架空輸電線路精細化山火監(jiān)測告警技術(shù)

劉淑琴，盧駿晗，周恩澤，黃勇，魏瑞增，陳維捷

(1.廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2. 長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，智能電網(wǎng)運行與控制湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114； 3. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司長沙供電分公司，湖南 長沙 410004)

近年來，山火導(dǎo)致的架空輸電線路跳閘(以下簡稱“山火跳閘”)事故數(shù)量仍處于較高水平。2021年度南方電網(wǎng)110 kV以上線路累計因山火跳閘52條次，已嚴重危害電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。及時監(jiān)測和發(fā)現(xiàn)山火事件并通知相關(guān)運維人員采取緊急滅火撲救措施，有助于降低輸電線路山火跳閘的概率。目前常用的山火監(jiān)測手段包括地面巡護、瞭望臺探測、航空巡護監(jiān)測、衛(wèi)星遙感監(jiān)測、雷達定位監(jiān)測等[1-3]。其中，衛(wèi)星遙感監(jiān)測范圍廣，空間分辨率和靈敏度較高，已廣泛應(yīng)用于各地電網(wǎng)地表火情監(jiān)測工作。

隨著技術(shù)參數(shù)的迭代，氣象衛(wèi)星已具備山火全時廣域監(jiān)測與定位能力[4-6]。應(yīng)用于火情監(jiān)測的國內(nèi)外衛(wèi)星包括風云系列[7-8]、搭載中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS)[9-10]和可見光紅外成像輻射儀(visible infrared imaging radiometer，VIIRS)的極軌衛(wèi)星與Himiwari-8[11]等靜止衛(wèi)星，并基于衛(wèi)星觀測特性衍生出多種火點判識與定位算法。文獻[12]提出一種衛(wèi)星熱點粗判、火點細判的綜合閾值火點判識方法，可適應(yīng)電力系統(tǒng)小范圍火點監(jiān)測需求。為進一步提高衛(wèi)星監(jiān)測算法通用性，文獻[13]綜合考慮太陽高度角、非植被與云像元等因素影響，提出一種自適應(yīng)動態(tài)閾值火點判識算法。單一衛(wèi)星存在過境時間或監(jiān)測精度等方面的問題，融合多源衛(wèi)星協(xié)同工作可有效提升山火熱點識別與定位的準確性[14]。但是不同衛(wèi)星技術(shù)參數(shù)差異導(dǎo)致火點定位可能出現(xiàn)偏差，且云層、地形遮擋影響也會導(dǎo)致監(jiān)測失靈現(xiàn)象[15]。另一方面，目前電網(wǎng)公司主要通過判斷火點與輸電線路的相對距離來判斷事件的緊急程度[16-17]，從而向運維部門發(fā)出山火告警信息。但受衛(wèi)星本身的定位誤差與電力系統(tǒng)山火受災(zāi)特性的影響，不可避免造成運維資源的浪費?；趫D像視頻和毫米波雷達等的分布式地表山火監(jiān)測技術(shù)可以有效地彌補衛(wèi)星監(jiān)測過程中的不足[18-20]，但是受到安裝和運維成本的限制，僅在部分重要桿塔上安裝在線監(jiān)測裝置。

本文提出一種以多源衛(wèi)星聯(lián)動地面在線監(jiān)測裝置為基礎(chǔ)的架空輸電線路精細化山火監(jiān)測告警方法。首先，以南方電網(wǎng)管轄的地區(qū)為研究對象，分析山火發(fā)生與山火跳閘災(zāi)害的時空分布規(guī)律。然后結(jié)合各靜止衛(wèi)星、極軌衛(wèi)星以及在線監(jiān)測裝置的監(jiān)測特點，構(gòu)建衛(wèi)星遙感與地表裝置聯(lián)動的立體化山火監(jiān)測體系。最后，綜合考慮山火災(zāi)害時空分布與電力系統(tǒng)跳閘故障特性，結(jié)合衛(wèi)星和在線監(jiān)測裝置的監(jiān)測特點，優(yōu)化輸電線路山火告警策略。

1 電力系統(tǒng)山火災(zāi)害分布特性

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

本文以南方電網(wǎng)所轄五省區(qū)(廣東、廣西、云南、貴州、海南)為目標研究區(qū)域，收集2015—2020年區(qū)域內(nèi)歷史山火熱點和輸電線路歷史山火跳閘事故統(tǒng)計信息，其中：山火熱點數(shù)據(jù)由國家衛(wèi)星氣象中心提供，主要包含火點發(fā)生時間和相應(yīng)的經(jīng)緯度信息；山火跳閘數(shù)據(jù)來自于各地市局統(tǒng)計和反饋，包含了歷史山火跳閘事故的輸電線路名稱、電壓等級、跳閘時間等統(tǒng)計信息。

1.2 時間分布特性

分別對歷史監(jiān)測火情數(shù)據(jù)和山火跳閘數(shù)據(jù)按月進行統(tǒng)計，得到山火發(fā)生與山火跳閘事故的時間月度分布特性，如圖1所示。

圖1 山火災(zāi)害月度分布

綜合6年統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，南方電網(wǎng)地區(qū)山火災(zāi)害分布具有較強的季節(jié)性，冬春季(12月至次年4月)為山火火情與跳閘高發(fā)期。2015—2020年期間共監(jiān)測到火情7 706次，年均監(jiān)測火情數(shù)達1 284次，其中12月至次年4月累計監(jiān)測火情6 921起，占全年的89.81%；5年內(nèi)共發(fā)生跳閘408次，年均山火跳閘次數(shù)為68次，其中發(fā)生在12月至次年4月期間的跳閘事故達305次，占總發(fā)生次數(shù)的74.75%。造成冬春季山火與山火跳閘高發(fā)的主要原因是：一方面，冬春季節(jié)氣候干燥，農(nóng)作物和林木植被指數(shù)低，且冬季偏低的降水量和大風天氣導(dǎo)致地表植被的含水量較低，一旦存在自然或人為火源，極易引發(fā)火災(zāi)；另一方面，引發(fā)山火的火源90%以上為人為野外用火[21]，在冬春季節(jié)，春節(jié)慶典與祭祖，春耕開荒燒山、燒田埂，以及清明祭祖等野外用火行為增多，一旦出現(xiàn)山火火情，容易發(fā)展與蔓延，造成大范圍的山火事故。

山火發(fā)生不一定引起輸電線路跳閘，因此，為進一步研究山火發(fā)生引起的跳閘概率的時間分布，定義輸電線路的山火承災(zāi)能力為山火跳閘次數(shù)與山火發(fā)生次數(shù)之比，其值越大代表輸電線路的山火承災(zāi)能力越弱。南方電網(wǎng)的山火承災(zāi)能力月度分布如圖2所示。

對比圖1和圖2可以看出，電力系統(tǒng)山火承災(zāi)能力與山火發(fā)生以及跳閘的分布呈現(xiàn)完全不同的時間分布規(guī)律。夏季6月至8月期間反而是電力系統(tǒng)山火承災(zāi)能力最弱的時間段，這可能是因為雖然夏季山火災(zāi)害發(fā)生次數(shù)較少，但是高溫天氣下地表溫度高，山火引起的亮溫值變化難以與周圍地表溫度區(qū)分，從而導(dǎo)致漏告警次數(shù)增加。另一方面，在夏季持續(xù)高溫環(huán)境下，森林火災(zāi)源往往是遠離人類活動范圍的自然火，山火災(zāi)害一旦發(fā)生則更容易發(fā)展成危及輸電線路絕緣的大火，誘發(fā)線路跳閘事故。目前電網(wǎng)已經(jīng)針對性地對山火易發(fā)的節(jié)氣時段采取了加強防控措施，這也可能是冬季山火承災(zāi)能力比較強的原因。因此，對于夏季突發(fā)的山火火情仍應(yīng)予以關(guān)注，從衛(wèi)星熱點識別算法角度進一步提升監(jiān)測可靠性，嚴防山火漏告警和火勢增大。

圖2 電力系統(tǒng)山火承災(zāi)能力月度分布

山火災(zāi)害單日分布的統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。白天時段山火發(fā)生與跳閘呈現(xiàn)先升高后緩慢下降的趨勢，在15：00附近達到爆發(fā)高峰，伴隨的是跳閘次數(shù)增加。這是因為隨著時間繼續(xù)推移，太陽高度角不斷增大，氣溫回升增快，植被的含水量與空氣濕度有所下降，遇到火源后容易著火且蔓延的速度較快。此外，中午、下午時段人為活動最為頻繁，人為制造的野外火源加劇了山火災(zāi)害的發(fā)生。

圖3 山火災(zāi)害單日分布

經(jīng)過一日的暴曬，空氣濕度與植被含水率達到最低，地表孕災(zāi)環(huán)境良好。加之大氣的保溫作用，下午至夜間時段地表溫度下降緩慢，因此與早晨相比，傍晚時段仍存在較高的山火風險。不同時間段輸電線路的山火承災(zāi)能力如圖4所示。

圖4 電力系統(tǒng)山火承災(zāi)能力單日分布

日間的輸電線路山火承災(zāi)能力分布規(guī)律與山火發(fā)生規(guī)律基本一致，即隨著時間的推移，山火誘發(fā)跳閘概率也在不斷增加，在12:00附近達到最大值。06：00—10：00期間，由于夜間地表植被的呼吸作用以及水汽積淀，空氣濕度與植被含水量仍處于較高水平，即使在此期間發(fā)生山火，短時內(nèi)火蔓延趨勢也較弱，對線路影響程度較弱。而在10：00—17：00期間，日照使得下墊面植被含水量降低，火災(zāi)孕育環(huán)境適宜，火災(zāi)發(fā)生后火勢通常較大，導(dǎo)致輸電線路空氣絕緣急劇下降，因此山火引發(fā)的輸電線路跳閘也集中分布在該時段。

1.3 空間分布特性

歷史火點密度可以反映研究區(qū)域近年來山火發(fā)生的空間分布規(guī)律[22-23]。本文采用地理信息軟件ArcGIS核密度分析工具，求解計算研究區(qū)域內(nèi)歷史火點密度。

分析歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，廣東的東部與北部、廣西的中東部、云南的東部與南部和貴州的中南部地區(qū)是山火高發(fā)區(qū)域。山火的發(fā)生和發(fā)展受到氣候、地表環(huán)境和人為等諸多要素的影響，上述地區(qū)植被茂盛，地形地貌復(fù)雜多變，人口分布較少，防火設(shè)施尚不完善，地表植被缺乏管理，加之當?shù)馗鳌⒓雷娴纫巴庥没鹦袨榈戎T多要素共同作用，造成山火與跳閘高發(fā)[24]。因此，在未來擴建電網(wǎng)時，架空輸電線路應(yīng)盡可能避開這些山火高發(fā)區(qū)域，或者改用地下電纜進行電能傳輸。

1.4 跳閘故障特性

為進一步分析不同電壓等級輸電線路抵御山火災(zāi)害的能力，按照電壓等級統(tǒng)計歷史山火跳閘次數(shù)與重合閘成功概率，結(jié)果見表1。

表1 各電壓等級輸電線路山火跳閘故障特性

由表1可知，35 kV線路歷史山火跳閘僅12次，這主要是因為35 kV線路多為城市和城市近郊的供配電線路，大部分配電線路下墊面的植被覆蓋率和樹高遠不如人煙稀少的山區(qū)，且發(fā)生火災(zāi)后容易被附近居民發(fā)現(xiàn)而及時采取撲救措施，因此受山火災(zāi)害影響較小。而且配電線路電壓等級較低，絕緣裕度大，在重合閘過程中產(chǎn)生的操作過電壓幅值遠小于高壓、超高壓線路，因此35 kV線路重合閘成功率較高。

此外，歷史山火跳閘線路中220 kV和500 kV線路占比較大，分別達42.16%和31.86%。這是因為隨著電壓等級的提高，線路穿過人煙稀少山林的占比增大。一旦發(fā)生山火，引起跳閘的概率大大增加。隨著線路電壓等級提高，線路的自動重合閘成功率逐漸下降，500 kV跳閘線路重合閘成功率僅有24.42%。

作為連接電源側(cè)與用戶側(cè)的重要通道，電壓等級越高，輸電線路的傳輸容量與輸送能力越高。與此同時，一旦高電壓等級輸電線路承災(zāi)，帶來電力供應(yīng)中斷的影響與運行維護成本也將增大[25-26]。因此在實際運維中，對于高電壓等級的輸電走廊出現(xiàn)的山火事件應(yīng)盡可能堅持寧可錯報、不可漏報的原則，便于運維和調(diào)度人員及時采取措施，避免跳閘帶來的電力中斷和重合閘失敗對電力系統(tǒng)的沖擊。

山火跳閘故障相別特性見表2。其中，以單相接地故障占比最大，這主要是因為山火蔓延至輸電線路下方植被時，在樹木高度的加成作用下，山火燃燒高度被大大提升，導(dǎo)致導(dǎo)線下方空氣間隙容易被火焰橋接。此時，部分凈空絕緣距離較小的導(dǎo)線在火焰等離子體的高導(dǎo)電率作用下，極易與高大樹木形成導(dǎo)電通道，引起單相接地短路故障。僅當火焰全部橋接導(dǎo)線，或者極大濃煙作用下，才有可能引起兩相和三相的相間短路。因此，在電力系統(tǒng)山火災(zāi)害防治過程中，應(yīng)重點考察輸電走廊通道內(nèi)的植被生長情況，根據(jù)電壓等級規(guī)范化最高植被高度，定期清理輸電走廊植被，嚴防山火條件下導(dǎo)線對地放電造成的短路跳閘事故。

表2 山火跳閘故障相別特性

2 架空輸電線路精細化山火監(jiān)測與告警

2.1 立體化監(jiān)測系統(tǒng)

氣象衛(wèi)星遙感具有監(jiān)測范圍廣、監(jiān)測周期短、空間分辨率高等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于地表火情監(jiān)測?？紤]不同衛(wèi)星過境時間和采樣精度各有不同，接入多源衛(wèi)星遙感開展協(xié)同監(jiān)測，并引入分布式地表在線監(jiān)測裝置與無人機監(jiān)測局部高火險隱患地區(qū)來彌補衛(wèi)星工作失靈的問題，實現(xiàn)全天候、無死角的立體化山火監(jiān)測，如圖5所示。

圖5 立體化山火監(jiān)測系統(tǒng)

2.1.1 多源衛(wèi)星遙感協(xié)同監(jiān)測

極軌氣象衛(wèi)星對地距離近，火點監(jiān)測靈敏度高，但只能監(jiān)測處于過境時間內(nèi)的火情。靜止氣象衛(wèi)星位于赤道上空的地球同步軌道，可實現(xiàn)高頻次的全時段地表監(jiān)測，但云貴高原部分地區(qū)上空的長時間積云、極端地形、山體遮擋等會導(dǎo)致衛(wèi)星監(jiān)測出現(xiàn)盲區(qū)。此外，高海拔地區(qū)衛(wèi)星定位偏差較大，衛(wèi)星遙感監(jiān)測山火的虛報和漏告警率較高，監(jiān)測靈敏度不如極軌氣象衛(wèi)星[27-28]。因此，南方電網(wǎng)山火監(jiān)測中心結(jié)合2類衛(wèi)星運行特點與技術(shù)差異，構(gòu)建基于多源衛(wèi)星組網(wǎng)的山火監(jiān)測系統(tǒng)，并提出衛(wèi)星協(xié)同監(jiān)測策略。目前已接入的衛(wèi)星見表3，流程如圖6所示。

表3 南方電網(wǎng)山火監(jiān)測系統(tǒng)已接入衛(wèi)星

圖6 衛(wèi)星遙感協(xié)同監(jiān)測山火流程

2.1.1.1 靜止衛(wèi)星協(xié)同

運行經(jīng)驗表明，Himawari-8比GK-2A的火點定位偏差小。因此，若2顆靜止衛(wèi)星同時監(jiān)測到某處山火，則以Himiwari-8衛(wèi)星輸出的火點經(jīng)緯度信息為基準發(fā)布告警信息；而若僅單顆靜止衛(wèi)星監(jiān)測到火點信息，則直接發(fā)布該衛(wèi)星輸出的火點經(jīng)緯度信息。

2.1.1.2 靜止衛(wèi)星與極軌衛(wèi)星協(xié)同

極軌衛(wèi)星離地面距離近，空間靈敏度較高，監(jiān)測山火的空間位置偏移小，但只能監(jiān)測特定時段的地表火情。因此，當靜止衛(wèi)星與某顆處于過境時間的極軌衛(wèi)星同時監(jiān)測到地表火情，優(yōu)先考慮過境極軌衛(wèi)星監(jiān)測火點并輸出其位置信息。

2.1.1.3 火點可信度分析

為進一步提高山火監(jiān)測的準確率，防止發(fā)布無效火點，對遙感衛(wèi)星監(jiān)測的山火熱點，依據(jù)火點附近的下墊面狀況、實時云圖等進行可信度分析。針對下述情況，降低其可信度，并進一步增加監(jiān)測跟蹤時間，以排除可信度影響因素的干擾：①工廠、光伏發(fā)電站以及城市等常年高溫源可能被衛(wèi)星遙感誤判識為高溫熱點，造成火點誤判；②當存在湖泊、河流等具有反光性質(zhì)的耀斑點下墊面時，衛(wèi)星傳感器接收到太陽光鏡面反射，引起輻射亮溫急劇升高，易造成火點誤判；③大氣碎云分布會阻斷衛(wèi)星傳感器接收地表熱源，當火點周邊存在云覆蓋時，會對火點判識定位造成影響。對于排查已確定的偽火點位置，將其經(jīng)緯度記錄入庫，以備后續(xù)的監(jiān)測告警使用。

2.1.2 分布式地表裝置并行監(jiān)測

為彌補衛(wèi)星遙感在極端地形和氣象環(huán)境下的監(jiān)測失靈，綜合考慮衛(wèi)星常年監(jiān)測盲區(qū)、積云分布、重點關(guān)鍵輸電線路交叉位置以及山火高發(fā)區(qū)域等高山火隱患區(qū)段，在桿塔處架設(shè)分布式地表在線監(jiān)測裝置，如圖7所示。通過紅外與可見光成像高清鏡頭，聯(lián)合煙霧、火焰識別算法與高精度云臺對輸電通道內(nèi)火情進行無差別監(jiān)測。此外，由于山火高發(fā)期多處山火往往同時或者相繼發(fā)生，巡線運維人員有限，安排無人機逐時段進行特殊巡線任務(wù)以提高運維效率，并根據(jù)現(xiàn)場反饋圖像視頻，預(yù)先部署，預(yù)先決策[29]。

圖7 地表山火監(jiān)測裝置

2.2 架空輸電線路精細化山火告警

2.2.1 架空輸電線路山火告警指標選取

為提高運維人員的工作效率，并重點防范可能誘發(fā)輸電線路跳閘事故的火情，應(yīng)綜合評估火情可信度以及可能對電力系統(tǒng)造成的危害，快速計算監(jiān)測火點對輸電線路的告警風險并精細化地發(fā)布告警，指導(dǎo)運維人員及時采取差異化的現(xiàn)場處置措施。根據(jù)電力系統(tǒng)山火災(zāi)害分布與山火監(jiān)測特性，選擇下述告警指標綜合評估輸電線路山火告警等級。

a)火點可信度。衛(wèi)星遙感監(jiān)測山火是基于多通道傳感器亮溫判識算法，部分常年高溫熱源、水體反射、云層移動等對監(jiān)測結(jié)果存在一定干擾，均視為低可信度火點。

b)火點監(jiān)測時段。白天工作時段人員活動頻繁，山火高發(fā)，告警條件設(shè)置應(yīng)更為嚴苛；而夜間時段，山火火情逐漸減少，告警條件較為寬松。

c)線路電壓等級。隨著電壓等級的升高，線路抵御山火侵略的能力下降，重合閘成功概率不斷降低，且高壓線路跳閘對整個電力系統(tǒng)的波動與損害更大。

d)火點距離線路遠近。依據(jù)防山火工作經(jīng)驗，距離輸電線路大于3 km的火情通常不會對電力系統(tǒng)造成危害。因此，主要針對距離輸電線路小于3 km的火情進行告警，尤其是位于輸電通道內(nèi)和線行下方的火情。

e)山火監(jiān)測次數(shù)。衛(wèi)星遙感監(jiān)測山火的時間分辨率可達5 min/次，監(jiān)測到距離輸電線路小于3 km的火點即記為1次有效火情，火點頻次可反映該處山火是否自行熄滅或繼續(xù)蔓延至輸電線路線下。若距離較遠時，則進行持續(xù)跟蹤，嚴防火勢蔓延至線下。當多次監(jiān)測到同一火點，則發(fā)布告警。

2.2.2 山火告警模型構(gòu)建

各指標條件下山火災(zāi)害對電力系統(tǒng)的危害程度以及山火監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測特性存在差異。因此，基于山火災(zāi)害分布特性以及運維人員日常工作經(jīng)驗對指標進行分級處理，見表4。

表4 山火告警指標分級

選擇火點監(jiān)測時間段、火點可信度、線路電壓等級、火點與線路距離和山火監(jiān)測次數(shù)5個指標構(gòu)建精細化山火告警模型。然后，集結(jié)若干名電力系統(tǒng)防災(zāi)減災(zāi)專家以及現(xiàn)場運維人員對各指標的重要性進行評估打分，并采用層次分析法確定各個指標的綜合權(quán)重，得到最終山火告警模型。

根據(jù)式(1)計算得到山火告警等級R后四舍五入即為最終的山火告警等級。當監(jiān)測火點告警等級為3、4時，視為高?；鹎?，需發(fā)布火點告警指導(dǎo)運維人員對現(xiàn)場進行處置。

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

(1)

式中X1、X2、X3、X4、X5分別為監(jiān)測時間段、火點可信度、電壓等級、火點與線路距離、山火監(jiān)測次數(shù)指標的告警等級。

3 實例分析

本文所述架空輸電線路精細化山火監(jiān)測告警技術(shù)已應(yīng)用于南方電網(wǎng)山火監(jiān)測預(yù)警中心，面向南方電網(wǎng)所轄五省區(qū)開展電力系統(tǒng)防山火工作。目前已建設(shè)氣象衛(wèi)星地面接收站，接入2顆靜止衛(wèi)星與9顆極軌衛(wèi)星的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)南網(wǎng)轄區(qū)5 min/次廣域高頻山火監(jiān)測。結(jié)合電網(wǎng)臺賬信息，實現(xiàn)了35 kV及以上電壓等級輸電線路精細化山火監(jiān)測告警，為輸電線路防山火決策提供技術(shù)支持。效用對比如圖8所示。2021年度已累計發(fā)布2 592處可能影響輸電線路正常運行的高危山火熱點，同比增加124.61%；提前預(yù)警線行下方山火并報調(diào)度主動停運147條次，同比增加51.5%；110 kV及以上電壓等級輸電線路山火跳閘52條次，同比降低94.23%。該輸電線路精細化山火監(jiān)測與告警技術(shù)可有效增強山火災(zāi)害應(yīng)急處置能力，減少電網(wǎng)因山火引起的跳閘事故。

圖8 輸電線路精細化山火監(jiān)測與告警技術(shù)的山火監(jiān)測效果

4 結(jié)束語

本文研究了目標區(qū)域山火災(zāi)害在時間、空間以及輸電線路故障特性上的分布規(guī)律，并從氣候、地表環(huán)境和人為因素等方面進行成因分析?；诙嘣葱l(wèi)星遙感與分布式地表監(jiān)測裝置構(gòu)建立體化山火監(jiān)測系統(tǒng)，并提出了山火協(xié)同監(jiān)測策略，實現(xiàn)了全天候、無死角的山火監(jiān)測。根據(jù)電力系統(tǒng)山火災(zāi)害分布與受災(zāi)特性，選擇山火告警指標構(gòu)建架空輸電線路精細化山火告警模型，有效增強了電力系統(tǒng)山火災(zāi)害應(yīng)急處置能力，保障了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。