孫菡婧,馬瑞楓,李國慶,常洪江
(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林1320121;2.元寶山發(fā)電有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 赤峰027000;3.華電能源富拉爾基熱電壓王選,富拉爾基黑龍江161041)
近年來,隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重,各地區(qū)受污穢影響的程度越來越深[1-4]。電力設(shè)備絕緣子表面污穢受潮將嚴(yán)重影響其電氣特性,如若發(fā)生污閃,將極大地危害電網(wǎng)運(yùn)行安全。在電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、基建施工和生產(chǎn)運(yùn)行中,電力系統(tǒng)污區(qū)分布圖是指導(dǎo)電力設(shè)備外絕緣配置和開展防污閃工作的依據(jù)。
傳統(tǒng)污區(qū)分布圖以各供電公司為基本繪制單位,根據(jù)現(xiàn)場污穢度等級(jí)繪制本地區(qū)電力系統(tǒng)污區(qū)分布圖。省網(wǎng)公司在各地供電公司已繪制的污區(qū)分布圖的基礎(chǔ)上,綜合繪制本省的污區(qū)分布圖,其具體流程是:①調(diào)查本地區(qū)的污源分布狀況,繪制污源分布圖;②調(diào)查收集本地區(qū)有關(guān)氣象參數(shù),繪制氣象分布圖,也可用文字、圖表等說明;③根據(jù)鹽密測量情況,繪制鹽密測量圖,同時(shí)在圖中標(biāo)出污閃故障點(diǎn)的位置;④綜合上述三種圖,并結(jié)合設(shè)備運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),繪制本局所轄區(qū)域的污區(qū)圖。這種分別繪圖、三圖合一、層層綜合的流程加大了繪圖的工作量,拖長了污區(qū)圖的修訂周期;而且如何綜合污源分布圖、氣象分布圖和鹽密測量圖,國家標(biāo)準(zhǔn)和國家電力公司文件沒有具體說明,在實(shí)際繪制過程中難以操作[5-6]。
GIS將計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)融合于一體,可高效、直觀地分析各種地理和空間信息,它將地理位置和相關(guān)屬性有機(jī)結(jié)合,圖文并茂地呈現(xiàn)給用戶[7-8]。可滿足生產(chǎn)生活的需要。隨著GIS技術(shù)的快速發(fā)展及在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用,利用GIS技術(shù)對(duì)獲得的電網(wǎng)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位處理、分析,可提取多種有效信息,實(shí)現(xiàn)污區(qū)分布圖的自動(dòng)繪制,為電網(wǎng)的外絕緣配置和防污閃工作提供可靠的決策支持。
本文基于SuperMap Desktop 6與SuperMap Objects 6開發(fā)平臺(tái),利用SuperMap Desktop 6將電力系統(tǒng)中的輸電線路、桿塔和變電站分層疊加在地圖上,再利用SuperMap Objects 6開發(fā)組件,編寫程序?qū)崿F(xiàn)污區(qū)圖的自動(dòng)繪制和絕緣配置輔助決策分析。
基于GIS繪制污區(qū)圖時(shí),首先應(yīng)在電子地圖上繪制電網(wǎng)地理接線圖,標(biāo)明輸電線路、變電站(換流站)、發(fā)電廠符號(hào)和名稱。數(shù)據(jù)收集規(guī)則如表1所示。
表1 輸電桿塔數(shù)據(jù)收集規(guī)則
將表1所示的輸電桿塔數(shù)據(jù)導(dǎo)入至SuperMap Desktop 6中可建立屬性數(shù)據(jù)集,由表1可知輸電桿塔數(shù)據(jù)中含有空間數(shù)據(jù)即坐標(biāo)信息,可利用GIS的類型轉(zhuǎn)換功能將其轉(zhuǎn)換為空間點(diǎn)數(shù)據(jù)集,這樣便將輸電桿塔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地理信息數(shù)據(jù)。同理可導(dǎo)入變電站,電廠,污源等電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
污源是造成設(shè)備表面積累污穢的根本原因,繪制污源分布圖是污區(qū)分布圖成圖的重要步驟。因此在繪制污染分布圖前應(yīng)調(diào)查繪制地區(qū)的主要污源分布狀況,并在底圖上標(biāo)明各種類型的污染源。
污染源一般分為自然污源、工業(yè)污源、交通線和城市污源。其中,自然污源為鹽堿地、鹽池、硝池或沿海地區(qū)。鹽堿地、鹽池、硝池以含鹽量確定對(duì)污區(qū)等級(jí)的影響。沿海地區(qū)根據(jù)與海岸線的距離調(diào)整污級(jí)。
靠近工業(yè)污染源的污穢層可能含有導(dǎo)電的微粒如煤、金屬粒子,或易溶于水的氣體如NOx、SOx,或低可溶性污穢物如水泥、石膏。工業(yè)污源的污穢等級(jí)劃分主要由運(yùn)行單位根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定影響范圍以及影響等級(jí),具體操作為先劃分兩個(gè)等級(jí)的影響范圍。如圖1所示。再根據(jù)污源點(diǎn)周圍的氣象數(shù)據(jù)對(duì)影響范圍進(jìn)行修正。
城市污源根據(jù)人口數(shù)量以及人口密度確定城市的影響范圍和等級(jí)。
根據(jù)絕緣子現(xiàn)場實(shí)測鹽密值繪制現(xiàn)場污穢度圖,電力規(guī)程中一般根據(jù)線路設(shè)備的污穢等級(jí)分為5級(jí),由輕到重分別為a、b、c、d、e級(jí),各污穢級(jí)與鹽密關(guān)系如表2所示。
圖1 交通線規(guī)則修訂前后對(duì)比
表2 污穢等級(jí)和鹽密的關(guān)系
將此圖與污源分布圖動(dòng)態(tài)融合,繪制現(xiàn)場污穢度分布圖。
“風(fēng)玫瑰”圖也叫風(fēng)向頻率玫瑰圖,它是根據(jù)某一地區(qū)多年平均統(tǒng)計(jì)的各個(gè)方風(fēng)向和風(fēng)速的百分?jǐn)?shù)值,并按一定比例繪制,一般多用八個(gè)或十六個(gè)羅盤方位表示。玫瑰圖上所表示風(fēng)的吹向(即風(fēng)的來向),是指從外面吹向地區(qū)中心的方向。本文采用Wind Rose Maker軟件制作的風(fēng)玫瑰圖如圖2所示。
組織大氣環(huán)境資料,收集大氣污染物實(shí)測濃度如表3所示,計(jì)算大氣質(zhì)量指數(shù)P并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式推算年度鹽密值SDD。
圖2 風(fēng)玫瑰圖的制作
式中,USO2、UNOx和分別為SO2、NOx,和TSP的月均濃度,單位為mg/m3;BSO2、BNOx和BTSP分別為SO2,NOx和TSP的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值,取值分別為 0.06 mg/m3、0.05 mg/m3和0.03 mg/m3。
表3 大氣環(huán)境規(guī)則庫
三圖合一繪制污區(qū)分布圖需要理清三圖之間的關(guān)系即污源、氣象和鹽密與污穢等級(jí)間的關(guān)系。污源是造成設(shè)備表面積污的根本原因;設(shè)備表面污穢濕潤后所含鹽分導(dǎo)電是污閃的成因;氣象條件中的風(fēng)和降水對(duì)設(shè)備表面污穢的積累量和速度有重要影響,降水是設(shè)備表面污穢濕潤的重要條件,是污閃事故的誘因。
組織大氣環(huán)境資料,收集大氣污染物實(shí)測濃度如表3所示,計(jì)算大氣質(zhì)量指數(shù)并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式推算年度鹽密值。
綜上所述,氣象條件中的風(fēng)和降水與污源條件是影響積污的因素,鹽密是設(shè)備表面積污中有效成分的重要指標(biāo),氣象條件中的降水是影響表面污穢濕潤的因素。三圖合一實(shí)際是綜合考慮積污因素、鹽密指標(biāo)、濕潤因素。
最后,利用氣象資料中的風(fēng)玫瑰圖和污源分布圖來修正污區(qū)圖。
將生成的污區(qū)分布圖作為污穢等級(jí)劃分的基礎(chǔ)資料,根據(jù)桿塔所處環(huán)境的污穢等級(jí),參照絕緣子爬電比距和依據(jù)各地區(qū)長期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)所得出的有效爬電比距換算關(guān)系,確定所用絕緣子的爬電比距,最后結(jié)合電壓等級(jí)配置新建線路絕緣子串總片數(shù)。具體的處理步驟如下:
在污區(qū)圖中讀取現(xiàn)場污穢等級(jí),根據(jù)如圖3所示的統(tǒng)一爬電比距和現(xiàn)場污穢等級(jí)的曲線關(guān)系,得到參照絕緣子的爬電比距。計(jì)算爬電距離有效系數(shù)K:
其中,U為非普通型絕緣子的污耐受電壓,單位為KV;L為非普通型絕緣子的幾何爬電距離,單位為毫米;U0為參照絕緣子的污耐受電壓;L0為參照絕緣子的幾何爬電距離。
計(jì)算所用絕緣子爬電比距λ'為:
計(jì)算絕緣子串所需的總爬電距離L'為:
其中,U'為實(shí)際運(yùn)行電壓。
計(jì)算絕緣子串總片數(shù)N:
其中,L″為單片爬電距離。
圖3 統(tǒng)一爬電比距和現(xiàn)場污穢度的相互關(guān)系
本文基于SuperMap Desktop 6與SuperMap Objects 6平臺(tái),使用C#語言實(shí)現(xiàn)了污區(qū)分布圖的計(jì)算機(jī)繪制與電網(wǎng)絕緣配置的輔助決策分析。
污區(qū)分布圖模塊主要分為載入電網(wǎng)地理接線圖、創(chuàng)建污源點(diǎn)、繪制污源分布圖、繪制基于實(shí)測鹽密的污區(qū)分布圖和人工調(diào)整部分,通過以上幾步的有機(jī)結(jié)合,智能化的繪制污區(qū)分布圖,如圖4、5、6所示。
絕緣配置輔助決策分析系統(tǒng)模塊將輔助決策規(guī)則程序化為規(guī)則庫,與污區(qū)圖系統(tǒng)無縫接合,根據(jù)污區(qū)圖里線路所處的污穢等級(jí)智能分析,為電網(wǎng)運(yùn)行人員生成基于污區(qū)分布圖的絕緣配置輔助決策,如圖7所示。
本文給出了基于GIS的污區(qū)圖繪制與絕緣配置的方法,利用SuperMap Objects 6完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)污區(qū)、污源點(diǎn)、鹽密測量點(diǎn)和變電站的動(dòng)態(tài)管理和可視化分析。在GIS技術(shù)支撐下,可以自動(dòng)完成電網(wǎng)地理接線圖、氣象圖和污區(qū)圖的繪制,實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)污區(qū)的智能化管理,縮短了成圖周期。開發(fā)的系統(tǒng)可針對(duì)每條線路,分析其經(jīng)過污區(qū)等級(jí),使用戶能直觀地對(duì)每條線路的防污水平進(jìn)行評(píng)估。提高電網(wǎng)管理水平,為加快電力企業(yè)信息化進(jìn)程提供有力的幫助。
[1]宿志一.用飽和鹽密確定污穢等級(jí)及繪制污區(qū)分布圖的探討[J].電網(wǎng)技術(shù),2004,28(8):16~19.
[2]劉詣,羅滇生,姚建剛,蔣正龍.電網(wǎng)污區(qū)分布圖的計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制方法研究[J].高電壓技術(shù),2007,33(5):143~147.
[3]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 16434-1996高壓架空線路和發(fā)、變電所環(huán)境污區(qū)分級(jí)及外絕緣選擇標(biāo)準(zhǔn)[S].1996.
[4]國家電網(wǎng)公司.Q/GDW 152-2006電力系統(tǒng)污區(qū)分級(jí)與外絕緣選擇標(biāo)準(zhǔn)[S].2006.
[5]電力系統(tǒng)污區(qū)分布圖繪圖規(guī)則[S].2006.
[6]張正棟,胡華科,鐘廣銳,鄭春燕.SuperMap GIS應(yīng)用與開發(fā)教程[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2006.
[7]郭浩,王汝英.電網(wǎng)污區(qū)管理在地理信息系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)[J].天津電力技術(shù),2005(增):1~4.
[8]姜曉軼.基于GIS技術(shù)的輸電網(wǎng)污區(qū)管理[J].測繪與空間地理信息,2004,27(4):25~27.