廣東寶慶建設(shè)工程有限公司 郭環(huán)宙

1 智慧電力系統(tǒng)設(shè)計

1.1 智慧電力設(shè)計的要求

隨著電力在社會終端能源消費占比的提高，提高輸配電線路運行穩(wěn)定性和可靠性，對于保證社會的電力可靠供應(yīng)具有重要的意義。近年來，冰雪等惡劣氣候?qū)斉潆娋€路帶來了較大的考驗，在惡劣天氣條件下，極易發(fā)生線路倒塔、短路、舞動或者是冰閃等線路事故，并可能會引發(fā)大面積停電。為此，在現(xiàn)代輸配電系統(tǒng)設(shè)計中，可以采用智慧電力的設(shè)計理念，提高輸配電線路設(shè)計水平。在智慧電力設(shè)計當(dāng)中，應(yīng)遵循輸配電線路的基本設(shè)計導(dǎo)則，對各種惡劣氣候條件進行深入調(diào)研和分析，并采用智能化方法準(zhǔn)確預(yù)測出可能會出現(xiàn)的風(fēng)險，從而有針對性地在線路設(shè)計階段就采取相應(yīng)的預(yù)防性措施，達到智慧電力設(shè)計的目的。

1.2 智慧電力設(shè)計技術(shù)現(xiàn)狀

在目前實際運行的輸電線路中，都是根據(jù)以前頒布的輸電線路設(shè)計導(dǎo)則進行施工建設(shè)的，但以前采用的較多舊設(shè)計導(dǎo)則現(xiàn)如今已經(jīng)廢止。同時，在以往的輸電線路設(shè)計中，對各種復(fù)雜的氣象條件也沒有考慮得很充分，包括風(fēng)、覆冰、雪、雨等，導(dǎo)致后續(xù)輸電線路在實際運行中遇到問題。輸電線路在這些復(fù)雜氣象條件下運行，都會增加輸電線路所承受的載荷，故在現(xiàn)有輸電線路中出現(xiàn)過因大風(fēng)而導(dǎo)致輸電線路鐵塔倒塔，或者是因覆冰導(dǎo)致鐵塔倒塔等事故[1]。這些實際輸電線路事故表明，按照以往的設(shè)計規(guī)范所設(shè)計的線路存在著較大的安全運行風(fēng)險，降低輸電線路的運行安全水平，存在著薄弱環(huán)節(jié)，需要對輸電線路中的薄弱環(huán)節(jié)進行辨識。目前，智慧電力設(shè)計技術(shù)應(yīng)用深度還有待提高，需要進一步加強智能化技術(shù)和電力設(shè)計技術(shù)之間的深度融合。

1.3 智慧電力管理的應(yīng)用趨勢

隨著電力生產(chǎn)智能化水平的提高，智能化管理技術(shù)可以滲透到輸電、變電、配電和用電等多個不同的環(huán)節(jié)當(dāng)中。本文著重分析利用智能化技術(shù)，來強化電力線路的設(shè)計，從而使得所設(shè)計的方案能夠具有一定的前瞻性。同時，智慧電力管理是今后電力行業(yè)的主流發(fā)展方向，對于提高企業(yè)的精細化管理水平將具有重要的促進意義。

2 電力線路設(shè)計中的覆冰影響分析

2.1 電力線路覆冰發(fā)生的原因

根據(jù)線路覆冰形成機理的不同，電力線路發(fā)生覆冰的種類主要包括了雨凇、霧凇、雪凇以及混合凇等。首先對于霧凇，當(dāng)電力線路的溫度低于零點時，濃霧就會附著在電力線路上，并形成放射狀的晶體，如圖1所示，更容易出現(xiàn)在一些氣候較為濕潤的地區(qū)。

圖1 電力線路出現(xiàn)霧凇情況

其次是雨凇，當(dāng)直徑較大的雨降落到電力線路上，會在線路的表面出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，其附著力強，對電力線路的危害也較大。再次是雪凇，雪花可以直接在電力線路上附著，同時還存在著濕化的現(xiàn)象，形成濕雪覆冰。最后是混合凇，即同時存在上述幾種覆冰情況，是幾種覆冰的結(jié)合體。

2.2 電力線路覆冰的危害

經(jīng)過對當(dāng)前輸電線路運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)對輸電線路危害較大的影響因素為冰雪天氣，在冰雪天氣下輸電線路發(fā)生事故的次數(shù)最多。冰雪條件下，對輸電線路的危害主要表現(xiàn)為以下幾點：一是當(dāng)輸電線路上發(fā)生覆冰情況時，覆積厚度會越來越厚，給輸電線路增加了較大的載荷，運行壓力不斷提高。當(dāng)厚度達到一定程度時，最終超過輸電線路所能夠承受的最大載荷，導(dǎo)致出現(xiàn)輸電線路鐵塔倒塔或者是桿塔被壓彎等情況[2]。同時，由于在輸電線路上附著了較厚的冰塊，故當(dāng)輸電線路在受到大風(fēng)的影響時，更容易導(dǎo)致輸電線路出現(xiàn)倒塔情況，或者是輸電線路發(fā)生嚴(yán)重的搖晃現(xiàn)象。

二是輸電線路在冰雪條件下會容易發(fā)生污閃情況，為了避免輸電線路出現(xiàn)閃絡(luò)的情況，需要加強對輸電線路中污穢的定期清理，并且對覆冰厚度加以控制，才能夠避免覆冰對輸電線路運行造成的影響。

三是在冰雪條件下輸電線路容易發(fā)生接地短路事故。當(dāng)覆冰厚度較高時，此時輸電線路的整體重量也會得到明顯增加，如果線路出現(xiàn)了斷線則就造成了接地短路事故。

四是輸電線路壓垮問題，當(dāng)輸電線路某個部位的覆冰情況較為嚴(yán)重時，此時會導(dǎo)致輸電線路在耐張端出現(xiàn)張力不平衡的情況，此時輸電線路中的耐張桿塔就容易發(fā)現(xiàn)向一側(cè)傾倒的事故，進而發(fā)展為整條輸電線路倒塌的事故。

2.3 覆冰對電力線路設(shè)計的影響

在電力線路的設(shè)計過程中，需要考慮當(dāng)?shù)氐牡匦螚l件，還需要考慮到當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，如果當(dāng)?shù)卮嬖诟脖闆r，則對電力設(shè)計也應(yīng)提高要求。覆冰對電力線路設(shè)計的影響主要表現(xiàn)在以下幾點：一是出現(xiàn)覆冰情況的地段一般海拔較高，并且是位于山區(qū)，給氣象數(shù)據(jù)觀測帶來較大的困難，并且對覆冰的厚度也難以確定，使得難以準(zhǔn)確確定抗冰的等級[3]。二是由于覆冰會增加電力線路的重量，故在實際的電力設(shè)計當(dāng)中，需要對電力線路采取加固技術(shù)手段，從而提高電力線路的機械強度。三是覆冰可能會使得相鄰導(dǎo)線之間出現(xiàn)閃絡(luò)，甚至可能會引起絕緣子脫落的情況，這也是需要在電力線路設(shè)計中加以考慮的影響因素。

3 電力線路設(shè)計中的覆冰風(fēng)險預(yù)測分析

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴大，輸電線路所覆蓋的區(qū)域也越來越廣，所面臨的氣象條件也越來越復(fù)雜，如果輸電線路應(yīng)對如強風(fēng)、雨雪等惡劣天氣的能力較為不足，在實際中則容易出現(xiàn)輸電線路倒塔或者斷線等事故。為此，本文研究分析了在復(fù)雜氣象條件下，對輸電線路中覆冰風(fēng)險進行預(yù)測及辨識方法，并且介紹了對這些覆冰風(fēng)險加以應(yīng)對的技術(shù)措施，從而可以有效提高輸電線路應(yīng)對各種氣象的能力，保證電力的安全生產(chǎn)。

3.1 覆冰風(fēng)險預(yù)測模型的構(gòu)建

可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來建立覆冰風(fēng)險預(yù)測模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的類型較多，如BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，不同類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，在實際計算中流程有所不同，本文以BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為例，分析覆冰風(fēng)險預(yù)測模型的構(gòu)建。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)當(dāng)中，包括了多個不同的神經(jīng)元，從結(jié)構(gòu)上可分為輸入層、隱含層和輸出層等三個不同的數(shù)據(jù)計算層次，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過隱含層的處理之后，再經(jīng)過輸出層，得出具體的計算結(jié)果，其中對于輸入層，可以選取關(guān)鍵的特征量作為輸入元素，圖2為利用氣象參數(shù)建立線路覆冰模型結(jié)構(gòu)圖。

圖2 利用氣象參數(shù)建立線路覆冰模型

在電力線路覆冰預(yù)測模型當(dāng)中，自變量為線路當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速等，這些數(shù)據(jù)可以從當(dāng)?shù)氐臍庀缶謥慝@取。因變量為線路是否覆冰，用1來表示有覆冰情況，用0來表示無覆冰情況。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)當(dāng)中的輸入層、隱含層和輸出層等樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練，就可以得出電力線路在某一時刻發(fā)生覆冰風(fēng)險的概率，并采用下式進行表示：

式中：P 表示某一時刻電力線路發(fā)生覆冰風(fēng)險的概率；N 表示樣本數(shù)據(jù)總數(shù)；n 表示樣本總數(shù)中可能出現(xiàn)覆冰風(fēng)險的樣本數(shù)。

3.2 覆冰風(fēng)險預(yù)測模型的求解流程

當(dāng)建立好電力線路覆冰風(fēng)險預(yù)測模型之后，還需要按照所規(guī)定的流程進行求解，保證所得到的電力線路覆冰風(fēng)險預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，圖3為覆冰風(fēng)險預(yù)測模型的求解流程。

圖3 覆冰風(fēng)險預(yù)測模型的求解流程

從圖3分析中可知，在對電力線路覆冰風(fēng)險進行預(yù)測前，需要先對氣象數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，這樣才方便后期預(yù)測程序?qū)?shù)據(jù)的計算。并且在預(yù)處理過程中，還可以將一些壞數(shù)據(jù)加以剔除，從而提高電力線路覆冰風(fēng)險預(yù)測的準(zhǔn)確度。

對某電力企業(yè)11個項目的電力線路設(shè)計數(shù)據(jù)進行分析，并將數(shù)據(jù)輸入到電力線路覆冰風(fēng)險預(yù)測模型當(dāng)中，經(jīng)過計算，所得出的風(fēng)險預(yù)測值如圖4所示。

圖4 電力線路覆冰風(fēng)險的預(yù)測值

一般輸配電線路的電壓等級越低，則線路抗冰性能越弱，需要在抗冰能力較弱的區(qū)段采取加固措施。

4 電力線路設(shè)計中覆冰風(fēng)險的應(yīng)對措施分析

為了提高電力線路的抗冰水平，需要采取必要的措施加以應(yīng)對，下文具體分析優(yōu)化電力線路路徑、縮短耐張段的長度、電力線路典型塔的加固補強等措施。

4.1 優(yōu)化電力線路路徑

在電力線路的設(shè)計過程中，可以優(yōu)化電力線路所經(jīng)過的路徑，盡量避開覆冰高風(fēng)險區(qū)域。同時，在高山的風(fēng)口處，由于該區(qū)域的溫度一般偏低，并且風(fēng)力相對較強，容易在電力線路上出現(xiàn)覆冰的情況，覆冰的厚度也相對較大，故有必要繞過該區(qū)域。如果有樹木倒下，也會導(dǎo)致電力線路出現(xiàn)斷線情況。

4.2 縮短耐張段的長度

縮短耐張段的長度，也是提高電力線路抗冰能力的重要措施。一般在電力線路設(shè)計過程中，對于輕冰區(qū)域，耐張段的長度應(yīng)該在10km 的范圍內(nèi)，對于中冰區(qū)域，應(yīng)該在5km 的范圍內(nèi)，對于重冰區(qū)，應(yīng)該在3km 的范圍內(nèi)，按照這個原則進行設(shè)計，可以有效保障電力線路的運行安全。

4.3 電力線路典型塔的加固補強

對輸電線路典型塔采取措施進行加固補強，是提高電力線路堅強性的關(guān)鍵措施。對輸電線路典型塔的優(yōu)化加固，包括對輸電線路桁架結(jié)構(gòu)的截面進行優(yōu)化加固、拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化加固以及桁架結(jié)構(gòu)的形狀進行優(yōu)化加固等。以桁架結(jié)構(gòu)的截面進行優(yōu)化加固為例進行分析，其屬于組合優(yōu)化技術(shù)范疇，即從各類輸電線路截面組合方案中，需要最佳的截面組成方案[4]。當(dāng)輸電線路較長，涉及的優(yōu)化變量數(shù)較多時，此時截面的組合數(shù)也快速增長，屬于大規(guī)模的組合優(yōu)化問題。為此，可以利用蟻群算法來處理這類大規(guī)模優(yōu)化問題，該算法能夠較好地處理眾多的優(yōu)化變量和規(guī)模較大的可行解數(shù)量，其優(yōu)化加固的流程圖如圖5所示。

圖5 輸電線路桁架結(jié)構(gòu)的截面優(yōu)化加固計算流程圖

從圖5輸電線路桁架結(jié)構(gòu)的截面優(yōu)化加固計算流程圖中可以看出，首先將輸電線路結(jié)構(gòu)模型中的相關(guān)變量進行初始化，之后再進行輸電線路結(jié)構(gòu)的承載力數(shù)據(jù)。如果當(dāng)前輸電線路的承載力不滿足安全穩(wěn)定運行約束條件，則需要利用蟻群算法重新尋找線路截面組合方案，并在迭代計算過程中不斷更新尋找最優(yōu)解的路徑。當(dāng)計算到滿足算法的收斂條件時，將輸電線路的結(jié)構(gòu)截面優(yōu)化計算結(jié)果輸出，程序計算結(jié)束，從而得出了輸電線路的截面組合優(yōu)化技術(shù)方案。

對輸電線路覆冰風(fēng)險關(guān)鍵環(huán)節(jié)采取加固措施，可在追加投入少的情況下顯著提高在運輸電線路的承載能力，避免因不同天氣以及傳統(tǒng)設(shè)計不足引發(fā)的輸電塔壓彎、網(wǎng)絡(luò)閃絡(luò)、污閃、接地短路，甚至輸電線路壓垮等問題，提高輸電線路應(yīng)對惡劣天氣的能力，確保電網(wǎng)運行的安全和穩(wěn)定。

4.4 輸電線路新材料的合理應(yīng)用

為了有效避免經(jīng)常出現(xiàn)的覆冰現(xiàn)象，應(yīng)積極采用新型材料建造空中傳輸線，這樣能夠更好地強化空中傳輸線的運行效果，可以選用芯部復(fù)合軟鋁線，其結(jié)構(gòu)是采用新材料制成的基本螺紋，單根桿的主要材料是碳纖維和玻璃涂層，這樣就可以逐漸更換替代傳統(tǒng)的基礎(chǔ)導(dǎo)線，從而更好地避免出現(xiàn)安全隱患，這種新型導(dǎo)線具有耐高溫、大容量的優(yōu)點，可以取代傳統(tǒng)的鋁合金材料，并且還能夠滿足經(jīng)濟、安全、環(huán)保的需求，同時可及時科學(xué)合理地架設(shè)防導(dǎo)冰線。導(dǎo)線必須積極采用科學(xué)合理的布置方法，一般采用水平布置方式。在選擇線路路徑時，還要快速避開冷熱空氣交織的區(qū)域。

5 結(jié)論

通過采用本文所分析的電力線路設(shè)計中的覆冰風(fēng)險預(yù)測及應(yīng)對措施，可以準(zhǔn)確反映并辨識出在不同天氣條件下，輸電線路中可能發(fā)生的覆冰風(fēng)險，從而以低成本提高輸電線路的安全運行能力，防止輸電設(shè)備因天氣原因而受到損壞。同時，采用該技術(shù)也可以提高供電可靠性，降低電力系統(tǒng)的停電風(fēng)險和停電經(jīng)濟損失，從而提高電力用戶的用電滿意度。此外，由于輸電線路運行更為堅強，故輸電設(shè)備的使用壽命也相對更長，也更能夠防止輸電線路發(fā)生人身傷亡等安全事故。