衛(wèi)星技術(shù)在云南電網(wǎng)應(yīng)用分析

趙現(xiàn)平，周仿榮，馬儀，文剛，方明，馬御棠，黃然，錢(qián)國(guó)超，沈志，彭晶，金晶

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司輸電分公司，昆明 650011）

0 前言

在衛(wèi)星技術(shù)領(lǐng)域方面，隨著遙感衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，其數(shù)量、分辨率、數(shù)據(jù)分析等已基本滿足電網(wǎng)應(yīng)用需求。我國(guó)在軌遙感衛(wèi)星約40 顆、通信衛(wèi)星25 顆，北斗系統(tǒng)全面上線運(yùn)行，規(guī)劃到2025 年達(dá)到88 顆民用衛(wèi)星[1-4]。

在電網(wǎng)領(lǐng)域方面，隨著電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)規(guī)模不斷擴(kuò)大，所處地理環(huán)境復(fù)雜多變且自然災(zāi)害頻發(fā)，致使電網(wǎng)運(yùn)維工作日益困難[5-6]。目前采用人巡+機(jī)巡協(xié)同方式，存在人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高、工作條件復(fù)雜等問(wèn)題突出[7]。

充分利用衛(wèi)星技術(shù)具有覆蓋范圍廣、重訪周期短、應(yīng)急指揮及時(shí)、基本不受氣象條件限制、載荷多樣性等特點(diǎn)[8]。2017 年初云南電網(wǎng)已開(kāi)始了利用衛(wèi)星技術(shù)開(kāi)展輸電線路巡視研究工作。緊接著，云南電網(wǎng)牽頭編寫(xiě)了衛(wèi)星技術(shù)研究專題指導(dǎo)方案，梳理了衛(wèi)星技術(shù)在電網(wǎng)領(lǐng)域中應(yīng)用場(chǎng)景。截止目前，云南電網(wǎng)已開(kāi)展了基于衛(wèi)星技術(shù)的山火監(jiān)測(cè)、地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)、覆冰預(yù)測(cè)、應(yīng)急響應(yīng)、缺陷識(shí)別的研究及生產(chǎn)應(yīng)用。

本文首先針對(duì)電網(wǎng)需求介紹了衛(wèi)星技術(shù)在電網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)景，其次介紹了云南電網(wǎng)基于衛(wèi)星技術(shù)的山火監(jiān)測(cè)、地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)、覆冰預(yù)測(cè)、應(yīng)急響應(yīng)應(yīng)用情況及效果分析。

1 衛(wèi)星技術(shù)在電網(wǎng)中應(yīng)用分析

因衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用于電力行業(yè)具有全天候、準(zhǔn)實(shí)時(shí)、大尺度、多載荷、高效率等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)運(yùn)維模式相比，其具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

1）衛(wèi)星監(jiān)測(cè)受氣象條件限制小，覆蓋范圍廣，可以實(shí)現(xiàn)全天候、大尺度的監(jiān)測(cè)；

2）遙感衛(wèi)星載荷多樣，可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信息的多源應(yīng)用，滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景；

3）衛(wèi)星巡視頻次高、應(yīng)急指揮及時(shí)，且安全高效。將衛(wèi)星技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與電網(wǎng)應(yīng)用需求相結(jié)合，梳理出了衛(wèi)星技術(shù)能夠在電網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域開(kāi)展技術(shù)支撐工作。

在設(shè)備巡維領(lǐng)域方面：應(yīng)用可見(jiàn)光、多光譜、高光譜、紅外、SAR 等高分辨率影像技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)重大導(dǎo)線拋股、絕緣子自爆、桿塔傾斜、外破隱患、樹(shù)障等危害線路安全運(yùn)行的缺陷識(shí)別。

在防災(zāi)減災(zāi)方面：基于氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進(jìn)行提前30-60 分鐘的臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴眼的追蹤，以及陸地空間分辨率為5 km 的智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)。基于衛(wèi)星SAR 定期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，可開(kāi)展毫米級(jí)的電力設(shè)備本身及其附近區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)。

在安全管控領(lǐng)域方面：基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的高精度的精密定位，可開(kāi)展作業(yè)區(qū)域的三維空間模型構(gòu)建和作業(yè)空間三維電子圍欄構(gòu)建，建立安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管控平臺(tái)。

在應(yīng)急指揮領(lǐng)域方面：將衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用到輸電通道災(zāi)情勘測(cè)中，借助其大范圍覆蓋功能，結(jié)合北斗系統(tǒng)的高精度、可靠定位導(dǎo)航服務(wù)，宏觀、動(dòng)態(tài)、持續(xù)的監(jiān)測(cè)和記錄災(zāi)害進(jìn)展和態(tài)勢(shì)，對(duì)地質(zhì)變化、臺(tái)風(fēng)路徑、洪水淹沒(méi)地區(qū)及電網(wǎng)受災(zāi)情況等進(jìn)行勘測(cè)，從宏觀上初步估計(jì)受災(zāi)范圍、受災(zāi)程度、交通運(yùn)輸狀況等信息給應(yīng)急指揮部門(mén)。

2 衛(wèi)星技術(shù)在云南電網(wǎng)應(yīng)用

云南電網(wǎng)充分利用衛(wèi)星技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并針對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)亟需解決的問(wèn)題開(kāi)展了大量的研究性工作，并且有些工作已經(jīng)支撐生產(chǎn)應(yīng)用，本文主要介紹目前云南電網(wǎng)在山火監(jiān)測(cè)、地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)、覆冰預(yù)測(cè)、應(yīng)急響應(yīng)（地震、泥石流）等應(yīng)用情況及效果分析。

2.1 山火監(jiān)測(cè)

山火檢測(cè)主要利用遙感影像的中紅外通道（MIR，3-5μm）和熱紅外通道（TIR，8-14μm）。使用的主要物理原理是普朗克定律、維恩位移定律和斯特潘-玻爾茲曼定律。火點(diǎn)是均質(zhì)表面劇烈的異常擾動(dòng)現(xiàn)象。根據(jù)斯特潘-玻爾茲曼定律，在絕對(duì)黑體的表面上，單位面積發(fā)出的總輻射能(MT)與絕對(duì)溫度T 的4 次方呈正比：

其 中，σ為 斯 特 潘- 玻 爾 茲 曼 常 數(shù)(5.67*108W/m2)。物體溫度的微小變動(dòng)會(huì)帶來(lái)總輻射能的顯著變化，衛(wèi)星傳感器通過(guò)捕捉地表輻射能的變化實(shí)現(xiàn)火點(diǎn)監(jiān)測(cè)。此外，維恩位移定律指出，黑體溫度T 與其輻射能峰值處波長(zhǎng)λmax的乘積為一個(gè)常數(shù)：

高溫火點(diǎn)像元對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為中紅外（λmax約在4μm 處），而常溫像元對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)熱紅外（λmax約在11μm 處）。根據(jù)火點(diǎn)檢測(cè)原理，火點(diǎn)檢測(cè)主要通過(guò)衛(wèi)星傳感器的中紅外與熱紅外的差異進(jìn)行判斷。

因此，常規(guī)的通過(guò)公式（3）的組合即可檢測(cè)出火點(diǎn)。

其中，TMIR表示Himawari-8 中紅外通道的 亮 溫 值（ 波 段7,3.9μm），TMIR－TTIR表示Himawari-8 中紅外（MIR）通道的亮溫值與熱紅外通道（TIR）通道亮溫?cái)?shù)據(jù)（波段14,11.2μm）的差異值。基于閾值的野火火點(diǎn)檢測(cè)方法中，由于溫度對(duì)環(huán)境的影響，閾值的設(shè)定取決于算法，最重要的是取決于地理區(qū)域。

云南電網(wǎng)采用了以葵花8 號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主、其它衛(wèi)星數(shù)據(jù)為輔的策略。云南電網(wǎng)山火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取、幾何校正、輻射定標(biāo)、云層識(shí)別、火點(diǎn)檢測(cè)、GIS 疊加，短信推送全流程自動(dòng)化完成。

2019 年1 月-6 月，衛(wèi)星預(yù)警251 起山火，核實(shí)存在山火146 起，準(zhǔn)確率為58.2%；2020年1 月-5 月，衛(wèi)星預(yù)警293 起山火，核實(shí)存在山火225 起，準(zhǔn)確率為76.8%。云南電網(wǎng)基于衛(wèi)星技術(shù)的山火監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障，同時(shí)不可忽略的是現(xiàn)在的山火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在大量的漏報(bào)情況，在后期的研究應(yīng)用中，在保證準(zhǔn)確率較高的情況下逐步降低漏報(bào)率。

2.2 地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)

地質(zhì)沉降是一個(gè)很緩慢的過(guò)程，常規(guī)的監(jiān)測(cè)手段很難及時(shí)有效發(fā)現(xiàn)，并且常規(guī)的地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)手段也只能針對(duì)極小區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而SAR 衛(wèi)星具有廣域監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，因此利用SAR衛(wèi)星進(jìn)行地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)是一種非常有效的方法。利用SAR 衛(wèi)星對(duì)地面目標(biāo)點(diǎn)P 進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)，從而獲得測(cè)區(qū)兩幅不同時(shí)間點(diǎn)上的SAR 影像，將獲得的兩幅雷達(dá)影像對(duì)應(yīng)像素的相位進(jìn)行相減得到相位差就是干涉相位圖的生成，這個(gè)過(guò)程就是對(duì)應(yīng)像素的復(fù)數(shù)數(shù)值進(jìn)行共軛相乘，如圖1 所示。

圖1 InSAR幾何原理圖

對(duì)于SAR 雷達(dá)衛(wèi)星而言，其相位觀測(cè)值φ僅與天線到地面目標(biāo)的距離以及地面目標(biāo)后向散射特性有關(guān)。通常情況下，我們會(huì)忽略天線在發(fā)射和接收信號(hào)時(shí)的相位偏移，那么SAR 影像上S1和S2時(shí)刻上一個(gè)像元的相位值可以分別表示為：

上式中r1和r2表示天線到地面目標(biāo)的距離，即斜距；λ 為雷達(dá)波長(zhǎng)；ε1和ε2為與地面目標(biāo)的后向散射性質(zhì)有關(guān)的相位偏移；因?yàn)镾AR 是往返測(cè)量所以單程距離的系數(shù)4π/λ。后向散射系數(shù)ε 是一個(gè)隨機(jī)分布的未知量，單幅影像上的相位值就沒(méi)有任何作用了。我們把測(cè)區(qū)內(nèi)兩幅不同時(shí)間的SAR 影像相位相減卻可以得到許多有用的信息。

干涉圖的干涉相位值可以表示為：星載差分干涉雷達(dá)假設(shè)是兩次成像分辨單位后向散射特性保持不變，即ε1=ε2，這種后向散射特性的變化是用相干性這個(gè)參數(shù)來(lái)表示的，干涉圖的相位值可以表示為：

通常，兩次成像單程傳播的距離差（r1-r2）的范圍在幾米到幾百米，兩次成像過(guò)程中的傳播斜距差由五個(gè)部分組成：

式中，φf(shuō)lat表示平地相位；φtopo表示地形相位；φmov表示兩次成像期間目標(biāo)點(diǎn)沿雷達(dá)視線向移動(dòng)引起的相位變化；φatm表示由大氣效應(yīng)引起的相位；φnoise表示由噪聲引起的相位。

DInSAR 技術(shù)是利用同一地區(qū)的復(fù)圖像對(duì)，其中一幅是形變前的干涉圖像；然后通過(guò)差分處理，來(lái)獲取地表形變的測(cè)量技術(shù)。

目前常規(guī)的用于地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星主要包括高分三號(hào)、Sentinel-1 衛(wèi)星、ALOS 等衛(wèi)星數(shù)據(jù)，云南電網(wǎng)目前主要采用的Sentinel-1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)。利用SAR 衛(wèi)星針對(duì)云南全省開(kāi)展一次地質(zhì)沉降普查工作是非常有必要的，基于2017年-2019 年Sentinel-1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)繪制了云南全省的地質(zhì)沉降分布圖。

圖2 云南省地質(zhì)沉降隱患點(diǎn)分布

將云南電網(wǎng)地質(zhì)沉降隱患點(diǎn)分布圖與35 kV及以上輸電線路進(jìn)行疊加得到影響輸電線路設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行隱患點(diǎn)累計(jì)1510 處。除此之外，還針對(duì)特定的隱患點(diǎn)開(kāi)展了專題分析，本文列舉了兩個(gè)具有典型代表的案例分析。

1）某500 kV 線N76 號(hào)塔C 相掛點(diǎn)處塔材變形，經(jīng)測(cè)量顯示N76 號(hào)塔基礎(chǔ)A、B、C 腿基礎(chǔ)均發(fā)生了不均勻沉降，對(duì)N76 塔的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重隱患，調(diào)取了衛(wèi)星影像。對(duì)塔基礎(chǔ)不均勻沉降進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了一定量級(jí)的沉降漏斗，在50 mm 左右波動(dòng)，且在2020 年有持續(xù)下沉趨勢(shì)，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)很高。后續(xù)將針對(duì)此處桿塔開(kāi)展遷改工作。

2）某110 kV 某線路39 號(hào)塔處發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，通過(guò)對(duì)2019-2020 年共計(jì)24 景哨兵衛(wèi)星影響因素?cái)?shù)據(jù)的時(shí)序分析，通過(guò)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)分析，110 kV 某線路39 號(hào)桿塔附近沉降量較大且存在沉降漏斗，年沉降量超過(guò)40 mm。

圖3 110 kV某線路39號(hào)塔周邊地質(zhì)沉降衛(wèi)星監(jiān)測(cè)分析

2.3 覆冰預(yù)測(cè)

輸電線路覆冰與氣象條件密切相關(guān)，氣象條件主要包括了溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等，這些均會(huì)影響預(yù)測(cè)的覆冰結(jié)果[9-11]。目前通常采用回歸分析是用來(lái)尋找若干變量之間的統(tǒng)計(jì)聯(lián)系關(guān)系的一種方法，利用所找到的統(tǒng)計(jì)關(guān)系對(duì)某一變量作出未來(lái)時(shí)刻的估計(jì)。利用回歸分析方法來(lái)分析多個(gè)氣象預(yù)報(bào)因子與覆冰值之間的相互關(guān)系建立回歸模型，最后通過(guò)回歸模型來(lái)對(duì)未來(lái)時(shí)刻的覆冰厚度作出預(yù)報(bào)估計(jì)。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)抽取容量為n 的預(yù)報(bào)量y 與預(yù)報(bào)因子x 的樣本，假定預(yù)報(bào)量y 與p 個(gè)因子的關(guān)系是線性的，那么預(yù)報(bào)量的估計(jì)值y?與預(yù)報(bào)因子x 有如下關(guān)系：

其中b0,b1,…bp為回歸系數(shù)。對(duì)所有的預(yù)報(bào)因子xi，若全部回歸估計(jì)值y?i 與觀測(cè)值yi 的偏差最小，就認(rèn)為方程所確定的預(yù)報(bào)值能最好的代表所有實(shí)測(cè)點(diǎn)的值，即：

就可以得到求回歸系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方程組，如下：

覆冰預(yù)測(cè)模型借鑒了上述多元線性回歸模型，其中公式中的xi代表氣象影響因子，包括溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等，公式中的y為預(yù)測(cè)的覆冰結(jié)果，公式中的b0，b1,…bp為回歸系數(shù)，是在訓(xùn)練階段，經(jīng)過(guò)氣象影響因子數(shù)值與預(yù)測(cè)結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得到。

在南方電網(wǎng)五省區(qū)范圍內(nèi)，云南電網(wǎng)也是覆冰重災(zāi)區(qū)，特別是昭通地區(qū)每年都會(huì)出現(xiàn)覆冰情況，提前的預(yù)測(cè)覆冰情況對(duì)融冰裝置的提前配置起到了重要作用。云南電網(wǎng)也同步開(kāi)展了基于氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的覆冰區(qū)域預(yù)測(cè)工作。

圖4 2018年某天昭通某地覆冰預(yù)測(cè)情況

2018 年12 月開(kāi)始，開(kāi)展昭通地區(qū)基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的電網(wǎng)覆冰預(yù)測(cè)功能模塊試運(yùn)行。提前約15 小時(shí)發(fā)布昭通地區(qū)110 kV 及以上架空線路新增覆冰趨勢(shì)預(yù)測(cè)，覆冰預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為65%。圖4 所示為2018 年某天昭通區(qū)域覆冰預(yù)測(cè)情況，藍(lán)色表示存在覆冰區(qū)域。

2.4 應(yīng)急響應(yīng)

當(dāng)發(fā)生氣象災(zāi)害、地震災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害、洪水災(zāi)害等，云南電網(wǎng)決定需啟用衛(wèi)星應(yīng)急開(kāi)展災(zāi)害勘測(cè)評(píng)估時(shí)需采用衛(wèi)星應(yīng)急勘測(cè)的重大自然災(zāi)害包括云南省內(nèi)發(fā)生的預(yù)期影響比較大的地震災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害、洪水災(zāi)害等，其可能對(duì)公司系統(tǒng)的設(shè)備、設(shè)施和生產(chǎn)活動(dòng)造成破壞或影響。氣象災(zāi)害：發(fā)生大暴雨（雪）、中度及以上龍卷風(fēng)等氣象災(zāi)害；地震災(zāi)害：發(fā)生5級(jí)以上地震；地質(zhì)災(zāi)害：發(fā)生較大的山體崩塌、滑坡、泥石流時(shí)；洪水災(zāi)害：在大暴雨等氣象災(zāi)害的作用下，發(fā)生洪水災(zāi)害的可能性較高時(shí)。

圖5 衛(wèi)星勘測(cè)流程

并與航天部門(mén)建立了如下的衛(wèi)星勘測(cè)流程，確保在發(fā)生氣象災(zāi)害、地震災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害、洪水災(zāi)害等災(zāi)害后能夠在24 h 獲取受災(zāi)區(qū)域的衛(wèi)星影像以及受災(zāi)報(bào)告。截止目前，已開(kāi)展地震應(yīng)急響應(yīng)4 次，泥石流應(yīng)急勘察2 次，開(kāi)展重大災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)演練6 次。

圖6 某縣城震前/震后衛(wèi)星影像

通過(guò)對(duì)比前后兩幅衛(wèi)星影像，判斷地震未給電網(wǎng)設(shè)備造成影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

因衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用于電力行業(yè)具有全天候、準(zhǔn)實(shí)時(shí)、大尺度、多載荷、高效率等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)運(yùn)維模式相比，其具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，本文從電網(wǎng)需求角度分析，并結(jié)合衛(wèi)星技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，梳理了衛(wèi)星技術(shù)在電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景。

除此之外，還介紹了基于衛(wèi)星技術(shù)的山火監(jiān)測(cè)、地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)、覆冰預(yù)測(cè)、應(yīng)急響應(yīng)等方面在云南電網(wǎng)應(yīng)用情況，通過(guò)以上應(yīng)用案例均證明了將衛(wèi)星技術(shù)用于山火監(jiān)測(cè)、地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)、覆冰預(yù)測(cè)、應(yīng)急響應(yīng)等方面均是可行的。