基于分布式光纤的电网台风灾害预警方法研究

谭磊，赵永强，赵留学，周恺，王蓉

(1.国网北京市电力公司，北京 100031； 2.国网北京市电力公司电力科学研究院，北京 100075；3.武汉康普常青软件技术股份有限公司，武汉 430074)

0 引 言

输电线路长期裸露在外，极易遭受自然灾害的影响，尤其是破坏力度极大的台风[1-2]。2014年7月的强台风“威马逊”导致广东省临海区域大面积输电走廊出现倒塔等事故，使得电力、通讯长时间瘫痪。因此实时监测输电走廊风速，并建立台风预警系统，从而强化灾前预警、预防和灾后抢修预判的能力，并对优化电网规划、设计、运维、抢修调配等起到关键作用，极力减少损失，保障线路安全可靠运行是目前电网亟需解决的重要问题。

研究表明：线路风灾主要源于风荷载的大小，其停运也主要受控于风荷载的设计不足[3-5]。输电线路长期暴露于自然环境中，不仅因线路遭受高频微风振动以及自身的老化作用发生疲劳折损，而且持续的大风侵袭也会极大的降低线路实际承受风荷载，从而一旦再遇到大风或者长时间的大风下，会大幅增加线路的故障率[6]；而服役时间长的线路可以通过实施风偏改造等措施弥补线路的抗风能力，从而减少故障率。而有些线路段因运维施工等原因导致线路存在缺失遗漏的器件，或者器件的使用寿命已大大降低了，这些情况无疑会直接加大故障的发生概率。因此综合评判受风时间、线路老化和防风措施以及线路运维三方面的线路实况，即可得线路实际能承受的最大风荷载。

目前的风速数据基本源于气象台站观测，分布散乱、场地开阔，多远离输电线路，尚不足以充分表征复杂地形下输电线路的风速；而风害预警基于定时定点的气象预报，及时性和针对性严重不足。虽然已有很多学者对其进行研究，以期细化气象区域性风速，从而表征不同环境下的输电线路风速，例如包博[7]等人通过信息关联，建立了一种计及微地形修正的输电线台风风险预警方法，并成功得到验证；高雁等人[8]从风荷载出发，同样建立了微地形下的修正系数计算方法，从而得到较精确的设计风荷载；靳军[9]根据经纬度将气象风速换算为输电线路的有效风速，建立风力荷载、地形因素以及自身状况为输入下的模糊推理模型，计算出台风影响下的停运概率；宋嘉婧[6]则直接应用观测风速于输电线路两个档距上，根据风参数的实时变化，结合风荷载设计水平，动态分析输电线路的实时停运概率。但是这些研究均存在一些问题：

(1)实际地形千差万别，经修正的气象风速仍旧无法精准代表输电线路上的风速；

(2)预警方案未考虑持续大风下的损耗以及运维施工等遗留缺陷的影响。

基于分布式光纤设备的实时监测风速数据，从实时风荷载和动态修正设计风荷载两方面着手分析计算：首先获取整条线路每个档距处的风速大小，计算对应的实时风荷载；再结合线路实际情况，从线路自身状态、运维缺陷、以及持续大风下的损耗三个方面，综合修正以表征实际所能承受的最大风荷载；最后评估实际风荷载与修正后的设计风荷载之间的关系，从而有效的判断线路所受的荷载威胁，发布实时预警信息，并对台风过后的全线风险实行排序，可高效指导抢修调配工作。

1 分布式光纤测风技术简介

文中的实时风速数据来源于分布式光纤风速在线监测系统，分布式光纤传感技术利用线路上的通信光纤OPGW和相位敏感光时域反射仪设备组成线路的风速传感测量系统。该测风技术通过分析探测其散射信号的特征获取与线路振动相关的信息，经过快速傅里叶变换处理提取线路的振动特征线谱，由其回波时间差异完成对监测位置的分辨，根据卡曼漩涡原理可计算出风速，从而实现对全线路的风速同步监测。

为了保证高精度的监测，对各档距采取每30 s作为一个基本探测单元，进而统计15 min间隔内的平均值和最大值作为最后的输出结果。该设备已在试验线路得到验证，图1展示了某台风期监测的平均风速和最大风速与邻近气象站的风速对比图。该气象站距离此档距不到4 km，且位处同一平原地带，有着一定的参考对比价值。

图1 试验线路某档距与气象台的风速时间演化图

图1中可清晰看到两者的趋势一致性，但因为统计时距、测量高度的差异，使得风速数值的重合度出现一些偏差，但台风瞬态的变化趋势一致，表明分布式光纤测风技术原理具有可行性。

2 风荷载影响因素与设计风荷载修正

2.1 受风时间所造成的线路损耗

风荷载的概率分布一般用广义极值分布来拟合表示[6]。虽然极值分布对于评估少有的事情非常有效，但是持续时间的长短也是评估故障率的有利因素，显然持续较大风荷载的作用必然会带来更大的损耗。因此，为了量化这种损耗大小，引入损耗因子γ1，定义为固定时间段内持续受风荷载作用后的承受能力Wx与设计风荷载We之比。

由理论与经验可知，γ1与该时间段内风荷载的大小有关，即持续风荷载越大，则其带来的损耗也越大，因此，持续风荷载与损耗的示意关系如图2所示。

从图2可知，持续风荷载可用面积来表征，面积越大，对应的损耗越大。于是从面积法出发，附加风荷载的加权值来求取其面积，即：

(1)

式中s是t1、t2时间段内的累积加权风荷载；Wx是计算的实时风荷载；ω是跟随风荷载变化的权值量，定义为实时风速v与设计风速v0的比值，即可充分避免因面积相当，而风荷载大小不一的两者判定为相同的损耗。

图2所示的关系图近似于反正切曲线，经过对历史数据的拟合，可得到损耗的求解表达式：

(2)

式中参量a、b、c根据历史风速及实际损耗数据进行拟合求解,从而得到该线路对应的参量，实现损耗修正；s是式(1)中的面积。

2.2 线路自身状况带来的折损或强化

威布尔分布可形象表征输电线路的三个服役过程：初始运行期、稳定运行期、损耗期[6]。那么同样的两条线路同处于损耗期时，服役时间的长短则决定了该线路抗风能力的强弱。一般线路设计使用年限是按电压等级规划的[9]，如表1所示，其中前后十年是其初装期和损耗期。结合线路的电压等级判断其服役状态，确定其折损系数γ21。

表1 一般线路设计使用年限表

防风改造举措的实施，例如采用加强型材料、增设防风拉线、加强杆塔基础等方式，又会明显提升线路的抗风强度，使得线路实际承受风荷载能力加强[10]，可用加强系数γ22表示。

2.3 外部环境的影响

虽然风速过大是事故发生的最大问题，但运维施工等问题带来的影响不容小觑。历史出现过大风跳闸等事故后遗留的缺陷未进行消缺处理或者未发现隐藏的缺陷等问题，都会影响实际承受风荷载，因此可以利用外部参数γ3表征运维问题的影响程度。

2.4 综合修正系数

根据运维人员收集到的缺陷信息以及运行经验，划定不同情况下的损耗影响等级A-E，分别对应不同的损耗因子，以进行不同调整，最终整理成表2所示的修正准则表，实现数值化评判受风时间、线路自身状况(老化和防风举措)、线路运维三方面的线路实况问题，以乘积的形式表示综合损耗系数。

表2 综合评判下的修正风荷载准则表

如式(3)所示，获取相对准确的线路实际最大风荷载，完成设计风荷载修正。

Wmax=γ1×γ2×γ3×We=

γ1×γ21×γ22×γ31×γ32×We

(3)

式中Wmax为修正后的设计风荷载，表征实际能承受的风荷载。

3 预警机制及具体实施步骤

图3展示了整个台风实时预警系统具体实施步骤的框架图，根据上文分析的三方面不同损耗综合修正获得线路实际所能承受的风荷载，然后比较实时风荷载与修正风荷载的比值大小λ，配合台风四级预警信号，按照图中的预警机制发布各时刻各档距相应的预警等级。

与预警信息同时发布的还有实时计算的全线风灾损耗风险排序，更可待台风过后，生成全线各档距在台风前后的损耗排序，供灾后巡检提供参考依据。

图3 台风作用下的线路状态评判框架图

4 应用举例

以某110 kV线路的两个代表性档距为例，应用本文所提出的台风预警方案，对台风“鲸鱼”时期的预警过程进行计算说明。图4展示了这两个档距在台风前后的实时风速，从风速变化趋势可以清楚知晓台风时段的风速大小，其中档距A处的风速较B要大，接近35 m/s。

图4 两档距的风速变化图

表3为所选线路两档距的参数信息。

其中档距A即为#A1与#A2之间的线路段，而档距B则为#B1与#B2之间的线路段。对比表信息，可知选取的这两个档距线路参数基本相同，区别在于档距长度以及所处海拔高度的不同，档距A的海拔明显高于档距B，这也在一定程度上验证了其风速相对较大的结论。鉴于该110 kV线路运行了10年，正处于稳定期，则因线路年限造成的疲劳折损γ21=1，但是杆塔#A2有增设防风拉线，可提高其抗风能力。介于此线路没有历史风速数据，无法准确计算此次台风前实际能承受的最大风荷载，于是此算例暂不考虑以往所遭受的大风损害，根据式 (1)和式(2)可分别计算档距A、B在此次台风前实际能承受的最大风荷载Wmax_A、Wmax_B：

表3 线路参数对比

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分别表示档距A、B的设计风荷载。

很明显，在台风来临之际，档距A比B能承受更多的风荷载。根据表1提供的参数表也可知晓，台风期间的损耗仅来自持续大风下的折损γ1。与分布式测风系统的输出频率保持一致，运用式(1)和式(2)计算每15 min时间段内的大风损耗，其中式(1)中权重ω设定了一个阈值(设计风速的0.4倍)，即低于该阈值的给予权重为0，式(2)中的a、b、c通过对历史风速数据的拟合，可得此算例的取值分别为0.58、7.8、179 500。图5为整个台风前后两个档距的实时预警比值λ，结合图5和图3中设定的预警机制可以获知实时的预警信息。

表4展示了台风前后两个档距的风荷载对比情况，并计算了对应的损耗比，通过排序比较可知档距A的损耗相对较大。分析原因：虽然#A2有增设防风拉线，但在台风时期所受的持续风速较大，损耗也相对较大，比相同规格下的B所存在的风险稍大，如若去巡检抢修，建议优先选择A。

图5 实时预警比值

AB台风之前Wmax4 632.52 691.7台风过后W'max3 489.42 143.8损耗比1-W'maxWmax0.246 80.203 6

5 结束语

基于分布式光纤设备的实时监测风速数据，从台风对输电线路的重要影响因素—风荷载出发，数值化评估线路自身状态、缺陷遗留带来的损耗，同时提出了持续大风下所带来的荷载损耗计算式子，综合评估这三方面的荷载损耗，动态修正设计风荷载。提出了大风预警机制，实现实时预警和风险排序，可评估输电线路在台风灾害下的潜在危险性，指导巡检规划。从算例的结果中可知，所提出的损耗数值化方式以及预警机制可以计算大风期间的实时损耗，表征线路的实际运行状况，并发布实时预警信息，为电网巡护人员的工作安排提供指导意见。