方 圆，阮 羚，熊 宇

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.高压电气设备现场试验技术国网重点实验室，湖北 武汉430077）

基于卫星遥感技术的电网污秽分析和推演

方 圆1，阮 羚2，熊 宇1

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.高压电气设备现场试验技术国网重点实验室，湖北 武汉430077）

探讨了传统电网污秽分析技术存在的数据获取周期长、范围有局限性、数据可靠性低等问题，对比分析了卫星遥感技术监测范围广、重访周期固定、分辨率高、连续快速、信息准确客观等特点，并展望了基于卫星遥感技术的电网污秽分析和推演的应用方法和前景。

卫星遥感；电网污秽；大气污染

1 电网污秽研究对电网安全运行的重要性

我国经济发展正处于转型改革时期，近年来，大气污染、灰霾天气在大部分地区频繁发生。非周期性区域大气污染的加剧，对电力系统输变电设备外绝缘构成了威胁，为污闪事故的预警与预防带来了全新的挑战。

大气污染对电力系统的影响主要体现在：颗粒物附着在绝缘子表面，导致绝缘子表面的污秽增多；NO2、SO2等气体遇到高湿环境增加酸雨[1]概率，腐蚀绝缘子。沉积在绝缘子表面的固体、液体和气体微粒与雾、毛毛雨、融冰、融雪等恶劣气象条件的同时作用，使绝缘子的电气强度大大降低。这些现象不仅增加绝缘子在过电压作用下发生污闪的可能性，更加剧在长期运行电压下发生污闪的频率。

污闪随工业的发展和输电电压的升高而日趋严重。1950年代，我国仅东北和沿海地区发生过污闪事故；1960年代，逐步向全国各电网发展；1980年代，随着城乡工业的迅速发展，大气环境日趋恶化，污染加剧，同时高压输变电设备大幅度增加，500 kV输电系统相继投运，全国污闪事故明显上升。1980年代末和1990年代初，东北、华北及华中几个大电网，相继发生了大面积污闪跳闸。据统计，污闪事故造成的损失是雷击事故损失的10倍以上。随着我国超特高压电网应用增多，污秽绝缘子闪络成为电网最大的安全隐患。

当前电力系统采用的防污闪措施主要有3种[2]：（1）通过人工巡视情况及在线监测数据，人工清扫设备或申请降压运行（直流线路）。（2）采用新技术提高防污闪能力，推广使用复合绝缘、加装增爬裙、涂防污涂料，根据污秽特性合理选用防污涂料种类。（3）通过定期对绝缘子进行质量检测，在污闪季节前及时更换零低值、自爆、年劣化率达到更换标准等不符合运行要求的绝缘子，保持外绝缘的有效性。

这些措施在一定程度上遏制了污闪跳闸，但存在人力、物力、财力的多重浪费，且无法从根本上预测、防止污闪事故的发生[3]。因此，必须发展有效的污秽数据获取及推演方法，及时了解大范围大气污染对输变电设备外绝缘产生的影响，有效获取监测数据实现污秽评估由点到面扩展。

2 现阶段电网污秽分析技术

现阶段，电网污秽数据来源主要有两个：人工现场取样与污秽在线监测装置测量。污秽评估方法主要针对研究对象的不同，分为等值盐密法、泄露电流法、表面电导测量法、红紫外成像监测法、激光多普勒振动法等[4]。

大气污染受污染源分布、污染物性质、气象条件和地形状况等影响，时空变化很大。而常规取样只能在有限的监测点上进行，很难得到大区域、长时期全面而准确的结果。现阶段电网污秽分析手段存在下面3个问题。

2.1 获取数据周期长、连续性差

为了保障电网正常运营，输电线路的定期清扫与人工采样需遵循整个电网停电检修的计划调度。因此，自然污秽试验虽可获得最真实的运行线路绝缘子的外绝缘状态评测结果，但试品较难获得，试验周期较长，所得数据量较小。例如，基于停电状态下获取绝缘子污秽的等值盐密法受到停电周期的制约，难以实时动态地依据外部沙尘、雾霾等污染天气调整取样周期，无法做到针对电网污秽分布变化的实时动态估计。

现行国标DL/T 374-2010《电力系统污区分布图绘制方法》中污区分布图的绘制考虑到停电周期问题，以3年为周期对累积的污秽参数（盐密、灰密等）进行测量。当前污秽特殊区域专题图一般2～3年甚至更长时间才更新一次，存在严重的时间滞后性。尽管标准中建议污区图可以1年内进行小范围修订，但是这种固定时间周期的修订没有考虑到国家、省级局部地区经济建设以及基础设施建设发展的非周期变化，获取的数据缺乏连续性反映周边污染源变化的参数支撑，不能客观反映区域污秽情况。

2.2 获取数据范围局限于离散的点

在理论研究中，还没有学者将空间数据挖掘的思想应用于电网污秽分析中。绝大多数国内外研究人员针对绝缘子污秽的累积情况，提出不同的绝缘子类型、气象条件、大气污染等因素与等值盐密之间的定性关系，也有采用绝缘子等值盐密动态累积规律经典模型开展基于时间变化的仿真建模等。这些均采用单一变量或单一环境下的数值统计方法，是基于离散和小面积地面数据进行的，无法实现大面积覆盖[3]。

在实际应用中，现阶段的污秽参数都是来自输电线路上安装的离散监测点，仅覆盖了有限的点位，数据仅表征了观测点位周边有限范围内的污秽附着情况，不能得到大范围内每个绝缘子及输变电设备的污秽信息[3]，为面域尺度上污区图的绘制带来了不确定性。

2.3 获取数据不能真实反映污秽情况

人工现场取样展开的污秽试验中，不同试验人员存在经验差异，取样过程中个人主观性大，造成采样标准难以统一。同时，难以避免现场读数等人工误差。加之人工取样机会较少，增加了试验不可靠性，最终导致试验结果在不同区域间可比性较差。

在线监测装置的污秽试验中，受监测技术、蓄电池容量等问题制约，部分污秽监测装置存在误报率高、故障率高、易受电磁干扰、实时性差等缺点，获取数据质量参差不齐，上传的监测数据存在不完整、不准确、不及时等情况，技术人员难以开展高效的应用和分析处理。而在试验方法上，数据表征等价性问题经过多次修正，仍未完全得到解决[5]。例如常应用的泄露电流法受运行过程中表面污秽、运行电压、绝缘子尺寸等因素的影响，常常泄露电流发生突变时污闪已经发生，不能准确反映劣化过程。等值盐密法是在理论上仅仅指示了绝缘子污秽中能导电部分物质，而忽略了非导电部分的污秽，它所计算出来的污秽含量与真实值其实存在一定差异[4]。污层电导率法由于污秽分散性大，受温度变化和污秽分布不均、绝缘子形状不同的影响较明显[6]。

3 应用卫星遥感技术获取污秽参数分析

卫星遥感历经多年的研究和发展，在设计和研制方面攻克了一系列高精度、定量化的技术难题，其衍生的产品种类、数量，以及定量化指标均有显著提升[7]。按照我国“十三五”发展战略，卫星遥感系统将重点发展大气观测系列，逐步形成高、中、低空间分辨率合理配置、多种观测手段优化组合的综合高效全球观测能力。可预期，气象卫星事业将迈入新阶段。卫星遥感技术监测大气具有以下3个优势。

3.1 易获取海量周期性、连续性数据

卫星遥感监测通过多种卫星周期性重复覆盖地球表面，对陆地表面进行大范围、多时次的扫描，提供了海量、准确、稳定的数据源，便于对大气污染进行长时期动态监测和预报。通过选择不同周期、分辨率、观测对象的卫星数据，可有效获取所需的大气污染数据。例如，美国对地观测系统（EOS）计划发射的下午星群飞行在太阳同步轨道上，在与当地时间下午13：30相隔不到30 min的时间内经过赤道上空。其CALIPSO卫星通过激光束与光路上的云粒子、气溶胶粒子和大气分子等相互作用产生散射信号，获取气溶胶特性数据。同为EOS计划的Terra和Aqua卫星在大气数据采集时间上形成互补，其搭载的对地观测器之一MODIS一天覆盖全球两次，具有多光谱分辨率、高时间分辨率、多空间分辨率等特点。美国宇航局发射的Aura卫星对地球臭氧层、空气质量和气候变化进行观测和研究，1 d覆盖1次全球，能够以较高的空间分辨率获取大气污染物的空间分布和动态变化，为深入研究污染物的远距离输送及其复杂性提供支持。

3.2 监测范围广泛

与传统以监测点的绝缘子为测量范围开展推算相比，卫星遥感技术突破了局限性，可以获得三维空间数据，得到污染物垂直和水平分布信息。

同时，采用卫星遥感技术易于获取多元实测数据，可通过观测大气中气溶胶和微量气体的变化趋势，研究其源和汇，改变以往以点代面、以小范围代表大区域、污秽分析较粗放的不足，实现污秽综合评估和预测方法的融合、创新与应用。

3.3 数据来源可靠、多样，能真实反映污秽情况

卫星遥感技术可以瞬时获得大区域内地表和大气的综合信息，客观、准确、实时地反应大气污染情况，避免大气污染时空易变性、人工取样的随机性、人工试验干预的误差性等产生的误差。例如，高光谱遥感通过光谱区间的连续分布，可探测到更精细的地物信息和大气吸收特征，提高遥感高定量分析的精度和可靠性。

采用卫星遥感的手段进行大气污染检测，还能通过融合不同卫星监测源，对绝缘子污秽提供多样、有效的数据。例如，风云四号定量遥感气象卫星[7],采用高精度转角测量及扫描控制、定标、实时补偿、图像配准等创新技术,可提供温湿度、大气、导风、闪电等34种数据，涵盖沙尘检测、气溶胶光学厚度、大气稳定度指数等应用，实现在静止轨道的大气垂直探测，可与太阳同步轨道卫星形成时空、监测种类及精度等方面数据互补。

4 基于卫星遥感技术的电网污秽推演前景展望

基于卫星遥感技术监测范围广、重访周期固定、分辨率高、快速连续、信息准确客观等特点，能直观、动态监测污染物的多时空尺度的变化趋势和分布特征，对污秽的产生机理及其与大气污染数据的关联性研究、电网污秽预测和预防发展具有重要意义。

4.1 应用思路探究

（1）通过卫星遥感数据获取长时间、大范围污染情况

对搜集到的实时气象、污染数据进行清理与重组，结合盐密、灰密实测数据进行关键要素筛选和过程规则推理，分析、探索污秽引发闪络过程及机理的本质化学成分，与不同电压等级下发生的污闪情况关联，得出不同影响权重因子。例如，通过综合分析卫星遥感大气污染中的大气气溶胶、硫氧化物、氮氧化物等因子、区域地理气候特征与电网设备污秽实测参数之间关联关系，建立相应的多元因素关联模型及各因子间的量化关系，研究其特征和规律，建立基于环境因素的灰密、盐密等数值浓度预测预报模型。

对来自不同卫星的数据进行时空配准与融合，实现大气污染数据的空域扩展[8-12]。建立类型丰富、尺度层次多样、面向应用的卫星遥感数据库，能更加精确的筛选出与电网设备污秽相关的数据，为模型优化等研究提供数据支持。

（2）融合地面离散测量数据与卫星遥感数据

卫星遥感数据和地面人工采样数据的融合，实现卫星-地基观测相结合的污秽在面域的扩展。采用多时相加权平均等数据融合及ARIMA、集合卡尔曼滤波等由点及面的数据同化方法，将卫星遥感大气污染数据与地面监测数据进行时空匹配，构建具有共同时空属性的分析数据集，利用空间数据挖掘等方法建立关系模型；最后，输入卫星大气污染数据，实现卫星-地基观测相结合的输变电设备外绝缘污秽在面域的扩展。将地面人工监测结果作为验证参考，动态更新输入，展开模型参量微调。

（3）无地面监测点区域开展推演、比对研究

针对地面无监测点区域，可以建立气象、地形地貌数据的污染物扩散迁徙模型，开展其在区域环境特征下的污秽评估。

采用卫星遥感的手段，实时、动态探测土地利用变化，结合输电线路周边区域地形的精确测绘数据和气象数据，发展数据挖掘和模式预测的新方法，对大面积区域绝缘子污秽进行评估和预测。可以扩散统计理论出发点，假设污染物浓度分布在一定程度上服从高斯分布，构建多种排放源排污的模式系统，开展推演、估算，针对新建的工厂、热电厂等高污染源区域及时修正。模型成熟后，可扩展到适用于乡村环境和城市环境、平坦地形和复杂地形、地面源和高架源等多种排放扩散情形的模拟和预测。

4.2 应用效果展望

通过卫星遥感数据与绝缘子积污、电网污闪间关联研究的深入，可以减少电网污秽分析的主观性、局限性，增加分析方法多样性。与已有精益化评估方法相结合，开展与历史污秽数据、离散监测点数据、实时气象预报等融合的污秽推演，实现监测区到无布点区的拓展，将有效指导污秽特殊区域分布图的绘制及动态修订，为电网防污的差异化规划设计、运维管理和检修防治等提供判据，科学指导绝缘子防污闪能力配合、电网防污工作的开展和决策的制定实施。

5 结语

随着空气污染问题的日益突显,利用卫星遥感进行大气探测的技术得到了不断发展。通过应用卫星遥感技术监测范围广、重访周期固定、分辨率高、快速连续、信息准确客观等优势，有效弥补传统电网污秽分析技术存在的不足。综合分析卫星遥感监测大气污染等多元实测数据，开展推演与建模，实现污秽综合分析和预测方法的创新与应用，为电网差异化污秽状况分析、治理和预防提供判据，将有望高效指导电网防污工作的开展和决策的制定实施，科学建立电网防污秽体系。

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The Prospect of Pollution Analysis and Deduction of Power System Based on Satellite Remote Sensing Technology

FANG Yuan1,RUAN Ling2,XIONG Yu1
(1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China; 2.State Grid Key Laboratory of High-Voltage Field-Test Technique,Wuhan Hubei 430077,China)

The existing problems in retrieval and analysis of traditional pollution data are dis⁃cussed in this paper,which are of long period,limited scale to discrete monitoring points and low data reliability.Comparatively,the advantages of wide monitoring scope,the confirmed revisit peri⁃od,high resolution,quick and continuous response,accurate and objective information based on satellite remote sensing technology are studied.Furthermore,the application method and effects of pollution study and deduction of power system based on satellite remote sensing technology is pros⁃pected.

satellite remote sensing;pollution of power system;atmospheric pollution

TM75

A

1006-3986(2016)04-0013-04

10.19308/j.hep.2016.04.003

2016-03-011

方 圆（1989），女，湖北武汉人，助理工程师。