输电线路等值覆冰厚度获得方法

  完成单位：国网四川省电力公司电力科学研究院

  主要完成人：范松海、刘益岑、吴天宝、龚奕宇

一、研发背景

输电线路覆冰是常见的供电系统自然灾害。在雨雪冰冻天气下，输电线路表面会覆冰，导致线路重量增加、铁塔力学结构改变，严重时会引发倒塔、断线故障，造成停电事故。近几年四川、新疆、吉林均发生不同程度倒塔断线导致停电的事故。

为防止输电线路覆冰故障，国内外均采用交/直流融冰技术，利用大电流使导线发热的原理将覆冰融化。但融冰操作前必须准确监测输电线路实时覆冰厚度，为融冰启动时间、操作线路、融冰时长、电流大小等设置提供依据，若覆冰厚度监测不准确，将引起融冰不及时、应融未融、融冰不彻底、融冰时间过长烧损输电导线等问题。

本专利之前，涉及输电线路覆冰厚度监测方法有30余项，主要包括图像/视频监测法、气象分析法、分布式光纤测量法、弧垂监测法以及称重法。其中，图像/视频监测法仅能获取覆冰轮廓观测厚度；气象监测法属于间接测量法，计算结果与实际覆冰差异较大；分布式光纤测量法仅适用于光纤复合架空地线覆冰测量；弧垂监测法需获取导线准确弧垂，但覆冰并不是引起导线弧垂变化的唯一因素，无法广泛应用；称重法通过安装在导线悬垂绝缘子串挂点处的拉力传感器监测导线覆冰前后拉力，能相对准确的获取导线覆冰重量，但由于缺少准确度高、普适性广的覆冰厚度换算模型，工程实用性较低。上述方法均存在输电线路等值覆冰厚度计算准确性低、无法广泛适用等问题，严重影响覆冰预警及融冰决策。

二、发明团队介绍

本发明团队是一个年轻的集体，团队成员均来自于国网四川省电力公司。四川电网地理分布范围广、跨度大，除成都平原外，西部高原、横断山脉、东部丘陵等地区气候环境复杂多变，以上区域同时也是重要的水电送出通道，每年均遭受冰雪灾害的严峻考验。本团队多年来从事电网状态监测和防灾减灾工作，以解决电网运行中的实际问题为导向，以提升电网可靠性为宗旨，深耕电力生产和科研一线，经过多年的覆冰观测、力学分析、模型建立、试验验证和现场验证形成本发明。

范松海，男，45岁，工学博士。四川省高层次复合型人才、国家电网公司优秀专家人才、四川省学术和技术带头人后备人选、清华大学兼职研究生导师、西安交通大学合作研究生导师、重庆大学合作研究生导师、四川省电力公司企业研究生工作站导师。主持国家级、省部级项目10余项，其中国家自然基金1项、863项目1项、国家电网公司和四川省电力公司科技项目9项，先后获得中国博士后科学基金第5批特别资助和重庆市博士后科学基金第3批特别资助。近几年发表学术论文20余篇，其中4篇被SCI核心收录，19篇被EI收录。曾获得省部级科技进步奖12项、四川省电力公司科技进步奖20项。先后被评为国家电网公司运检工作先进个人、四川省电力公司抗冰防冰工作先进个人、国网四川省电力公司首届“五四”青年奖章、国网四川省电力公司科技先进个人。

刘益岑，男，36岁，工学博士，高级工程师，电力物联网四川省重点实验室骨干，主要从事电力设备运检、状态监测和防灾减灾等工作。近年来，负责四川省科技厅项目1项，参与“863”课题1项、国家自然科学基金1项、国网公司科技项目6项、国网四川省电力公司科技项目8项。发表学术论文16篇，授权发明专利8项。获得各类科技创新奖励19项，其中省部级奖励8项、省公司级奖励11项。

吴天宝，男，36岁，工学硕士，高级工程师，IEEE PES变电站数字化协会常务理事。曾主持或参与省部级项目10余项，其中负责实施四川省重大科技专项1项、主持或参与国家电网公司和四川省电力公司科技项目15项。近几年发布IEEE标准1项、行业标准3项，专利6项，发表学术论文10余篇。曾获得IEEE特殊贡献奖1项、省部级科技进步奖6项、四川省电力公司科技进步奖8项。先后被评为中国电力工业设备管理杰出贡献奖、四川省电力公司运检工作先进个人、四川省电力公司安全生产特殊贡献个人等。

龚奕宇，男，36岁，工学硕士，高级工程师，原国网四川省电力公司电力科学研究院员工，现任四川思极科技有限公司技术总监，国网四川省电力公司优秀专家人才，主要从事电网信息化及智能化、设备侧电力物联网技术研究。先后负责“无人区输电线路运行维护关键技术研究与应用”国网公司总部科技项目3项；申请四川省人工智能重大专项1项，获专利授权7项，发表论文21篇，其中EI收录9篇；获四川省、西藏自治区、国网公司、教育部、中电联等省部级科技进步奖7项。

三、成果（专利）简介

（一）技术方案

本专利发明了一种输电线路等值覆冰厚度获得方法，其技术要点是：

（1）利用拉力传感器和角度传感器测量输电线路悬垂绝缘子串拉力、风偏角；

（2）将覆冰拉力无量纲化，ΔF%=(Fi-F0)/F0×100%，F0、Fi分别为覆冰前后拉力；

（3）构建等值覆冰厚度计算模型，通过模型获得输电线路等值覆冰厚度（密度为0.9g/cm3的雨凇）；

（4）将获得的等值覆冰厚度与设计覆冰厚度进行比较，当二者比值超过阈值时启动覆冰预警和融冰决策。

本专利方法利用导线覆冰拉力相对变化率代替绝对变化量，排除了导线结构、地理条件、气象参数的影响，实现输电线路覆冰厚度计算模型系统性优化，使计算准确度提高30%，解决了电网防冰抗冰工作中覆冰监测不准确、不及时的关键性技术难题。

（二）新颖性和创造性

本专利申请日以前，技术相近的专利有3项，但输电线路等值覆冰厚度换算方法、覆冰拉力计算方式与本专利均有明显不同，其对比情况如表1所示。根据《中华人民共和国专利法》第22条第2款的规定，本专利具有新颖性。

表1 本专利申请前技术对比

不同于上述对比专利，本专利首次提出基于导线覆冰拉力相对变化率的输电线路等值覆冰厚度获得方法，其特点如下：

（1）剔除了个性化参量，提升了本专利技术的通用性。上述专利方法需要导线长度、垂直档距、线路挂点高差角等难以准确获取的个性化参数，需要去现场逐塔测量。本专利在长期实践和试验的基础上，通过将参数无量纲化，剔除了所有个性化参数，只需获得导线拉力变化率、风偏角等通用化参数，参数通用化属性使本专利适用于所有的线路结构（单分裂或多分裂导线）、地形条件和气象环境。

（2）排除了环境影响因素，提高了覆冰厚度计算准确度。上述专利方法利用导线覆冰拉力绝对值进行计算，且模型中包含垂直档距、导线长度等受环境影响较大的参数，计算的结果随环境改变而改变。本专利将导线覆冰后拉力增加值转换为拉力增长率，通过用覆冰前后的相对量代替绝对量，抵消了覆冰前后环境因素的干扰，极大的减小了环境因素造成的误差，使本专利覆冰厚度计算更准确。

（3）精简了输入参量，提高了工程实用性。上述3项专利输入参数分别为16项、13项和8项。本专利方法只需要4个输入参数，极大的减小了参数获取工作量和误差累积传递，提高准确性的同时更有利于工程应用。

综上所述，本专利技术解决了输电线路等值覆冰厚度难以准确获取的问题，经中国电力企业联合会鉴定为国际领先水平（中电联鉴字[2016]第145号）。根据《中华人民共和国专利法》第22条第3款，本专利具有创造性。

（三）原创性及重要性

本专利发明了一种准确度高、适用范围广、便于快速计算的输电线路等值覆冰厚度获得方法，创造性的利用导线覆冰拉力相对变化率代替绝对变化量，实现输电线路覆冰厚度计算模型参数系统性优化，不再包含档距、高差、线长等难以获取且受环境影响较大的个性化参数，排除了环境因素的影响，消除了误差传递，使覆冰厚度计算准确度提高30%，可适用于全电压等级、所有地形地貌和气候条件交/直流输电线路，解决了电网防冰抗冰工作中覆冰监测不准确、不及时的关键性技术难题，对输电线路覆冰监测预警和指导融冰决策具有重要意义。

本专利来源于电网防冰减灾的紧迫需求，由长期工作在生产一线的人员搭建实验平台，积累了5年的现场验证数据，通过反复试验和现场验证所得，原创性突出。其创新点如下：

1.本专利首创基于覆冰拉力变化率的输电线路等值覆冰厚度获得方法，解决了覆冰拉力和等值覆冰厚度的换算难题。

本专利方法通过测量输电线路覆冰前后悬垂绝缘子串的拉力以及风偏角，建立覆冰拉力变化率和等值覆冰厚度的换算模型，实现了输电线路覆冰监测值与设计值的实时比对，解决了输电线路覆冰监测和预警难的问题。其计算方法如下：

2.本专利提出了导线结构和环境参数的消除方法，排除了变量参数引起的误差，提升了模型计算准确度。

基于导线拉力和覆冰重量之间的力学关系，将导线覆冰后的拉力增加值转换为无量纲的拉力增长率，实现覆冰拉力无量纲化，排除了环境因素的影响，消除了误差传递，使覆冰厚度计算准确度提高30%。其计算方法如下：

其中，F0为覆冰前拉力，Fi为覆冰后拉力。

3.本专利建立了参数最小化模型，解决了个性化参数获取困难的问题，提升了模型工程应用通用性。

本专利方法建立的等值覆冰厚度计算模型，实现了参数最小化。仅需通过输电线路台账获取导线线密度和半径2个通用化参数，无需再现场逐塔获取大/小号侧导线长度、档距、高差以及导线比载、初始温度、绝缘子串和金具自重等个性化参数，所有参数与地形、塔位、气象环境无关，实现参数通用化，提升了模型通用性。

本专利技术突破了覆冰在线监测技术应用瓶颈，具有准确高效、通用性强、计算简单等特点，依托本专利准确获取输电线路等值覆冰厚度，形成以在线监测为基础的智能预警体系，扭转了以人力为主导的传统观冰方式，实现输电线路覆冰全天候准确监测，进而指导电网公司开展覆冰精准防治，避免因覆冰导致的倒塔、断线等严重故障，保障电网安全运行和可靠供电，具有巨大的应用价值。

（四）技术优势

与本专利申请日前、后所有同类技术相比，本专利均具有明显优势，如表2所示：

表2  同类技术比较

1.方法更简洁：所需参数更少，利用覆冰拉力传感器和倾角传感器即可获取待测量，不需要监测环境温湿度、风速风向、导线温度，也不需要档距、线长、高差、高差角等导线和杆塔基础数据，无其他中间量及其求取过程。

2.准确度更高：通过用相对量代替绝对量，抵消了环境因素的干扰，准确度从65%提高至95%，与人工现场观冰测量值的平均误差小于5%，可实现输电线路覆冰全天候24小时不间断监测。

3.工程应用性更强：不受输电杆塔档距、高差影响，不需要根据杆塔情况逐一设定其所需的基础参数，工程应用过程中由原来的定点“一塔一案”变为“一线一案”，参数获取、模型适配、系统调试工作量减少90%以上。

4.适用范围更广：不受地理气象环境的限制，适用场景更多，在高原、山地、丘陵以及其他微地形微气象区域均取得良好应用效果，可推广至全国其它重覆冰区域输电线路。

5.融冰决策更精准：应用本专利方法，可实现覆冰厚度、覆冰增长率准确、实时监测，精准支撑融冰启动时间、操作线路、融冰时长、电流大小等决策制定，支撑输电线路覆冰监测-预警-融冰实时精准管控。

6.易于智慧物联：本专利方法简单实用，利于批量化自动处理，更有利于规模化应用，实现覆冰监测的智慧物联，支撑覆冰监测工作从当前的以点为主向点-线-面覆冰风险全域评估方向发展。

（五）技术通用性

1.本专利已应用的领域和范围

本专利提出的输电线路等值覆冰计算方法目前主要应用于电网公司输电线路覆冰监测场景，已在±800千伏、±500千伏直流输电线路和750千伏、500千伏、220千伏、110千伏交流输电线路成功应用，且取得良好效果，可适用于全电压等级交/直流输电线路；

本专利方法不受塔位、地形及气象环境限制，适用于不同地域环境架空输电线路的覆冰监测预警，季节性特点鲜明地区和微地形地区均可应用，已在川西高原、横断山脉、秦巴山地、川南山地、新疆天山山脉、吉林长白山山脉等不同海拔和气候条件下的易覆冰区域取得突出应用效果，可适用于所有地形地貌和气候条件的输电线路。

近年来随着气候变迁，极端天气现象发生频次增大，本专利技术可实现了输电线路覆冰精准监测，进而指导相关单位开展覆冰预警和融冰融冰，保证电网安全。

2.本专利技术还可以应用的其他领域和范围

覆冰灾害同样对电气化铁路的安全运行造成危害，接触网覆冰会影响受电弓与接触网之间的相互作用，严重时甚至导致接触网断线、中断铁路行车等严重事故。2021年，雪冰冻灾害造成东北多条铁路接触网覆冰，受灾范围达4677公里，其中高铁线路1942公里、普速铁路2735公里，给铁路运输秩序造成较大影响。本专利方法是基于称重法的线路类覆冰在线监测通用化技术，同样适用于电气化铁路接触网。因此，本专利技术可广泛应用于接触网覆冰监测和预警，应用前景广阔。

四、成果（专利）转化情况介绍

本专利解决了架空输电线路等值覆冰厚度精准监测难题，技术成熟完备，已在四川、新疆、吉林电网通过以下两种方式进行专利运用：

1.运用本专利改造传统覆冰拉力监测装置

通过安装在输电线路上的拉力传感器和倾角传感器获得导线覆冰后的拉力和风偏角，将本专利计算方法植入覆冰监测预警系统，获得输电线路实时等值覆冰厚度，实现输电线路覆冰在线监测。2015年至今，国网四川省电力公司电力科学研究院根据本专利改造四川电网传统存量的176套覆冰拉力在线监测装置，实现了全川所有重覆冰区输电线路覆冰实时监测，成功预警线路覆冰686条次，预警准确率达100%。各应用单位合计减少现场人工观冰工作量超12万人天。累计指导融冰125次，避免供电损失近5万千瓦时，新增利润（节支）8793.85万元，监测范围内没有发送一起因覆冰导致的输电线路断线、倒塔事故，有力保障了大电网的安全稳定运行。

2.运用本专利生产输电线路等值覆冰厚度系列硬件产品

将本专利提出的等值覆冰厚度计算模型植入芯片，与覆冰拉力传感器、倾角传感器以及电源通信模块等部件进行系统集成，形成输电线路覆冰监测装置产品。2021年，根据本专利批量生产等值覆冰分析模组和新一代输电线路等值覆冰厚度在线监测装置，在新疆、吉林、四川等地全面应用。其中销售等值覆冰厚度边缘计算分析模组17套、销售输电线路覆冰在线监测装置435套，销售收入4778.57万元，新增利润1590.99万元，经济效益显著。

五、经济效益与社会效益介绍

（一）经济效益

1.实施日至2021年底

生产并销售等值覆冰分析模组17套，输电线路等值覆冰厚度在线监测装置435套，实现新增销售额4778.57万元，利润1590.99万元；应用本专利技术保障可靠供电，新增利润（节约因覆冰造成的停电损失）8793.85万元。合计新增销售额4778.57万元，新增利润10384.84万元。

2. 2020年初至2021年底

生产并销售等值覆冰分析模组17套，输电线路等值覆冰厚度在线监测装置435套，实现新增销售额4778.57万元，利润1590.99万元；应用本专利技术保障可靠供电，新增利润（节约因覆冰造成的停电损失）4743.58万元。合计新增销售额4778.57万元，新增利润6334.57万元。

表3 经济效益

（二）社会效益

1.保护电网安全，保障可靠供电，促进国民经济发展

应用本专利提出的输电线路等值覆冰厚度获得方法，在35kV及以上电压等级输电线路的覆冰厚度在线监测应用611台/套，实现线路覆冰准确、定量、实时计算，支撑覆冰“监测-预警-融冰-恢复供电”全过程精准管控，科学指导融冰抗冰决策。2015年冬至今，成功预警线路覆冰904次、指导融冰125次，相关单位及时采取紧急融冰、转负荷等手段，防止了输电线路因覆冰引起的倒塔断线故障，创造效益超1亿元，保障了大电网安全稳定运行和可靠供电，有效支撑国民经济发展，经济社会效益显著。

2.提升电网运行维护科学管理水平，提高生产效率

由于以往技术和方法准确度、可靠性不高，导致冬季抗冰保电期间仍然需要大量运维人员现场观冰。依托本专利方法，扭转了以人力为主导的传统观冰方式，形成以在线监测为基础的智能预警体系，实现电网抗冰防冰智能化转变，推动电网数字化转型。2015年至今，各应用单位合计减少现场观冰工作量约12万人天，成功实现人工替代，提高了劳动生产效率效益。

3.推动我国电网防灾减灾技术进步，达到国际领先水平

本专利技术解决了输电线路等值覆冰厚度精准监测难题，依托本专利技术，生产了输电线路等值覆冰厚度监测装置，为电网冬季抗冰工作提供了强大的技术支撑，显著推动我国电网防灾减灾领域的技术进步，经中国电力企业联合会鉴定为“不依赖于档距的覆冰监测模型建立及应用方面达到国际领先水平”（中电联鉴字[2016]第145号）。