馬小敏, 王 超2，袁 志3，劉 凡, 范松海

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041；2. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041；3.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610041)

0 引 言

隨著跨區(qū)域大電網(wǎng)的逐步建設(shè)發(fā)展和形成，近年來(lái)在線監(jiān)測(cè)裝置被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于輸電線路，尤其是在運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)難度較大的高海拔惡劣環(huán)境地區(qū)[1-6]。從兩大電網(wǎng)(國(guó)網(wǎng)和南網(wǎng))現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用調(diào)研可知，當(dāng)前輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置供電電源方式普遍采用3種技術(shù)手段[7-11]：太陽(yáng)能+蓄電池、風(fēng)能+蓄電池、太陽(yáng)能+風(fēng)能+蓄電池。另外，還有少數(shù)采用在輸電線路上感應(yīng)取能的供電方式[12-18]。

由于缺乏特別的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，目前高原地區(qū)的輸電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)普遍采用平原地區(qū)的輸電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范。然而，高海拔地區(qū)地形地貌獨(dú)特及氣候環(huán)境復(fù)雜，各區(qū)域內(nèi)太陽(yáng)能、風(fēng)能大小、分布及可利用程度差異較大，同時(shí)高原地區(qū)低溫和大溫差也影響著蓄電池持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行、儲(chǔ)能容量及使用壽命，因此該地區(qū)在線監(jiān)測(cè)裝置經(jīng)常出現(xiàn)電源供電不足、裝置停運(yùn)或斷續(xù)運(yùn)行等適應(yīng)性問(wèn)題，平原地區(qū)監(jiān)測(cè)裝置電源供電方式不適用于高海拔地區(qū)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在高海拔地區(qū)的輸電線路，在線監(jiān)測(cè)裝置的電源故障占到總故障70%以上。電源問(wèn)題已成為高海拔地區(qū)輸電在線監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用的瓶頸，亟需開(kāi)展高海拔地區(qū)輸電在線監(jiān)測(cè)裝置供電的電源技術(shù)研究，特別在輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置的電源方式選擇與設(shè)備選型方面需加強(qiáng)研究，以提高線路在線監(jiān)測(cè)裝置電源的環(huán)境適應(yīng)性，保障在線監(jiān)測(cè)裝置持續(xù)可靠地運(yùn)行。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)踐表明，監(jiān)測(cè)裝置電源供電不足問(wèn)題特別突出，其續(xù)航時(shí)間高度依賴于輸電線路途經(jīng)的自然環(huán)境氣象條件，因此環(huán)境氣象判定是輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置電源選擇首要考慮的技術(shù)問(wèn)題。

1 影響輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置電源供電選擇的氣象因素分析

輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置的供電方式主要包括太陽(yáng)能供電、風(fēng)能供電、蓄電池供電、在線感應(yīng)取能線圈供電。影響輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置供電方式選擇的氣候環(huán)境因素主要包括裝置安裝地點(diǎn)的日照、風(fēng)能、環(huán)境溫度等因素。高原地區(qū)普遍具有的氣壓低、紫外強(qiáng)、晝夜溫差大等特點(diǎn)，且同為高原地區(qū)，氣象環(huán)境參數(shù)差異也較大，對(duì)高拔地區(qū)輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置及其供電提出了更高的要求。

1)高原地區(qū)普遍存在海拔較高、空氣稀薄、日照強(qiáng)等特點(diǎn)，適宜在日照充足且時(shí)間長(zhǎng)的高原地區(qū)利用太陽(yáng)能供電。但如統(tǒng)一采用太陽(yáng)能+蓄電池方式并不能完全滿足不同高原地區(qū)的需要。

運(yùn)行環(huán)境溫度對(duì)蓄電池性能影響很顯著，當(dāng)環(huán)境溫度較高或較低時(shí)，將加速蓄電池能量消耗，從而降低蓄電池的供電持續(xù)時(shí)間。此外，環(huán)境溫度對(duì)太陽(yáng)能電池板的工作效率也有較大影響。當(dāng)太陽(yáng)能電池板表面溫度較高時(shí)，太陽(yáng)能板輸出功率與其表面溫度呈負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系特征使得太陽(yáng)能電池板的輸出效率降低；當(dāng)環(huán)境溫度低于0 ℃且空氣溫度較高時(shí)，在線監(jiān)測(cè)裝置電池板覆冰后將會(huì)降低太陽(yáng)能板接收太陽(yáng)光的能力從而降低太陽(yáng)能電池板的供電效率，此時(shí)主要依靠蓄電池給在線監(jiān)測(cè)裝置持續(xù)供電，從而降低輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置電源的不可靠運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

2)高原風(fēng)能資源較好的地區(qū)，適宜選擇風(fēng)能供電方式，但當(dāng)裝置安裝地點(diǎn)的最大風(fēng)速超過(guò)40 m/s或極大風(fēng)速超過(guò)60 m/s，或安裝地點(diǎn)的最低氣溫低于-20 ℃，長(zhǎng)期冰雪、雷暴、鹽霧或沙塵氣候時(shí)，將大幅增加風(fēng)機(jī)的運(yùn)行維護(hù)難度和成本，不宜選擇風(fēng)能+蓄電池的供電方式。

2 高原地區(qū)典型環(huán)境氣象分類

2.1 高原地區(qū)氣象分類因子選擇

中國(guó)高原地區(qū)分為青藏高原、云貴高原、內(nèi)蒙古高原和黃土高原，其典型氣候環(huán)境特點(diǎn)如下：1)青藏高原地區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，日照時(shí)間長(zhǎng)，年太陽(yáng)輻射總量586～753 kJ/cm2，年日照總時(shí)數(shù)2500～3200 h；氣溫低，最高平均溫度20 ℃，最低平均溫度-6 ℃；年平均風(fēng)速約1～3 m/s。2)黃土高原地區(qū)最高平均溫度28 ℃，最低平均溫度3 ℃，具有冬季嚴(yán)寒、夏季暖熱的特點(diǎn)；年均風(fēng)速約3～5 m/s；年日照總時(shí)數(shù)2800～3200 h。3)云貴高原地區(qū)最高平均溫度24 ℃，最低平均溫度5 ℃；日照時(shí)數(shù)偏少，年日照總時(shí)數(shù)1200～1400 h；年平均風(fēng)速約1～3 m/s。4)內(nèi)蒙古高原地區(qū)是中國(guó)多風(fēng)地區(qū)之一，年均風(fēng)速約7～9 m/s，8級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)約50～90 d；高原上日照充足，年日照總時(shí)數(shù)約2800～3200 h；最高平均溫度24 ℃，最低平均溫度-3 ℃。

以上四大高原地區(qū)氣象特點(diǎn)較為粗略，由于同一高原的氣候環(huán)境差異也較大，難以在輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置電源選擇時(shí)使用。此外，上述地區(qū)分類以地理位置劃分，但各區(qū)域內(nèi)或區(qū)域間可能存在相似的氣象區(qū)域。

根據(jù)前面的高原氣象條件對(duì)輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置供電方式的影響分析，高原地區(qū)氣象條件的主要分類因子包括平均日照、環(huán)境風(fēng)速、環(huán)境溫度等。考慮到在線監(jiān)測(cè)裝置供電方式的選擇更多依賴于當(dāng)?shù)氐钠骄照諘r(shí)間和環(huán)境風(fēng)速，而環(huán)境溫度主要對(duì)蓄電池的影響最為顯著，不論采用何種供電方式，為提高在線監(jiān)測(cè)裝置供電可靠性，均需搭配蓄電池供電，因此在供電方式選擇中主要分析平均日照和環(huán)境風(fēng)速兩個(gè)氣象因子。表1將四大高原細(xì)分為60個(gè)高原地市，并列出其平均日照和環(huán)境風(fēng)速兩項(xiàng)環(huán)境氣象數(shù)據(jù)作為所做研究的依據(jù)。

表1 高原氣候環(huán)境氣象數(shù)據(jù)

(續(xù))

2.2 聚類分析算法及數(shù)據(jù)規(guī)范化

聚類分析是指將一個(gè)物理或抽象的數(shù)據(jù)對(duì)象集合分組成為多個(gè)具有類似特征數(shù)據(jù)族的新集合處理過(guò)程。換而言之，聚類分析目的就是在相似基礎(chǔ)上對(duì)收集數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分類。通過(guò)對(duì)采集樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類以衡量不同數(shù)據(jù)源間的相似性，把數(shù)據(jù)源分類到不同的聚類族中，獲得新的類似特征數(shù)據(jù)集合。聚類算法的一般步驟如下：

1)初始化：從m個(gè)樣本數(shù)據(jù)x中選擇k個(gè)代表點(diǎn)p1,p2,p3，...,pk；k為聚類族數(shù)量。

2)建立k個(gè)空間聚類表。

3)按照最小距離法則逐個(gè)對(duì)樣本x進(jìn)行分類計(jì)算，用dmin表示最小距離，即

dmin=min?(x,pk)

(1)

4)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)J及用各聚類列表數(shù)據(jù)計(jì)算聚類均值，作為各聚類新代表點(diǎn)，即

(2)

式中：xi為第i個(gè)測(cè)量值；ck(i)為數(shù)據(jù)xi就近的第k個(gè)聚類中心。

5)若J不變或代表點(diǎn)未發(fā)生變化，則停止,否則轉(zhuǎn)第2步。

通常而言，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行規(guī)范化預(yù)處理，以消除實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)量綱及取值范圍差異而導(dǎo)致的聚類分析結(jié)果異常，常采用的最大-最小(MAX-MIN)規(guī)范化轉(zhuǎn)換如式(3)：

(3)

式中：x*為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)據(jù)的歸一化值；max(x)為最大實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；min(x)為最小實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；max(x)-min(x)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)極差。

2.3 高原地區(qū)環(huán)境氣象因子聚類分類

1)高原環(huán)境氣象因子聚類族數(shù)量選擇

針對(duì)表1中所給環(huán)境氣象因子數(shù)據(jù)，在進(jìn)行聚類分類前應(yīng)進(jìn)行聚類族數(shù)量k的選擇確定,采用內(nèi)平方和啟發(fā)式算法(within sum of square，WSS)實(shí)現(xiàn)，其算法表達(dá)式為

(4)

式中：c(i)為與第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)最近的聚類中心；d(xi,c(i))為第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)到cj(i)的距離；WSS為所有數(shù)據(jù)點(diǎn)到最近中心距離的平方和。

利用式(4)進(jìn)行聚類族數(shù)量計(jì)算選擇，其WSS曲線如圖1所示。很顯然，在k=4時(shí)WSS已經(jīng)沒(méi)有顯著減小，因此，該高原環(huán)境氣象因子聚類族數(shù)量適宜取4個(gè)。

圖1 聚類分析聚類族選擇

2)高原環(huán)境氣象因子聚類分類

根據(jù)所確定的聚類族數(shù)量對(duì)表1中環(huán)境氣象因子數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類計(jì)算與分析，采用K均值算法實(shí)現(xiàn)聚類處理，其計(jì)算輸出聚類結(jié)果如圖2所示。

觀察圖2中聚類情況，很顯然，表1中環(huán)境氣象因子數(shù)據(jù)被聚類為4類，如圖中①、②、③、④所示，其中符號(hào)“”表示各聚類族中心，各聚類族聚類效果明顯，只有族①和族③邊緣相對(duì)較近，但聚類中心也相對(duì)較遠(yuǎn)。根據(jù)圖2聚類結(jié)果，將表1中環(huán)境氣象因子分類成4類氣象環(huán)境地區(qū)，如表2所示。

圖2 高原氣象環(huán)境因子聚類分類

表2 高原氣候環(huán)境氣象分類結(jié)果

(續(xù))

結(jié)合圖2及表2整理分類情況，歸類獲得4個(gè)典型的高原地區(qū)氣象特性分類結(jié)果：(1)強(qiáng)太陽(yáng)能、中等風(fēng)能地區(qū)；(2)強(qiáng)太陽(yáng)能強(qiáng)風(fēng)能地區(qū)；(3)中等太陽(yáng)能、強(qiáng)風(fēng)能地區(qū)；(4)弱太陽(yáng)能、弱風(fēng)能地區(qū)。比較分析表2中環(huán)境氣象因子數(shù)據(jù)分類情況，數(shù)據(jù)歸類適當(dāng)，與所在高原地區(qū)氣象特性描述一致。

3 高原線路在線監(jiān)測(cè)裝置電源供電方式選擇

根據(jù)上述高原地區(qū)太陽(yáng)能、風(fēng)能分布情況確定聚類分類的典型氣象特征區(qū)域，進(jìn)行該地區(qū)輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置電源供電的合理選擇，以提高線路在線監(jiān)測(cè)裝置電源供電的穩(wěn)定性和可靠性。

1)強(qiáng)太陽(yáng)能、強(qiáng)風(fēng)能高原地區(qū)

針對(duì)強(qiáng)太陽(yáng)能、強(qiáng)風(fēng)能高原地區(qū)，輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置電源適宜采用太陽(yáng)能+風(fēng)能+蓄電池的供電方式。在此電源供電方式下，當(dāng)日照和風(fēng)能條件較好時(shí)，以太陽(yáng)能+風(fēng)能混合供電為主，同時(shí)向蓄電池充電；當(dāng)太陽(yáng)能和風(fēng)能條件均較差時(shí)，利用蓄電池向在線監(jiān)測(cè)裝置供電。蓄電池選型選擇耐高溫或耐低溫型蓄電池。

2)強(qiáng)太陽(yáng)能、中等風(fēng)能高原地區(qū)

針對(duì)強(qiáng)太陽(yáng)能、中等風(fēng)能高原地區(qū)，輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置電源適宜采用太陽(yáng)能+蓄電池的供電方式。在此電源供電方式下，當(dāng)日照條件較好時(shí)，以太陽(yáng)能供電為主，同時(shí)向蓄電池充電；當(dāng)日照條件均較差時(shí)，利用蓄電池向在線監(jiān)測(cè)裝置供電。蓄電池選型結(jié)合環(huán)境的最高、最低平均溫度選擇。

3)中等太陽(yáng)能、強(qiáng)風(fēng)能高原地區(qū)

針對(duì)強(qiáng)風(fēng)能、中等太陽(yáng)能高原地區(qū)，輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置的電源適宜采用風(fēng)能+蓄電池的供電方式。在此電源供電方式下，當(dāng)風(fēng)能條件較好時(shí)，以風(fēng)能供電為主，同時(shí)向蓄電池充電；當(dāng)風(fēng)能較差時(shí)，利用蓄電池向在線監(jiān)測(cè)裝置供電。蓄電池選型結(jié)合環(huán)境的最高、最低平均溫度進(jìn)行選擇。

4)弱太陽(yáng)能、弱風(fēng)能高原地區(qū)

針對(duì)弱太陽(yáng)能、弱風(fēng)能高原地區(qū)，輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置電源適宜采用在線感應(yīng)取能+蓄電池的供電方式。線路帶負(fù)荷時(shí)，利用在線感應(yīng)取能線圈向線路在線監(jiān)測(cè)裝置供電，同時(shí)向蓄電池充電；當(dāng)線路不帶電時(shí)，利用蓄電池向在線監(jiān)測(cè)裝置供電。蓄電池選型結(jié)合環(huán)境的最高、最低平均溫度進(jìn)行選擇。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)在缺乏高原地區(qū)輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置電源供電選擇技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)前提下，提出了影響高原地區(qū)輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置電源可靠運(yùn)行的環(huán)境氣象問(wèn)題，為高原地區(qū)輸電線路監(jiān)測(cè)裝置電源供電選擇提供思路。

2)深入分析影響高原地區(qū)輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置電源的環(huán)境氣象問(wèn)題，獲得了影響高原地區(qū)輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置電源的主要?dú)庀笠蛩夭⑻岢隽谁h(huán)境氣象分類因子，實(shí)現(xiàn)了高原地區(qū)輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置電源選擇的環(huán)境氣象分類。

3)針對(duì)高原地區(qū)環(huán)境氣象分類的典型氣象特征，提出了相應(yīng)氣象區(qū)域的輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置電源供電選擇參考，具有工程應(yīng)用意義。