輸電線路防覆冰預測監測及融冰技術在北京冬奧保電中的應用

王雅妮，葉寬，周愷，蔡瀛淼，張睿哲，李春生

（國網北京電力科學研究院，北京 豐臺 100075）

隨著全球氣候變暖，平流層的升溫，減弱南北極極地渦旋，冷空氣外溢到低緯度地區，近兩年我國受冷空氣沖擊，極端雨雪冰凍災害頻發，中國降水帶北移，北京地區覆冰風險越來越高。面對極端天氣和自然災害逐年多發的嚴峻趨勢，可預見2022年冬奧保電輸電線路防覆冰工作將肩負更大的責任、面臨更大的挑戰。此次冬奧會對覆冰預測、監測技術準確度要求高、穩定性要求強、有精準化預測監測覆冰的需求，因此，研究輸電線路覆冰監測、預測、融冰新技術在冬奧保電中的應用，助力冬奧成功舉辦，此項工作刻不容緩，意義重大。

1 輸電線路覆冰預測技術

輸電線路覆冰技術基于精細化微氣象數據（1 km×1km）和微地形數據，確定覆冰預測模型算法的邏輯與框架，并結合深度學習的方法，構建覆冰預測模型，結合北京區域歷史覆冰數據，對模型進行迭代優化，最終構建了適用于北京地區的輸電線路精準化覆冰預測模型，可實現全北京地區未來24～72 h輸電線路覆冰風險的精準預測、覆冰厚度（mm級）的精準預測。

1.1 輸電線路覆冰預測技術算法模型

基于多要素衛星遙感提取的覆冰預測模型利用隨機森林（RF）算法選擇影響覆冰的最主要因素，并采用多核相關向量機方法，建立深度學習覆冰預測模型。

首先，獲取并處理與輸電線路覆冰相關的歷史數據，包括遙感數據和現場覆冰厚度數據。遙感數據包括時序數據和非時序數據兩種類型，時序數據包括濕度、溫度、風速、風向、天氣等，非時序數據包括輸電線路下墊面信息、線路位置信息、坡度和坡向信息等。

然后構建時序數據和非時序數據與現場覆冰厚度數據的映射關系，建立適用于北京地區的隨機森林-多核相關向量機（RF-MKRVM）組合架空線路覆冰預測模型。

最后，根據覆冰預測結果判定覆冰災害風險區域，將覆冰預測結果和覆冰災害風險區域反饋給現場巡查部門進行驗證，利用現場反饋信息調整模型參數，升級優化覆冰預測模型，并融合北京地區歷史覆冰數據、地面氣象數據（溫濕度、風速風向、凝結高度、降水量）、桿塔位置特征（海拔、微地形）等數據，完善針對北京地區的衛星遙感覆冰預測模型，如圖1所示。優化后，模型準確度已達到80%及以上，并實現了mm級覆冰厚度預測。

圖1 覆冰監測的技術流程

1.2 輸電線路覆冰預測技術應用效果

自11月1日模型優化以來，如表1所示，北京電網輸電線路實際發生覆冰3次，均成功預測。3次覆冰分別持續2天、3天和1天，其中5天成功預測，1天未能預測，預測準確率達83.33%。漏報率16.67%。預測模型共計預測覆冰6天，其中5天實際監測到覆冰，一天未發生覆冰，誤報率16.67%。

表1 覆冰預測情況統計表

考慮所有發生覆冰和未發生覆冰的天數，從2021年11月1日—2022年2月22日共計114天，成功預測覆冰情況112天，準確率高達98.25%。

2 輸電線路覆冰監測技術在冬奧會中的應用

基于OPGW的輸電線路分布式光纖覆冰監測技術研究與應用工作，通過安裝在變電站內的監測主機發射脈沖激光進入OPGW的一芯冗余光纖中，依據不同覆冰狀態下OPGW中光纖內部的脈沖激光的散射光特征變化，利用監測主機解析散射光特征得到OPGW的應力和振動狀態，通過信號解調和高精度算法識別線路覆冰區段并給出導地線實時等值覆冰厚度。具有以下3個優點：利用電力通信光纜內部冗余光纖做傳感器，抗電磁干擾強。解析裝置安裝在變電站內，運行環境良好，設備穩定性高。實現了全線路覆冰監測，完成了監測范圍由點到面的突破。

基于分布式光纖覆冰監測技術已在北京電網15條嚴重覆冰輸電線路全線路覆蓋，涵蓋所有易覆冰冬奧會重點保障線路。

自覆冰監測系統應用以來，該技術能夠實現全線路逐檔距等值覆冰厚度的實時監測，并提供全線路覆冰狀態風險預警，向線路運維人員提供存在覆冰風險區段的準確位置和實時數據，集線路覆冰狀態監測、風險區段定位于一體，為指導電網抗冰工作提供有力支撐。

在冬奧會測試賽、正賽期間，通過全線路覆冰預測、監測，系統能夠有效指出覆冰風險區段，有效指導線路穩定安全運行，為冬奧保電提供堅強有力的技術支撐，監測情況如表2所示。

表2 覆冰監測情況記錄表

3 輸電線路融冰技術

輸變電線路直流融冰技術的主要工作原理是通過整流使輸電導線流過一個很大的直流電流，該直流電流超過導線正常的工作電流，引起導線發熱，從而使附著在導線上的冰、雪、霧凇等融化脫落，達到除冰的目的。

與交流融冰技術相比，直流融冰技術需要電網提供的融冰電源容量小、不需無功補償裝置、無須考慮線路阻抗匹配和進行復雜的倒閘操作，在直流融冰裝置足夠的情況下，可對多覆冰地區、多覆冰線路同時進行作業，效率較高。

在設計方案時，直流融冰裝置額定參數選取方法為根據國標GB/T 31487.1—2015《直流融冰裝置第1部分：系統設計和應用導則》附錄A及附錄B，選取直流融冰裝置設計的電流，同時考慮線路電阻確定需要的直流電壓，并留取一定的裕度。根據直流融冰裝置額定參數選取整流變壓器參數，并根據現場勘查情況，確定融冰裝置的布置方案。

根據GB/T 31487.1—2015《直流融冰裝置第1部分：系統設計和應用導則》，4×JL/G1A-400/35融冰電流為3475 A。（覆冰厚度10 mm，環境溫度-5℃，風速5 m/s）。八達嶺—西白廟需要的融冰電流最大為3475 A，決定了直流融冰裝置設計的電流，同時考慮線路電阻決定了需要的直流電壓，八達嶺—西白廟線路需要的直流電壓為1.65 kV，考慮到留取一定的裕度，直流融冰裝置額定電流選為3600 A，額定電壓選取為2 kV。直流融冰裝置額定參數如表3和表4所示。

表3 八達嶺站直流融冰參數

表4 八達嶺站直流融冰變壓器參數

采用一臺整流變加6脈動晶閘管可控整流的方案，原理圖如圖2所示。

圖2 八達嶺站直流融冰原理圖

圖3 融冰裝置站內布置示意圖

移動融冰采用兩輛標準承載卡車承載融冰裝置，其中一輛車用于承載融冰變壓器，一輛車用于承載融冰整流裝置，融冰裝置的交流輸入和直流輸出電纜提前預鋪在站內，做好電纜頭，在融冰的時候可以快速接入。兩輛車的尺寸約為10 m×2.5 m×4 m。

將融冰設備集成在承載卡車上，可以方便快速的在不同變電站移動，不占用變電站的空間。在八達嶺站需要融冰的時候，將融冰車開入站內巡檢通道上，通過電纜將融冰車臨時連接在融冰間隔和待融冰線路上，在非融冰時間，則將車開出變電站。

4 結束語

覆冰前，通過覆冰預警系統，發布未來3天覆冰預測信息；覆冰時，通過分布式光纖覆冰監測系統；覆冰后，開展實時覆冰監測業務，通過直流融冰技術，覆冰故障后第一時間開展故障搶修工作，從面、線、點構建立體式防覆冰預測監測系統，為冬奧會保電提供技術支撐。