贵州地区导线覆冰关键影响因素研究

    吴建蓉 张迅 方阳 吴瑀 卢金科

    

    

    

    摘 要：电力系统作为最重要的国民生命系统之一，一直遭受着覆冰灾害的威胁。开展相关的输电线路覆冰机理的研究对于提高易覆冰区域电网的安全运行具有重要意义。为此提出滑动灰关联分析方法用于覆冰关键影响因素的分析。利用该方法分析了毕节局110kV威龙线现场覆冰的监测数据，确定了线路覆冰与微气象条件之间的关系，并与灰色关联分析进行了对比研究。结果表明：覆冰最关键的影响因素为温度，其次为相对湿度，影响最小的是风向。

    关键词：导线覆冰;微气象;灰色关联度;关键影响因素;环境温度

    导线覆冰是微气象、微地形、导线特性等多种因素共同作用的结果[1-4]。其中的微气象是在微地形（山峰、沟壑、峡谷等）的影响下形成的小范围内气象的特异性表现。但是在近年来的覆冰预测的研究中，模型输入项的合理性问题并没有引起研究者的重视。

    本文通过输电线路覆冰在线监测系统获取2019年12月20日至2019年12月22日期间毕节局110kV威龙线微气象信息、导线覆冰厚度数据，分析该线路覆冰与环境温度、相对湿度、风速等因素之间的关系，基于灰关联分析法计算覆冰和环境参数之间的关联系数，分析影响导线覆冰的关键影响因素，提出了分析覆冰关键影响因素的滑动灰色关联分析方法，得出了覆冰的关键影响因素。

    1 覆冰关键影响因素分析的数据来源

    覆冰关键影响因素分析的数据来源是南方电网输电线路在线监测系统。该系统能够实时监测输电线路附近的环境状态和导线状态，为电网的安全运行提供了有力的保障。本文选取了2019年12月20日至2019年12月22日期间毕节局110kV威龙线微气象信息、导线覆冰厚度等数据作为分析实例。下图给出了覆冰期间的环境温度、相对湿度、风速、风向等信息，图中t为时间。

    2 灰关联分析法

    2.1 方法步骤

    最后对灰色关联结果进行排序，关联度最大值最硬的影响因素即为覆冰的关键影响因素。

    2.2 实例分析——毕节局110kV威龙线

    灰色关联分析法的步骤，利用python软件为工具计算110kV威龙线的环境温度、相对湿度、风向和风速的关联系数和关联度。经计算可得环境温度、相对湿度、风向、风速的关联系数分别为0.81050、0.80830、0.65520、0.75289。可知2019年12月20日至2019年12月22日期间毕节局110kV威龙线覆冰关联度最大的是环境温度，其后是相对湿度、风速、风向。

    3 滑动灰关联分析方法

    3.1 分析步骤

    滑动灰关联分析步骤如下：

    （1）选取覆冰有效数据序列。因输电线路的覆冰数据量较大不便于分析，故需选取部分有效的完整覆冰过程数据作为样本来进行分析。所以选取的数据都是在现场覆冰稳定状态下的没有缺失信息的数据。

    （2）在指定滑动窗口内进行灰关联分析。假定某线路选取的样本有N个覆冰数据，在窗口大小为n的情况下以步长d沿着时间序列向后滑动，每次求解窗口内的部分样本的灰色关联度。

    （3）每个窗口内计算所得的灰关联度进行排序，关联度最大的因素序列用1表示，其他因素序列用0表示。

    （4）将原始关联系数矩阵按行求和除以窗口数c，得到各个因素序列相对于系统特征序列（覆冰厚度）的关联度。

    3.2 实例分析——毕节局110kV威龙线

    根据滑动灰色关联分析法步骤，毕节局110kV威龙线的环境温度、相对湿度、风向以及风速的覆冰关键影响因素计算结果如下表所示。

    如上表所示覆冰关键影响因素计算结果中可以看出在覆冰开始的阶段環境温度对于覆冰的影响较大，前两个窗口期的关键影响因素皆为环境温度，此后阶段中相对湿度、风速成为限制覆冰的关键因素。随着覆冰厚度的增加，环境温度和相对湿度成为关键影响因素影响着覆冰过程。

    综合整个覆冰过程的各个窗口计算可得覆冰与环境温度、相对湿度、风向、风速的关联度分别为0.88521、0.83985、0.59145、0.75289。该数据反映出在这个覆冰过程中覆冰关联度最大的是温度，风向对于覆冰的关联度较小。因此，环境温度是此次覆冰过程中的关键影响因素。

    4 两种方法的误差分析

    上述两种方法都取得了相同的灰色关联序。灰色关联分析可以认为是滑动灰色关联分析的一个特例。当窗口大小为整个数据的长度的时候，滑动灰色关联分析就转变为了灰色关联分析。因此两者取得的结果也十分相近。但是滑动灰色关联分析通过窗口和滑动的方式能够更加具体的得到各个阶段的覆冰相关性。两者之间关联系数的差别主要来源于窗口内部的最值与整体的最值是不同的。但是我们可以看到相对湿度在这个过程中是不变的，而环境温度与覆冰的相关性明显高于相对湿度。因此，滑动灰色关联分析的结果中环境温度与相对湿度的关联系数差距大于灰色关联分析中两者的差距，更加符合实际。

    5 分析覆冰关键影响因素的意义

    了解输电线路覆冰的成因及影响覆冰的各种因素，是为了更好地抵御覆冰给电力系统带来的危害。本文应用滑动灰色关联分析和灰色关联分析两种方法对覆冰的关键影响因素进行了研究。研究表明覆冰的关键影响因素是环境温度。环境温度下降的过程中，水汽由于温度的下降而逐渐饱和。当环境温度达到了覆冰的要求时，饱和的水汽成为了覆冰的重要来源，不断附着到输电线路上。滑动灰色关联分析进一步得出在完整的覆冰过程中，覆冰一段时间后，风速成为覆冰的关键影响因素。在线路的路径选择过程中应当避开谷口、垭口、山的阴面等会进一步加剧覆冰灾害严重程度的地形。根据不同的地形确定不同的线路走向，有效规避加剧覆冰的条件。根据线路各分段的覆冰气候条件采用不同的设计标准;采用高导电超耐热铝合金等超耐热、特耐热新型导线，提高导线运行温度，防止导线覆冰等。

    6 结论

    （1）本文在灰色关联分析的理论基础上，认为在系统的研究中不同阶段的研究对象具有不同的特征，进一步将研究对象特征细化，提出了滑动灰色关联分析法，并将其应用于输电线路覆冰系统分析中。

    （2）由于覆冰在线监测系统建立的时间较短，其取得的数据量较小。在线监测设备运行环境恶劣，数据采集过程中受到的干扰较大，其获得的数据灰度较大。因此，本文中提出了对上述情况适用性较好的滑动灰色关联分析方法作为系统研究方法，并与灰色关联分析进行对比研究。

    （3）在进一步对贵州电网线路覆冰进行全面和系统的状态评估和处置决策等应用方面时，应着重考虑环境温度的影响，适当考虑湿度与风速的影响。

    参考文献：

    [1]王守礼，张弦.微地形微气象对输电线路的影响及应对措施[J].云南电业，2005（06）：38-39.

    [2]张弦.输电线路中微地形和微气象的覆冰机制及相应措施[J].电网技术，2007（S2）：87-89.

    [3]王守礼.影响电线覆冰因素的研究与分析[J].电网技术，1994，018（004）：18-24.

    [4]蒋兴良.贵州电网冰灾事故分析及预防措施[J].电力建设，2008，029（004）：1-4.

    [5]邓聚龙.灰色系统[M].国防工业出版社，1985.