貴州地區(qū)導(dǎo)線覆冰關(guān)鍵影響因素研究

吳建蓉 張迅 方陽 吳瑀 盧金科

摘 要：電力系統(tǒng)作為最重要的國民生命系統(tǒng)之一，一直遭受著覆冰災(zāi)害的威脅。開展相關(guān)的輸電線路覆冰機(jī)理的研究對于提高易覆冰區(qū)域電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要意義。為此提出滑動灰關(guān)聯(lián)分析方法用于覆冰關(guān)鍵影響因素的分析。利用該方法分析了畢節(jié)局110kV威龍線現(xiàn)場覆冰的監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定了線路覆冰與微氣象條件之間的關(guān)系，并與灰色關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行了對比研究。結(jié)果表明：覆冰最關(guān)鍵的影響因素為溫度，其次為相對濕度，影響最小的是風(fēng)向。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)線覆冰;微氣象;灰色關(guān)聯(lián)度;關(guān)鍵影響因素;環(huán)境溫度

導(dǎo)線覆冰是微氣象、微地形、導(dǎo)線特性等多種因素共同作用的結(jié)果[1-4]。其中的微氣象是在微地形（山峰、溝壑、峽谷等）的影響下形成的小范圍內(nèi)氣象的特異性表現(xiàn)。但是在近年來的覆冰預(yù)測的研究中，模型輸入項(xiàng)的合理性問題并沒有引起研究者的重視。

本文通過輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取2019年12月20日至2019年12月22日期間畢節(jié)局110kV威龍線微氣象信息、導(dǎo)線覆冰厚度數(shù)據(jù)，分析該線路覆冰與環(huán)境溫度、相對濕度、風(fēng)速等因素之間的關(guān)系，基于灰關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算覆冰和環(huán)境參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，分析影響導(dǎo)線覆冰的關(guān)鍵影響因素，提出了分析覆冰關(guān)鍵影響因素的滑動灰色關(guān)聯(lián)分析方法，得出了覆冰的關(guān)鍵影響因素。

1 覆冰關(guān)鍵影響因素分析的數(shù)據(jù)來源

覆冰關(guān)鍵影響因素分析的數(shù)據(jù)來源是南方電網(wǎng)輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測輸電線路附近的環(huán)境狀態(tài)和導(dǎo)線狀態(tài)，為電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供了有力的保障。本文選取了2019年12月20日至2019年12月22日期間畢節(jié)局110kV威龍線微氣象信息、導(dǎo)線覆冰厚度等數(shù)據(jù)作為分析實(shí)例。下圖給出了覆冰期間的環(huán)境溫度、相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等信息，圖中t為時(shí)間。

2 灰關(guān)聯(lián)分析法

2.1 方法步驟

最后對灰色關(guān)聯(lián)結(jié)果進(jìn)行排序，關(guān)聯(lián)度最大值最硬的影響因素即為覆冰的關(guān)鍵影響因素。

2.2 實(shí)例分析——畢節(jié)局110kV威龍線

灰色關(guān)聯(lián)分析法的步驟，利用python軟件為工具計(jì)算110kV威龍線的環(huán)境溫度、相對濕度、風(fēng)向和風(fēng)速的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度。經(jīng)計(jì)算可得環(huán)境溫度、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速的關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為0.81050、0.80830、0.65520、0.75289。可知2019年12月20日至2019年12月22日期間畢節(jié)局110kV威龍線覆冰關(guān)聯(lián)度最大的是環(huán)境溫度，其后是相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向。

3 滑動灰關(guān)聯(lián)分析方法

3.1 分析步驟

滑動灰關(guān)聯(lián)分析步驟如下：

（1）選取覆冰有效數(shù)據(jù)序列。因輸電線路的覆冰數(shù)據(jù)量較大不便于分析，故需選取部分有效的完整覆冰過程數(shù)據(jù)作為樣本來進(jìn)行分析。所以選取的數(shù)據(jù)都是在現(xiàn)場覆冰穩(wěn)定狀態(tài)下的沒有缺失信息的數(shù)據(jù)。

（2）在指定滑動窗口內(nèi)進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析。假定某線路選取的樣本有N個(gè)覆冰數(shù)據(jù)，在窗口大小為n的情況下以步長d沿著時(shí)間序列向后滑動，每次求解窗口內(nèi)的部分樣本的灰色關(guān)聯(lián)度。

（3）每個(gè)窗口內(nèi)計(jì)算所得的灰關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序，關(guān)聯(lián)度最大的因素序列用1表示，其他因素序列用0表示。

（4）將原始關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣按行求和除以窗口數(shù)c，得到各個(gè)因素序列相對于系統(tǒng)特征序列（覆冰厚度）的關(guān)聯(lián)度。

3.2 實(shí)例分析——畢節(jié)局110kV威龍線

根據(jù)滑動灰色關(guān)聯(lián)分析法步驟，畢節(jié)局110kV威龍線的環(huán)境溫度、相對濕度、風(fēng)向以及風(fēng)速的覆冰關(guān)鍵影響因素計(jì)算結(jié)果如下表所示。

如上表所示覆冰關(guān)鍵影響因素計(jì)算結(jié)果中可以看出在覆冰開始的階段環(huán)境溫度對于覆冰的影響較大，前兩個(gè)窗口期的關(guān)鍵影響因素皆為環(huán)境溫度，此后階段中相對濕度、風(fēng)速成為限制覆冰的關(guān)鍵因素。隨著覆冰厚度的增加，環(huán)境溫度和相對濕度成為關(guān)鍵影響因素影響著覆冰過程。

綜合整個(gè)覆冰過程的各個(gè)窗口計(jì)算可得覆冰與環(huán)境溫度、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速的關(guān)聯(lián)度分別為0.88521、0.83985、0.59145、0.75289。該數(shù)據(jù)反映出在這個(gè)覆冰過程中覆冰關(guān)聯(lián)度最大的是溫度，風(fēng)向?qū)τ诟脖年P(guān)聯(lián)度較小。因此，環(huán)境溫度是此次覆冰過程中的關(guān)鍵影響因素。

4 兩種方法的誤差分析

上述兩種方法都取得了相同的灰色關(guān)聯(lián)序。灰色關(guān)聯(lián)分析可以認(rèn)為是滑動灰色關(guān)聯(lián)分析的一個(gè)特例。當(dāng)窗口大小為整個(gè)數(shù)據(jù)的長度的時(shí)候，滑動灰色關(guān)聯(lián)分析就轉(zhuǎn)變?yōu)榱嘶疑P(guān)聯(lián)分析。因此兩者取得的結(jié)果也十分相近。但是滑動灰色關(guān)聯(lián)分析通過窗口和滑動的方式能夠更加具體的得到各個(gè)階段的覆冰相關(guān)性。兩者之間關(guān)聯(lián)系數(shù)的差別主要來源于窗口內(nèi)部的最值與整體的最值是不同的。但是我們可以看到相對濕度在這個(gè)過程中是不變的，而環(huán)境溫度與覆冰的相關(guān)性明顯高于相對濕度。因此，滑動灰色關(guān)聯(lián)分析的結(jié)果中環(huán)境溫度與相對濕度的關(guān)聯(lián)系數(shù)差距大于灰色關(guān)聯(lián)分析中兩者的差距，更加符合實(shí)際。

5 分析覆冰關(guān)鍵影響因素的意義

了解輸電線路覆冰的成因及影響覆冰的各種因素，是為了更好地抵御覆冰給電力系統(tǒng)帶來的危害。本文應(yīng)用滑動灰色關(guān)聯(lián)分析和灰色關(guān)聯(lián)分析兩種方法對覆冰的關(guān)鍵影響因素進(jìn)行了研究。研究表明覆冰的關(guān)鍵影響因素是環(huán)境溫度。環(huán)境溫度下降的過程中，水汽由于溫度的下降而逐漸飽和。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到了覆冰的要求時(shí)，飽和的水汽成為了覆冰的重要來源，不斷附著到輸電線路上。滑動灰色關(guān)聯(lián)分析進(jìn)一步得出在完整的覆冰過程中，覆冰一段時(shí)間后，風(fēng)速成為覆冰的關(guān)鍵影響因素。在線路的路徑選擇過程中應(yīng)當(dāng)避開谷口、埡口、山的陰面等會進(jìn)一步加劇覆冰災(zāi)害嚴(yán)重程度的地形。根據(jù)不同的地形確定不同的線路走向，有效規(guī)避加劇覆冰的條件。根據(jù)線路各分段的覆冰氣候條件采用不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);采用高導(dǎo)電超耐熱鋁合金等超耐熱、特耐熱新型導(dǎo)線，提高導(dǎo)線運(yùn)行溫度，防止導(dǎo)線覆冰等。

6 結(jié)論

（1）本文在灰色關(guān)聯(lián)分析的理論基礎(chǔ)上，認(rèn)為在系統(tǒng)的研究中不同階段的研究對象具有不同的特征，進(jìn)一步將研究對象特征細(xì)化，提出了滑動灰色關(guān)聯(lián)分析法，并將其應(yīng)用于輸電線路覆冰系統(tǒng)分析中。

（2）由于覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)建立的時(shí)間較短，其取得的數(shù)據(jù)量較小。在線監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣，數(shù)據(jù)采集過程中受到的干擾較大，其獲得的數(shù)據(jù)灰度較大。因此，本文中提出了對上述情況適用性較好的滑動灰色關(guān)聯(lián)分析方法作為系統(tǒng)研究方法，并與灰色關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行對比研究。

（3）在進(jìn)一步對貴州電網(wǎng)線路覆冰進(jìn)行全面和系統(tǒng)的狀態(tài)評估和處置決策等應(yīng)用方面時(shí)，應(yīng)著重考慮環(huán)境溫度的影響，適當(dāng)考慮濕度與風(fēng)速的影響。

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