淺析西部配電網自動化中覆冰監控與融冰應用

王煥

（國網寧夏電力公司固原供電公司，寧夏固原756000）

淺析西部配電網自動化中覆冰監控與融冰應用

王煥

（國網寧夏電力公司固原供電公司，寧夏固原756000）

覆冰監控功能作為配電自動化的重要功能提出，設計了覆冰檢測的硬件單元，解釋了覆冰檢測單元的基本功能。在此基礎上，分析和明確了覆冰檢測控制策略，探討了并聯電抗器的整定、融冰一體化及延時整定等具體問題。

配電網；覆冰監控；融冰應用

引言

電線覆冰是一種分布相當廣泛的自然現象。冬導線覆冰可分為霧凇、雨凇、混合凇和凍結雪4種。運行中發現，導線覆冰都有特定的氣象條件，并非冬季每場雪、雨都會引起導線覆冰，只有當氣溫在0℃上下、相對濕度在80%以上、風速一般不超過10m/s（五級風）的氣象條件下，方可引起導線覆冰。覆冰還和地理條件有很大的關系，地形條件能促使“過冷卻”雨下降，其它如平原中的突出高地，暴露的丘陵頂峰及高海拔地區，迎風山坡覆冰相對較嚴重。

電線覆冰會對電力設備運行產生很大的影響。覆冰使輸電線機械負載增大，可能造成碰線、斷線和倒桿等事故，對電網安全運行造成很大威脅。

1 配電網融冰需求

配電自動化系統是當代配電網運行和管理的發展方向。同時，配電自動化系統是一個新興事物，在其建設之初，專家就將其設定為是一個開放式的系統，具有發展潛力的配電網運行和管理的自動化功能都可以融合于此。近年來國內各地區大都已經開展了配電自動化的建設與改造，在硬件設備和框架功能上已經構建了高水平的平臺。其通信系統、硬件平臺、軟件平臺等都可為實現融冰自動化工作所用。

由此可見，將融冰功能增設為配電自動化系統的重要應用，從現場而言十分必要，從技術而言存在可能性。本文通過對自動融冰單元和后臺系統的研究探討，進一步證明自動融冰是完全可行的。概括起來，自動融冰功能有以下特點：

1）覆冰的實時監測：通過監測單元的實時監測，在冰雪覆蓋時及早發現；同時對覆冰較為嚴重的線路和區段給出告警信息；

2）針對已有覆冰的在線控制策略：智能化地形成電網應對融冰的接線方式和具體倒閘操作方案；

3）覆冰的超前預測：通過監測單元的數據、地理信息和后臺軟件的綜合分析，給出覆冰的預想事故集；通過典型氣象預報，配合監測單元微氣候元件的預測，篩選出最為嚴重的線路或線路串鏈，提供融冰決策；針對可能融冰的預防控制策略：針對生成的可能的嚴重線路（串鏈），通過適當調整運行方式，避免覆冰的出現。

2 覆冰檢測原理

本文提出了三種基本的覆冰檢測方法和一種組合的覆冰檢測方法。

2.1 覆冰量檢測法

導線覆冰量的計算方法較多，包括Imai模型、Lenhard模型、Goodwin模型、Chaine模型和Makkonen模型等等。算法的基本思路是以有關氣象數據為依據，通過理論模型來預測雨霧淞覆冰荷載。本文采用一種簡單的計算模型。

覆冰檢測法的判據（Rule1）是：當ΔR＞Rlim，認為導線為覆冰狀態；當ΔR≤Rlim，認為導線無覆冰。

其中，ΔR為理論計算得出的導線覆冰厚度，Rlim為給定的門檻閾值。

2.2 覆冰臨界電流檢測法

研究與觀察表明，即使在同一氣候條件下，同一走廊上的導線覆冰也有差別，重負載線路覆冰較輕或不覆冰，而空載線路覆冰較重，避雷線與導線覆冰相比較，前者覆冰較多。顯然，這一現象與導線通過電流時的焦爾效應有關。焦爾熱使導線表面的溫度不同于環境溫度，因而造成導線表面覆冰條件變化，而這一變化是受導線覆冰過程中的傳熱控制的。在進行傳熱分析時，本文只考慮焦爾熱、輻射及對流換熱，分析清楚臨界電流就能夠根據調度運行方式來科學評估與預測導線覆冰的情況。

覆冰臨界電流檢測法的判據（Rule2）是：I＜Ic當時導線就會出現覆冰現象；當I≥Ic時導線無覆冰現象。

其中，I為導線運行的實際電流，可以通過FTU測到，Ic是導線覆冰臨界電流。

2.3 導線張力檢測法

架空導線在桿塔和懸掛點確定和特定氣候情況下，導線的垂弧是已知的。同時，導線的載荷也是已知的。根據力學平衡條件可知，導線任一點的水平張力等于導線最低點的張力；導線任一點的垂直張力等于該點到導線最低點之間導線的載荷；導線最低點只承受水平張力；導線張力最大點在導線兩端。

應用導線張力檢測的判據（Rule3）是：當gr-gt＞Δg時，導線出現覆冰；當gr-gt≤Δg時，導線無覆冰現象。

2.4 綜合（選舉）檢測法

上述三種方法判據從理論上講，都是正確的。但由于判據的數據來源不同、精度不同等原因，三種判據得出的結論有可能有出入，為此可以引用選舉制度進行覆冰檢測的綜合判據。記第i種判據為：

則綜合（選舉）檢測法判據（Rule4）為：Rule(4)≥2表示有覆冰現象；Rule(4)＜2表示無覆冰現象。

3 覆冰監控單元

典型的覆冰監控單元原理圖如圖1所示。圖中1、2為線路的起止節點，1為電源端，A、B為線路兩側斷路器，B’為背后斷路器，C為裝設在線路上的應力傳感器，D為設置在線路走廊上的氣象觀測點，E為電流互感器，F為可調節的并聯電抗器，G為融冰短路開關，H為覆冰監控單元。

圖1 典型的覆冰監控單元原理圖

應力傳感器的作用在于實時檢測線路所受應力。一般將應力傳感器裝設在架空線路桿塔之間，并靠近桿塔處，因為根據理論計算，該處的綜合應力值最大；線路上的應力傳感器可以分布式安裝在線路走廊的若干個桿塔間，以區別數十公里上線路覆冰情況的差異。

氣象觀測點在覆冰監測中作用非常重要，許多數據的分析都依此而獲得。在觀測點上可以測到溫度、濕度、風速、風向、雨量等有關信息。理論上氣象觀測點的設置也應該是分布式的，在數十公里的線路走廊上有選擇性的在地理位置與氣象的關鍵點上設置。應力傳感器也應與氣象觀測點有所對應。

電流傳感器在于監測線路的電流值，便于給出有效的覆冰判據，并在融冰過程中，監測融冰進度與效果。

接地開關是融冰自動化的重要和必要設備。當需要融冰時，接地開關投運；融冰結束時接地開關打開。接地開關必須裝設遙控功能。并聯電抗器的作用在于調節融冰電流于一個合適的區間之內，使得充分達到融冰效果，又不至于燒毀重要電氣設備。

覆冰監控單元的作用在于匯集有關傳感器（應力傳感器、電流互感器、氣象傳感器、電抗器位置、短路開關的狀態）信息，實時就地監測線路覆冰狀況，通過分析適時給出告警信息，適時調整并聯電抗器的數值，給出斷路開關繼電器閉合、斷開或閉鎖等信號。同時與配調中心進行良好的信息傳遞與溝通。

4 覆冰監控的后臺高級應用

從覆冰的判據研究方面，我們可以看出，覆冰是可以提前預測的。覆冰的預測可以分為短期預測和超短期預測。

短期覆冰預測是提前一天，根據氣象部門第二天的溫度、濕度、降雨和風力等預測信息，以歷史的覆冰與溫度、濕度、降雨、風力和地理位置的映射關系為依據，給出各條線路的覆冰預測情況。超短期覆冰預測則是提前數小時，充分利用氣象觀測站的數據，充分關注微氣象和微地形的影響，給出線路覆冰的預測情況。

在短期覆冰預測的方法上，可以采用多元回歸分析和人工神經網絡方法。其中人工神經網絡（ANN）作為一門新興的交叉學科，為揭示復雜對象的運行機理提供了一條新的途徑。在短期預測方面比較典型的是前向多層神經網絡，并采用EBP（Error Back Propagation）算法進行網絡訓練。因為此結構的神經網絡具有很好的函數逼近能力，通過對訓練樣本的學習，能很好地反映出對象的輸入/輸出之間的復雜的非線性關系，且不必預先知道輸入變量和預測值之間的數學模型，可以方便地計入溫度天氣情況濕度等對覆冰有重要影響的因素的作用。

覆冰預測的意義在于給運行方式的編制提供更加精確的依據，從運行上盡力避免覆冰現象的出現。在前面的覆冰臨界電流的分析中，我們知道，如果通過合理的運行方式調整，使線路的正常運行電流大于該線路的覆冰臨界電流，就可以避免覆冰檢測單元和短路開關等設備的動作，提高電力系統運行的安全性和經濟性。

5 覆冰監控的實例應用

多年來，覆冰現象給西部某供電公司造成很大損失。采用大電流融冰措施，實踐證明是可行的，并且降低了損失。近年來我們又開始探討具體措施來監測覆冰現象并有效采取自動融冰措施。在配電自動化系統中開發覆冰監控功能，在相關站點裝設覆冰檢測單元及相關傳感器，逐步完善后臺高級應用。

5.1 基本情況

以下利用某變電站變有關設備對35KV出線為例進行覆冰監控和融冰過程的介紹。

變電所主接線如圖2所示，1號主變壓器受110 kV固北I線電源，帶北郊變35 kV全部負荷、10 kV I段負荷及II段115、117負荷（用旁母帶），2號主變受110 kV固北II線電源帶覆冰電流，10 kV母聯100開關斷開。斷開北郊變3512王洼線開關及兩側刀閘，在變電所圍墻外與118開關的10 kV線路相連（虛線部分），在3512北王線21.88 km處三相金屬性短路，利用118開關將10 kV電壓送至3512北王線進行融冰。

圖2 北郊變電氣主接線示意圖

5.2 融冰理論計算與實測對比

5.2.1 短路電流理論計算

北郊10 kV母線阻抗標幺值1.881，三相短路點距電源端21.88 km，導線截面120mm2。

5.2.2 導線溫度校驗

北王線導線截面120mm2，按有關資料，當環境溫度為25℃時，導線溫度按70℃計，算導線長期允許電流為380 A，當環境溫度不足25℃時應乘以修正系數Kt

則導線在環境溫度-10℃時，長期允許電流為1.33×380=505 A，因為覆冰電流為482 A小于導線長期允許電流，所以融冰電流不會使導線溫度超過70℃，這樣對導線無任何損害。

5.2.3 融冰實測數值及效果

融冰前，10 kV系統電壓為10.9 kV，融冰期間10 kV系統電壓降為9.3 kV。短路電流A相實測為468 A，B相為444 A，C相為456 A，均與理論計算值接近。融冰期間導線溫度無測試。通電3次，共29min將導線150 mm厚度的覆冰全部融化脫落，線路導線完好無損。

5.2.4 注意事項

1）融冰線路帶電時，應由專人監視線路電流、10 kV電壓；

2）不論在操作還是正常融冰運行時，如變電所內設備發生異常，應立即斷開融冰線路開關。在融冰期應退出線路重合閘。

3）所有連接引線，包括短路點應連接可靠，防止局部發熱燒壞，防止主導線燒壞。

4）融冰時導線覆冰厚度不宜超過100mm，以免融冰時導線嚴重跳動。導線融冰時覆冰脫落引起導線跳動，會造成短路跳閘，應予注意。跳閘后停止5 min可再送一次，如不成功則不得再送，需查線處理。

5.2.5 預防措施

繪制出不同規格導線的臨界電流曲線，并對照每條線路冬季實際負荷電流，把小于臨界電流的線路定為輕載線路，作為預防的重點對象。如果屬于兩變電所間的聯絡線，可通過調度讓聯絡線帶負荷運行，并達到臨界電流以上。其他重要輕載線路，可采用增大無功電流的辦法，達到導線不覆冰的目標。具體方法：在輕載線路末端變電所母線上，裝設足夠容量的并聯電容器或電抗器。裝設后檢查流過導線電流大于臨界電流。根據天氣預報，在下雨、雪之前，提前將電抗器投入運行，雨、雪過后退出運行，經過實際運行發現達到了預防效果。

6 結語

覆冰監控功能有以下優點：

1）在導線覆冰和融冰處理上，變被動為主動，真正體現了“預防為主”的方針；

2）線路不停電，保證了供電可靠性；

3）操作比較方便，無須安排專門工作和人員；

4）盡管這種功能投資大，但隨著社會對電網可靠性要求的加強，綜合考慮實際情況，在配電自動化系統中引入本功能是一個必然選擇。

目前需要進一步做的工作有：充分加強對線路覆冰的危害性和在配電自動化系統中增設覆冰監控功能必要性的認識。

由于氣象部門對導線覆冰觀測設站少，觀測資料代表性差，無法移用，因而在導線冰區劃分及冰厚取值方面缺乏參考資料，使電網覆冰的預測和電網安全運行有很大難處。建議氣象部門與電力部門、通訊部門聯合，加強并完善該方面工作，以有效預防冰害事故。

（編輯：劉楠）

Analysis of Icing Monitoring and Melting Ice App lication in the Automation of Distribution Network in West China

Wang Huan
(Guyuan Power Supp ly Com pany of Ningxia Electric Power Com pany,State Grid, Guyuan City,Guyuan Ningxia 756000)

This article first to icemonitoring functions as an important function of power distribution automation is put forward,designed the ice detection hardware unit,explains the basic function of ice detection unit.On this basis,the analysis and the control strategy has been clear about the ice detection,discusses the setting of shunt reactor,melting ice integration and specific issues such as time delay setting.

distribution network;icingmonitoring;melting ice application

TM76

A

2095-0748(2016)24-0061-04

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.24.25

2016-11-28

王煥（1983—），女，寧夏銀川人，本科，國網寧夏電力公司固原供電公司運營監測中心監測員，電力系統工程師，主要從事電力系統電網、運營、服務監測工作。