[科普中国]-电网污闪预测系统

简介

污闪是绝缘子表面污秽达到一定程度，周围空气湿度超过特定值，绝缘子表面泄漏电流达到可持续临界值，导致高压输变电设备的高压带电部位对地闪络放电。绝缘子表面发生污闪极易导致输变电设备跳闸，是发生在高压线路和变电站的一种常见事故[t]。输电线路和变电站的外绝缘要求在大气过电压、内部过电压和长期运行电压下均能可靠运行。但沉积在绝缘子表面上的固体、液体和气体微粒在雾、毛毛雨、融冰、融雪等恶劣气象条件及其它气象因素作用下，绝缘子的电气强度将大大降低，使输电线路和变电站的外绝缘不仅可能在过电压作用下发生闪络，而且可能在正常运行电压下发生闪络，造成输变电线路跳闸从而导致大面积停电事故1

随着国民经济的快速发展，我国电网规模不断增大，电网额定电压等级不断提高，电力系统输变电设备外绝缘的污闪事故也日益严重。我国电力行业已把电网污秽闪络归结为气象灾害事故的一种。污闪灾害事故与电网电气事故的最大不同之处是，污闪灾害事故的发生规律很难掌握，也没有现行的比较有效的事故预防和处理措施。因此，污闪的研究，尤其是污闪预测的相关研究，己成为近年来国内外电力行业和研究机构普遍重点关注的热点研究领域。

污闪的严重危害目前，据我国电力行业统计，在我国因污秽而引起的绝缘闪络事故次数在电网的总事故次数中己占居第二位，仅次于雷电灾害事故，而污闪事故造成的损失却是雷害事故的10倍以上。以甘肃省为例，110/330kV送电线路在1955-1986年的31年间发生大小事故448次，其中绝缘子污闪事故134次，占总事故次数的29%，雷击闪络事故33次，占总事故数的7.4% 011 OkV线路的污闪跳闸率平均为0.182次/百公里·年，220kV线路为0.402次/百公里·年，330kV线路为0.019次/百公里·年，总的污闪跳闸 t率为0.202次/百公里·年。

据不完全统计，我国1969-1979年的10年中发生污ICJ事故1483次，1979-1987年的8年中发生污闪事故1463次，而1986-1987的两年间污闪事故竟发生了577次，电量损失达4667万度。显然，随着大气环境的恶化，空气污染的加剧，污闪事故有所增加，因污闪所造成的损失也相应增大。从电压等级来看，我国500kV线路己多次发生污闪，其中东北、华北9条线路投入运行以来，污闪事故已占总事故数的25%}华北和东北电网的500kV线路的污闪跳闸率分别高达1.235次/百公里·年和1.0次/百公里·年。同时污闪事故常常波及多条线路和多个变电站，造成大面积停电1。

1986年，兰州电网的“3.16”污闪事故，导致14条线路41处发生污闪，5条线路的9处架空地线断线，2条线路的3处导线断线，全网开关跳闸106台次，5个220kV变电站和28个110kV变电站全部停电，1个220kV变电站部分停电，兰州电网与西北主网解列，电厂与系统解列两次。

1997年2月27日陕西电网发生了波及面最广、损失最重的一次污闪事故，东起秦岭电厂、西至宝鸡汤峪、南起户县电厂、北到韩城地区，共计4条330kV线路、2条220kV线路、4台330kV/240MVA变压器跳闸，损失出力280MW，停电时间达3小22分，其中秦岭一厂、220kV闰良、代王变电站与系统解列，失压23分钟。时隔一年，1998年2月19日，220kV秦代线、330kV秦南线、秦渭线发生污闪跳闸事故，致使秦岭电厂与系统解列。330kV安南1, 2线污闪跳闸导致安康地区与系统解列，同时跳闸的还有330kV韩金线、220kV闰代线。

1999年3月12日，北京西北部地区突降雪雾和冰冻，持续长达一周，造成北京供电局管辖的输电线路多次发生污闪跳闸事故。在几天之内，北京地区110kV}S00kV输电线路共跳闸11路43次，发生跳闸的线路长度占北京地区输电线路的9.8%，造成部分地区停电，对北京电网的安全运行构成极大威胁。

2000年12月18日，陕西全省大雾，渭南地区尤其严重，并伴有冰凌，当日12:27,位于渭南地区中东部的秦岭二电厂330kV母线相继发生污闪跳闸，造成330kV秦渭线、秦南线跳闸、损失2台机组共280MW出力，所幸的是调度有方，才一未造成巨大损失。

2001年2月2122日，大雾笼罩我国北方地区，造成一次大面积污闪停电事故[5]0在辽宁中部电网，事故造成220kV及以上线路跳闸44条，151次，10座220kV变电所停电。66kV线路跳闸171条次，120座66kV变电所全停。全省损失电量937万kWh。同时，在河北南部电网，220}SOOkV线路跳闸59条，225次;110kV线路跳闸209条次，35kV线路跳闸110条次，10座220kV变电所停电。在京津唐电，35kV及以上线路跳闸29条，44次。在河南北部电网，SOOkV线路跳闸2条，2次，220kV线路跳闸18条，71次。这次污闪事故造成惨重的经济损失和严重的社会影响。

由以上分析可以看出，污闪作为一种灾害事故，已严重威胁着电网的安全稳定运行。同时，我国是一个电源与等值盐密分布极不均衡的国家[[6]。我国高海拔地区的水电资源约占全国的75%以上，这些地区是易发生覆冰、覆雪的高寒地带;我国煤电资源基本上集中在西北、华北大部，这些地区是粉尘、沙尘污染严重地区;我国的大规模用电中心基本上集中在水力、煤电资源相对缺少的东南沿海地区。随着大型水电站、火力发电厂的不断建立和西电东送工程的建设，必将有更多超高压、特高压交、直流输电线路将大量的电力送到内地及东南工业区，正在建设的超高压和即将试运的特高压输电线路必然要通过高海拔、高污染地区。随着工农业的日益发展，高海拔及高寒地区的空气污染也日益严重，所以气压、污秽、覆冰、覆雪对绝缘子电气强度的影响是电力生产运行企业必须面对的严峻问题。由于污秽微粒的物理化学特性(主要是导电性和吸水性)、污秽层(包括覆冰、覆雪)的厚度及其分布、作用电压的大小以及污秽层受潮(包括融冰、融雪)的气象条件等都因时因地而变化，所以具有很强的随机性和分散性，这就使得实测和统计工作的工作量极大，绝缘污染和气象条件的模拟极为复杂，给试验和研究工作带来较大的困难。

将绝缘子等值盐密非线性时间序列预测、绝缘子污秽闪络临界电压预测及污秽闪络临界值判断三个功能结合，组成污闪预测模型，最终实现对电网污闪的预测预警。绝缘子等值盐密非线性时间序列预测研究是整个污闪预测研究的基础;而在等值盐密可预测的基础上进行的污闪临界电压预测则是污闪预测的关键;最后，在污闪临界电压可预测的基础上建立电网污闪预测预警模型，则实现了对污闪发生与否、发生概率大小的预测和预警。将三个预测研究建立的数学模型链接在一起，成为一个完整数学模型—电网污闪预测模型。

在建立电网污闪预测数学模型的基础上，应用Java和Oracle数据库技术，开发以电网污闪预测模型为核心的电网污闪预测系统(软件)，实现电网污闪预测系统与防灾减灾系统功能的无缝链接，及电网污闪预测系统与大型气象数据库、电力运行调度管理数据库的无缝链接，建立污闪预测数据库及污闪分级预警数据库，实现污闪预测数据在电力系统内部网(Intranet)的实时共享与发布。

电网污闪分级预测预警模型将污闪临界电压预测模型所预测的污闪临界电压值与电网中绝缘子的运行电压进行比较，当污闪临界电压预测值接近、等于或低于绝缘子运行电压时，根据绝缘子污闪临界电压值与运行电压之间关系判断电网污闪发生与否及发生概率等级，对电网污闪风险进行预测与分级预警。

电网污闪分级预测预警模型原理如图s.I所示。当污闪临界电压预测模型的输出污闪电压接近，等于或低于运行电压后，根据预测污闪临界电压与运行电压之间的差值大小，将污闪风险分为几个等级，并根据污闪风险等级进行污闪预警。采用污闪分级预警机制，可为电网运行管理部门提供清晰有效的污闪风险数据，能够为电网防污工作指导提供明确的指导，有效提高污闪防治工作的效率和效果。

电网污闪分级预测预警模型的基本原理为:设运行电压为Unn，污闪预测模型输出的污闪临界电压为Ur:F。

建立一个以气象参数、污闪临界电压与电网运行电压为输入的人工神经网络模糊推理模型，根据实时气象条件及污闪临界状态对电网某一区域内特定电压等级的电网污闪状态及其等级作出预测，并给出预警等级。

电网污闪预测模型将基于非线性时间序列的绝缘子等值盐密预测模型、基于人工神经网络模型的绝缘子污秽闪络临界电压预测模型和电网污闪分级预测预警模型三个数学模型组合成为一个完整的电网污闪预测系统模型，通过电网污闪预测系统实现对电网污闪描述参数的预测和污闪风险的预测预警。在绝缘子等值盐密非线性时间序列预测模型的基础上，等值盐密预测模型的输出预测结果作为污闪临界电压预测模型的输入之一，由污闪临界电压预测模型对在预测等值盐密及实时气象输入条件下的污闪临界电压做出预测，在污闪临界电压预测值的基础上，对电网污闪临界电压进行判断，最终给出污闪的分级预测预警信息。

电网污闪预测模型结构如图5.2所示。污闪预测模型总的输入条件为气象数据，包括历史记录数据和预报，输出为污秽闪络电压等级，根据污秽闪络电压等级即可对污秽闪络发生风险做出判断。

污闪预测模型的输入条件包括温度、湿度、风速、气压和降雨量等，各输入条件首先进入等值盐密预测模型，对等值盐密当前值做出实时预测;在得到等值盐密的实时预测值后，由等值盐密、温度、湿度、风速、气压和降雨量等作为输入条件进入污闪电压预测模型，对当前等值盐密下的污闪临界电压做出预测;在得到污闪临界电压预测值后，污闪临界电压预测值进入污闪分级预测预警模型，电网绝缘子污闪状态做出预测。如果预测的污闪电压值大于绝缘子运行电压，则不进行污闪预警;若预测的污闪电压值接近运行电压，则做出污闪临近预警;若预测的污闪电压等于运行电压，则做出污闪50%概率预警;若预测的污闪电压低于运行电压，则根据污闪电压低于运行电压的程度做出污闪分级预警。

电网污闪预测模型的软件实现基于Java技术的电网污闪预测系统应用软件研究的电网污闪预测系统以电网污闪预测数学模型为核心，采用Java技术与Oracle数据库技术，建立电网污闪预测系统Java软件包，能够与电网防灾减灾系统服务程序和大型数据库的无缝链接。在污闪预测理论研究的基础上，实现了污闪预测的实用化、智能化和网络化。

电网污闪预测系统应用Java技术是基于其技术的主导地位及其优秀的应用性能。Java是一种跨平台，适合于分布式计算环境的面向对象编程语言。

其主要特点有:

(1)简单、面向对象和应用广泛。Java的简单首先体现在精简的系统上，力图用最小的系统实现足够多的功能;对硬件的要求不高，在小型的计算机上便可以良好的运行。和所有的新一代的程序设计语言一样，Java也采用了面向对象技术并更加彻底，所有的Java程序均是对象，封装性实现了模块化和信息隐藏，继承性实现了代码的复用，用户可以建立自己的类库。而且Java采用的是相对简单的面向对象技术，去掉了运算符重载、多继承的复杂概念，而采用了单一继承、类强制转换、多线程、引用(非指针)等方式，无用内存自动回收机制也使得程序员不必费心管理内存，是程序设计更加简单，同时大大减少了出错的可能。Java语言采用了C语言中的大部分语法，熟悉C语言的程序员会发现Java语言在语法上与C语言极其相似。

(2)鲁棒性和安全性。Java语言在编译及运行程序时，都要进行严格的检查。作为一种强制类型语言，Java在编译和连接时都进行大量的类型检查，防止不匹配问题的发生。如果引用一个非法类型、或执行一个非法类型操作，Java将在解释时指出该错误。在Java程序中不能采用地址计算的方法通过指针访问内存单元，大大减少了错误发生的可能性;而且Java的数组并非用指针实现，这样就可以在检查中避免数组越界的发生。无用内存自动回收机制也增加了Java的鲁棒性。作为网络语言，Java必须提供足够的安全保障，并且要防止病毒的侵袭。Java在运行应用程序时，严格检查其访问数据的权限，比如不允许网络上的应用程序修改本地的数据。下载到用户计算机中的字节代码在其被执行前要经过一个核实工具，一旦字节代码被核实，便由Java解释器来执行，该解释器通过阻止对内存的直接访问来进一步提高Java的安全性。同时Java极高的鲁棒性也增强了Java的安全性。

(3)结构中立且可移植。计算机网络上充满了各种不同类型的机器和操作系统，为使Java程序能在网络的任何地方运行，Java编译器编译生成了与体系结构无关的字节码结构文件格式。任何种类的计算机，只有在其处理器和操作系统上有Java运行时环境，字节码文件就可以在该计算机上运行。即使是在单一系统的计算机上，结构中立也有非常大的作用。随着处理器结构的不断发展变化，程序员不得不编写各种版本的程序以在不同的处理器上运行，这使得开发出能够在所有平台上工作的软件集合是不可能的。而使用Java将使同一版本的应用程序可以运行在所有的平台上。体系结构的中立也使得Java系统具有可移植性。Java运行时系统可以移植到不同的处理器和操作系统上，Java的编译器是由Java语言实现的，解释器是由Java语言和标准C语言实现的，因此可以较为方便的进行移植工作。

电网污闪预测系统应用软件应用Java编程语言，将污闪预测模型转化为污闪预测应用软件。污闪预测系统软件是电网综合防灾减灾系统的分系统软件，也可独立运行。

污闪预测应用软件的主要功能有:自动从气象预报数据库中提取气象预报信息，并将气象预报信息进行预处理，转换为污闪预测模型能够使用的数据类型;根据气象预报数据对等值盐密、污闪电压做出预测;对污闪等级做出分级预警;将等值盐密、污闪电压及污闪分级预报信息存储到污闪数据库，并根据系统要求将相关信息在防灾减灾系统中发布;能够根据新的气象记录信息自动完成数学模型的不断优化和修正。

污闪预测软件包括:等值盐密预测软件包、污闪临界电压预测软件包及污闪分级预警分析软件包、数据库接入软件包及其它外围服务软件包组成。这些功能软件包按照功能和相互之间关系分别封装不同的类(Class )中。

污闪预测软件的完成形式为一个按一定命名规则封装好的带有程序包入口的Java服务程序包，污闪预测软件按防灾减灾综合服务程序要求，与其它分系统功能的应用软件包一起被封装在防灾减灾系统的综合服务程序内。

污闪预测软件的一个重要组成部分是Oracle数据库访问软件包。在完成污闪预测软件的同时，根据防灾减灾系统功能的要求，还需要同时建立污闪预测数据相关的Oracle数据库。

污闪预测软件系统的Oracle数据库Oracle数据库是污闪预测软件系统的重要组成部分，是有效地进行污闪相关数据存储、共享及处理的环境和工具。

Oracle数据库系统是一个应用广泛、技术成熟的数据库系统。Oracle是面向对象系统，具有很好的网络性能，数据库功能强大。支持大数据库、多用户的高性能的事务处理l’2v]。Oraclea支持大数据库，其大小可到几百千兆，可充分利用硬件设备。支持大量用户同时在同一数据上执行各种数据应用，并使数据争用最小，保证数据一致性。

Oracle数据库系统具有高开放性能。Oracle数据库系统每天可连续24小时工作，正常的系统操作(后备或个别计算机系统故障)不会中断数据库的使用。可控制数据库中数据的可用性，可在数据库级或在子数据库级上控制。Oracle遵守数据存取语言、操作系统、用户接口和网络通信协议的工业标准。所以它是一个开放系统，最大限度的保护了用户的投资。

Oracle支持分布式数据库和分布处理。为了充分利用计算机系统和网络，允许将处理分为数据库服务器和客户应用程序，所有共享的数据管理由数据库管理系统的计算机处理，而运行数据库应用的工作站集中于解释和显示数据。通过网络连接的计算机环境，Oracle将存放在多台计算机上的数据组合成一个逻辑数据库，可被全部网络用户存取。分布式系统像集中式数据库一样具有透明性和数据一致性。

Oracle软件具有可移植性、可兼容性和可连接性。可在许多不同的操作系统上运行，以致Oracle上所开发的应用可移植到任何操作系统，只需很少修改或不需修改。Oracle软件同工业标准相兼容，包括许多工业标准的操作系统，所开发应用系统可在任何操作系统上运行。可连接性是指Oracle允许不同类型的计算机和操作系统通过网络可共享信息。

Oracle数据库系统为具有管理数据库功能的软件系统。每一个运行的Oracle数据库与一个Oracle实例(Instance)相联系。一个Oracle实例为存取和控制一数据库的软件机制。每一次在数据库服务器上启动一数据库时，称为系统全局区(System GlobalArea，简称SGA)的一内存区被分配，有一个或多个Oracle进程被启动。该SGA和Oracle进程的结合称为一个Oracle数据库实例。一个实例的SGA和进程为管理数据库数据、为该数据库一个或多个用户服务而工作。

污闪预测系统共建立三个数据库:一个是存储实时气象预报信息的气象输入条件数据库;第二个是用来存储等值盐密、污闪电压及污闪预报等级的污闪数据库;最后一个是用来存储等值盐密预测模型和污闪电压预测模型参数的模型参数数据库。这三个数据库构成了污闪预测软件的数据库系统，是污闪预测软件重要的组成部分。

电网污闪预测系统工程应用污闪预测模型及其应用软件已在福建电力公司投入使用。 根据“福建电网防灾减灾技术支持系统—污闪预测预警分系统研究开发”项目要求，污闪预测算法模型建立后，需完成相关实用化软件编程工作，且污闪预测算法软件包及污闪预测预警数据库应与防灾减灾系统实现无缝链接，预测结果能够作为福建省电力公司相关运行管理部门的污闪防治工作的指导性数据。2008年4月1日，具有全部防灾减灾系统要求功能的污闪预测预警分系统软件包在防灾减灾系统服务器上调试通过，并挂网运行。

展望非线性时间序列预测理论是近年来非线性系统和混沌理论研究的热点之一。非线性时间序列预测利用重构相空间和混沌吸引子来实现对该时间序列所代表的动力学系统的运动进行预测，通过相空间重构来近似恢复原来的多维非线性混沌系统。因此，研究污闪的非线性预测模型具有十分重要的理论研究和实践应用价值。

研究了污闪相关参数预测的多种非线性预测模型和方法，但由于时间和精力有限，还有一些问题今后要进行更深入的研究:

(1)等值盐密时间序列是污闪预测研究的基础，现场等值盐密的监测工作应更加准确和持续，为污闪预测研究提供更加丰富的数据基础。

(2)无论是等值盐密单变量时间序列还是包含气象因素的多变量时间序列，对含噪声序列的处理方法仍有待深入研究，以使等值盐密非线性时间序列重构的相空间能更加接近原动力系统，能更为准确的描述原系统的动力学行为。

(3)污闪预测在气象预测数据的基础上进行，如何在本身存在预测误差的气象预测数据基础上提高预测精度，仍是需要研究的重要问题。