趙瑞芹

(鄭州理工職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 454000)

當(dāng)前，電網(wǎng)事故發(fā)生幾率越來(lái)越高，電網(wǎng)事故與其他事故不同，其會(huì)加大電網(wǎng)供電負(fù)荷并嚴(yán)重?fù)p壞電網(wǎng)設(shè)施，對(duì)居民生活和社會(huì)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的影響[1]。因此，電網(wǎng)災(zāi)害的解決技術(shù)成為目前國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)課題。

在輸電線路災(zāi)害中，由山火引起的跳閘事故較為突出，其嚴(yán)重程度得到學(xué)者們的密切關(guān)注。對(duì)于山火引發(fā)的輸電線路跳閘事故，其監(jiān)測(cè)方法有圖像識(shí)別法、終端監(jiān)測(cè)法等[2]，這些方法雖然能夠起到一定的監(jiān)測(cè)作用，但是仍受多方面因素的限制。劉春翔等[3]提出基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸電線路災(zāi)害損傷評(píng)估方法，該方法未考慮空氣粒子的影響，評(píng)估結(jié)果不準(zhǔn)確。晏鳴宇[4]提出基于短期覆冰預(yù)測(cè)的電網(wǎng)災(zāi)害損傷評(píng)估方法，該方法缺少支路過(guò)載程度計(jì)算，評(píng)估過(guò)程不完善。激光雷達(dá)技術(shù)在監(jiān)測(cè)距離、圖像清晰度以及測(cè)量精度上具有較大的優(yōu)勢(shì)[5-6]，利用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)山火是有效進(jìn)行輸電線路災(zāi)害損傷評(píng)估的一個(gè)前提條件。因此，本文提出基于激光雷達(dá)的輸電線路災(zāi)害損傷評(píng)估方法，利用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)山火，通過(guò)線路負(fù)荷損失比等指標(biāo)構(gòu)建輸電線路災(zāi)害評(píng)估體系，為今后的電網(wǎng)災(zāi)情評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 基于激光雷達(dá)的輸電線路災(zāi)害損傷評(píng)估

1.1 輸電線路山火災(zāi)情監(jiān)測(cè)

輸電線路災(zāi)害損傷評(píng)估的前提條件是對(duì)災(zāi)情進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，為彌補(bǔ)目前輸電線路監(jiān)測(cè)方法的不足，利用激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行輸電線路山火監(jiān)測(cè)。

激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)輸電線路地區(qū)山火的原理是，激光束和煙霧粒子以及大氣分子間的相互作用，令激光雷達(dá)信號(hào)向前傳送和返回的能量發(fā)生改變[7-8]。當(dāng)監(jiān)測(cè)地區(qū)發(fā)生山火時(shí)會(huì)有大量煙霧產(chǎn)生，激光雷達(dá)發(fā)射的激光束信號(hào)遇到煙霧發(fā)生散射，散射后的返回信號(hào)傳送到監(jiān)測(cè)設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)中，系統(tǒng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)通過(guò)高速光子計(jì)數(shù)器獲取后載入計(jì)算機(jī)，利用反演運(yùn)算能夠得出煙霧的距離、濃度等信息，實(shí)現(xiàn)輸電線路山火監(jiān)測(cè)的目的[9]。圖1為激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)輸電線路山火原理示意圖。

圖1 激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)輸電線路山火原理示意圖

由圖1可知，激光器發(fā)出一條激光束脈沖，通過(guò)濾光鏡發(fā)射到空中，當(dāng)激光束脈沖經(jīng)過(guò)煙霧粒子時(shí)受到散射而衰減，它的后向散射信號(hào)被光學(xué)系統(tǒng)獲取，后向散射信號(hào)功率的激光雷達(dá)方程可表達(dá)為：

(1)

式中：Q(x)是光學(xué)系統(tǒng)獲取到的功率；x是激光監(jiān)測(cè)地與山火發(fā)生地的距離；Q0是激光發(fā)射功率；d是光速；ν是激光束脈沖寬度；δ(x)是后向散射系數(shù)；B(x)是接收系統(tǒng)面積；ε(x)是消光系數(shù)；其中，δ(x)與ε(x)的數(shù)值是未知的。依據(jù)Fernald算法，將激光雷達(dá)方程中的空氣粒子散射與煙霧粒子散射區(qū)分開來(lái)[10]，令ε代表煙霧粒子，n代表空氣粒子：

ε(x)=εa(x)+εn(x)；

(2)

δ(x)=δa(x)+δn(x)。

(3)

激光雷達(dá)方程反映了返回信號(hào)和被測(cè)物光學(xué)性質(zhì)間的函數(shù)關(guān)系，所以可利用激光雷達(dá)獲取的返回信號(hào)，求解激光雷達(dá)方程，從而得到煙霧信息[11-12]。由式(2)或(3)可以看出，該方程中包含以下未知量：空氣粒子和煙霧粒子后向散射系數(shù)δn(x)、δa(x)和消光系數(shù)εn(x)、εa(x)。因?yàn)榭諝饬Ｗ由⑸湟恢?，其散射系?shù)與消光系數(shù)可通過(guò)常規(guī)大氣數(shù)據(jù)得到。激光雷達(dá)方程中，煙霧粒子的相關(guān)系數(shù)δa(x)、εa(x)需依靠以下算法得到：

(4)

(5)

由式(4)或(5)可知，T2已知，T1未知。根據(jù)實(shí)際情況，波長(zhǎng)范圍在530 ～ 1 060時(shí)，T1的取值為40 ～ 50，以此可以求解煙霧粒子的散射系數(shù)δa(x)和消光系數(shù)εa(x)：

(6)

(7)

假設(shè)煙霧后向散射系數(shù)與消光系數(shù)比為50，即T1=50，那么：

εa(x)=50δa(x)。

(8)

利用激光雷達(dá)方程組得到散射系數(shù)δa(x)和消光系數(shù)εa(x)，經(jīng)過(guò)反演計(jì)算得到煙霧相關(guān)信息，進(jìn)而可以判斷輸電線路區(qū)域是否發(fā)生山火災(zāi)害[13]。

1.2 輸電線路災(zāi)害損傷評(píng)估體系的構(gòu)建

通過(guò)激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)到災(zāi)害后，根據(jù)獲取到的災(zāi)害數(shù)據(jù)，對(duì)輸電線路災(zāi)害損傷進(jìn)行評(píng)估[14]，建立與之對(duì)應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)體系。從支路過(guò)載程度、線路負(fù)荷損失比、用戶停電損失比等方面構(gòu)建輸電線路災(zāi)害損傷評(píng)估指標(biāo)體系。

(1)支路過(guò)載程度：

(9)

式中：γL是輸電線支路過(guò)載程度；n與N分別是未過(guò)載/過(guò)載支路總數(shù)；σk、σL是對(duì)應(yīng)支路的權(quán)重因子，代表支路的重要程度；Lk、LL是對(duì)應(yīng)的各支路電流；Lkmax、LLmax是支路電流最大值；γL為非負(fù)數(shù)，值越大代表過(guò)載程度越大。

(2)母線電壓越限程度：

(10)

式中：γV是母線電壓越限程度；c與C分別是未越限電壓母線數(shù)和母線總數(shù)；σk、σt是對(duì)應(yīng)母線的權(quán)重因子；Vk、Vt是對(duì)應(yīng)母線的電壓幅值；Vtmin是電壓限值。γV為非負(fù)數(shù)，值越大代表電壓越限程度越大。

(3)線路負(fù)荷損失比：

γs=Sloss/Smax。

(11)

式中：γs是輸電線路負(fù)荷損失比，是用于判斷電路災(zāi)害最準(zhǔn)確的指標(biāo)[15]；Sloss是災(zāi)害產(chǎn)生的損失負(fù)荷；Smax是預(yù)估電網(wǎng)最大負(fù)荷。

(4)關(guān)鍵負(fù)荷損失比：

(12)

式中：Fp是關(guān)鍵負(fù)荷損失比；m是損失的關(guān)鍵負(fù)荷數(shù)；n是關(guān)鍵負(fù)荷總數(shù)；Rg、Rl是第g、l個(gè)關(guān)鍵負(fù)荷功率；σg、σl是第g、l個(gè)關(guān)鍵負(fù)荷權(quán)重。不同程度負(fù)荷停止供電，對(duì)社會(huì)產(chǎn)生的損失是不同的，所以在輸電線路災(zāi)害損傷評(píng)估時(shí)分開處理[16]。

(5)停電人數(shù)比：

γT=Tloss/T。

(13)

式中:γT是停電人數(shù)比，它能夠反映輸電線路災(zāi)害的波及范圍；Tloss是遭到停電的總?cè)藬?shù)；T是該地區(qū)總?cè)藬?shù)。

(6)用戶停電損失比：

(14)

式中：γU是用戶停電損失比，Upre是預(yù)估供電量；gCCDF(y)是停電損失函數(shù)，代表停電時(shí)間與用戶損失的關(guān)系；Oj是停電損失負(fù)荷；yj是由災(zāi)害導(dǎo)致的停電次數(shù)。

(7)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力：

γN=(1.3cosφAre+Flr)/Floss。

(15)

式中：γN是負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力；cosφ是功率因子；Are是變壓器容量；Flr是輸電線路負(fù)荷傳送量；Floss是災(zāi)害損失負(fù)荷。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證激光雷達(dá)能否有效監(jiān)測(cè)輸電線路區(qū)域山火災(zāi)害，通過(guò)點(diǎn)燃木材的煙霧模擬輸電線路區(qū)域山火的煙霧，對(duì)距離激光雷達(dá)設(shè)備270 m、370 m、470 m、570 m位置的煙霧進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不同檢測(cè)點(diǎn)的煙霧效果存在較大的差異，為了驗(yàn)證基于激光雷達(dá)的煙霧災(zāi)害損傷評(píng)估方法的全面性，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)所提方法對(duì)不同位置處煙霧情況的檢測(cè)結(jié)果。為減少建筑物對(duì)激光束的影響，實(shí)驗(yàn)選在較為筆直的公路進(jìn)行。首先在距激光雷達(dá)設(shè)備570 m的位置點(diǎn)燃木材，設(shè)置激光的水平和垂直掃描范圍并開始掃描，將獲取到的信息傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將監(jiān)測(cè)到的煙霧信息實(shí)時(shí)反饋在軟件窗口中。由于激光的發(fā)射速度非常快，令計(jì)算機(jī)無(wú)法獲取到距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)30 m內(nèi)的煙霧信息，因此將30 m設(shè)為監(jiān)測(cè)盲區(qū)。得到的煙霧監(jiān)測(cè)信息如圖2～圖5所示。由圖2可知，在距監(jiān)測(cè)點(diǎn)570 m的位置監(jiān)測(cè)到一個(gè)振幅較大的脈沖波形，說(shuō)明該位置存在大量煙霧，令發(fā)射出去的激光束被大量散射回來(lái)，在實(shí)際應(yīng)用中能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)到的明顯脈沖波形，判斷輸電線路區(qū)域發(fā)生山火災(zāi)情。如圖3所示，以步長(zhǎng)為100 m向燃燒位置移動(dòng)，利用激光雷達(dá)進(jìn)行水平和垂直方向的掃描，監(jiān)測(cè)到距監(jiān)測(cè)點(diǎn)470 m位置存在一個(gè)明顯幅值的脈沖波形，說(shuō)明在此處激光束被大量散射回來(lái)，反映出此處具有大量煙霧。如圖4、圖5所示，以相同步長(zhǎng)向燃燒位置移動(dòng)，分別在距監(jiān)測(cè)點(diǎn)370 m、270 m位置發(fā)現(xiàn)較大振幅的脈沖波形，由此可知，在370 m、270 m位置存在大量煙霧。

圖2 距監(jiān)測(cè)點(diǎn)570 m處煙霧信息

圖3 距監(jiān)測(cè)點(diǎn)470 m處煙霧信息

以上四組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用基于激光雷達(dá)的輸電線路災(zāi)害損傷評(píng)估方法監(jiān)測(cè)輸電線路區(qū)域山火具有可行性和全面性，為輸電線路災(zāi)害損傷評(píng)估提供了必要的前提條件。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所提方法能夠在較大范圍內(nèi)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)輸電線路周邊發(fā)生的山火，為輸電線路的安全運(yùn)行提供了有效的保障。

2.2 案例分析

2007年我國(guó)北方遭遇了幾十年不遇的特大山火災(zāi)害，災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)造成了巨大損失，總計(jì)200多座變電所停電，幾十條高壓輸電線路共跳閘100余次，損失電量150 GWh。實(shí)驗(yàn)利用激光雷達(dá)技術(shù)監(jiān)測(cè)輸電線路區(qū)域山火災(zāi)害，以歷史數(shù)據(jù)中具有代表性的數(shù)據(jù)作為樣本集，驗(yàn)證本文的災(zāi)害評(píng)估方法的應(yīng)用性能。選擇溫度、降雪量、輸電線直徑等作為條件屬性，輸電線路負(fù)荷損失比等作為決策屬性(表1)。

圖4 距監(jiān)測(cè)點(diǎn)370 m處煙霧信息

圖5 距監(jiān)測(cè)點(diǎn)270 m處煙霧信息

災(zāi)害記錄溫度P1/℃降水量P3/mm風(fēng)速P4/(m/s)相對(duì)濕度P5/rh輸電線直徑P7/mm線路負(fù)荷損失比Q1/%綜合影響比Q2/%140.2475.57515.250.522.82302813.85646.100327.43016.22330.10.630.15432.43113.54513.65.142.31515.13312.34727.20.710.26626.33511.74221.85.312.05715.73412.15544.22.170.83838.53513.66211.49.24.52

將各屬性模糊化，每條屬性有兩個(gè)語(yǔ)言變量：低(L)、高(H)。根據(jù)所提方法得到每個(gè)屬性的隸屬度和非隸屬度如表2所示，這里的指數(shù)πi(x)符合πi(x)=-0.8μi(x)(μi(x)-1)的拋物線分布條件。

表2 隸屬度與非隸屬度

表3 決策規(guī)則表

根據(jù)表2數(shù)據(jù)利用所提方法得到?jīng)Q策屬性Q對(duì)條件屬性P的依賴度，設(shè)定屬性約簡(jiǎn)的截止條件為，這里取ε=0.3。經(jīng)屬性約減和值約簡(jiǎn)得到?jīng)Q策規(guī)則表3。

由表3可知，屬性約簡(jiǎn)結(jié)果為L(zhǎng)={P2,P3,P4,P5,P6}，冗余屬性為P1、P7。以第一、二條記錄為例，其含義為：第一條規(guī)則中只有P3、P5、P6影響決策屬性，該條規(guī)則代表當(dāng)降水量和相對(duì)濕度較大且輸電線直徑較小時(shí)，災(zāi)害對(duì)輸電線路的損傷程度較大。第二條規(guī)則中除了P2均影響決策屬性，它代表當(dāng)風(fēng)速較大，輸電線直徑較大時(shí)，災(zāi)害對(duì)輸電線路的損傷程度較小。最后，將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與歷史庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，匹配結(jié)果得到輸電線路山火災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)數(shù)值為0.39，則輸電線路災(zāi)害等級(jí)為一般，該等級(jí)與歷史災(zāi)后評(píng)估結(jié)果吻合。由此可見，所提輸電線路災(zāi)害損傷評(píng)估方法是可行的。

3 結(jié) 論

輸電線路災(zāi)害損傷評(píng)估的前提是災(zāi)害監(jiān)測(cè)，本文提出基于激光雷達(dá)的輸電線路災(zāi)害損傷評(píng)估方法，利用激光雷達(dá)技術(shù)監(jiān)測(cè)輸電線路區(qū)域山火煙霧，給出了激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)煙霧的原理及算法。實(shí)驗(yàn)采用所提方法監(jiān)測(cè)到了距監(jiān)測(cè)點(diǎn)270 ～ 570 m間的煙霧波形，所得數(shù)據(jù)表明運(yùn)用所提方法監(jiān)測(cè)輸電線路區(qū)域山火具有可行性。此外，本文的方法構(gòu)建了輸電線路災(zāi)害損傷評(píng)估體系，該體系可用于評(píng)估山火、雪災(zāi)等任何災(zāi)害對(duì)輸電線路的損傷。以山火災(zāi)害為例，實(shí)驗(yàn)評(píng)估中通過(guò)屬性約簡(jiǎn)降低災(zāi)害屬性的冗余度，通過(guò)匹配歷史數(shù)據(jù)得到評(píng)估指標(biāo)為0.39，確定災(zāi)害等級(jí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的方法能夠準(zhǔn)確評(píng)估輸電線路災(zāi)害損傷。