基于GIS的污區(qū)圖繪制及絕緣配置方法的研究

孫菡婧，馬瑞楓，李國慶，常洪江

(1.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林1320121;2.元寶山發(fā)電有限責任公司，內(nèi)蒙古 赤峰027000;3.華電能源富拉爾基熱電壓王選，富拉爾基黑龍江161041)

近年來，隨著環(huán)境污染的日益嚴重，各地區(qū)受污穢影響的程度越來越深［1-4］。電力設(shè)備絕緣子表面污穢受潮將嚴重影響其電氣特性，如若發(fā)生污閃，將極大地危害電網(wǎng)運行安全。在電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、基建施工和生產(chǎn)運行中，電力系統(tǒng)污區(qū)分布圖是指導電力設(shè)備外絕緣配置和開展防污閃工作的依據(jù)。

傳統(tǒng)污區(qū)分布圖以各供電公司為基本繪制單位，根據(jù)現(xiàn)場污穢度等級繪制本地區(qū)電力系統(tǒng)污區(qū)分布圖。省網(wǎng)公司在各地供電公司已繪制的污區(qū)分布圖的基礎(chǔ)上，綜合繪制本省的污區(qū)分布圖，其具體流程是:①調(diào)查本地區(qū)的污源分布狀況，繪制污源分布圖;②調(diào)查收集本地區(qū)有關(guān)氣象參數(shù)，繪制氣象分布圖，也可用文字、圖表等說明;③根據(jù)鹽密測量情況，繪制鹽密測量圖，同時在圖中標出污閃故障點的位置;④綜合上述三種圖，并結(jié)合設(shè)備運行經(jīng)驗，繪制本局所轄區(qū)域的污區(qū)圖。這種分別繪圖、三圖合一、層層綜合的流程加大了繪圖的工作量，拖長了污區(qū)圖的修訂周期;而且如何綜合污源分布圖、氣象分布圖和鹽密測量圖，國家標準和國家電力公司文件沒有具體說明，在實際繪制過程中難以操作［5-6］。

GIS將計算機圖形技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)融合于一體，可高效、直觀地分析各種地理和空間信息，它將地理位置和相關(guān)屬性有機結(jié)合，圖文并茂地呈現(xiàn)給用戶［7-8］?？蓾M足生產(chǎn)生活的需要。隨著GIS技術(shù)的快速發(fā)展及在電力系統(tǒng)中的廣泛應用，利用GIS技術(shù)對獲得的電網(wǎng)空間數(shù)據(jù)進行全方位處理、分析，可提取多種有效信息，實現(xiàn)污區(qū)分布圖的自動繪制，為電網(wǎng)的外絕緣配置和防污閃工作提供可靠的決策支持。

本文基于SuperMap Desktop 6與SuperMap Objects 6開發(fā)平臺，利用SuperMap Desktop 6將電力系統(tǒng)中的輸電線路、桿塔和變電站分層疊加在地圖上，再利用SuperMap Objects 6開發(fā)組件，編寫程序?qū)崿F(xiàn)污區(qū)圖的自動繪制和絕緣配置輔助決策分析。

1 基于GIS的污區(qū)圖繪制方法

基于GIS繪制污區(qū)圖時，首先應在電子地圖上繪制電網(wǎng)地理接線圖，標明輸電線路、變電站(換流站)、發(fā)電廠符號和名稱。數(shù)據(jù)收集規(guī)則如表1所示。

表1 輸電桿塔數(shù)據(jù)收集規(guī)則

將表1所示的輸電桿塔數(shù)據(jù)導入至SuperMap Desktop 6中可建立屬性數(shù)據(jù)集，由表1可知輸電桿塔數(shù)據(jù)中含有空間數(shù)據(jù)即坐標信息，可利用GIS的類型轉(zhuǎn)換功能將其轉(zhuǎn)換為空間點數(shù)據(jù)集，這樣便將輸電桿塔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地理信息數(shù)據(jù)。同理可導入變電站，電廠，污源等電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

污源是造成設(shè)備表面積累污穢的根本原因，繪制污源分布圖是污區(qū)分布圖成圖的重要步驟。因此在繪制污染分布圖前應調(diào)查繪制地區(qū)的主要污源分布狀況，并在底圖上標明各種類型的污染源。

污染源一般分為自然污源、工業(yè)污源、交通線和城市污源。其中，自然污源為鹽堿地、鹽池、硝池或沿海地區(qū)。鹽堿地、鹽池、硝池以含鹽量確定對污區(qū)等級的影響。沿海地區(qū)根據(jù)與海岸線的距離調(diào)整污級。

靠近工業(yè)污染源的污穢層可能含有導電的微粒如煤、金屬粒子，或易溶于水的氣體如NOx、SOx，或低可溶性污穢物如水泥、石膏。工業(yè)污源的污穢等級劃分主要由運行單位根據(jù)運行經(jīng)驗確定影響范圍以及影響等級，具體操作為先劃分兩個等級的影響范圍。如圖1所示。再根據(jù)污源點周圍的氣象數(shù)據(jù)對影響范圍進行修正。

城市污源根據(jù)人口數(shù)量以及人口密度確定城市的影響范圍和等級。

根據(jù)絕緣子現(xiàn)場實測鹽密值繪制現(xiàn)場污穢度圖，電力規(guī)程中一般根據(jù)線路設(shè)備的污穢等級分為5級，由輕到重分別為a、b、c、d、e級，各污穢級與鹽密關(guān)系如表2所示。

圖1 交通線規(guī)則修訂前后對比

表2 污穢等級和鹽密的關(guān)系

將此圖與污源分布圖動態(tài)融合，繪制現(xiàn)場污穢度分布圖。

“風玫瑰”圖也叫風向頻率玫瑰圖，它是根據(jù)某一地區(qū)多年平均統(tǒng)計的各個方風向和風速的百分數(shù)值，并按一定比例繪制，一般多用八個或十六個羅盤方位表示。玫瑰圖上所表示風的吹向(即風的來向)，是指從外面吹向地區(qū)中心的方向。本文采用Wind Rose Maker軟件制作的風玫瑰圖如圖2所示。

組織大氣環(huán)境資料，收集大氣污染物實測濃度如表3所示，計算大氣質(zhì)量指數(shù)P并根據(jù)經(jīng)驗公式推算年度鹽密值SDD。

圖2 風玫瑰圖的制作

式中，USO2、UNOx和分別為SO2、NOx，和TSP的月均濃度，單位為mg/m3;BSO2、BNOx和BTSP分別為SO2，NOx和TSP的評價標準值，取值分別為 0.06 mg/m3、0.05 mg/m3和0.03 mg/m3。

表3 大氣環(huán)境規(guī)則庫

三圖合一繪制污區(qū)分布圖需要理清三圖之間的關(guān)系即污源、氣象和鹽密與污穢等級間的關(guān)系。污源是造成設(shè)備表面積污的根本原因;設(shè)備表面污穢濕潤后所含鹽分導電是污閃的成因;氣象條件中的風和降水對設(shè)備表面污穢的積累量和速度有重要影響，降水是設(shè)備表面污穢濕潤的重要條件，是污閃事故的誘因。

組織大氣環(huán)境資料，收集大氣污染物實測濃度如表3所示，計算大氣質(zhì)量指數(shù)并根據(jù)經(jīng)驗公式推算年度鹽密值。

綜上所述，氣象條件中的風和降水與污源條件是影響積污的因素，鹽密是設(shè)備表面積污中有效成分的重要指標，氣象條件中的降水是影響表面污穢濕潤的因素。三圖合一實際是綜合考慮積污因素、鹽密指標、濕潤因素。

最后，利用氣象資料中的風玫瑰圖和污源分布圖來修正污區(qū)圖。

2 絕緣配置方法

將生成的污區(qū)分布圖作為污穢等級劃分的基礎(chǔ)資料，根據(jù)桿塔所處環(huán)境的污穢等級，參照絕緣子爬電比距和依據(jù)各地區(qū)長期運行經(jīng)驗所得出的有效爬電比距換算關(guān)系，確定所用絕緣子的爬電比距，最后結(jié)合電壓等級配置新建線路絕緣子串總片數(shù)。具體的處理步驟如下:

在污區(qū)圖中讀取現(xiàn)場污穢等級，根據(jù)如圖3所示的統(tǒng)一爬電比距和現(xiàn)場污穢等級的曲線關(guān)系，得到參照絕緣子的爬電比距。計算爬電距離有效系數(shù)K:

其中，U為非普通型絕緣子的污耐受電壓，單位為KV;L為非普通型絕緣子的幾何爬電距離，單位為毫米;U0為參照絕緣子的污耐受電壓;L0為參照絕緣子的幾何爬電距離。

計算所用絕緣子爬電比距λ'為:

計算絕緣子串所需的總爬電距離L'為:

其中，U'為實際運行電壓。

計算絕緣子串總片數(shù)N:

其中，L″為單片爬電距離。

圖3 統(tǒng)一爬電比距和現(xiàn)場污穢度的相互關(guān)系

3 污區(qū)圖繪制及絕緣配置方法的實現(xiàn)

本文基于SuperMap Desktop 6與SuperMap Objects 6平臺，使用C#語言實現(xiàn)了污區(qū)分布圖的計算機繪制與電網(wǎng)絕緣配置的輔助決策分析。

污區(qū)分布圖模塊主要分為載入電網(wǎng)地理接線圖、創(chuàng)建污源點、繪制污源分布圖、繪制基于實測鹽密的污區(qū)分布圖和人工調(diào)整部分，通過以上幾步的有機結(jié)合，智能化的繪制污區(qū)分布圖，如圖4、5、6所示。

絕緣配置輔助決策分析系統(tǒng)模塊將輔助決策規(guī)則程序化為規(guī)則庫，與污區(qū)圖系統(tǒng)無縫接合，根據(jù)污區(qū)圖里線路所處的污穢等級智能分析，為電網(wǎng)運行人員生成基于污區(qū)分布圖的絕緣配置輔助決策，如圖7所示。

4 結(jié) 論

本文給出了基于GIS的污區(qū)圖繪制與絕緣配置的方法，利用SuperMap Objects 6完成了系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了對污區(qū)、污源點、鹽密測量點和變電站的動態(tài)管理和可視化分析。在GIS技術(shù)支撐下，可以自動完成電網(wǎng)地理接線圖、氣象圖和污區(qū)圖的繪制，實現(xiàn)了電網(wǎng)污區(qū)的智能化管理，縮短了成圖周期。開發(fā)的系統(tǒng)可針對每條線路，分析其經(jīng)過污區(qū)等級，使用戶能直觀地對每條線路的防污水平進行評估。提高電網(wǎng)管理水平，為加快電力企業(yè)信息化進程提供有力的幫助。

［1］宿志一.用飽和鹽密確定污穢等級及繪制污區(qū)分布圖的探討［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(8):16～19.

［2］劉詣，羅滇生，姚建剛，蔣正龍.電網(wǎng)污區(qū)分布圖的計算機自動繪制方法研究［J］.高電壓技術(shù)，2007，33(5):143～147.

［3］中國國家標準化管理委員會.GB/T 16434-1996高壓架空線路和發(fā)、變電所環(huán)境污區(qū)分級及外絕緣選擇標準［S］.1996.

［4］國家電網(wǎng)公司.Q/GDW 152-2006電力系統(tǒng)污區(qū)分級與外絕緣選擇標準［S］.2006.

［5］電力系統(tǒng)污區(qū)分布圖繪圖規(guī)則［S］.2006.

［6］張正棟，胡華科，鐘廣銳，鄭春燕.SuperMap GIS應用與開發(fā)教程［M］.武漢:武漢大學出版社，2006.

［7］郭浩，王汝英.電網(wǎng)污區(qū)管理在地理信息系統(tǒng)中的實現(xiàn)［J］.天津電力技術(shù)，2005(增):1～4.

［8］姜曉軼.基于GIS技術(shù)的輸電網(wǎng)污區(qū)管理［J］.測繪與空間地理信息，2004，27(4):25～27.