有目标性，有效的将线路故障遏制在萌芽状态，大大提高了线路运检管控水平。

1 全景状态监控体系

近几年，输电线路状态监测方法呈现多样性，使用不同技术手段监测线路与通道环境的各类状态参量，各有特点，部分方法在工程应用中取得了较好的效果。但是，如何将各类状态监测方法有效的结合起来，如何构建更高效的全景状态监控体系，为线路状态评估模型提供基础数据支撑，是开展输电线路状态检修工作前亟需解决的问题。

本文将线路状态监测方法分为“点式监测”和“线式监测”，再结合灾害区域分布图的“面状分析”，构建基于“点、线、面”全景监测数据的输电线路状态监控体系，如图1所示。

图1 全景状态监控体系Fig.1 System of panoramic condition monitoring

1.1 基于“点”的状态监测模式

“点式监测”通过传统在线监测技术以及无源光传感监测技术，对输电线路重点杆塔、区域进行地灾、风偏、鸟害、山火等状态量监测，为状态评估提供数据支撑。

（1）传统在线监测

近几年，输电线路在线监测技术得到了较快的发展，绝缘子泄漏电流、盐密、微风振动、风偏、杆塔倾斜、微气象、图像（视频）等传统监测系统陆续出现，并逐步加量投入使用，给线路运维部门提供了助力。同时，电力系统为了规范同类监测装置的数据接入格式，制定了一系列的状态监测标准与导则，这也促进了传统在线监测技术更进一步的推广应用。

根据南方电网公司某地区气象、地质、特殊区域等情况综合分析，选取示范线路进行整体布点：在500 kV博尚墨江Ⅱ回线118号杆塔部署1套山火监测装置；在220 kV木东线N43号杆塔部署1套地质灾害监测装置；在220 kV墨戈Ⅱ回线N189号杆塔附近部署2套雷击闪络监测装置。

（2）无源光传感监测

无源光传感监测技术是新型的状态监测技术，在输电行业已有多年的应用经验，采用光纤作为传感器，通过OPGW复合地线作为通讯通道，变电站安装解析主机，主要包括传感器设备和数据采集设备。传感器设备主要是通过发射光脉冲信号来对OPGW内部的光纤进行传感，并通过内部硬件获取光纤内部散射回来的光信号。数据采集设备通过传感器设备完成对光信号的采集、数字化、有效性验证和数据预处理。

光传感器是基于布喇格光纤光栅原理来测量线路参数，它由外部封装和内部的光纤光栅构成。光纤光栅是一种性能优异的反射滤波器，它作为传导介质时，入射光一部分会直接透射，另一部分会按一定的条件发生反射。当外界应变和温度不发生变化的情况下，反射波的波长是一个固定值；当外界应变和温度发生变化的时候，反射波的波长将发生漂移。我们借助于外界装置将被测参量转换成为温度或应变的变化，通过解调光纤光栅反射中心波长的变化量，达到检测外界物理量的目的［2］，如图2所示。

图2 光谱分析Fig.2 Spectral analysis

通过刻栅技术，控制不同传感器的固定中心波长，从而达到区别不同的光栅，实现了同一根光纤可复用多个传感器的目的，如图3所示。

图3 刻栅技术Fig.3 Grating technology

运用无源光传感监测技术，将无源光传感器安装于绝缘子串上，实现实时监测风偏状态量，避免了传统在线监测装置面临的电源和通讯问题。

1.2 基于“线”的状态监测模式

“线式监测”通过分布式光传感监测技术对输电线路全线进行温度、OPGW雷击、OPGW运行状态监测以及故障定位，从整体的角度把握输电线路运行状态，有效的保障了线路的安全稳定运行。

通过引入基于应力分布式测量技术的输电线路新型在线监测方法，解决了当前输电线路在线监测装置监测范围有限、使用寿命较短等问题，提高监测的稳定性和可靠性。

（1）OPGW分布式温度测量

由于OPGW内部光纤由油膏包裹，其温度与光缆外绝缘皮温度存在一定差别，本文通过对比分布式设备与温度测量仪测量数据，建立温度相关性模型，确保实际测量数据的准确性。如图4所示，为一组温度校验曲线，数据一致性较好，误差在±2℃以内。

图4 温度校验曲线Fig.4 Temperature calibration curve

输电线路运行环境复杂，缆线长期遭受热辐射、导线放电等因素影响，局部高温加速了缆线老化，直接影响OPGW通信质量与寿命。通过对220 kV思唐线全线进行OPGW温度监测，全天候抓取线路温度异常数据，为线路运维工作提供辅助参考资料。

（2）OPGW运行状态监测通常能被监测的OPGW异常状态有断线、断股、雷击损伤、外破损伤等。以地线断股为例，断股处的光纤会承受更大的拉力，当拉力增大到一定数值时，光传感器会感应到应变信号，鉴于该信号在一定时间内一直存在，因此可以从温度干扰中解析出来，也就可以判断是否为断股。实验表明，OPGW100可测断股区间为：断股后截面积小于0.6RTS，如图5所示。

图5 OPGW100拉力与可测断股剩余截面积关系趋势线Fig.5 Trend curve of the relationship between OPGW100 pulling force and the remaining section area of measurable fault strand

（3）OPGW雷击监测

针对目前输电线路雷击故障无法精确定位的问题，应用基于OPGW光偏振态的新型雷击监测方法，在110 kV东那迁糯I回线进行效果验证。

当线路遭受雷击时，必定会引起磁场变化，OPGW中传输光的偏振态会受到磁场和其他物理因素的调制，其偏振方向将发生旋转，旋转角度θ与磁感应强度在光传播方向上的分量β和光穿越介质的长度d乘积成正比，即：

式中比例系数V取决于介质和工作波长，表征着物质的磁光特性，称为Verdet常数。

该方法利用OPGW内部两芯光纤作为传感器，通过变电站一端的监测主机向光纤中发射稳定探测光，通过检测OPGW内部光纤中传输光的偏振态变化判定雷击点位置。

1.3 基于“面”的状态监测模式

实施地区地处云贵高原，多山、多雷雨，森林覆盖率高，气候多变，线路微地形复杂，常见雷害、鸟害、山火等自然灾害。本文基于GIS地理信息技术，建立电子专题图分析模块，依据多年的线路运维数据，绘制雷害、地质、鸟害、山火、树障五类灾害分布图，直观反映线路走廊所处的自然环境状况。线路运维人员通过专题图叠加分析，不仅能快速锁定灾害频发区域，缩短重点巡线区段，而且还为输电线路改造、新建等工作提供参考数据。同时，灾害专题图可根据在线监测数据、缺陷数据、线路跳闸数据、气象数据等自动更新。如图6所示，为雷害专题图分析模块［3-4］。

图6 雷害专题图分析模块Fig.6 Analysis module of lightning damage thematic graph

采用“点、线、面”三种状态监测模式相结合的形式，构建了具有地区特色的全景状态监控体系，为线路运行状态评估提供数据支撑。

2 新型状态评估模型设计

输电线路状态评估是对线路运行水平和缺陷进行客观、标准化的判定，对安全性指标和缺陷判别标准进行量化，其评估结果对线路状态检修具有指导意义。本文将线路走廊环境因素、全景状态监测数据和气象数据作为补充条件纳入线路状态评估的范畴，构建新型动态化的输电线路状态评估模型，如图7所示。

图7 状态评估数据组织结构Fig.7 Data organization structure of state evaluation

2.1 多态分层评估方法

新型输电线路状态评估模型采用多态分层评估方法，结合概率理论建立因果因子的关联关系，将统计数据以条件概率的形式融入模型中，分层进行推理评估，最后得到线路多状态评估结果［5］。

多态分层评估方法以事件为分析对象，将架空输电线路运行状态评估总体分为三级事件，综合考虑输电线路的六个重要部件（杆塔、绝缘子、金具、基础、导地线、辅助设施）的影响，以“正常”、“注意”和“不良”三种运行状态作为评价指标，对整个架空输电线路的运行状态进行评估。其模型结构如图8所示。

图8 状态评估模型结构Fig.8 Structure of state evaluation model

线路主要部件的状态一般由多个影响因子来判定，这些影响因子作为三级事件，是整个评价体系中的基本子事件；线路部件状态作为二级事件；线路整体状态作为一级事件。多态分层评估方法采用分层评估的方式，首先对基本子事件进行运行状态评估，得到各部件“正常”、“注意”和“不良”三种运行状态概率，再通过对部件事件进行加权处理，得出架空输电线路的三种运行状态概率，从而对整条架空输电线路的运行状态进行评估。输电线路的分层评估模型如图9所示。

图9 分层评估模型Fig.9 State hierarchical evaluation model

2.2 评估分析

（1）基本子事件评估

通过梳理现有的线路运维数据，本文筛选出了56个影响因素作为评估基本子事件，每个基本子事件都有与之相对应评估标准，用来判断基本子事件三种状态的发生概率［6］。

以杆塔评估为例，杆塔（X）共15个基本子事件，如表1所示。

表1 杆塔评估基本子事件Tab.1 Tower evaluation of basic event

其中X6-杆塔倾斜情况，“正常状态”为：铁塔高50 m以上，倾斜度小于4‰，铁塔高50 m以下，倾斜度小于8‰，钢筋混凝土电杆，倾斜度小于1%；“注意状态”为：铁塔高50 m以上，倾斜度在4‰～5‰之间，铁塔高50 m以下，倾斜度在8‰～l%之间，钢筋混凝土电杆，倾斜度在1%～1.5%之间；“不良状态”为：铁塔高50 m以上，倾斜度超过5‰，铁塔高50 m以下，倾斜度超过1%，钢筋混凝土电杆，倾斜度超过1.5%［7］。

对各基本子事件分别建立评估数学模型，得出每个事件的运行状态概率，其中，杆塔子事件运行状态评估算法如下：

式中P（Xib）是某基本子事件不良状态发生概率；P（Xiz）是某基本子事件注意状态发生概P（Xil）是某基本子事件正常状态发生概率；Xib是基本子事件不良状态发生次数；Xiz是基本子事件注意状态发生次数；Xil是基本子事件正常状态发生次数；gt是线路杆塔总基数。

（2）二级事件评估

二级事件评估是对线路六个重要部件分别建立基于多态分层评估的架空输电线路运行状态评估数学模型，独立得出各部件的运行状态概率。

杆塔评估模型如图10所示，结合输电线路相关评估资料与实际线路运行经验，可确定杆塔每个基本子事件对杆塔运行状态影响的权重。

图10 杆塔评估模型Fig.10 Tower state evaluation model

结合基本子事件评估算法，对运行状态概率进行归一化处理。即：

得出杆塔的三种运行状态概率如下：

杆塔不良运行状态概率：

杆塔注意运行状态概率：

杆塔正常运行状态概率：

（3）一级事件评估

同理，首先结合输电线路相关评估资料与实际线路运行经验，确定各部件对线路运行状态影响的权重，分别为P（X/L）、P（Y/L）、P（Z/L）、P（U/L）、P（V/L）、P（W/L），再通过二级事件评估结果得出整条架空输电线路的三个运行状态概率：

线路不良运行状态概率：

线路注意运行状态概率：

线路正常运行状态概率：

3 实例分析

本文首先根据供电局线路实际运行经验，以及评估模型的特点，约定部件异常、线路异常的评判标准，如表2所示。

表2 异常事件评判标准Tab.2 Abnormal event criteria

运用新型状态评估模型对某220 kV输电线路进行状态评估，其中，六个重要部件的状态评估结果如表3所示，评估时间：2015/08/10 15：30：00。

表3 实例二级事件评估信息Tab.3 Examples of secondary event evaluation information

同时，为了简化计算，各部件权重值在三种状态评估时视为不变，分别为：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。

根据一级事件评估算法可得：

综上所述，该线路的“不良状态”概率为0.126 2；“注意状态”概率为0.248 2；“正常状态”概率为0.625 6。“不良状态”概率已超过了10%，根据评判标准，该线路处于异常状态，应及时派遣人员前往现场巡查，防范于未然。

其中二级事件评估中杆塔的“不良状态”概率超过了15%，对P（Lb）的贡献率高达40%，是线路“不良状态”概率超标的重要影响因素。通过反向追溯可知该线路处于雷害区，且大部分杆塔未安装防雷装置，工作人员应重点进行线路防雷维护。

2015年8月15日凌晨0点到早上8点，雷电定位系统记录了线路2.5 km以内的雷电共31个，主要发生在凌晨1点至3点左右。OPGW雷击监测主机共记录到15个，其中10个与雷电定位系统的记录时间基本一致。回击次数也比较接近。如图11为8月15日凌晨2点41分左右发生的雷电活动，雷电定位系统记录含3次后续回击，OPGW雷击监测装置也监测到多个脉冲，有效验证了评估结论。