趙現(xiàn)平，周仿榮，馬儀，文剛，方明，馬御棠，黃然，錢國超，沈志，彭晶，金晶

（1.云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2.云南電網(wǎng)有限責任公司輸電分公司，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)全面上線運行，規(guī)劃到2025 年達到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)運維工作日益困難[5-6]。目前采用人巡+機巡協(xié)同方式，存在人員作業(yè)風(fēng)險高、工作條件復(fù)雜等問題突出[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、基本不受氣象條件限制、載荷多樣性等特點[8]。2017 年初云南電網(wǎng)已開始了利用衛(wèi)星技術(shù)開展輸電線路巡視研究工作。緊接著，云南電網(wǎng)牽頭編寫了衛(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)用場景。截止目前，云南電網(wǎng)已開展了基于衛(wèi)星技術(shù)的山火監(jiān)測、地質(zhì)沉降監(jiān)測、覆冰預(yù)測、應(yīng)急響應(yīng)、缺陷識別的研究及生產(chǎn)應(yīng)用。

本文首先針對電網(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、地質(zhì)沉降監(jiān)測、覆冰預(yù)測、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、準實時、大尺度、多載荷、高效率等特點，與傳統(tǒng)運維模式相比，其具有獨特的優(yōu)勢：

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

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

3）衛(wèi)星巡視頻次高、應(yīng)急指揮及時，且安全高效。將衛(wèi)星技術(shù)的優(yōu)勢與電網(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)域開展技術(shù)支撐工作。

在設(shè)備巡維領(lǐng)域方面：應(yīng)用可見光、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)對重大導(dǎo)線拋股、絕緣子自爆、桿塔傾斜、外破隱患、樹障等危害線路安全運行的缺陷識別。

在防災(zāi)減災(zāi)方面：基于氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進行提前30-60 分鐘的臺風(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。基于衛(wèi)星SAR 定期監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，可開展毫米級的電力設(shè)備本身及其附近區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測。

在安全管控領(lǐng)域方面：基于北斗地基增強系統(tǒng)的高精度的精密定位，可開展作業(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)險管控平臺。

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、動態(tài)、持續(xù)的監(jiān)測和記錄災(zāi)害進展和態(tài)勢，對地質(zhì)變化、臺風(fēng)路徑、洪水淹沒地區(qū)及電網(wǎng)受災(zāi)情況等進行勘測，從宏觀上初步估計受災(zāi)范圍、受災(zāi)程度、交通運輸狀況等信息給應(yīng)急指揮部門。

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，并針對當前電網(wǎng)亟需解決的問題開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、地質(zhì)沉降監(jiān)測、覆冰預(yù)測、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

山火檢測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?；瘘c是均質(zhì)表面劇烈的異常擾動現(xiàn)象。根據(jù)斯特潘-玻爾茲曼定律，在絕對黑體的表面上，單位面積發(fā)出的總輻射能(MT)與絕對溫度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會帶來總輻射能的顯著變化，衛(wèi)星傳感器通過捕捉地表輻射能的變化實現(xiàn)火點監(jiān)測。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λmax的乘積為一個常數(shù)：

高溫火點像元對應(yīng)的波長為中紅外（λmax約在4μm 處），而常溫像元對應(yīng)的波長熱紅外（λmax約在11μm 處）。根據(jù)火點檢測原理，火點檢測主要通過衛(wèi)星傳感器的中紅外與熱紅外的差異進行判斷。

因此，常規(guī)的通過公式（3）的組合即可檢測出火點。

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）通道亮溫數(shù)據(jù)（波段14,11.2μm）的差異值?；陂撝档囊盎鸹瘘c檢測方法中，由于溫度對環(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)測系統(tǒng)已實現(xiàn)了衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取、幾何校正、輻射定標、云層識別、火點檢測、GIS 疊加，短信推送全流程自動化完成。

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

2.2 地質(zhì)沉降監(jiān)測

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

圖1 InSAR幾何原理圖

對于SAR 雷達衛(wèi)星而言，其相位觀測值φ僅與天線到地面目標的距離以及地面目標后向散射特性有關(guān)。通常情況下，我們會忽略天線在發(fā)射和接收信號時的相位偏移，那么SAR 影像上S1和S2時刻上一個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的距離，即斜距；λ 為雷達波長；ε1和ε2為與地面目標的后向散射性質(zhì)有關(guān)的相位偏移；因為SAR 是往返測量所以單程距離的系數(shù)4π/λ。后向散射系數(shù)ε 是一個隨機分布的未知量，單幅影像上的相位值就沒有任何作用了。我們把測區(qū)內(nèi)兩幅不同時間的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參數(shù)來表示的，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，兩次成像過程中的傳播斜距差由五個部分組成：

式中，φflat表示平地相位；φtopo表示地形相位；φmov表示兩次成像期間目標點沿雷達視線向移動引起的相位變化；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，其中一幅是形變前的干涉圖像；然后通過差分處理，來獲取地表形變的測量技術(shù)。

目前常規(guī)的用于地質(zhì)沉降監(jiān)測的衛(wèi)星主要包括高分三號、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)星針對云南全省開展一次地質(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)沉降隱患點分布

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

1）某500 kV 線N76 號塔C 相掛點處塔材變形，經(jīng)測量顯示N76 號塔基礎(chǔ)A、B、C 腿基礎(chǔ)均發(fā)生了不均勻沉降，對N76 塔的安全穩(wěn)定運行造成嚴重隱患，調(diào)取了衛(wèi)星影像。對塔基礎(chǔ)不均勻沉降進行分析，發(fā)現(xiàn)了一定量級的沉降漏斗，在50 mm 左右波動，且在2020 年有持續(xù)下沉趨勢，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險很高。后續(xù)將針對此處桿塔開展遷改工作。

2）某110 kV 某線路39 號塔處發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，通過對2019-2020 年共計24 景哨兵衛(wèi)星影響因素數(shù)據(jù)的時序分析，通過衛(wèi)星監(jiān)測分析，110 kV 某線路39 號桿塔附近沉降量較大且存在沉降漏斗，年沉降量超過40 mm。

圖3 110 kV某線路39號塔周邊地質(zhì)沉降衛(wèi)星監(jiān)測分析

2.3 覆冰預(yù)測

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，這些均會影響預(yù)測的覆冰結(jié)果[9-11]。目前通常采用回歸分析是用來尋找若干變量之間的統(tǒng)計聯(lián)系關(guān)系的一種方法，利用所找到的統(tǒng)計關(guān)系對某一變量作出未來時刻的估計。利用回歸分析方法來分析多個氣象預(yù)報因子與覆冰值之間的相互關(guān)系建立回歸模型，最后通過回歸模型來對未來時刻的覆冰厚度作出預(yù)報估計。

一般來說，對抽取容量為n 的預(yù)報量y 與預(yù)報因子x 的樣本，假定預(yù)報量y 與p 個因子的關(guān)系是線性的，那么預(yù)報量的估計值y?與預(yù)報因子x 有如下關(guān)系：

其中b0,b1,…bp為回歸系數(shù)。對所有的預(yù)報因子xi，若全部回歸估計值y?i 與觀測值yi 的偏差最小，就認為方程所確定的預(yù)報值能最好的代表所有實測點的值，即：

就可以得到求回歸系數(shù)的標準方程組，如下：

覆冰預(yù)測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)過氣象影響因子數(shù)值與預(yù)測結(jié)果的對應(yīng)關(guān)系，通過統(tǒng)計分析得到。

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)每年都會出現(xiàn)覆冰情況，提前的預(yù)測覆冰情況對融冰裝置的提前配置起到了重要作用。云南電網(wǎng)也同步開展了基于氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的覆冰區(qū)域預(yù)測工作。

圖4 2018年某天昭通某地覆冰預(yù)測情況

2018 年12 月開始，開展昭通地區(qū)基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的電網(wǎng)覆冰預(yù)測功能模塊試運行。提前約15 小時發(fā)布昭通地區(qū)110 kV 及以上架空線路新增覆冰趨勢預(yù)測，覆冰預(yù)測準確率為65%。圖4 所示為2018 年某天昭通區(qū)域覆冰預(yù)測情況，藍色表示存在覆冰區(qū)域。

2.4 應(yīng)急響應(yīng)

當發(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)急開展災(zāi)害勘測評估時需采用衛(wèi)星應(yīng)急勘測的重大自然災(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，其可能對公司系統(tǒng)的設(shè)備、設(shè)施和生產(chǎn)活動造成破壞或影響。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；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。

圖5 衛(wèi)星勘測流程

并與航天部門建立了如下的衛(wèi)星勘測流程，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)報告。截止目前，已開展地震應(yīng)急響應(yīng)4 次，泥石流應(yīng)急勘察2 次，開展重大災(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

通過對比前后兩幅衛(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

因衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用于電力行業(yè)具有全天候、準實時、大尺度、多載荷、高效率等特點，與傳統(tǒng)運維模式相比，其具有獨特的優(yōu)勢，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，梳理了衛(wèi)星技術(shù)在電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用場景。

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