浅析西部配电网自动化中覆冰监控与融冰应用

王焕

（国网宁夏电力公司固原供电公司，宁夏固原756000）

浅析西部配电网自动化中覆冰监控与融冰应用

王焕

（国网宁夏电力公司固原供电公司，宁夏固原756000）

覆冰监控功能作为配电自动化的重要功能提出，设计了覆冰检测的硬件单元，解释了覆冰检测单元的基本功能。在此基础上，分析和明确了覆冰检测控制策略，探讨了并联电抗器的整定、融冰一体化及延时整定等具体问题。

配电网；覆冰监控；融冰应用

引言

电线覆冰是一种分布相当广泛的自然现象。冬导线覆冰可分为雾凇、雨凇、混合凇和冻结雪4种。运行中发现，导线覆冰都有特定的气象条件，并非冬季每场雪、雨都会引起导线覆冰，只有当气温在0℃上下、相对湿度在80%以上、风速一般不超过10m/s（五级风）的气象条件下，方可引起导线覆冰。覆冰还和地理条件有很大的关系，地形条件能促使“过冷却”雨下降，其它如平原中的突出高地，暴露的丘陵顶峰及高海拔地区，迎风山坡覆冰相对较严重。

电线覆冰会对电力设备运行产生很大的影响。覆冰使输电线机械负载增大，可能造成碰线、断线和倒杆等事故，对电网安全运行造成很大威胁。

1 配电网融冰需求

配电自动化系统是当代配电网运行和管理的发展方向。同时，配电自动化系统是一个新兴事物，在其建设之初，专家就将其设定为是一个开放式的系统，具有发展潜力的配电网运行和管理的自动化功能都可以融合于此。近年来国内各地区大都已经开展了配电自动化的建设与改造，在硬件设备和框架功能上已经构建了高水平的平台。其通信系统、硬件平台、软件平台等都可为实现融冰自动化工作所用。

由此可见，将融冰功能增设为配电自动化系统的重要应用，从现场而言十分必要，从技术而言存在可能性。本文通过对自动融冰单元和后台系统的研究探讨，进一步证明自动融冰是完全可行的。概括起来，自动融冰功能有以下特点：

1）覆冰的实时监测：通过监测单元的实时监测，在冰雪覆盖时及早发现；同时对覆冰较为严重的线路和区段给出告警信息；

2）针对已有覆冰的在线控制策略：智能化地形成电网应对融冰的接线方式和具体倒闸操作方案；

3）覆冰的超前预测：通过监测单元的数据、地理信息和后台软件的综合分析，给出覆冰的预想事故集；通过典型气象预报，配合监测单元微气候元件的预测，筛选出最为严重的线路或线路串链，提供融冰决策；针对可能融冰的预防控制策略：针对生成的可能的严重线路（串链），通过适当调整运行方式，避免覆冰的出现。

2 覆冰检测原理

本文提出了三种基本的覆冰检测方法和一种组合的覆冰检测方法。

2.1 覆冰量检测法

导线覆冰量的计算方法较多，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关气象数据为依据，通过理论模型来预测雨雾淞覆冰荷载。本文采用一种简单的计算模型。

覆冰检测法的判据（Rule1）是：当ΔR＞Rlim，认为导线为覆冰状态；当ΔR≤Rlim，认为导线无覆冰。

其中，ΔR为理论计算得出的导线覆冰厚度，Rlim为给定的门槛阈值。

2.2 覆冰临界电流检测法

研究与观察表明，即使在同一气候条件下，同一走廊上的导线覆冰也有差别，重负载线路覆冰较轻或不覆冰，而空载线路覆冰较重，避雷线与导线覆冰相比较，前者覆冰较多。显然，这一现象与导线通过电流时的焦尔效应有关。焦尔热使导线表面的温度不同于环境温度，因而造成导线表面覆冰条件变化，而这一变化是受导线覆冰过程中的传热控制的。在进行传热分析时，本文只考虑焦尔热、辐射及对流换热，分析清楚临界电流就能够根据调度运行方式来科学评估与预测导线覆冰的情况。

覆冰临界电流检测法的判据（Rule2）是：I＜Ic当时导线就会出现覆冰现象；当I≥Ic时导线无覆冰现象。

其中，I为导线运行的实际电流，可以通过FTU测到，Ic是导线覆冰临界电流。

2.3 导线张力检测法

架空导线在杆塔和悬挂点确定和特定气候情况下，导线的垂弧是已知的。同时，导线的载荷也是已知的。根据力学平衡条件可知，导线任一点的水平张力等于导线最低点的张力；导线任一点的垂直张力等于该点到导线最低点之间导线的载荷；导线最低点只承受水平张力；导线张力最大点在导线两端。

应用导线张力检测的判据（Rule3）是：当gr-gt＞Δg时，导线出现覆冰；当gr-gt≤Δg时，导线无覆冰现象。

2.4 综合（选举）检测法

上述三种方法判据从理论上讲，都是正确的。但由于判据的数据来源不同、精度不同等原因，三种判据得出的结论有可能有出入，为此可以引用选举制度进行覆冰检测的综合判据。记第i种判据为：

则综合（选举）检测法判据（Rule4）为：Rule(4)≥2表示有覆冰现象；Rule(4)＜2表示无覆冰现象。

3 覆冰监控单元

典型的覆冰监控单元原理图如图1所示。图中1、2为线路的起止节点，1为电源端，A、B为线路两侧断路器，B’为背后断路器，C为装设在线路上的应力传感器，D为设置在线路走廊上的气象观测点，E为电流互感器，F为可调节的并联电抗器，G为融冰短路开关，H为覆冰监控单元。

图1 典型的覆冰监控单元原理图

应力传感器的作用在于实时检测线路所受应力。一般将应力传感器装设在架空线路杆塔之间，并靠近杆塔处，因为根据理论计算，该处的综合应力值最大；线路上的应力传感器可以分布式安装在线路走廊的若干个杆塔间，以区别数十公里上线路覆冰情况的差异。

气象观测点在覆冰监测中作用非常重要，许多数据的分析都依此而获得。在观测点上可以测到温度、湿度、风速、风向、雨量等有关信息。理论上气象观测点的设置也应该是分布式的，在数十公里的线路走廊上有选择性的在地理位置与气象的关键点上设置。应力传感器也应与气象观测点有所对应。

电流传感器在于监测线路的电流值，便于给出有效的覆冰判据，并在融冰过程中，监测融冰进度与效果。

接地开关是融冰自动化的重要和必要设备。当需要融冰时，接地开关投运；融冰结束时接地开关打开。接地开关必须装设遥控功能。并联电抗器的作用在于调节融冰电流于一个合适的区间之内，使得充分达到融冰效果，又不至于烧毁重要电气设备。

覆冰监控单元的作用在于汇集有关传感器（应力传感器、电流互感器、气象传感器、电抗器位置、短路开关的状态）信息，实时就地监测线路覆冰状况，通过分析适时给出告警信息，适时调整并联电抗器的数值，给出断路开关继电器闭合、断开或闭锁等信号。同时与配调中心进行良好的信息传递与沟通。

4 覆冰监控的后台高级应用

从覆冰的判据研究方面，我们可以看出，覆冰是可以提前预测的。覆冰的预测可以分为短期预测和超短期预测。

短期覆冰预测是提前一天，根据气象部门第二天的温度、湿度、降雨和风力等预测信息，以历史的覆冰与温度、湿度、降雨、风力和地理位置的映射关系为依据，给出各条线路的覆冰预测情况。超短期覆冰预测则是提前数小时，充分利用气象观测站的数据，充分关注微气象和微地形的影响，给出线路覆冰的预测情况。

在短期覆冰预测的方法上，可以采用多元回归分析和人工神经网络方法。其中人工神经网络（ANN）作为一门新兴的交叉学科，为揭示复杂对象的运行机理提供了一条新的途径。在短期预测方面比较典型的是前向多层神经网络，并采用EBP（Error Back Propagation）算法进行网络训练。因为此结构的神经网络具有很好的函数逼近能力，通过对训练样本的学习，能很好地反映出对象的输入/输出之间的复杂的非线性关系，且不必预先知道输入变量和预测值之间的数学模型，可以方便地计入温度天气情况湿度等对覆冰有重要影响的因素的作用。

覆冰预测的意义在于给运行方式的编制提供更加精确的依据，从运行上尽力避免覆冰现象的出现。在前面的覆冰临界电流的分析中，我们知道，如果通过合理的运行方式调整，使线路的正常运行电流大于该线路的覆冰临界电流，就可以避免覆冰检测单元和短路开关等设备的动作，提高电力系统运行的安全性和经济性。

5 覆冰监控的实例应用

多年来，覆冰现象给西部某供电公司造成很大损失。采用大电流融冰措施，实践证明是可行的，并且降低了损失。近年来我们又开始探讨具体措施来监测覆冰现象并有效采取自动融冰措施。在配电自动化系统中开发覆冰监控功能，在相关站点装设覆冰检测单元及相关传感器，逐步完善后台高级应用。

5.1 基本情况

以下利用某变电站变有关设备对35KV出线为例进行覆冰监控和融冰过程的介绍。

变电所主接线如图2所示，1号主变压器受110 kV固北I线电源，带北郊变35 kV全部负荷、10 kV I段负荷及II段115、117负荷（用旁母带），2号主变受110 kV固北II线电源带覆冰电流，10 kV母联100开关断开。断开北郊变3512王洼线开关及两侧刀闸，在变电所围墙外与118开关的10 kV线路相连（虚线部分），在3512北王线21.88 km处三相金属性短路，利用118开关将10 kV电压送至3512北王线进行融冰。

图2 北郊变电气主接线示意图

5.2 融冰理论计算与实测对比

5.2.1 短路电流理论计算

北郊10 kV母线阻抗标幺值1.881，三相短路点距电源端21.88 km，导线截面120mm2。

5.2.2 导线温度校验

北王线导线截面120mm2，按有关资料，当环境温度为25℃时，导线温度按70℃计，算导线长期允许电流为380 A，当环境温度不足25℃时应乘以修正系数Kt

则导线在环境温度-10℃时，长期允许电流为1.33×380=505 A，因为覆冰电流为482 A小于导线长期允许电流，所以融冰电流不会使导线温度超过70℃，这样对导线无任何损害。

5.2.3 融冰实测数值及效果

融冰前，10 kV系统电压为10.9 kV，融冰期间10 kV系统电压降为9.3 kV。短路电流A相实测为468 A，B相为444 A，C相为456 A，均与理论计算值接近。融冰期间导线温度无测试。通电3次，共29min将导线150 mm厚度的覆冰全部融化脱落，线路导线完好无损。

5.2.4 注意事项

1）融冰线路带电时，应由专人监视线路电流、10 kV电压；

2）不论在操作还是正常融冰运行时，如变电所内设备发生异常，应立即断开融冰线路开关。在融冰期应退出线路重合闸。

3）所有连接引线，包括短路点应连接可靠，防止局部发热烧坏，防止主导线烧坏。

4）融冰时导线覆冰厚度不宜超过100mm，以免融冰时导线严重跳动。导线融冰时覆冰脱落引起导线跳动，会造成短路跳闸，应予注意。跳闸后停止5 min可再送一次，如不成功则不得再送，需查线处理。

5.2.5 预防措施

绘制出不同规格导线的临界电流曲线，并对照每条线路冬季实际负荷电流，把小于临界电流的线路定为轻载线路，作为预防的重点对象。如果属于两变电所间的联络线，可通过调度让联络线带负荷运行，并达到临界电流以上。其他重要轻载线路，可采用增大无功电流的办法，达到导线不覆冰的目标。具体方法：在轻载线路末端变电所母线上，装设足够容量的并联电容器或电抗器。装设后检查流过导线电流大于临界电流。根据天气预报，在下雨、雪之前，提前将电抗器投入运行，雨、雪过后退出运行，经过实际运行发现达到了预防效果。

6 结语

覆冰监控功能有以下优点：

1）在导线覆冰和融冰处理上，变被动为主动，真正体现了“预防为主”的方针；

2）线路不停电，保证了供电可靠性；

3）操作比较方便，无须安排专门工作和人员；

4）尽管这种功能投资大，但随着社会对电网可靠性要求的加强，综合考虑实际情况，在配电自动化系统中引入本功能是一个必然选择。

目前需要进一步做的工作有：充分加强对线路覆冰的危害性和在配电自动化系统中增设覆冰监控功能必要性的认识。

由于气象部门对导线覆冰观测设站少，观测资料代表性差，无法移用，因而在导线冰区划分及冰厚取值方面缺乏参考资料，使电网覆冰的预测和电网安全运行有很大难处。建议气象部门与电力部门、通讯部门联合，加强并完善该方面工作，以有效预防冰害事故。

（编辑：刘楠）

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

王焕（1983—），女，宁夏银川人，本科，国网宁夏电力公司固原供电公司运营监测中心监测员，电力系统工程师，主要从事电力系统电网、运营、服务监测工作。