基于神经网络的输电线路覆冰模型辨识

庞志宏 安斌

摘 要：本文介绍了覆冰的产生机理、危害、防除冰方法，其次介绍了输电线路覆冰在线监测系统，接着深入研究了神经网络的模型建立问题，并给出了较为适用的建模方法和应遵循的原则。在研究了大量文献资料的基础上，通过分析影响覆冰量的气象因素，构建了一个三层的BP神经网络，建立了神原I回线109杆塔处输电线路的覆冰辨识模型。辨识结果满足设计要求。

关键词：神经网络；线路覆冰；模型辨识；BP

在我国北部和中西部高寒地带，常常遭受大范围的冰灾事故，覆冰对输电线路造成金具损坏、导线断股、断线、舞动、杆塔倾斜或倒塌、以及绝缘子串闪络等严重危害，到目前为止，覆冰仍然在威胁着电网的安全运行。积极地预测监控覆冰厚度，有效预防覆冰灾害发生，减少人力物力财力损失，成为了我国电网迫在眉睫的难题。由于微气象、微地形及温度、湿度、风速等因素的影响，导线表面的覆冰有各种不规则的几何形状，也有多种混合类型。但对电力系统而言，雨淞、混合淞（硬雾凇）、雾淞（软雾凇）、雪、霜凇等对电力系统造成的危害最大。

1 造成覆冰类型分析

1.1 雨淞

雨凇性质上是纯粹、透明的冰，坚硬，密度0.8～0.9g/m3或更高，粘附力很强。

1.2 混合淞

混合淞性质上是不透明（奶色）或半透明冰，常由透明和不透明冰层交错形成，密度0.6～0.8g/m3。

混合淞是雨淞和雾淞的连续冻结物，在天气周期性变化时形成；坚硬；粘附力强。对输电线路的危害仅次于雨淞。

1.3 雾凇

雾凇性质上是白色，呈粒状雪，质轻，为相对坚固的结晶，密度0.3～0.6g/m3，粘附力颇弱。一般在中等风速下形成，在山地由云中来的冰晶或含水滴的雾形成，气温多在-13～-7℃。

1.4 雪

雪在低地为干雪，密度低，粘附力弱，在丘陵为凝结雪和雨夹雪或雾，重量大。密度0.1～0.3g/m3。

1.5 霜凇

霜淞性质上说是白色、雪状，不规则针状结晶，很脆而轻，密度0.05～0.3g/m3，粘附力弱。一般是由水汽从空气中直接凝结而成，发生在寒冷而平静的天气，气温低于-10℃。

2 线路覆冰产生原因及危害

2.1 输电线路覆冰产生原因

影响导线覆冰的因素很多，主要有气象条件、地形及地理条件、海拔高程、导线悬挂高度、导线直径、水滴直径、电场强度等。

2.2 输电线路覆冰的危害

根据对输电线路覆冰事故的分析，覆冰线路的危害主要有以下4类：线路过荷载事故；相邻档不均匀覆冰或不同期脱冰造成的事故；绝缘子串覆冰造成频繁冰闪事故；覆冰导线舞动损坏电力设备。

3 预防及处理方法

3.1 防冰方法

设计输电线路时应采取的防覆冰措施（设计输电线路时，应依据当地气象条件，尽可能避开垭口、分水岭、湖泊、峡谷等地形易覆冰区，这是最有效的防止覆冰事故的方法）；运行维护中应采取的防覆冰措施；及时准确地调整、划分线路重冰区段。；重冰区实行专人特巡。；制定防覆冰的运行标准；提高线路抗覆冰能力；制定出相应消冰措施。

3.2 除冰方法

除冰方法定义为覆冰达到危险状态后采取有效措施，部分或全部除去覆冰的方法或措施。目前有：人工除冰法、热力除冰法、机械除冰法、自然被动法和其他防冰法。

3.3 输电线路覆冰检测方法

⑴实时监测方法。首先从气象站的数据了解线路附近气象环境的变化，是否出现能形成覆冰的气象条件。再从线路视频装置上观察当地雨雪降落的情况，绝缘子串和导线上是否出现了覆冰及覆冰发展趋势。最后根据实测的导线倾斜角变化和计算的导线弧垂变化情况，确定导线覆冰的严重情况。

⑵基于GSM SMS的输电线路覆冰在线监测系统。覆冰在线检测系统是西安金源电气有限公司针对覆冰灾害研发生产的在线监控设备。近年来，该供电公司重视覆冰方面的研究，率先引进先进的覆冰在线监测系统，建立在神原I回线路高山分水岭地形背风坡109杆塔处，109杆塔处在高山分水岭型地形的背风坡处，尤其在山顶及迎风坡侧，含有过冷却水滴的气团在风力作用下，沿山坡强制上升而绝热膨胀，使得过冷却水滴含量增大，导致导线覆冰增加，所以将覆冰在线监控设备装设于此。

覆冰在线监测系统工作原理：测量由于覆冰引起的输电导线的重量变化、绝缘子串倾斜角等的变化，测量环境温湿度、风速、风向等气象信息；得到各种相关数据参数，将初步处理的数据进行打包，借助GSM无线网络传输到监控中心，在查询终端即可以得到所有的检测数据。

监控中心的专家软件实时监测各杆塔上的覆冰情况，并通过对分机的点测巡测的实时数据进行分析判断，利用各种模型计算、判断该监测点的覆冰状况，根据用户需求和覆冰生长机理给出预报警；报警信息有界面报警和短消息模式发给当前管理员和相关领导；专家软件集中管理覆冰导线重量变化以及环境参数，提供单独和全面的查询、分析和图表等，建立完善覆冰信息数据库。

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