技术领域
[0001] 本
发明涉及输变电设备在线监测的技术领域，尤其是指一种计算输电线路走廊山火烟雾浓度报警阈值的方法。
背景技术
[0002] 近些年来，受
气候日益反常的影响以及森林火险等级和次数的较大攀升，山火引发的输电
线路跳闸事故日益突出，越来越受到
电网运行部
门以及科研工作者的关注。据统计，由山火引发的线路跳闸率仅次于
雷击跳闸率位列第二，已严重影响电网的安全稳定运行。2007年南方电网220kV输电线路因山火跳闸8次；2008年14次；2009年110kV以上线路发生山火事故4次(总数23次)、故障16次(总数107次)；2010年由山火引发的500kV西电东送线路跳闸42条次，占第一季度500kV西电东送线路总跳闸次数(67次)的63％。2010年1月中旬至今，
云南电网因山火引起500kV和220kV重要输电线路跳闸8条次，被迫停运输电线路10条次。2003年，湖南省因山火引起的线路跳闸事故占全省事故跳闸的37％，2009年2月因山火线路跳闸10次。湖北省电网因山火导致输电线路跳闸占总跳闸事故的23.53％。2009年2月24日下午，发生在贵州安顺、青岩、贵阳地区的山火，造成贵州电网500kV高压输电线路送出端相继发生跳闸6次，向广东省输电功率因之减少2350MW。2010年5月2日，1000kV特高压示范工程长南I线的31到33号线路部分因山火导致输电线路对地放电，引起长南I线C相故障跳闸。国外如南非、巴西、美国以及澳大利亚都发生过因山火引发线路跳闸的事故。此外，根据已有数据，输电线路发生跳闸事故时，重合闸的时间一般为1s，但是山火的持续时间一般为几十秒甚至十几分钟，所以输电线路一旦发生跳闸事故，其重合闸的成功率是很低的。由此可见，山火严重影响了架空输电线路的正常运行。如何实现在各种复杂的输电线路运行环境中对山火进行及时有效的预警已经成为输电线路运行维护的一个重要的技术难题。
[0003] 为有效应对山火引发的大规模输电线路跳闸事故，国内外学者对输电线路走廊山火监测、预警方法进行了大量研究。常用的监测方法有以下几种：
[0004] 1、图像视频监测法
[0005] 利用摄像机拍摄山火蔓延的动态特性，并转换成数字
信号导入计算机，再结合计算机技术进行图像和视频处理来监测火焰和烟雾。该方法可以同时监测山火的火焰和烟雾，有一定的山火识别效果。但是摄像机的工作能耗高，会受电源和通讯的制约，
定位也不准确。而且图像视频识别的
算法又比较复杂，也会成为该方法实施的一大
瓶颈。
[0006] 2、卫星遥感地面监测法
[0007] 利用极轨气象卫星AVHRR资料遥感监测山火的方法，该方法依据维恩位移定律所反映的物体表面
温度T与
辐射力最强时对应的
波长λmax之间的关系：
[0008] T×λmax＝2897.9(K·μm) (1)
[0009] 式(1)表明物体表面温度越高，λmax就越小。因此可通过测量物体辐射力最强时对应的波长λmax来计算物体表面的温度。基于此定律，只需将制成的探测仪安装在卫星或
飞行器等制高点上，就能对地面进行大面积的热点监测，通过监测地面热点的信息来确定发生山火的
位置。该方法监测范围广，周期短，数据传输快，可以对山火进行广域的监测。但是卫星的监测受卫星过境时间的限制，难以实现全天候监测，且监测结果易受云层影响，监测地面的
分辨率也不理想。
[0011] 将传感器随机散落分布在监测地区，采集相关的山火气象数据，再进行信息处理，来判断是否有可能发生山火。该方法能够实时准确的监测发生山火的位置，具有一定的有效性，但是监测范围太小，难以实现对较远距离线路走廊山火的早期预警。
[0013] 运用激光雷达监测输电线路山火的原理图如图2所示，激光在大气介质中传播时，遇到大气中的
气溶胶大颗粒会发生米散射而衰减，从而产生许多反映大气物理状态的
光信号。烟雾属于一种典型的气溶胶，当激光发射到烟雾表面时会发生米散射。因此，采用米散射激光雷达对山火烟雾进行监测研究。
[0014]
激光器发出的激光经过
准直器准直后射入到大气中，当其发射到烟雾表面时，后向散射的光被光学系统的望远镜接收，并通过两次反射传播到探测器系统。高灵敏度的探测器探测到激光，通过光电转换器将光信号转化为
电信号，同时，此电信号被高速
光子计数器采集并存入计算机，计算机通过米散射激光反演计算得到气溶胶的距离、后向散射光强度等信息，从而对山火烟雾进行有效的评估和监测。
发明内容
[0015] 本发明的目的在于克服
现有技术的不足，提供一种计算输电线路走廊山火烟雾浓度报警阈值的方法，主要是针对工程中对输电线路走廊山火监测不准确的问题。
[0016] 为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种计算输电线路走廊山火烟雾浓度报警阈值的方法，采用活体树枝和干草作为
燃料模拟山火，以棒与板间隙模拟实际情况下
导线与大地间隙，其包括以下步骤：
[0017] 1)将导线与大地间隙之间的初始高度设置为H1；
[0018] 2)点燃火堆，在燃烧过程中洒一些
水，使其产生浓烈的火焰和大量的烟雾；
[0019] 3)启动激光雷达设备对火堆正上方导线处烟雾进行监测；
[0020] 4)启动工频
电压发生器，先逐级加压，至导线与大地间隙发生放
电击穿，记录发生击穿时激光雷达设备显示的激光后向散射光子数的最大值nmax，再运用升降法，缓慢降低
电源电压，若间隙发生击穿，则记录激光雷达设备显示的激光后向散射光子数的最大值；若间隙未发生击穿，则缓慢升高电源电压，直至间隙发生击穿为止，记录激光后向散射光子数的最大值，重复升降压试验多次，取这几次试验测得激光后向散射光子数最大值的平均值，记为n1；
[0021] 5)关闭高压电源，设定步长增加导线高度，即每次增高导线高度后再启动电源进行多次升降压试验，同样取这多次试验测得激光后向散射光子数最大值的平均值，直至导线上升至最大高度，总共测得在高度H1，H2，H3…Hn下分别对应的n1，n2，n3…nn值；
[0022] 6)建立激光后向散射光子数与导线高度之间的灰色
预测模型，对实际输电线路环境下各电压等级导线高度下易引起间隙放电的激光后向散射光子数的数量进行求解计算，这个求解计算到的激光后向散射光子数的数量值能够表征山火烟雾的浓度，亦能够作为激光雷达监测山火的报警阈值，一旦激光雷达设备监测到的激光后向散射光子数达到了根据灰色预测模型求解到的相同导线高度下的激光后向散射光子数的数量值就设置报警信号，说明输电线路走廊山火规模发展到了威胁线路安全的程度，要立即采取措施灭火，保障输电线路安全稳定运行。
[0023] 所述步骤6)包括以下步骤：
[0024] 6.1)建立灰色预测模型
[0025] 将测得的激光后向散射光子数作为已知数据列，建立导线高度与激光后向散射光子数之间的GM(1，1)灰色预测模型；
[0026] 已知实验数据列为n(0)＝(n(0)(1)，n(0)(2)，…，n(0)(n))，做1次累加生成数列：
[0027] n(1)＝(n(1)(1)，n(1)(2)，…，n(1)(n))
[0028] ＝(n(1)(1)，n(1)(1)+n(0)(2)，…，n(1)(n-1)+n(0)(n))
[0029] 其中 求均值数列：
[0030] z(1)(k)＝0.5n(1)(k)+0.5n(1)(k-1),k＝2,3,…,n
[0031] 则z(1)＝(z(1)(2),z(1)(3),…z(1)(n))，此时，建立灰微分方程：
[0032] n(0)(k)+az(1)(k)＝b,k＝2,3,…,n
[0033] 相应的白化微分方程为：
[0034]
[0035] 令u＝(a,b)T,Y＝(n(0)(2),n(0)(3),…,n(0)(n))T, 则参数a,b可由最小二乘法求得，即使J(u)＝(Y-Bu)T(Y-Bu)达到最小值时，求解得到：
[0036] u＝(a,b)T＝(BTB)-1BTY
[0037] 再求解白化微分方程，得：
[0038]
[0039] n(1)(k+1)为所得的累加的预测值，将预测值还原，即为：
[0040] n(0)(k+1)＝n(1)(k+1)-n(1)(k),(k＝1、2、3…n-1)
[0041] 则n(0)(k+1)为需要预测的激光后向散射光子数序列值；
[0042] 6.2)灰色预测方法
[0043] 6.2.1)数据的预处理
[0044] 为了保证建模方法的可行性，需要对实验数据进行必要的检验处理，对初始实验数据形成的数列n(0)＝(n(0)(1)，n(0)(2)，…，n(0)(n))，计算数列的级比：
[0045]
[0046] 如果所有的级比都落在可容
覆盖范围 内，则数列n(0)可以作为GM(1，1)灰色预测模型的原始数据进行预测，否则，需要对数列n(0)作必要的变换处理，使其落入可容覆盖范围X内，取所需常数c，作平移变换：
[0047] m(0)(k)＝n(0)(k)+c，k＝1,2,…，n
[0048] 使数列m(0)＝(m(0)(1)，m(0)(2)，…，m(0)(n))的级比：
[0049]
[0050] 6.2.2)按照上面步骤6.1)中介绍的方法建立GM(1,1)灰色预测模型：
[0051]
[0052] 因此，可通过测得不同导线高度下致使导线与大地间隙发生放电击穿的烟雾的激光后向散射光子数来预测实际环境中各电压等级导线高度下易引起间隙放电的激光后向散射光子数的数量，预测得到的激光后向散射光子数的数量值能够表征山火烟雾的浓度，亦能够作为激光雷达监测山火的报警阈值，一旦激光雷达设备监测到的激光后向散射光子数达到了根据灰色预测模型求解到的相同导线高度下的激光后向散射光子数的数量值就设置报警信号，说明输电线路走廊山火规模发展到了威胁线路安全的程度，要立即采取措施灭火，保障输电线路安全稳定运行。
[0053] 本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0054] 本发明结合激光雷达监测山火烟雾获取的烟雾距离和后向散射光子数信息，通过模拟试验测得不同高度下导线下方发生山火引起导线与大地间隙放电击穿时激光后向散射光子数的数量，建立计算实际情况下各电压等级对应的输电导线高度下发生山火会引起击穿的激光后向散射光子数的预测模型，通过设定这个激光后向散射光子数作为激光雷达监测各电压等级输电线路山火烟雾的报警阈值，既能在山火爆发到足够引起导线与大地间隙放电击穿的规模时进行实时准确的预警，又能避免山火规模不足引起误判而浪费灭火的人力和物力，具有重大的工程指导意义和经济价值。
附图说明
[0055] 图1为本发明的激光雷达测量山火烟雾激光后向散射光子数的试验布置图。
[0056] 图2为现在技术的运用激光雷达监测输电线路山火的原理图。
具体实施方式
[0057] 下面结合具体
实施例对本发明作进一步说明。
[0058] 本实施例所述的计算输电线路走廊山火烟雾浓度报警阈值的方法，其具体情况如下：
[0059] 采用活体树枝和干草作为燃料模拟山火，以棒与板间隙模拟实际情况下导线与大地间隙。电源采用250kV工频电压发生器，
击穿电压测量采用300kV的多电容
分压器和具有测电压峰值功能的万用表，激光雷达测量山火烟雾后向散射光子数的试验布置如图1所示。测量步骤如下：
[0060] 1)将导线与大地间隙之间的初始高度设置为H1＝2m。
[0061] 2)点燃火堆，可以用适量的酒精引燃，在燃烧过程中可以适量洒一些水，使其产生浓烈的火焰和大量的烟雾。
[0062] 3)启动激光雷达设备对火堆正上方导线处烟雾进行监测。
[0063] 4)启动工频电压发生器，先逐级加压，至导线与大地间隙发生放电击穿，记录发生击穿时激光雷达设备显示的激光后向散射光子数的最大值nmax，再运用升降法，缓慢降低电源电压，若间隙发生击穿，则记录激光雷达设备显示的激光后向散射光子数的最大值；若间隙未发生击穿，则缓慢升高电源电压，直至间隙发生击穿为止，记录激光后向散射光子数的最大值，重复升降压试验10次，取10次试验测得后向散射光子数最大值的平均值，记为n1。
[0064] 5)关闭高压电源，以0.1m为步长增加导线高度，即每次增高导线高度后再启动电源进行10次升降压试验，同样取每10次试验测得激光后向散射光子数最大值的平均值，受试验室顶梁高度的限制，将导线高度最大升高至5m，总共测得在高度H1，H2，H3…H30下分别对应的n1，n2，n3…n30值。
[0065] 6)建立后向散射光子数与导线高度之间的灰色预测模型，对实际输电线路环境下各电压等级导线高度下易引起间隙放电的激光后向散射光子数的数量进行求解计算，这个求解计算到的激光后向散射光子数的数量值能够表征山火烟雾的浓度，亦能够作为激光雷达监测山火的报警阈值，一旦激光雷达设备监测到的激光后向散射光子数达到了根据灰色预测模型求解到的相同导线高度下的激光后向散射光子数的数量值就设置报警信号，说明输电线路走廊山火规模发展到了威胁线路安全的程度，要立即采取措施灭火，保障输电线路安全稳定运行。其具体情况如下：
[0066] 6.1)建立灰色预测模型
[0067] 将测得的激光后向散射光子数作为已知数据列，建立导线高度与激光后向散射光子数之间的GM(1，1)灰色预测模型；
[0068] 已知实验数据列为n(0)＝(n(0)(1)，n(0)(2)，…，n(0)(n))，做1次累加生成数列：
[0069] n(1)＝(n(1)(1)，n(1)(2)，…，n(1)(n))
[0070] ＝(n(1)(1)，n(1)(1)+n(0)(2)，…，n(1)(n-1)+n(0)(n))
[0071] 其中 求均值数列：
[0072] z(1)(k)＝0.5n(1)(k)+0.5n(1)(k-1),k＝2,3,…,n
[0073] 则z(1)＝(z(1)(2),z(1)(3),…z(1)(n))，此时，建立灰微分方程：
[0074] n(0)(k)+az(1)(k)＝b,k＝2,3,…,n
[0075] 相应的白化微分方程为：
[0076]
[0077] 则参数a，b可由最小二乘法求得，即使J(u)＝(Y-Bu)T(Y-Bu)达到最小值时，求解得到：
[0078] u＝(a,b)T＝(BTB)-1BTY
[0079] 再求解白化微分方程，得：
[0080]
[0081] n(1)(k+1)为所得的累加的预测值，将预测值还原，即为：
[0082] n(0)(k+1)＝n(1)(k+1)-n(1)(k),(k＝1、2、3…n-1)
[0083] 则n(0)(k+1)为需要预测的激光后向散射光子数序列值。
[0084] 6.2)灰色预测方法
[0085] 6.2.1)数据的预处理
[0086] 为了保证建模方法的可行性，需要对实验数据进行必要的检验处理，对初始实验数据形成的数列n(0)＝(n(0)(1)，n(0)(2)，…，n(0)(n))，计算数列的级比：
[0087]
[0088] 如果所有的级比都落在可容覆盖范围 内，则数列n(0)可以作为GM(1，1)灰色预测模型的原始数据进行预测，否则，需要对数列n(0)作必要的变换处理，使其落入可容覆盖范围X内，取适当常数c，作平移变换：
[0089] m(0)(k)＝n(0)(k)+c，k＝1,2,…，n
[0090] 使数列m(0)＝(m(0)(1)，m(0)(2)，…，m(0)(n))的级比：
[0091]
[0092] 6.2.2)按照上面步骤6.1)中介绍的方法建立GM(1,1)灰色预测模型：
[0093]
[0094] 因此，可通过测得不同导线高度下致使导线与大地间隙发生放电击穿的烟雾的激光后向散射光子数来预测实际环境中各电压等级导线高度下易引起间隙放电的激光后向散射光子数的数量，预测得到的激光后向散射光子数的数量值能够表征山火烟雾的浓度，亦能够作为激光雷达监测山火的报警阈值，一旦激光雷达设备监测到的激光后向散射光子数达到了根据灰色预测模型求解到的相同导线高度下的激光后向散射光子数的数量值就设置报警信号，说明输电线路走廊山火规模发展到了威胁线路安全的程度，要立即采取措施灭火，保障输电线路安全稳定运行。
[0095] 综上所述，本发明结合激光雷达监测山火烟雾获取的烟雾距离和后向散射光子数信息，通过模拟试验测得不同高度下导线下方发生山火引起导线与大地间隙放电击穿时激光后向散射光子数的数量，建立计算实际情况下各电压等级对应的输电导线高度下发生山火会引起击穿的激光后向散射光子数的预测模型，通过设定这个激光后向散射光子数作为激光雷达监测各电压等级输电线路山火烟雾的报警阈值，既能在山火爆发到足够引起导线与大地间隙放电击穿的规模时进行实时准确的预警，又能避免山火规模不足引起误判而浪费灭火的人力和物力，具有重大的工程指导意义和经济价值，值得推广。
[0096] 以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
