張江濤，李 川，趙振剛，張家洪

（昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500）

0 引言

近年來，氣象災(zāi)害事故的頻頻發(fā)生給電網(wǎng)的安全運行構(gòu)成嚴重威脅。其中，導線覆冰是冬季線路發(fā)生故障的主要原因，而影響輸電線路覆冰的主要影響因素是微氣象因素（包含環(huán)境溫度、風速、風向及相對濕度等等）和導線溫度[1-3]。

目前，國內(nèi)外關(guān)于輸電線路導線覆冰的影響因素進行了大量研究：2005年西南電力設(shè)計院謝運華采用相關(guān)分析和回歸分析方法計算了有效覆冰時間、覆冰參數(shù)等氣象要素參量對覆冰量的影響，并建立了定量關(guān)系[4]；2008年HuJinbao等利用混合的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立微氣象因素和輸電線路覆冰關(guān)系的模型[5]；2008年西安工程大學黃新波等利用現(xiàn)場輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)研究微氣象與導線覆冰間的關(guān)系，通過線性關(guān)系式分別求得了導線覆冰厚度和環(huán)境溫度、濕度、風速的相關(guān)系數(shù)，但相關(guān)性較差[6]。2010年云南電網(wǎng)電力研究院張志生等利用輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)開展了氣象因素和覆冰之間關(guān)系的研究[7]。

本文結(jié)合輸電塔線體系的結(jié)構(gòu)特點和改進的灰色斜率關(guān)聯(lián)分析方法，實現(xiàn)了光纖監(jiān)測參量的優(yōu)化選取。收集統(tǒng)計了云南電網(wǎng)靖萬線110 kV線路2015年12月至2016年3月輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)的各個監(jiān)測參量。結(jié)合輸電線路關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參量的光纖監(jiān)測與改進的灰色斜率關(guān)聯(lián)分析模型，實現(xiàn)了微氣象因素和導線溫度對輸電線路覆冰的影響研究，通過對關(guān)聯(lián)度結(jié)果的分析，為直流融冰等除冰過程提供數(shù)據(jù)支撐，以保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

1 灰色斜率關(guān)聯(lián)分析方法

改進的模型采用的基本思想是按照因素的時間序列曲線的平均變化趨勢的接近程度來定義關(guān)聯(lián)系數(shù)，這能夠更充分地利用數(shù)據(jù)序列所包含的信息，從而更真實地反映序列間的關(guān)聯(lián)程度[8-14]。

1.1 灰色斜率關(guān)聯(lián)分析

設(shè)系統(tǒng)參考序列為：

系統(tǒng)比較序列（因素序列）：

式（3）為x0與xi在時點tk-1到時點tk的灰色斜率關(guān)聯(lián)系數(shù)。式中：

對于離散時間序列，所謂2曲線的平均相對變化勢態(tài)的接近程度，是指2時間序列在對應(yīng)各時段Δtk=tk-tk-1(k=2,3,…,n)上曲線的平均變化率大小來判定，若在時間段 Δtk平均相對變化率相等或者接近相等，則2時間序列在時段Δtk間的關(guān)聯(lián)系數(shù)就大；反之就小。2時間序列的關(guān)聯(lián)度定義為各時段 Δtk間的關(guān)聯(lián)系數(shù)的加權(quán)平均數(shù)。

2 光纖光柵傳感器的布設(shè)

架空輸電線路出現(xiàn)問題通常發(fā)生在環(huán)境惡劣的地區(qū)，問題發(fā)生后維修比較困難?，F(xiàn)有的監(jiān)測裝置多采用電子式傳感器，存在監(jiān)測裝置的供電問題、通信問題和強電磁環(huán)境下系統(tǒng)工作可靠性問題等[15]。與電測量傳感器相比，光纖傳感器有抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小、傳輸距離遠、無需野外電源等優(yōu)點。隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展和測量性能的進一步提高，光纖傳感器相對于傳統(tǒng)電子傳感器的優(yōu)勢日益明顯。

圖1即為輸電導線在線監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)圖。該系統(tǒng)由安裝于絕緣子串上方的拉力傳感器、雙軸傾角傳感器、OPGW 及ADSS、溫濕度傳感器、風速傳感器以及導線溫度傳感器、置于變電站內(nèi)的光纖解調(diào)儀等構(gòu)成。光纖通訊則從29#桿塔的OPGW接續(xù)盒引出兩芯作為光纖傳感信號的傳輸通道，通過架設(shè)ADSS光纜連接到30#桿塔上。打開接續(xù)盒后，將選好的兩芯ADSS傳感沿接續(xù)盒備用孔穿入，斷開前選好 OPGW 光纖中的兩芯，然后將 ADSS與OPGW光纖熔接，最后密封接續(xù)盒,并把接續(xù)盒安裝到29#桿塔上。

圖1 輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of ice monitoring system for transmission lines

2.1 光纖光柵溫濕度、風速傳感器設(shè)備安裝

塔上一體化傳感器設(shè)備有溫濕度、風速傳感器，安裝需根據(jù)前期現(xiàn)場調(diào)研來確定傳感器安裝位置、光交箱安裝位置、光纖走向等；溫濕度傳感器位于筒外最頂部，由其底部三根螺絲桿固定在安裝板 1上，監(jiān)測塔頂周圍環(huán)境的氣溫、濕度；兩個風速傳感器安裝在溫濕度下側(cè)，傳感器的迎風面平行于塔上導線走向，由此監(jiān)測塔上垂直于導線走向方向的風速。一體安裝結(jié)構(gòu)固定在角鐵上，調(diào)整圓筒方向，最終使風速傳感器垂直于導線方向，一體化設(shè)備安裝如圖2所示。圖3是光纖光柵一體化傳感器設(shè)備安裝效果圖。

圖2 一體化設(shè)備安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram for installation of integrated equipment

圖3 一體化設(shè)備安裝效果圖Fig.3 Installation effect diagram for integrated equipment

2.2 導線溫度傳感器安裝

安裝一根垂直方向的通道絕緣子在引流線上，通道復合絕緣子光纖順著引流線到導線上，在導線的連接金具和導線上（距離線夾1200 mm）固定一個溫度傳感器。絕緣子低壓端的尾纖連接到光纜接續(xù)盒上，將光纖與光網(wǎng)絡(luò)進行熔接，最后經(jīng)光纖解調(diào)儀接入監(jiān)控中心。下圖為光纖溫度傳感器安裝示意圖。

圖4 溫度傳感器安裝示意圖Fig.4 Installation diagram for temperature sensor installation

2.2 光纖光柵稱重、雙軸傾角傳感器安裝

為了在準確測量直線塔懸掛絕緣子串所受張力的同時，避免對現(xiàn)場設(shè)備做大的改動，光纖光柵稱重、雙軸傾角傳感器安裝示意圖如圖5所示。拉力傳感器大多數(shù)只安裝在直線塔上，且多以非標替金具式拉力傳感器為主。拉力傳感器替換現(xiàn)有金具中球型掛頭，傳感器的長度與被替換金具的總長度相同，所測的力的方向為懸垂絕緣子串軸向。雙軸傾角傳感器通過固定件加緊在拉力傳感器上。光纖光柵傳感器通過光纖連接到OPGW光纜接續(xù)盒上，將光纖與光網(wǎng)絡(luò)進行熔接，最后經(jīng)光纖解調(diào)儀接入監(jiān)控中心。下圖是光纖光柵稱重、雙軸傾角傳感器現(xiàn)場安裝效果圖。

圖5 光纖光柵稱重、雙軸傾角傳感器安裝圖Fig.5 Fiber Bragg grating weighing and biaxial tilt angle sensor installation diagram

圖6 光纖光柵稱重、雙軸傾角傳感器現(xiàn)場安裝效果圖Fig.6 Field installation of fiber Bragg grating weighing and biaxial tilt angle sensor

2.3 光纖復合絕緣子

結(jié)合光纖光柵傳感技術(shù)和復合絕緣子技術(shù)，通過在復合絕緣子的芯棒基體內(nèi)植入光纖布拉格光柵構(gòu)成智能芯棒結(jié)構(gòu)，并在光纖光柵復合絕緣子高壓端和低壓端分別預留出光纖尾纖，研制出適合于光纖傳感網(wǎng)的光纖測溫復合絕緣子。

在復合絕緣子生產(chǎn)芯棒的過程中，將刻有光柵的光纖植入，與芯棒成為一體，且從兩端都剝出尾纖，在金具設(shè)計中兩頭都需要留有尾纖出口以實現(xiàn)導線測溫、微風振動等測量，并且不降低金具的強度；在復合絕緣子的護套生產(chǎn)過程中采用注射成型的方式，以利于保護兩端出頭的尾纖，如圖6所示。

其中在輸電導線上安裝了導線溫度傳感器，傳感器位置以及光路如圖7所示。

圖中紅色部分為光纜，安裝時按照圖中所示，在光纖復合絕緣子、導線溫度傳感器出頭 5-10 cm的地方，使用扎絲進行固定，每個固定點間隔距離（導線上0.5-1 m之間），桿塔固定使用設(shè)計的專用夾具固定，然后將多余的光纜盤附在光纜箱內(nèi)固定，最后接入光交箱。圖9為光纖復合絕緣子安裝效果圖。

圖7 光纖測溫復合絕緣子實物圖Fig.7 Fiber optic thermometric composite insulators

圖8 光纖復合絕緣子安裝位置示意圖Fig.8 Schematic diagram of installation position of optical fiber composite insulators

圖9 光纖復合絕緣子安裝效果圖Fig.9 Installation effect diagram of optical fiber composite insulators

3 導線溫度、微氣象與覆冰關(guān)聯(lián)分析實例

本文以等效覆冰厚度為系統(tǒng)特征序列x0，分別令導線溫度 x1、環(huán)境溫度 x2、風速 x3及相對濕度x4為系統(tǒng)行為序列，在利用數(shù)據(jù)前，先采用區(qū)間均值化方法對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理。

圖為云南電網(wǎng)靖萬線 110 kV輸電線路的覆冰監(jiān)測終端上傳的導線溫度、微氣象（環(huán)境溫度、風速、相對濕度）以及等效覆冰厚度隨時間變化的數(shù)據(jù)。該線路設(shè)計承受覆冰厚度為10 mm。選取輸電線路主要覆冰期（2015-12-18至2016-3-23）期間的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)幾乎包含了覆冰期內(nèi)所有的情況。

圖10 覆冰厚度數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖Fig.10 Statistical map of ice thickness data

圖11 導線溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖Fig.11 Statistical map of wire temperature data

圖12 環(huán)境溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖Fig.12 Statistical map of ambient temperature data

圖13 風速數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖Fig.13 Statistical map of wind speed data

圖14 相對濕度數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖Fig.14 Statistical graph of relative humidity data

按照改進的模型計算覆冰與導線和微氣象參量之間的關(guān)聯(lián)度如表1所示。

表1 110 kV線路的導線溫度、微氣象因素和覆冰間的關(guān)聯(lián)度Tab.1 110 kV line's wire temperature, micrometeorological factors and the correlation between ice cover

為了進一步分析在導線溫度滿足輸電導線覆冰的條件下，本文找出其他因素相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后用改進的灰色斜率關(guān)聯(lián)分析方法分析其他微氣象因素和輸電線路覆冰間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。下表即為其他微氣象因素和覆冰間的關(guān)聯(lián)度。

按照改進的灰色斜率關(guān)聯(lián)分析方法計算得到等效覆冰厚度和微氣象因素以及導線溫度之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度。從表中可以看出，關(guān)聯(lián)度最大的是導線溫度，關(guān)聯(lián)度最小的為風速。110 kV輸電線路主要覆冰期導線溫度是影響覆冰的主要因素。

表2 110 kV線路的微氣象因素和覆冰間的關(guān)聯(lián)度Tab.2 Micrometeorological factors of 110 kV lines and the correlation between ice cover

4 結(jié)論

本文結(jié)合輸電塔線的結(jié)構(gòu)特點和改進的灰色斜率關(guān)聯(lián)模型，實現(xiàn)了光纖監(jiān)測參量的優(yōu)化選取。收集整理云南電網(wǎng)靖萬線110kV輸電線路主要覆冰期（2015年12月18日至2016年3月23日）的監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定了等效覆冰厚度與導線溫度、微氣象因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。結(jié)果表明，導線溫度與覆冰的關(guān)聯(lián)性明顯強于其他因素，可以為直流融冰等除冰過程提供數(shù)據(jù)支撐，以保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

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