架空输电线路精细化山火监测告警技术

刘淑琴，卢骏晗，周恩泽，黄勇，魏瑞增，陈维捷

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080；2. 长沙理工大学 电气与信息工程学院，智能电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114； 3. 国网湖南省电力有限公司长沙供电分公司，湖南 长沙 410004)

近年来，山火导致的架空输电线路跳闸(以下简称“山火跳闸”)事故数量仍处于较高水平。2021年度南方电网110 kV以上线路累计因山火跳闸52条次，已严重危害电力系统安全稳定运行。及时监测和发现山火事件并通知相关运维人员采取紧急灭火扑救措施，有助于降低输电线路山火跳闸的概率。目前常用的山火监测手段包括地面巡护、瞭望台探测、航空巡护监测、卫星遥感监测、雷达定位监测等[1-3]。其中，卫星遥感监测范围广，空间分辨率和灵敏度较高，已广泛应用于各地电网地表火情监测工作。

随着技术参数的迭代，气象卫星已具备山火全时广域监测与定位能力[4-6]。应用于火情监测的国内外卫星包括风云系列[7-8]、搭载中分辨率成像光谱仪(moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS)[9-10]和可见光红外成像辐射仪(visible infrared imaging radiometer，VIIRS)的极轨卫星与Himiwari-8[11]等静止卫星，并基于卫星观测特性衍生出多种火点判识与定位算法。文献[12]提出一种卫星热点粗判、火点细判的综合阈值火点判识方法，可适应电力系统小范围火点监测需求。为进一步提高卫星监测算法通用性，文献[13]综合考虑太阳高度角、非植被与云像元等因素影响，提出一种自适应动态阈值火点判识算法。单一卫星存在过境时间或监测精度等方面的问题，融合多源卫星协同工作可有效提升山火热点识别与定位的准确性[14]。但是不同卫星技术参数差异导致火点定位可能出现偏差，且云层、地形遮挡影响也会导致监测失灵现象[15]。另一方面，目前电网公司主要通过判断火点与输电线路的相对距离来判断事件的紧急程度[16-17]，从而向运维部门发出山火告警信息。但受卫星本身的定位误差与电力系统山火受灾特性的影响，不可避免造成运维资源的浪费。基于图像视频和毫米波雷达等的分布式地表山火监测技术可以有效地弥补卫星监测过程中的不足[18-20]，但是受到安装和运维成本的限制，仅在部分重要杆塔上安装在线监测装置。

本文提出一种以多源卫星联动地面在线监测装置为基础的架空输电线路精细化山火监测告警方法。首先，以南方电网管辖的地区为研究对象，分析山火发生与山火跳闸灾害的时空分布规律。然后结合各静止卫星、极轨卫星以及在线监测装置的监测特点，构建卫星遥感与地表装置联动的立体化山火监测体系。最后，综合考虑山火灾害时空分布与电力系统跳闸故障特性，结合卫星和在线监测装置的监测特点，优化输电线路山火告警策略。

1 电力系统山火灾害分布特性

1.1 研究区域与数据源

本文以南方电网所辖五省区(广东、广西、云南、贵州、海南)为目标研究区域，收集2015—2020年区域内历史山火热点和输电线路历史山火跳闸事故统计信息，其中：山火热点数据由国家卫星气象中心提供，主要包含火点发生时间和相应的经纬度信息；山火跳闸数据来自于各地市局统计和反馈，包含了历史山火跳闸事故的输电线路名称、电压等级、跳闸时间等统计信息。

1.2 时间分布特性

分别对历史监测火情数据和山火跳闸数据按月进行统计，得到山火发生与山火跳闸事故的时间月度分布特性，如图1所示。

图1 山火灾害月度分布

综合6年统计数据可知，南方电网地区山火灾害分布具有较强的季节性，冬春季(12月至次年4月)为山火火情与跳闸高发期。2015—2020年期间共监测到火情7 706次，年均监测火情数达1 284次，其中12月至次年4月累计监测火情6 921起，占全年的89.81%；5年内共发生跳闸408次，年均山火跳闸次数为68次，其中发生在12月至次年4月期间的跳闸事故达305次，占总发生次数的74.75%。造成冬春季山火与山火跳闸高发的主要原因是：一方面，冬春季节气候干燥，农作物和林木植被指数低，且冬季偏低的降水量和大风天气导致地表植被的含水量较低，一旦存在自然或人为火源，极易引发火灾；另一方面，引发山火的火源90%以上为人为野外用火[21]，在冬春季节，春节庆典与祭祖，春耕开荒烧山、烧田埂，以及清明祭祖等野外用火行为增多，一旦出现山火火情，容易发展与蔓延，造成大范围的山火事故。

山火发生不一定引起输电线路跳闸，因此，为进一步研究山火发生引起的跳闸概率的时间分布，定义输电线路的山火承灾能力为山火跳闸次数与山火发生次数之比，其值越大代表输电线路的山火承灾能力越弱。南方电网的山火承灾能力月度分布如图2所示。

对比图1和图2可以看出，电力系统山火承灾能力与山火发生以及跳闸的分布呈现完全不同的时间分布规律。夏季6月至8月期间反而是电力系统山火承灾能力最弱的时间段，这可能是因为虽然夏季山火灾害发生次数较少，但是高温天气下地表温度高，山火引起的亮温值变化难以与周围地表温度区分，从而导致漏告警次数增加。另一方面，在夏季持续高温环境下，森林火灾源往往是远离人类活动范围的自然火，山火灾害一旦发生则更容易发展成危及输电线路绝缘的大火，诱发线路跳闸事故。目前电网已经针对性地对山火易发的节气时段采取了加强防控措施，这也可能是冬季山火承灾能力比较强的原因。因此，对于夏季突发的山火火情仍应予以关注，从卫星热点识别算法角度进一步提升监测可靠性，严防山火漏告警和火势增大。

图2 电力系统山火承灾能力月度分布

山火灾害单日分布的统计结果如图3所示。白天时段山火发生与跳闸呈现先升高后缓慢下降的趋势，在15：00附近达到爆发高峰，伴随的是跳闸次数增加。这是因为随着时间继续推移，太阳高度角不断增大，气温回升增快，植被的含水量与空气湿度有所下降，遇到火源后容易着火且蔓延的速度较快。此外，中午、下午时段人为活动最为频繁，人为制造的野外火源加剧了山火灾害的发生。

图3 山火灾害单日分布

经过一日的暴晒，空气湿度与植被含水率达到最低，地表孕灾环境良好。加之大气的保温作用，下午至夜间时段地表温度下降缓慢，因此与早晨相比，傍晚时段仍存在较高的山火风险。不同时间段输电线路的山火承灾能力如图4所示。

图4 电力系统山火承灾能力单日分布

日间的输电线路山火承灾能力分布规律与山火发生规律基本一致，即随着时间的推移，山火诱发跳闸概率也在不断增加，在12:00附近达到最大值。06：00—10：00期间，由于夜间地表植被的呼吸作用以及水汽积淀，空气湿度与植被含水量仍处于较高水平，即使在此期间发生山火，短时内火蔓延趋势也较弱，对线路影响程度较弱。而在10：00—17：00期间，日照使得下垫面植被含水量降低，火灾孕育环境适宜，火灾发生后火势通常较大，导致输电线路空气绝缘急剧下降，因此山火引发的输电线路跳闸也集中分布在该时段。

1.3 空间分布特性

历史火点密度可以反映研究区域近年来山火发生的空间分布规律[22-23]。本文采用地理信息软件ArcGIS核密度分析工具，求解计算研究区域内历史火点密度。

分析历史数据发现，广东的东部与北部、广西的中东部、云南的东部与南部和贵州的中南部地区是山火高发区域。山火的发生和发展受到气候、地表环境和人为等诸多要素的影响，上述地区植被茂盛，地形地貌复杂多变，人口分布较少，防火设施尚不完善，地表植被缺乏管理，加之当地耕作、祭祖等野外用火行为等诸多要素共同作用，造成山火与跳闸高发[24]。因此，在未来扩建电网时，架空输电线路应尽可能避开这些山火高发区域，或者改用地下电缆进行电能传输。

1.4 跳闸故障特性

为进一步分析不同电压等级输电线路抵御山火灾害的能力，按照电压等级统计历史山火跳闸次数与重合闸成功概率，结果见表1。

表1 各电压等级输电线路山火跳闸故障特性

由表1可知，35 kV线路历史山火跳闸仅12次，这主要是因为35 kV线路多为城市和城市近郊的供配电线路，大部分配电线路下垫面的植被覆盖率和树高远不如人烟稀少的山区，且发生火灾后容易被附近居民发现而及时采取扑救措施，因此受山火灾害影响较小。而且配电线路电压等级较低，绝缘裕度大，在重合闸过程中产生的操作过电压幅值远小于高压、超高压线路，因此35 kV线路重合闸成功率较高。

此外，历史山火跳闸线路中220 kV和500 kV线路占比较大，分别达42.16%和31.86%。这是因为随着电压等级的提高，线路穿过人烟稀少山林的占比增大。一旦发生山火，引起跳闸的概率大大增加。随着线路电压等级提高，线路的自动重合闸成功率逐渐下降，500 kV跳闸线路重合闸成功率仅有24.42%。

作为连接电源侧与用户侧的重要通道，电压等级越高，输电线路的传输容量与输送能力越高。与此同时，一旦高电压等级输电线路承灾，带来电力供应中断的影响与运行维护成本也将增大[25-26]。因此在实际运维中，对于高电压等级的输电走廊出现的山火事件应尽可能坚持宁可错报、不可漏报的原则，便于运维和调度人员及时采取措施，避免跳闸带来的电力中断和重合闸失败对电力系统的冲击。

山火跳闸故障相别特性见表2。其中，以单相接地故障占比最大，这主要是因为山火蔓延至输电线路下方植被时，在树木高度的加成作用下，山火燃烧高度被大大提升，导致导线下方空气间隙容易被火焰桥接。此时，部分净空绝缘距离较小的导线在火焰等离子体的高导电率作用下，极易与高大树木形成导电通道，引起单相接地短路故障。仅当火焰全部桥接导线，或者极大浓烟作用下，才有可能引起两相和三相的相间短路。因此，在电力系统山火灾害防治过程中，应重点考察输电走廊通道内的植被生长情况，根据电压等级规范化最高植被高度，定期清理输电走廊植被，严防山火条件下导线对地放电造成的短路跳闸事故。

表2 山火跳闸故障相别特性

2 架空输电线路精细化山火监测与告警

2.1 立体化监测系统

气象卫星遥感具有监测范围广、监测周期短、空间分辨率高等优势，被广泛应用于地表火情监测。考虑不同卫星过境时间和采样精度各有不同，接入多源卫星遥感开展协同监测，并引入分布式地表在线监测装置与无人机监测局部高火险隐患地区来弥补卫星工作失灵的问题，实现全天候、无死角的立体化山火监测，如图5所示。

图5 立体化山火监测系统

2.1.1 多源卫星遥感协同监测

极轨气象卫星对地距离近，火点监测灵敏度高，但只能监测处于过境时间内的火情。静止气象卫星位于赤道上空的地球同步轨道，可实现高频次的全时段地表监测，但云贵高原部分地区上空的长时间积云、极端地形、山体遮挡等会导致卫星监测出现盲区。此外，高海拔地区卫星定位偏差较大，卫星遥感监测山火的虚报和漏告警率较高，监测灵敏度不如极轨气象卫星[27-28]。因此，南方电网山火监测中心结合2类卫星运行特点与技术差异，构建基于多源卫星组网的山火监测系统，并提出卫星协同监测策略。目前已接入的卫星见表3，流程如图6所示。

表3 南方电网山火监测系统已接入卫星

图6 卫星遥感协同监测山火流程

2.1.1.1 静止卫星协同

运行经验表明，Himawari-8比GK-2A的火点定位偏差小。因此，若2颗静止卫星同时监测到某处山火，则以Himiwari-8卫星输出的火点经纬度信息为基准发布告警信息；而若仅单颗静止卫星监测到火点信息，则直接发布该卫星输出的火点经纬度信息。

2.1.1.2 静止卫星与极轨卫星协同

极轨卫星离地面距离近，空间灵敏度较高，监测山火的空间位置偏移小，但只能监测特定时段的地表火情。因此，当静止卫星与某颗处于过境时间的极轨卫星同时监测到地表火情，优先考虑过境极轨卫星监测火点并输出其位置信息。

2.1.1.3 火点可信度分析

为进一步提高山火监测的准确率，防止发布无效火点，对遥感卫星监测的山火热点，依据火点附近的下垫面状况、实时云图等进行可信度分析。针对下述情况，降低其可信度，并进一步增加监测跟踪时间，以排除可信度影响因素的干扰：①工厂、光伏发电站以及城市等常年高温源可能被卫星遥感误判识为高温热点，造成火点误判；②当存在湖泊、河流等具有反光性质的耀斑点下垫面时，卫星传感器接收到太阳光镜面反射，引起辐射亮温急剧升高，易造成火点误判；③大气碎云分布会阻断卫星传感器接收地表热源，当火点周边存在云覆盖时，会对火点判识定位造成影响。对于排查已确定的伪火点位置，将其经纬度记录入库，以备后续的监测告警使用。

2.1.2 分布式地表装置并行监测

为弥补卫星遥感在极端地形和气象环境下的监测失灵，综合考虑卫星常年监测盲区、积云分布、重点关键输电线路交叉位置以及山火高发区域等高山火隐患区段，在杆塔处架设分布式地表在线监测装置，如图7所示。通过红外与可见光成像高清镜头，联合烟雾、火焰识别算法与高精度云台对输电通道内火情进行无差别监测。此外，由于山火高发期多处山火往往同时或者相继发生，巡线运维人员有限，安排无人机逐时段进行特殊巡线任务以提高运维效率，并根据现场反馈图像视频，预先部署，预先决策[29]。

图7 地表山火监测装置

2.2 架空输电线路精细化山火告警

2.2.1 架空输电线路山火告警指标选取

为提高运维人员的工作效率，并重点防范可能诱发输电线路跳闸事故的火情，应综合评估火情可信度以及可能对电力系统造成的危害，快速计算监测火点对输电线路的告警风险并精细化地发布告警，指导运维人员及时采取差异化的现场处置措施。根据电力系统山火灾害分布与山火监测特性，选择下述告警指标综合评估输电线路山火告警等级。

a)火点可信度。卫星遥感监测山火是基于多通道传感器亮温判识算法，部分常年高温热源、水体反射、云层移动等对监测结果存在一定干扰，均视为低可信度火点。

b)火点监测时段。白天工作时段人员活动频繁，山火高发，告警条件设置应更为严苛；而夜间时段，山火火情逐渐减少，告警条件较为宽松。

c)线路电压等级。随着电压等级的升高，线路抵御山火侵略的能力下降，重合闸成功概率不断降低，且高压线路跳闸对整个电力系统的波动与损害更大。

d)火点距离线路远近。依据防山火工作经验，距离输电线路大于3 km的火情通常不会对电力系统造成危害。因此，主要针对距离输电线路小于3 km的火情进行告警，尤其是位于输电通道内和线行下方的火情。

e)山火监测次数。卫星遥感监测山火的时间分辨率可达5 min/次，监测到距离输电线路小于3 km的火点即记为1次有效火情，火点频次可反映该处山火是否自行熄灭或继续蔓延至输电线路线下。若距离较远时，则进行持续跟踪，严防火势蔓延至线下。当多次监测到同一火点，则发布告警。

2.2.2 山火告警模型构建

各指标条件下山火灾害对电力系统的危害程度以及山火监测系统的监测特性存在差异。因此，基于山火灾害分布特性以及运维人员日常工作经验对指标进行分级处理，见表4。

表4 山火告警指标分级

选择火点监测时间段、火点可信度、线路电压等级、火点与线路距离和山火监测次数5个指标构建精细化山火告警模型。然后，集结若干名电力系统防灾减灾专家以及现场运维人员对各指标的重要性进行评估打分，并采用层次分析法确定各个指标的综合权重，得到最终山火告警模型。

根据式(1)计算得到山火告警等级R后四舍五入即为最终的山火告警等级。当监测火点告警等级为3、4时，视为高危火情，需发布火点告警指导运维人员对现场进行处置。

R=0.15X1+0.25X2+0.2X3+0.25X4+0.15X5.

(1)

式中X1、X2、X3、X4、X5分别为监测时间段、火点可信度、电压等级、火点与线路距离、山火监测次数指标的告警等级。

3 实例分析

本文所述架空输电线路精细化山火监测告警技术已应用于南方电网山火监测预警中心，面向南方电网所辖五省区开展电力系统防山火工作。目前已建设气象卫星地面接收站，接入2颗静止卫星与9颗极轨卫星的监测数据，可实现南网辖区5 min/次广域高频山火监测。结合电网台账信息，实现了35 kV及以上电压等级输电线路精细化山火监测告警，为输电线路防山火决策提供技术支持。效用对比如图8所示。2021年度已累计发布2 592处可能影响输电线路正常运行的高危山火热点，同比增加124.61%；提前预警线行下方山火并报调度主动停运147条次，同比增加51.5%；110 kV及以上电压等级输电线路山火跳闸52条次，同比降低94.23%。该输电线路精细化山火监测与告警技术可有效增强山火灾害应急处置能力，减少电网因山火引起的跳闸事故。

图8 输电线路精细化山火监测与告警技术的山火监测效果

4 结束语

本文研究了目标区域山火灾害在时间、空间以及输电线路故障特性上的分布规律，并从气候、地表环境和人为因素等方面进行成因分析。基于多源卫星遥感与分布式地表监测装置构建立体化山火监测系统，并提出了山火协同监测策略，实现了全天候、无死角的山火监测。根据电力系统山火灾害分布与受灾特性，选择山火告警指标构建架空输电线路精细化山火告警模型，有效增强了电力系统山火灾害应急处置能力，保障了电力系统的安全稳定运行。