输电线路防覆冰预测监测及融冰技术在北京冬奥保电中的应用

王雅妮，叶宽，周恺，蔡瀛淼，张睿哲，李春生

（国网北京电力科学研究院，北京 丰台 100075）

随着全球气候变暖，平流层的升温，减弱南北极极地涡旋，冷空气外溢到低纬度地区，近两年我国受冷空气冲击，极端雨雪冰冻灾害频发，中国降水带北移，北京地区覆冰风险越来越高。面对极端天气和自然灾害逐年多发的严峻趋势，可预见2022年冬奥保电输电线路防覆冰工作将肩负更大的责任、面临更大的挑战。此次冬奥会对覆冰预测、监测技术准确度要求高、稳定性要求强、有精准化预测监测覆冰的需求，因此，研究输电线路覆冰监测、预测、融冰新技术在冬奥保电中的应用，助力冬奥成功举办，此项工作刻不容缓，意义重大。

1 输电线路覆冰预测技术

输电线路覆冰技术基于精细化微气象数据（1 km×1km）和微地形数据，确定覆冰预测模型算法的逻辑与框架，并结合深度学习的方法，构建覆冰预测模型，结合北京区域历史覆冰数据，对模型进行迭代优化，最终构建了适用于北京地区的输电线路精准化覆冰预测模型，可实现全北京地区未来24～72 h输电线路覆冰风险的精准预测、覆冰厚度（mm级）的精准预测。

1.1 输电线路覆冰预测技术算法模型

基于多要素卫星遥感提取的覆冰预测模型利用随机森林（RF）算法选择影响覆冰的最主要因素，并采用多核相关向量机方法，建立深度学习覆冰预测模型。

首先，获取并处理与输电线路覆冰相关的历史数据，包括遥感数据和现场覆冰厚度数据。遥感数据包括时序数据和非时序数据两种类型，时序数据包括湿度、温度、风速、风向、天气等，非时序数据包括输电线路下垫面信息、线路位置信息、坡度和坡向信息等。

然后构建时序数据和非时序数据与现场覆冰厚度数据的映射关系，建立适用于北京地区的随机森林-多核相关向量机（RF-MKRVM）组合架空线路覆冰预测模型。

最后，根据覆冰预测结果判定覆冰灾害风险区域，将覆冰预测结果和覆冰灾害风险区域反馈给现场巡查部门进行验证，利用现场反馈信息调整模型参数，升级优化覆冰预测模型，并融合北京地区历史覆冰数据、地面气象数据（温湿度、风速风向、凝结高度、降水量）、杆塔位置特征（海拔、微地形）等数据，完善针对北京地区的卫星遥感覆冰预测模型，如图1所示。优化后，模型准确度已达到80%及以上，并实现了mm级覆冰厚度预测。

图1 覆冰监测的技术流程

1.2 输电线路覆冰预测技术应用效果

自11月1日模型优化以来，如表1所示，北京电网输电线路实际发生覆冰3次，均成功预测。3次覆冰分别持续2天、3天和1天，其中5天成功预测，1天未能预测，预测准确率达83.33%。漏报率16.67%。预测模型共计预测覆冰6天，其中5天实际监测到覆冰，一天未发生覆冰，误报率16.67%。

表1 覆冰预测情况统计表

考虑所有发生覆冰和未发生覆冰的天数，从2021年11月1日—2022年2月22日共计114天，成功预测覆冰情况112天，准确率高达98.25%。

2 输电线路覆冰监测技术在冬奥会中的应用

基于OPGW的输电线路分布式光纤覆冰监测技术研究与应用工作，通过安装在变电站内的监测主机发射脉冲激光进入OPGW的一芯冗余光纤中，依据不同覆冰状态下OPGW中光纤内部的脉冲激光的散射光特征变化，利用监测主机解析散射光特征得到OPGW的应力和振动状态，通过信号解调和高精度算法识别线路覆冰区段并给出导地线实时等值覆冰厚度。具有以下3个优点：利用电力通信光缆内部冗余光纤做传感器，抗电磁干扰强。解析装置安装在变电站内，运行环境良好，设备稳定性高。实现了全线路覆冰监测，完成了监测范围由点到面的突破。

基于分布式光纤覆冰监测技术已在北京电网15条严重覆冰输电线路全线路覆盖，涵盖所有易覆冰冬奥会重点保障线路。

自覆冰监测系统应用以来，该技术能够实现全线路逐档距等值覆冰厚度的实时监测，并提供全线路覆冰状态风险预警，向线路运维人员提供存在覆冰风险区段的准确位置和实时数据，集线路覆冰状态监测、风险区段定位于一体，为指导电网抗冰工作提供有力支撑。

在冬奥会测试赛、正赛期间，通过全线路覆冰预测、监测，系统能够有效指出覆冰风险区段，有效指导线路稳定安全运行，为冬奥保电提供坚强有力的技术支撑，监测情况如表2所示。

表2 覆冰监测情况记录表

3 输电线路融冰技术

输变电线路直流融冰技术的主要工作原理是通过整流使输电导线流过一个很大的直流电流，该直流电流超过导线正常的工作电流，引起导线发热，从而使附着在导线上的冰、雪、雾凇等融化脱落，达到除冰的目的。

与交流融冰技术相比，直流融冰技术需要电网提供的融冰电源容量小、不需无功补偿装置、无须考虑线路阻抗匹配和进行复杂的倒闸操作，在直流融冰装置足够的情况下，可对多覆冰地区、多覆冰线路同时进行作业，效率较高。

在设计方案时，直流融冰装置额定参数选取方法为根据国标GB/T 31487.1—2015《直流融冰装置第1部分：系统设计和应用导则》附录A及附录B，选取直流融冰装置设计的电流，同时考虑线路电阻确定需要的直流电压，并留取一定的裕度。根据直流融冰装置额定参数选取整流变压器参数，并根据现场勘查情况，确定融冰装置的布置方案。

根据GB/T 31487.1—2015《直流融冰装置第1部分：系统设计和应用导则》，4×JL/G1A-400/35融冰电流为3475 A。（覆冰厚度10 mm，环境温度-5℃，风速5 m/s）。八达岭—西白庙需要的融冰电流最大为3475 A，决定了直流融冰装置设计的电流，同时考虑线路电阻决定了需要的直流电压，八达岭—西白庙线路需要的直流电压为1.65 kV，考虑到留取一定的裕度，直流融冰装置额定电流选为3600 A，额定电压选取为2 kV。直流融冰装置额定参数如表3和表4所示。

表3 八达岭站直流融冰参数

表4 八达岭站直流融冰变压器参数

采用一台整流变加6脉动晶闸管可控整流的方案，原理图如图2所示。

图2 八达岭站直流融冰原理图

图3 融冰装置站内布置示意图

移动融冰采用两辆标准承载卡车承载融冰装置，其中一辆车用于承载融冰变压器，一辆车用于承载融冰整流装置，融冰装置的交流输入和直流输出电缆提前预铺在站内，做好电缆头，在融冰的时候可以快速接入。两辆车的尺寸约为10 m×2.5 m×4 m。

将融冰设备集成在承载卡车上，可以方便快速的在不同变电站移动，不占用变电站的空间。在八达岭站需要融冰的时候，将融冰车开入站内巡检通道上，通过电缆将融冰车临时连接在融冰间隔和待融冰线路上，在非融冰时间，则将车开出变电站。

4 结束语

覆冰前，通过覆冰预警系统，发布未来3天覆冰预测信息；覆冰时，通过分布式光纤覆冰监测系统；覆冰后，开展实时覆冰监测业务，通过直流融冰技术，覆冰故障后第一时间开展故障抢修工作，从面、线、点构建立体式防覆冰预测监测系统，为冬奥会保电提供技术支撑。