淺析西部配電網(wǎng)自動(dòng)化中覆冰監(jiān)控與融冰應(yīng)用

王煥

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司固原供電公司，寧夏固原756000）

淺析西部配電網(wǎng)自動(dòng)化中覆冰監(jiān)控與融冰應(yīng)用

王煥

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司固原供電公司，寧夏固原756000）

覆冰監(jiān)控功能作為配電自動(dòng)化的重要功能提出，設(shè)計(jì)了覆冰檢測(cè)的硬件單元，解釋了覆冰檢測(cè)單元的基本功能。在此基礎(chǔ)上，分析和明確了覆冰檢測(cè)控制策略，探討了并聯(lián)電抗器的整定、融冰一體化及延時(shí)整定等具體問(wèn)題。

配電網(wǎng)；覆冰監(jiān)控；融冰應(yīng)用

引言

電線覆冰是一種分布相當(dāng)廣泛的自然現(xiàn)象。冬導(dǎo)線覆冰可分為霧凇、雨凇、混合凇和凍結(jié)雪4種。運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線覆冰都有特定的氣象條件，并非冬季每場(chǎng)雪、雨都會(huì)引起導(dǎo)線覆冰，只有當(dāng)氣溫在0℃上下、相對(duì)濕度在80%以上、風(fēng)速一般不超過(guò)10m/s（五級(jí)風(fēng)）的氣象條件下，方可引起導(dǎo)線覆冰。覆冰還和地理?xiàng)l件有很大的關(guān)系，地形條件能促使“過(guò)冷卻”雨下降，其它如平原中的突出高地，暴露的丘陵頂峰及高海拔地區(qū)，迎風(fēng)山坡覆冰相對(duì)較嚴(yán)重。

電線覆冰會(huì)對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生很大的影響。覆冰使輸電線機(jī)械負(fù)載增大，可能造成碰線、斷線和倒桿等事故，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行造成很大威脅。

1 配電網(wǎng)融冰需求

配電自動(dòng)化系統(tǒng)是當(dāng)代配電網(wǎng)運(yùn)行和管理的發(fā)展方向。同時(shí)，配電自動(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)新興事物，在其建設(shè)之初，專(zhuān)家就將其設(shè)定為是一個(gè)開(kāi)放式的系統(tǒng)，具有發(fā)展?jié)摿Φ呐潆娋W(wǎng)運(yùn)行和管理的自動(dòng)化功能都可以融合于此。近年來(lái)國(guó)內(nèi)各地區(qū)大都已經(jīng)開(kāi)展了配電自動(dòng)化的建設(shè)與改造，在硬件設(shè)備和框架功能上已經(jīng)構(gòu)建了高水平的平臺(tái)。其通信系統(tǒng)、硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)等都可為實(shí)現(xiàn)融冰自動(dòng)化工作所用。

由此可見(jiàn)，將融冰功能增設(shè)為配電自動(dòng)化系統(tǒng)的重要應(yīng)用，從現(xiàn)場(chǎng)而言十分必要，從技術(shù)而言存在可能性。本文通過(guò)對(duì)自動(dòng)融冰單元和后臺(tái)系統(tǒng)的研究探討，進(jìn)一步證明自動(dòng)融冰是完全可行的。概括起來(lái)，自動(dòng)融冰功能有以下特點(diǎn)：

1）覆冰的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：通過(guò)監(jiān)測(cè)單元的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在冰雪覆蓋時(shí)及早發(fā)現(xiàn)；同時(shí)對(duì)覆冰較為嚴(yán)重的線路和區(qū)段給出告警信息；

2）針對(duì)已有覆冰的在線控制策略：智能化地形成電網(wǎng)應(yīng)對(duì)融冰的接線方式和具體倒閘操作方案；

3）覆冰的超前預(yù)測(cè)：通過(guò)監(jiān)測(cè)單元的數(shù)據(jù)、地理信息和后臺(tái)軟件的綜合分析，給出覆冰的預(yù)想事故集；通過(guò)典型氣象預(yù)報(bào)，配合監(jiān)測(cè)單元微氣候元件的預(yù)測(cè)，篩選出最為嚴(yán)重的線路或線路串鏈，提供融冰決策；針對(duì)可能融冰的預(yù)防控制策略：針對(duì)生成的可能的嚴(yán)重線路（串鏈），通過(guò)適當(dāng)調(diào)整運(yùn)行方式，避免覆冰的出現(xiàn)。

2 覆冰檢測(cè)原理

本文提出了三種基本的覆冰檢測(cè)方法和一種組合的覆冰檢測(cè)方法。

2.1 覆冰量檢測(cè)法

導(dǎo)線覆冰量的計(jì)算方法較多，包括Imai模型、Lenhard模型、Goodwin模型、Chaine模型和Makkonen模型等等。算法的基本思路是以有關(guān)氣象數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過(guò)理論模型來(lái)預(yù)測(cè)雨霧淞覆冰荷載。本文采用一種簡(jiǎn)單的計(jì)算模型。

覆冰檢測(cè)法的判據(jù)（Rule1）是：當(dāng)ΔR＞Rlim，認(rèn)為導(dǎo)線為覆冰狀態(tài)；當(dāng)ΔR≤Rlim，認(rèn)為導(dǎo)線無(wú)覆冰。

其中，ΔR為理論計(jì)算得出的導(dǎo)線覆冰厚度，Rlim為給定的門(mén)檻閾值。

2.2 覆冰臨界電流檢測(cè)法

研究與觀察表明，即使在同一氣候條件下，同一走廊上的導(dǎo)線覆冰也有差別，重負(fù)載線路覆冰較輕或不覆冰，而空載線路覆冰較重，避雷線與導(dǎo)線覆冰相比較，前者覆冰較多。顯然，這一現(xiàn)象與導(dǎo)線通過(guò)電流時(shí)的焦?fàn)栃?yīng)有關(guān)。焦?fàn)枱崾箤?dǎo)線表面的溫度不同于環(huán)境溫度，因而造成導(dǎo)線表面覆冰條件變化，而這一變化是受導(dǎo)線覆冰過(guò)程中的傳熱控制的。在進(jìn)行傳熱分析時(shí)，本文只考慮焦?fàn)枱?、輻射及?duì)流換熱，分析清楚臨界電流就能夠根據(jù)調(diào)度運(yùn)行方式來(lái)科學(xué)評(píng)估與預(yù)測(cè)導(dǎo)線覆冰的情況。

覆冰臨界電流檢測(cè)法的判據(jù)（Rule2）是：I＜Ic當(dāng)時(shí)導(dǎo)線就會(huì)出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象；當(dāng)I≥Ic時(shí)導(dǎo)線無(wú)覆冰現(xiàn)象。

其中，I為導(dǎo)線運(yùn)行的實(shí)際電流，可以通過(guò)FTU測(cè)到，Ic是導(dǎo)線覆冰臨界電流。

2.3 導(dǎo)線張力檢測(cè)法

架空導(dǎo)線在桿塔和懸掛點(diǎn)確定和特定氣候情況下，導(dǎo)線的垂弧是已知的。同時(shí)，導(dǎo)線的載荷也是已知的。根據(jù)力學(xué)平衡條件可知，導(dǎo)線任一點(diǎn)的水平張力等于導(dǎo)線最低點(diǎn)的張力；導(dǎo)線任一點(diǎn)的垂直張力等于該點(diǎn)到導(dǎo)線最低點(diǎn)之間導(dǎo)線的載荷；導(dǎo)線最低點(diǎn)只承受水平張力；導(dǎo)線張力最大點(diǎn)在導(dǎo)線兩端。

應(yīng)用導(dǎo)線張力檢測(cè)的判據(jù)（Rule3）是：當(dāng)gr-gt＞Δg時(shí)，導(dǎo)線出現(xiàn)覆冰；當(dāng)gr-gt≤Δg時(shí)，導(dǎo)線無(wú)覆冰現(xiàn)象。

2.4 綜合（選舉）檢測(cè)法

上述三種方法判據(jù)從理論上講，都是正確的。但由于判據(jù)的數(shù)據(jù)來(lái)源不同、精度不同等原因，三種判據(jù)得出的結(jié)論有可能有出入，為此可以引用選舉制度進(jìn)行覆冰檢測(cè)的綜合判據(jù)。記第i種判據(jù)為：

則綜合（選舉）檢測(cè)法判據(jù)（Rule4）為：Rule(4)≥2表示有覆冰現(xiàn)象；Rule(4)＜2表示無(wú)覆冰現(xiàn)象。

3 覆冰監(jiān)控單元

典型的覆冰監(jiān)控單元原理圖如圖1所示。圖中1、2為線路的起止節(jié)點(diǎn)，1為電源端，A、B為線路兩側(cè)斷路器，B’為背后斷路器，C為裝設(shè)在線路上的應(yīng)力傳感器，D為設(shè)置在線路走廊上的氣象觀測(cè)點(diǎn)，E為電流互感器，F(xiàn)為可調(diào)節(jié)的并聯(lián)電抗器，G為融冰短路開(kāi)關(guān)，H為覆冰監(jiān)控單元。

圖1 典型的覆冰監(jiān)控單元原理圖

應(yīng)力傳感器的作用在于實(shí)時(shí)檢測(cè)線路所受應(yīng)力。一般將應(yīng)力傳感器裝設(shè)在架空線路桿塔之間，并靠近桿塔處，因?yàn)楦鶕?jù)理論計(jì)算，該處的綜合應(yīng)力值最大；線路上的應(yīng)力傳感器可以分布式安裝在線路走廊的若干個(gè)桿塔間，以區(qū)別數(shù)十公里上線路覆冰情況的差異。

氣象觀測(cè)點(diǎn)在覆冰監(jiān)測(cè)中作用非常重要，許多數(shù)據(jù)的分析都依此而獲得。在觀測(cè)點(diǎn)上可以測(cè)到溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等有關(guān)信息。理論上氣象觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)置也應(yīng)該是分布式的，在數(shù)十公里的線路走廊上有選擇性的在地理位置與氣象的關(guān)鍵點(diǎn)上設(shè)置。應(yīng)力傳感器也應(yīng)與氣象觀測(cè)點(diǎn)有所對(duì)應(yīng)。

電流傳感器在于監(jiān)測(cè)線路的電流值，便于給出有效的覆冰判據(jù)，并在融冰過(guò)程中，監(jiān)測(cè)融冰進(jìn)度與效果。

接地開(kāi)關(guān)是融冰自動(dòng)化的重要和必要設(shè)備。當(dāng)需要融冰時(shí)，接地開(kāi)關(guān)投運(yùn)；融冰結(jié)束時(shí)接地開(kāi)關(guān)打開(kāi)。接地開(kāi)關(guān)必須裝設(shè)遙控功能。并聯(lián)電抗器的作用在于調(diào)節(jié)融冰電流于一個(gè)合適的區(qū)間之內(nèi)，使得充分達(dá)到融冰效果，又不至于燒毀重要電氣設(shè)備。

覆冰監(jiān)控單元的作用在于匯集有關(guān)傳感器（應(yīng)力傳感器、電流互感器、氣象傳感器、電抗器位置、短路開(kāi)關(guān)的狀態(tài)）信息，實(shí)時(shí)就地監(jiān)測(cè)線路覆冰狀況，通過(guò)分析適時(shí)給出告警信息，適時(shí)調(diào)整并聯(lián)電抗器的數(shù)值，給出斷路開(kāi)關(guān)繼電器閉合、斷開(kāi)或閉鎖等信號(hào)。同時(shí)與配調(diào)中心進(jìn)行良好的信息傳遞與溝通。

4 覆冰監(jiān)控的后臺(tái)高級(jí)應(yīng)用

從覆冰的判據(jù)研究方面，我們可以看出，覆冰是可以提前預(yù)測(cè)的。覆冰的預(yù)測(cè)可以分為短期預(yù)測(cè)和超短期預(yù)測(cè)。

短期覆冰預(yù)測(cè)是提前一天，根據(jù)氣象部門(mén)第二天的溫度、濕度、降雨和風(fēng)力等預(yù)測(cè)信息，以歷史的覆冰與溫度、濕度、降雨、風(fēng)力和地理位置的映射關(guān)系為依據(jù)，給出各條線路的覆冰預(yù)測(cè)情況。超短期覆冰預(yù)測(cè)則是提前數(shù)小時(shí)，充分利用氣象觀測(cè)站的數(shù)據(jù)，充分關(guān)注微氣象和微地形的影響，給出線路覆冰的預(yù)測(cè)情況。

在短期覆冰預(yù)測(cè)的方法上，可以采用多元回歸分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。其中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）作為一門(mén)新興的交叉學(xué)科，為揭示復(fù)雜對(duì)象的運(yùn)行機(jī)理提供了一條新的途徑。在短期預(yù)測(cè)方面比較典型的是前向多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并采用EBP（Error Back Propagation）算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。因?yàn)榇私Y(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很好的函數(shù)逼近能力，通過(guò)對(duì)訓(xùn)練樣本的學(xué)習(xí)，能很好地反映出對(duì)象的輸入/輸出之間的復(fù)雜的非線性關(guān)系，且不必預(yù)先知道輸入變量和預(yù)測(cè)值之間的數(shù)學(xué)模型，可以方便地計(jì)入溫度天氣情況濕度等對(duì)覆冰有重要影響的因素的作用。

覆冰預(yù)測(cè)的意義在于給運(yùn)行方式的編制提供更加精確的依據(jù)，從運(yùn)行上盡力避免覆冰現(xiàn)象的出現(xiàn)。在前面的覆冰臨界電流的分析中，我們知道，如果通過(guò)合理的運(yùn)行方式調(diào)整，使線路的正常運(yùn)行電流大于該線路的覆冰臨界電流，就可以避免覆冰檢測(cè)單元和短路開(kāi)關(guān)等設(shè)備的動(dòng)作，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

5 覆冰監(jiān)控的實(shí)例應(yīng)用

多年來(lái)，覆冰現(xiàn)象給西部某供電公司造成很大損失。采用大電流融冰措施，實(shí)踐證明是可行的，并且降低了損失。近年來(lái)我們又開(kāi)始探討具體措施來(lái)監(jiān)測(cè)覆冰現(xiàn)象并有效采取自動(dòng)融冰措施。在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)覆冰監(jiān)控功能，在相關(guān)站點(diǎn)裝設(shè)覆冰檢測(cè)單元及相關(guān)傳感器，逐步完善后臺(tái)高級(jí)應(yīng)用。

5.1 基本情況

以下利用某變電站變有關(guān)設(shè)備對(duì)35KV出線為例進(jìn)行覆冰監(jiān)控和融冰過(guò)程的介紹。

變電所主接線如圖2所示，1號(hào)主變壓器受110 kV固北I線電源，帶北郊變35 kV全部負(fù)荷、10 kV I段負(fù)荷及II段115、117負(fù)荷（用旁母帶），2號(hào)主變受110 kV固北II線電源帶覆冰電流，10 kV母聯(lián)100開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。斷開(kāi)北郊變3512王洼線開(kāi)關(guān)及兩側(cè)刀閘，在變電所圍墻外與118開(kāi)關(guān)的10 kV線路相連（虛線部分），在3512北王線21.88 km處三相金屬性短路，利用118開(kāi)關(guān)將10 kV電壓送至3512北王線進(jìn)行融冰。

圖2 北郊變電氣主接線示意圖

5.2 融冰理論計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比

5.2.1 短路電流理論計(jì)算

北郊10 kV母線阻抗標(biāo)幺值1.881，三相短路點(diǎn)距電源端21.88 km，導(dǎo)線截面120mm2。

5.2.2 導(dǎo)線溫度校驗(yàn)

北王線導(dǎo)線截面120mm2，按有關(guān)資料，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí)，導(dǎo)線溫度按70℃計(jì)，算導(dǎo)線長(zhǎng)期允許電流為380 A，當(dāng)環(huán)境溫度不足25℃時(shí)應(yīng)乘以修正系數(shù)Kt

則導(dǎo)線在環(huán)境溫度-10℃時(shí)，長(zhǎng)期允許電流為1.33×380=505 A，因?yàn)楦脖娏鳛?82 A小于導(dǎo)線長(zhǎng)期允許電流，所以融冰電流不會(huì)使導(dǎo)線溫度超過(guò)70℃，這樣對(duì)導(dǎo)線無(wú)任何損害。

5.2.3 融冰實(shí)測(cè)數(shù)值及效果

融冰前，10 kV系統(tǒng)電壓為10.9 kV，融冰期間10 kV系統(tǒng)電壓降為9.3 kV。短路電流A相實(shí)測(cè)為468 A，B相為444 A，C相為456 A，均與理論計(jì)算值接近。融冰期間導(dǎo)線溫度無(wú)測(cè)試。通電3次，共29min將導(dǎo)線150 mm厚度的覆冰全部融化脫落，線路導(dǎo)線完好無(wú)損。

5.2.4 注意事項(xiàng)

1）融冰線路帶電時(shí)，應(yīng)由專(zhuān)人監(jiān)視線路電流、10 kV電壓；

2）不論在操作還是正常融冰運(yùn)行時(shí)，如變電所內(nèi)設(shè)備發(fā)生異常，應(yīng)立即斷開(kāi)融冰線路開(kāi)關(guān)。在融冰期應(yīng)退出線路重合閘。

3）所有連接引線，包括短路點(diǎn)應(yīng)連接可靠，防止局部發(fā)熱燒壞，防止主導(dǎo)線燒壞。

4）融冰時(shí)導(dǎo)線覆冰厚度不宜超過(guò)100mm，以免融冰時(shí)導(dǎo)線嚴(yán)重跳動(dòng)。導(dǎo)線融冰時(shí)覆冰脫落引起導(dǎo)線跳動(dòng)，會(huì)造成短路跳閘，應(yīng)予注意。跳閘后停止5 min可再送一次，如不成功則不得再送，需查線處理。

5.2.5 預(yù)防措施

繪制出不同規(guī)格導(dǎo)線的臨界電流曲線，并對(duì)照每條線路冬季實(shí)際負(fù)荷電流，把小于臨界電流的線路定為輕載線路，作為預(yù)防的重點(diǎn)對(duì)象。如果屬于兩變電所間的聯(lián)絡(luò)線，可通過(guò)調(diào)度讓聯(lián)絡(luò)線帶負(fù)荷運(yùn)行，并達(dá)到臨界電流以上。其他重要輕載線路，可采用增大無(wú)功電流的辦法，達(dá)到導(dǎo)線不覆冰的目標(biāo)。具體方法：在輕載線路末端變電所母線上，裝設(shè)足夠容量的并聯(lián)電容器或電抗器。裝設(shè)后檢查流過(guò)導(dǎo)線電流大于臨界電流。根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，在下雨、雪之前，提前將電抗器投入運(yùn)行，雨、雪過(guò)后退出運(yùn)行，經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)達(dá)到了預(yù)防效果。

6 結(jié)語(yǔ)

覆冰監(jiān)控功能有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）在導(dǎo)線覆冰和融冰處理上，變被動(dòng)為主動(dòng)，真正體現(xiàn)了“預(yù)防為主”的方針；

2）線路不停電，保證了供電可靠性；

3）操作比較方便，無(wú)須安排專(zhuān)門(mén)工作和人員；

4）盡管這種功能投資大，但隨著社會(huì)對(duì)電網(wǎng)可靠性要求的加強(qiáng)，綜合考慮實(shí)際情況，在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中引入本功能是一個(gè)必然選擇。

目前需要進(jìn)一步做的工作有：充分加強(qiáng)對(duì)線路覆冰的危害性和在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中增設(shè)覆冰監(jiān)控功能必要性的認(rèn)識(shí)。

由于氣象部門(mén)對(duì)導(dǎo)線覆冰觀測(cè)設(shè)站少，觀測(cè)資料代表性差，無(wú)法移用，因而在導(dǎo)線冰區(qū)劃分及冰厚取值方面缺乏參考資料，使電網(wǎng)覆冰的預(yù)測(cè)和電網(wǎng)安全運(yùn)行有很大難處。建議氣象部門(mén)與電力部門(mén)、通訊部門(mén)聯(lián)合，加強(qiáng)并完善該方面工作，以有效預(yù)防冰害事故。

（編輯：劉楠）

Analysis of Icing Monitoring and Melting Ice App lication in the Automation of Distribution Network in West China

Wang Huan
(Guyuan Power Supp ly Com pany of Ningxia Electric Power Com pany,State Grid, Guyuan City,Guyuan Ningxia 756000)

This article first to icemonitoring functions as an important function of power distribution automation is put forward,designed the ice detection hardware unit,explains the basic function of ice detection unit.On this basis,the analysis and the control strategy has been clear about the ice detection,discusses the setting of shunt reactor,melting ice integration and specific issues such as time delay setting.

distribution network;icingmonitoring;melting ice application

TM76

A

2095-0748(2016)24-0061-04

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.24.25

2016-11-28

王煥（1983—），女，寧夏銀川人，本科，國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司固原供電公司運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)中心監(jiān)測(cè)員，電力系統(tǒng)工程師，主要從事電力系統(tǒng)電網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)、服務(wù)監(jiān)測(cè)工作。