广东宝庆建设工程有限公司 郭环宙

1 智慧电力系统设计

1.1 智慧电力设计的要求

随着电力在社会终端能源消费占比的提高，提高输配电线路运行稳定性和可靠性，对于保证社会的电力可靠供应具有重要的意义。近年来，冰雪等恶劣气候对输配电线路带来了较大的考验，在恶劣天气条件下，极易发生线路倒塔、短路、舞动或者是冰闪等线路事故，并可能会引发大面积停电。为此，在现代输配电系统设计中，可以采用智慧电力的设计理念，提高输配电线路设计水平。在智慧电力设计当中，应遵循输配电线路的基本设计导则，对各种恶劣气候条件进行深入调研和分析，并采用智能化方法准确预测出可能会出现的风险，从而有针对性地在线路设计阶段就采取相应的预防性措施，达到智慧电力设计的目的。

1.2 智慧电力设计技术现状

在目前实际运行的输电线路中，都是根据以前颁布的输电线路设计导则进行施工建设的，但以前采用的较多旧设计导则现如今已经废止。同时，在以往的输电线路设计中，对各种复杂的气象条件也没有考虑得很充分，包括风、覆冰、雪、雨等，导致后续输电线路在实际运行中遇到问题。输电线路在这些复杂气象条件下运行，都会增加输电线路所承受的载荷，故在现有输电线路中出现过因大风而导致输电线路铁塔倒塔，或者是因覆冰导致铁塔倒塔等事故[1]。这些实际输电线路事故表明，按照以往的设计规范所设计的线路存在着较大的安全运行风险，降低输电线路的运行安全水平，存在着薄弱环节，需要对输电线路中的薄弱环节进行辨识。目前，智慧电力设计技术应用深度还有待提高，需要进一步加强智能化技术和电力设计技术之间的深度融合。

1.3 智慧电力管理的应用趋势

随着电力生产智能化水平的提高，智能化管理技术可以渗透到输电、变电、配电和用电等多个不同的环节当中。本文着重分析利用智能化技术，来强化电力线路的设计，从而使得所设计的方案能够具有一定的前瞻性。同时，智慧电力管理是今后电力行业的主流发展方向，对于提高企业的精细化管理水平将具有重要的促进意义。

2 电力线路设计中的覆冰影响分析

2.1 电力线路覆冰发生的原因

根据线路覆冰形成机理的不同，电力线路发生覆冰的种类主要包括了雨凇、雾凇、雪凇以及混合凇等。首先对于雾凇，当电力线路的温度低于零点时，浓雾就会附着在电力线路上，并形成放射状的晶体，如图1所示，更容易出现在一些气候较为湿润的地区。

图1 电力线路出现雾凇情况

其次是雨凇，当直径较大的雨降落到电力线路上，会在线路的表面出现结冰现象，其附着力强，对电力线路的危害也较大。再次是雪凇，雪花可以直接在电力线路上附着，同时还存在着湿化的现象，形成湿雪覆冰。最后是混合凇，即同时存在上述几种覆冰情况，是几种覆冰的结合体。

2.2 电力线路覆冰的危害

经过对当前输电线路运行数据的统计分析，发现对输电线路危害较大的影响因素为冰雪天气，在冰雪天气下输电线路发生事故的次数最多。冰雪条件下，对输电线路的危害主要表现为以下几点：一是当输电线路上发生覆冰情况时，覆积厚度会越来越厚，给输电线路增加了较大的载荷，运行压力不断提高。当厚度达到一定程度时，最终超过输电线路所能够承受的最大载荷，导致出现输电线路铁塔倒塔或者是杆塔被压弯等情况[2]。同时，由于在输电线路上附着了较厚的冰块，故当输电线路在受到大风的影响时，更容易导致输电线路出现倒塔情况，或者是输电线路发生严重的摇晃现象。

二是输电线路在冰雪条件下会容易发生污闪情况，为了避免输电线路出现闪络的情况，需要加强对输电线路中污秽的定期清理，并且对覆冰厚度加以控制，才能够避免覆冰对输电线路运行造成的影响。

三是在冰雪条件下输电线路容易发生接地短路事故。当覆冰厚度较高时，此时输电线路的整体重量也会得到明显增加，如果线路出现了断线则就造成了接地短路事故。

四是输电线路压垮问题，当输电线路某个部位的覆冰情况较为严重时，此时会导致输电线路在耐张端出现张力不平衡的情况，此时输电线路中的耐张杆塔就容易发现向一侧倾倒的事故，进而发展为整条输电线路倒塌的事故。

2.3 覆冰对电力线路设计的影响

在电力线路的设计过程中，需要考虑当地的地形条件，还需要考虑到当地的气候条件，如果当地存在覆冰情况，则对电力设计也应提高要求。覆冰对电力线路设计的影响主要表现在以下几点：一是出现覆冰情况的地段一般海拔较高，并且是位于山区，给气象数据观测带来较大的困难，并且对覆冰的厚度也难以确定，使得难以准确确定抗冰的等级[3]。二是由于覆冰会增加电力线路的重量，故在实际的电力设计当中，需要对电力线路采取加固技术手段，从而提高电力线路的机械强度。三是覆冰可能会使得相邻导线之间出现闪络，甚至可能会引起绝缘子脱落的情况，这也是需要在电力线路设计中加以考虑的影响因素。

3 电力线路设计中的覆冰风险预测分析

随着电力系统规模的扩大，输电线路所覆盖的区域也越来越广，所面临的气象条件也越来越复杂，如果输电线路应对如强风、雨雪等恶劣天气的能力较为不足，在实际中则容易出现输电线路倒塔或者断线等事故。为此，本文研究分析了在复杂气象条件下，对输电线路中覆冰风险进行预测及辨识方法，并且介绍了对这些覆冰风险加以应对的技术措施，从而可以有效提高输电线路应对各种气象的能力，保证电力的安全生产。

3.1 覆冰风险预测模型的构建

可以采用神经网络技术来建立覆冰风险预测模型，神经网络技术的类型较多，如BP 神经网络技术、GA-BP 神经网络技术等，不同类型的神经网络算法，在实际计算中流程有所不同，本文以BP 神经网络技术为例，分析覆冰风险预测模型的构建。在神经网络技术当中，包括了多个不同的神经元，从结构上可分为输入层、隐含层和输出层等三个不同的数据计算层次，输入数据经过隐含层的处理之后，再经过输出层，得出具体的计算结果，其中对于输入层，可以选取关键的特征量作为输入元素，图2为利用气象参数建立线路覆冰模型结构图。

图2 利用气象参数建立线路覆冰模型

在电力线路覆冰预测模型当中，自变量为线路当地的环境温度、湿度、风速等，这些数据可以从当地的气象局来获取。因变量为线路是否覆冰，用1来表示有覆冰情况，用0来表示无覆冰情况。通过神经网络技术当中的输入层、隐含层和输出层等样本数据训练，就可以得出电力线路在某一时刻发生覆冰风险的概率，并采用下式进行表示：

式中：P 表示某一时刻电力线路发生覆冰风险的概率；N 表示样本数据总数；n 表示样本总数中可能出现覆冰风险的样本数。

3.2 覆冰风险预测模型的求解流程

当建立好电力线路覆冰风险预测模型之后，还需要按照所规定的流程进行求解，保证所得到的电力线路覆冰风险预测结果的准确性，图3为覆冰风险预测模型的求解流程。

图3 覆冰风险预测模型的求解流程

从图3分析中可知，在对电力线路覆冰风险进行预测前，需要先对气象数据进行预处理，这样才方便后期预测程序对数据的计算。并且在预处理过程中，还可以将一些坏数据加以剔除，从而提高电力线路覆冰风险预测的准确度。

对某电力企业11个项目的电力线路设计数据进行分析，并将数据输入到电力线路覆冰风险预测模型当中，经过计算，所得出的风险预测值如图4所示。

图4 电力线路覆冰风险的预测值

一般输配电线路的电压等级越低，则线路抗冰性能越弱，需要在抗冰能力较弱的区段采取加固措施。

4 电力线路设计中覆冰风险的应对措施分析

为了提高电力线路的抗冰水平，需要采取必要的措施加以应对，下文具体分析优化电力线路路径、缩短耐张段的长度、电力线路典型塔的加固补强等措施。

4.1 优化电力线路路径

在电力线路的设计过程中，可以优化电力线路所经过的路径，尽量避开覆冰高风险区域。同时，在高山的风口处，由于该区域的温度一般偏低，并且风力相对较强，容易在电力线路上出现覆冰的情况，覆冰的厚度也相对较大，故有必要绕过该区域。如果有树木倒下，也会导致电力线路出现断线情况。

4.2 缩短耐张段的长度

缩短耐张段的长度，也是提高电力线路抗冰能力的重要措施。一般在电力线路设计过程中，对于轻冰区域，耐张段的长度应该在10km 的范围内，对于中冰区域，应该在5km 的范围内，对于重冰区，应该在3km 的范围内，按照这个原则进行设计，可以有效保障电力线路的运行安全。

4.3 电力线路典型塔的加固补强

对输电线路典型塔采取措施进行加固补强，是提高电力线路坚强性的关键措施。对输电线路典型塔的优化加固，包括对输电线路桁架结构的截面进行优化加固、拓扑结构进行优化加固以及桁架结构的形状进行优化加固等。以桁架结构的截面进行优化加固为例进行分析，其属于组合优化技术范畴，即从各类输电线路截面组合方案中，需要最佳的截面组成方案[4]。当输电线路较长，涉及的优化变量数较多时，此时截面的组合数也快速增长，属于大规模的组合优化问题。为此，可以利用蚁群算法来处理这类大规模优化问题，该算法能够较好地处理众多的优化变量和规模较大的可行解数量，其优化加固的流程图如图5所示。

图5 输电线路桁架结构的截面优化加固计算流程图

从图5输电线路桁架结构的截面优化加固计算流程图中可以看出，首先将输电线路结构模型中的相关变量进行初始化，之后再进行输电线路结构的承载力数据。如果当前输电线路的承载力不满足安全稳定运行约束条件，则需要利用蚁群算法重新寻找线路截面组合方案，并在迭代计算过程中不断更新寻找最优解的路径。当计算到满足算法的收敛条件时，将输电线路的结构截面优化计算结果输出，程序计算结束，从而得出了输电线路的截面组合优化技术方案。

对输电线路覆冰风险关键环节采取加固措施，可在追加投入少的情况下显著提高在运输电线路的承载能力，避免因不同天气以及传统设计不足引发的输电塔压弯、网络闪络、污闪、接地短路，甚至输电线路压垮等问题，提高输电线路应对恶劣天气的能力，确保电网运行的安全和稳定。

4.4 输电线路新材料的合理应用

为了有效避免经常出现的覆冰现象，应积极采用新型材料建造空中传输线，这样能够更好地强化空中传输线的运行效果，可以选用芯部复合软铝线，其结构是采用新材料制成的基本螺纹，单根杆的主要材料是碳纤维和玻璃涂层，这样就可以逐渐更换替代传统的基础导线，从而更好地避免出现安全隐患，这种新型导线具有耐高温、大容量的优点，可以取代传统的铝合金材料，并且还能够满足经济、安全、环保的需求，同时可及时科学合理地架设防导冰线。导线必须积极采用科学合理的布置方法，一般采用水平布置方式。在选择线路路径时，还要快速避开冷热空气交织的区域。

5 结论

通过采用本文所分析的电力线路设计中的覆冰风险预测及应对措施，可以准确反映并辨识出在不同天气条件下，输电线路中可能发生的覆冰风险，从而以低成本提高输电线路的安全运行能力，防止输电设备因天气原因而受到损坏。同时，采用该技术也可以提高供电可靠性，降低电力系统的停电风险和停电经济损失，从而提高电力用户的用电满意度。此外，由于输电线路运行更为坚强，故输电设备的使用寿命也相对更长，也更能够防止输电线路发生人身伤亡等安全事故。