输变电设备运行及防灾技术现状分析与发展趋势研究

李朋，钱文姝

（1.国网陕西省电力公司，陕西西安 710048；2.国网陕西省电力公司 电力科学研究院，陕西西安 710100）

随着电力需求的不断增长，输变电设备运行与防灾技术成为保障电力系统可靠运行的关键。科学信息技术的发展与完善，为合理进行输变电设备的运行与维护提供了有力的技术支撑，进而保障电力系统的安全有效运行和可靠供电[1-2]。近年来，雨雪冰冻、强风、雷暴、大风寒潮等极端天气频繁发生，对电网设备造成了严重的危害，这些特大自然灾害已经逐渐成为引发大面积停电的重要原因之一[3-4]。

本文在总结输变电设备运行与防灾技术国内外研究现状的基础上，对其发展趋势和重点发展方向进行了预测。

1 输变电设备运行及防灾技术国内外研究现状分析

输变电设备运行及防灾技术主要包括带电检测与在线监测技术、试验与检修技术、电网防灾措施及应用技术等子领域，如图1所示。

图1 输变电设备运行及防灾技术的主要内容Fig.1 Main contents of power transmission equipment operation and disaster prevention technology

1）带电检测与在线监测技术。带电检测与在线监测技术是状态检修的基础[5-6]。输变电设备在线监测的发展主要经历带电测试、各专用测试设备向数字化过渡以及微机化智能监测这3个阶段，已取得了一定的研究成果。国外在线监测技术的研究相较国内要早一些。目前输电线路在线监测技术方面已经有复合绝缘子缺陷在线监测系统、输电线路覆冰在线监测系统和输电线路视频监控等投入电网的实际运行中。而变电站设备在线监测技术方面则体现在高压开关设备、电力变压器、避雷器以及高压互感器在电网中的应用。

2）试验与检修技术领域。在试验与检修领域，国外的设备状态检修发展相对较早。加拿大魁北克水电公司开发的在线状态监视系统可实现不停机就知晓水电机组的运行状态；美国电力科学研究院利用先进的分析软件以及测量技术，对多家电厂的设备进行在线监测与故障分析，明确运行状态后计划设备维护与检修；欧洲多数国家也从状态检修的方向进行输变电设备检修体制改革。

我国在电力设备状态检修方面的工作目前尚处于初步阶段。长期以来，我国电力系统采用预防性试验和定期检修来判断输变电设备的运行状态和健康等级，常常会对尚未发生缺陷的设备停运检修甚至更换设备，进而造成巨大的浪费。与此同时，定期维修也会存在一定的“维修不足”。

3）电网防灾措施及应用技术。雷电灾害研究主要包括雷电监测和雷电防护两方面。在雷电监测方面，美国科学家Martin A Uman和E Philip Krider实现了现代雷电遥测定位技术，并建立了覆盖全国的国家雷电监测网。我国继美国之后成为第2个拥有雷电定位技术自主知识产权的国家。目前雷电在线监测主要包含以下两点：一是雷电定位系统，二是雷电流在线监测系统。目前我国已经在30个省建立了雷电定位系统，形成了覆盖全国电网的雷电监测网，但在雷电流幅值和波形等方面仍存在一定误差和雷电信号漏识别等问题。在雷电防护方面我国取得了一定的成果，但在防雷设计方法和措施效果评估方法上仍存在雷电基础参数缺乏、防雷设计和分析方法不够完善以及雷电屏蔽模拟试验技术有待发展等基础关键问题亟待进一步深入研究。

在电网冰灾监测及防护方面，我国研发了输电线路覆冰在线监测系统并投入实际应用。电网防冰雪灾害的重要技术手段是融冰和除冰。其中电网输电线路融冰研究包括交流融冰技术、直流融冰技术、可调电容串联补偿式交流融冰技术。除冰技术主要指输变电设备除冰技术[7-10]。

2 输变电设备运行及防灾技术发展趋势研究

2.1 停电防御框架向自然灾害预警的扩展

停电防御框架向自然灾害预警扩展示意图如图2所示。目前的停电防御系统只能对内部电气量进行采集和相关处理，却无法融合反映环境条件的气象、地质等信息，不能实时准确地预警故障的影响，更不能在大停电后进行自适应恢复与控制。近年来频发的极端自然灾害充分反映了将停电防御框架向自然灾害预警延伸的必要性[11-12]。

表1 国内外输变电设备运行及防灾技术对比Tab.1 Comparison of the power transmission equipment operation and disaster prevention technology at home and abroad

图2 停电防御框架向自然灾害预警扩展示意图Fig.2 Schematic of Extension of the blackout prevention framework to the natural disaster warning

在采集气象、地质与地貌等环境信息的基础上，考虑灾害成因后建立灾害引起的电力设备故障的概率模型以及电网相继故障的风险评估模型，用以防御极端自然灾害导致的大停电事故。采用在线修正的时空概率模型识别较大风险的潜在故障，预估各时间尺度的相继故障风险并做出早期预警。

2.2 输变电设备在线监测与检修的融合

图3为输变电设备在线监测与检修的融合示意图，这是输变电设备在线监测与检修今后的发展趋势。目前，电力系统的检修方案一般在规定时间内对设备进行检修而不考虑设备状态是否正常，会导致正常的设备尚未发生缺陷就停运检修甚至更换，与此同时也会由于试验方法的不同导致一些缺陷未被发现而造成“维修不足”。

作为输变电设备检修的基础，目前输变电设备在线监测技术主要需克服以下问题：①需进一步改进和提升在线监测装置和和关键技术，从而对输变电运行状态进行准确的采集以实现智能电网对网络化交互；②需逐步形成完善的标准化监测体系，对其进行全面的统一与规范，提升其通用性的同时兼顾监测经济性和实用性。

图3 输变电设备在线监测与检修融合示意图Fig.3 A sketch map of on-line monitoring and maintenance of transmission and transformation equipment

3 输变电设备运行及防灾技术重点研究方向

考虑自然灾害的输变电设备在线监测技术与风险评估、建立特高压输电走廊设备预警信息平台、基于物联网技术的输变电设备智能监测与全寿命周期管理等3个方面是本领域发展的重点。

3.1 考虑自然灾害的输变电设备在线监测技术与风险评估

输变电设备在线监测技术在考虑自然灾害时需要拓展的信息包括：自然环境信息（气象信息、地形信息和地质信息），电力设备的背景、健康状态以及社会信息。

考虑自然灾害的输变电设备风险评估，需首先分析自然灾害对电力设备故障率的影响。进而归纳各类自然灾害对电力系统运行可靠性的影响，并对其引发电力系统设备故障的途径进行分析，建立各有关环节的数学模型，提炼灾害预警所需要的环境信息，从而将停电防御系统的信息采集范围拓广到宏观与微观的气象信息与地质信息。通过采集气象、地质与地貌等环境信息并结合外部背景信息、实时的运行工况，在线估算各类自然灾害对电力设备故障率影响的时空分布。

3.2 特高压输电走廊设备预警信息平台的建立

特高压输电线路具有输送距离长，输送容量大的特点。线路上任何位置的设备故障导致的线路停运，都将对送端和受端造成很大影响。交流线路发生故障，会对直流线路产生扰动。电网发生故障会导致直流换相失败，故障切除不及时或者发生连锁故障，电压在一段时间内无法达到要求，会造成直流闭锁。

因此需要在特高压直流线路沿线装配灾害预警设施，对线路输变电设备所处的气象、地质等环境条件及设备本身的运行状态进行监测和分析；同时更加规范特高压直流输电相关区域的管理与协调，对于可能存在的设备停运风险要实现沿线的预警信息共享，以便于各调度部门提前安排备用容量，确保本地供电。

3.3 基于物联网技术的输变电设备智能监测与全寿命周期管理

物联网在智能电网中的应用可以实现电网信息的模型化、精细化与可视化，但其目前暂未应用到电网监管优化和设施运行等方面。输变电设备物联网是智能电网由系统智能化向输变电设备智能化的延续，将对输变电设备的信息、评估、监测以及管理等体系进行有序的规范。因此，后续可深入研究该技术在分析设计、运维优化、高级应用以及全寿命周期管理等方面的重点技术，进一步推动物联网技术在智能电网中的应用与发展[13-15]。

4 结论

本文在对输变电设备运行及防灾技术国内外研究现状进行分析的基础上，对该技术的发展趋势进行了预测，进而确定了考虑自然灾害的输变电设备在线监测技术与风险评估、特高压输电走廊设备预警信息平台的建立、基于物联网技术的输变电设备智能监测与全寿命周期管理这3个方面的发展重点，对我国今后输变电工程的建设以及防灾减灾工作具有一定的指导意义。

参考文献

[1]夏清，徐国新，康重庆.抗灾型电力系统的规划[J].电网技术，2009，33（3）：1-7.XIA Qing，XU Guoxin，KANG Chongqing.Planning of anti-disaster power system[J].Power System Technology，2009，33（3）：1-7.

[2]汤涌.电力系统安全稳定综合防御体系框架[J].电网技术，2012，36（8）：1-5.TANG Yong.Frameworkofcomprehensivedefense architecture for power system security and stability[J].Power System Technology，2012，36（8）：1-5.

[3]路永玲，陶风波，周志成，等.气象灾害对江苏电网设备的影响及防御分析[J].南京信息工程大学学报（自然科学版），2015，7（5）：469-474.LU Yongling，TAO Fengbo，ZHOU Zhicheng，et al.Analysis of influence and prevention of meteorological disasters on Jiangsu's power grid equipment[J].Journal of Nanjing University of Information Science and Technology（Natural Science Edition），2015，7（5）：469-474.

[4]张行，王逸飞，何迪，等.电网防灾减灾现状分析及建议[J].电网技术，2016，40（9）：2838-2844.ZHANG Hang，WANG Yifei，HE Di，et al.Overview of situation，problems and suggestions of disaster prevention and mitigation in power systems[J].Power System Technology，2016，40（9）：2838-2844.

[5]孙才新.输变电设备状态在线监测与诊断技术现状和前景[J].中国电力，2005，38（2）：1-7.SUN Caixin.Presentsituation and developmentof condition on-line monitoring and diagnosis Technology for power transmission and transformation equipment[J].Electric power.2005，38（2）：1-7.

[6]姚臻.基于状态检修的变电设备监测系统的研究[D].武汉：武汉大学，2010.

[7]王昊昊，罗建裕，徐泰山，等.中国电网自然灾害防御技术现状调查与分析[J].电力系统自动化，2010，34（23）：5-10.WANG Haohao，LUO Jianyu，XU Taishan，et al.Ques⁃tionnaire survey and analysis of natural disaster defense techniques of power grids in China[J].Automation of Elec⁃tric Power Systems，2010，34（23）：5-10.

[8]杨卫东，徐政，韩祯祥.电力系统灾变防治系统研究的现状与目标[J].电力系统自动化，2000，24（1）：7-12.YANG Weidong，XU Zheng，HAN Zhenxiang.Review and objective of research on power system collapse prevention[J].Automation of Electric Power Systems，2000，24（1）：7-12.

[9]林土方，许家益，沈淼.架空配电线路防灾减灾技术研究[J].安徽电气工程职业技术学院学报，2016，21（1）：49-55.LIN Tufang，XU Jiayi，SHEN Miao.Technology of disaster prevention and reduction of overhead power lines[J].JournalofAnhuiElectricalEngineeringProfessional Technique College，2016，21（1）：49-55.

[10]李冬，孙世军，张昊，等.智能电网防灾减灾信息系统设计与实现[J].山东电力技术，2016，43（7）：18-20.LI Dong，SUN Shijun，ZHANG Hao，et al.Design and implementation ofdisasterprevention and mitigation information system of smart grid[J].Shan Dong Electric Power，2016，43（7）：18-20.

[11]薛丽芳，王亦宁，谢凯，等.基于防灾预警电网气象信息系统的设计与实现［J］.水电自动化与大坝监测，2013，37（2）：5-9.XUE Lifang，WANG Yining，XIE Kai，et al.Design and implementation of grid meteorological information system based on disaster warning[J].Hydropower Automation and Dam Monitoring，2013，37（2）：5-9.

[12]谢强，李杰.电力系统自然灾害的现状与对策［J］.自然灾害学报，2006，8（15）：126-130.XIE Qiang，LI Jie.Current situation of natural disaster in electric power system and counter measures[J].Journal of Natural Disasters，2006，8（15）：126-130.

[13]王春新，杨洪，王焕娟，等.物联网技术在输变电设备管理中的应用 [J].电力系统通信，2011，32（223）：116-122.WANG Chunxin，YANG Hong，WANG Huanjuan，et al.Applications of internet of things in condition monitoring and life cycle management for power transmission and transformation equipment[J].Telecommunications for Electric Power System，2011，32（223）：116-122.

[14]郑淮，陈海波，杨凌辉，等.输变电资产全寿命周期管理的探索研究[J].华东电力，2009，37（5）：738-741.ZHENG Huai，CHEN Haibo，YANG Linghui，et al.Study of life cycle management for transmission and transformation assets[J].East China Electric Power.2009，37（5）：738-741.

[15]卢志俊，黄若函，周招洋.物联网技术在智能电网中的应用[J].电力系统通信，2010，31（7）：50-52.LU Zhijun，HUANG Ruohan，ZHOU Zhaoyang.Applica⁃tion prospects of internet of things in smart grid[J].Telecom⁃munications for Electric Power System，2010，31（7）：50-52.