基于灰关联分析微气象因素和导线温度对输电线路导线覆冰的影响

1、基于灰关联分析微气象因素和导线温度对输电线路导线覆冰的影响欧阳丽莎，黄新波西安工程大学电子信息学院 ， 西 安 710048摘 要 ： 输电线路导线覆冰不仅与微气象条件有关 ，而且与导线温度有关 。针 对 目 前 微 气象因素与覆冰的相 关性分析不全面 、不 系 统 ，且局部研究没有考虑导线温度对覆冰的影响 ，无法确定输电线 路导线覆冰的主要 影 响 因 素 等 问 题 ，笔者统计了贵州电网 220 kV 铜 黎 线 路 和 220 kV 鸡阳二回线路覆冰监测数据 ，采 用 灰 关 联方法分析了输电线路导线覆冰与微气象条件 环境温度 、环境湿度 、环境风速 和导线温度等因素之间的关系，确定了该

2、两条输电线路导线覆冰和上述 4 个因素之间的关联度 ，找出影响导线覆冰的主要因素 。结果表明：220 kV 铜黎线路和 220 kV 鸡阳二回线路导线覆冰与 4 个影响因素的关联分析结果一致 。两条线路每个影响因素与覆冰的关联度相似 ，且影响覆冰的重要程度依次为环境风速环境温度导线温度相对湿度 ，环 境风速是影响覆冰的主要因素 。关键词 ： 输电线路导线覆冰 ； 监测数据 ； 环境温度 ； 相对湿度 ； 环境风速 ； 导线温度 ； 灰关联分析中图分类号 ： TM712文献标志码 ： A文章编号 ：1001 - 1609202103 - 0031 - 06Influences of Meteor

3、ological Conditions and Conductor Temperature on Icing ofTransmission Line Based on Grey Relational AnalysisOUYANG Li-sha， HUANG Xin-boCollege of Electronics and Information， Xian Polytechnic University， Xian 710048， ChinaAbstract: Icing on transmission line is relevant to weather condition and cond

4、uctor temperature. At present， thecorrelation analysis of the weather parameters and wire icing is not comprehensive and systematic， and in some studies the impact of conductor temperature on transmission line has not been considered， therefore the main factors influencing wire icing have not yet be

5、en determined. This paper collects the monitoring data of icing from the 220 kV Tongli power lines and 220 kV Jiyangerhui power lines， analyzes the relation among transmission line icing， conductor temperature and local meteorological conditions， such as ambient temperature， relative humidity， wind

6、speed， etc. by making use of grey relational analysis method， and achieves the correlation degrees between icing and these four factors respectively to determine the key factor influencing wire icing on the two transmission lines. Results show that the correlation analysis result of the 220 kV Tongl

7、i power lines is consistent with the one of 220 kV Jiyangerhui power lines， and the correlation degree between transmission line icing and each influencing factor is similar one another. The importance sequence of the four factors influencing transmission line icing is ambient windspeed conductor te

8、mperature ambient temperature ambient relative收 稿 日 期 ：2021- 10 - 11； 修 回 日 期 ：2021 - 12 - 23基 金 基 金 ：国家重点根底研究开展方案(973 计 划)子 课 题 (2021CB724507-3)；中国博士后基金 (20210460759)；陕 西 省 重 大 科 技 专 项(2021ZKC02-13)；西安工程大学研究生创新基金(chx100811)。Project Supported by National Key Basic Research and Development Program (9

9、73 Project) Sub-project(2021CB724507-3)，China Postdoctoral Sustentation Fund (No. 20210460759)，Shaanxi Major R&D Projects 2-13)，Xian Polytechnic University Graduate Student Innovation Fund(chx100811).humidity， which indicates that the ambient windspeed is the key factor influencing transmission line

10、 icing.Key words: transmission line icing； monitoring data； ambient temperature； relative humidity；ambient windspeed； conductor temperature； grey relational analysis论中的一种 分析方法 ， 是 来分析和确 定系统诸因 素间的影响 程度或各 因素对系统 主行为的贡 献测度的引言0影响输电线 路导线覆冰 的主要因素 有气象因素(包括气温 、风 速 、风 向 、相 对 湿 度 等)、地 形 因 素(包 括 山 脉 走 向 、山 体 部

11、位 、海 拔 高 度 及 江 湖 水 体 等)、导 线 特 性 因 素(包 括 导 线 温 度 、挂 高 以 及 线 径 等 )。 其 中 ， 气象因素和 导线温度是 输电线路导 线覆冰的 主要影 响因素1-3。目前国内外 对输电线路 导线覆冰影 响因素进行 了 大 量 的 研 究 ： 文 3 中 利 用 观 冰 站 进 行 覆 冰 观 测 ， 分 析 了 有 效 覆 冰 时 间 、降 雨 量 、有 效 平 均 风 速 、覆 冰 平 均 湿 度 、 气 温 变 化 等 对 覆 冰 量 的 影 响 ；文 4 研 究 了 微 气 象 、 微 地 形 对 云 南 送 电 线 路 的 影 响 ；文 5

12、 针 对多起现场 覆冰事故统 计冻雾和冻 雨结冰形成 时环一种方法 ，是 对系统变化 开展态势的 定量描述和 比较的方法 。其根本原 理是 ：根据对 统计序列曲 线几何形状的相似 程度比拟来 区分系统中 因素间的关 联程 度 。 序 列 曲 线 的 几 何 形 状 越 接 近, 它 们 间 的 关 联 程 度越大 。灰关 联分析以 所需样本少 、分析计算量 小以及 便 于 掌 握 等 特 点 已 成 功 地 应 用 于 决 策 、预 测 、控 制 、模 式 识 别 、综 合 评 估 、建 模 精 度 检 测 及 诊 断 等 方 面, 它在灰 色系统理论 中应用较 广 。依据空间理 论的数学基

13、础 ， 按照标准 性 、 对 称 性 、整体性和接 近性的原那么 ，确定参考序 列和假设干比较序列之间 的关联系数 和关联度 。利 用关联度定 量地比拟和描 述系统间或 系统中各因 素间在开展 过程中随时间变 化的情况 。 灰 关联分析的 目的就是寻 求 系统中各因 素间的主要 关系 ， 以找出 影响目标序 列境条件 ，采用 最小二乘法 分析了覆冰 与气象条件 的相 关 性 ；文6中 利 用 人 工 神 经 网 络 建 立 了 基 于 微 气象 和 覆 冰 之 间 关 系 的 模 型 ；文7中 那么 基 于 覆 冰 与 气的主要因 素 。如果某 种因素在发 展变化中与 目标序列相对变化 根本一

14、致 ，那么 认为两者关 联度大 ，反之 那么小。表现在几 何图形上就 是几何曲线 越接近 ，变化 趋 势越一致 ，关 联度就越大 。 该方法的优 点在于 ：不追求大样本 量 ；不要求 数据有特殊 的分布 ；计 算量比回归分 析小得多 ；可以得到较 多的信息11。象条 件之间的关 系来指导电 流融冰过 程 ，该方案已经 在 魁 北 克 变 电 站 应 用 ；文8-9中 利 用 覆 冰 在 线 监测装置开展 了线路覆冰 与局部气象 因素之间关 系的研 究,利 用 线 性 拟 合 的 方 式 分 别 得 到 覆 冰 厚 度 与 环境温度 、相 对湿度和 风速之间的 关系式的研 究 。上述研 究 均

15、涉 及 了 气 象 因 素 对 导 线 覆 冰 影 响 的 研 究 ，但 没有考虑 导线温度 对输电线路 导线覆冰的 影响 。 而文 10 中 在 对 导 线 覆 冰 的 影 响 因 素 研 究 中 ， 用 灰 色灰关联分析方法计算步骤2灰系统关联 分析的具体 计算步骤如 下 。1)确 定 参 考 序 列 和 比 较 序 列 。参 考 序 列 为 各 个斜 率关联度方 法分析了 覆冰与气象 因素 、导线温 度时 间 点 的 覆 冰 厚 度X0(j)，其 中 j 1，2， ，N。 N 为对 的 关 系 ，但 分 析 方 法 较 复 杂 ，计 算 烦 琐 ，不 宜 用 于大量覆 冰数据的分 析 。

16、 以上研究 为笔者提 供了有意 义的参考 。时间点的 个数 。比拟序 列是由覆冰 的各有效影 响因素 构 成 的 时 间 序 列 Xi(j)，其 中 i 1，2， ，M，即 M个影响 因素 ， 将上参 考序列和比 较序列表 示成矩 阵 形 式，形成矩阵 X。笔者介绍了 灰关联分析 方法原理 ，统 计了 贵 州电 网 220 kV 铜 黎 线 和 220 kV 鸡 阳 二 回 线 2021 年12 月 至 2021 年 2 月 覆 冰 在 线 监 测 系 统 监 测 到 的 覆!X01 X02X0NX1N$%X11 X12(1)冰 数据 ，并通 过灰关联分 析法计算了 导线覆冰与 气 %XM1

17、XM2XMN %象 因 素(环 境 温 度 、相 对 湿 度 、环 境 风 速)和 导 线 温 度之间的 关联度 ，最后 对关联度 结果进行分 析和排序 ，#&式(1)中 ：X0j 为 参 考 序 列 即 覆 冰 厚 度 序 列 ；Xij 为比 较 序 列 即 覆 冰 各 影 响 因 素 构 成 的 时 间 序 列1，2，M；j = 1，2，N)。2) 数 据 变 换 。 由 于 在 实 际 应 用 中 ，常 常 会 碰 到 数据的 量纲和绝对 值的大小 不一样的情 况 ，因此，需要对原始数 据进行变换 处理 ， 使之化 为数量级大 体(i =找出主要影 响因素 ，响因素分 析依据 。为覆 冰

18、相关理论 的研究提供 影灰关联分析方法原理1灰 关 联 分 析 (又 称 关 联 度 分 析 )是 灰 关 联 系 统 理相近的无量 纲数据 ，常用 的数据变换 方法有初值 化 、那么取 = 0.5。6)计算关联度 i。N均值化以及 区间值化 。数据，用式(2)表 示为文 中采取的是 区间值化处 理1 Liji i = 1，2，M(6)Xij-min (Xik)kNj=1X =(2)7)关联度分析 。 即对计算所 得关联度进 行排序 ，分析各比拟 序列与参考 序列的关联 度大小13。max (Xik)-min (Xik)kk式(2)中：i = 0，1，M；j = 1，2，N。成的新矩 阵 X。

19、由 Xij形覆冰与微气象、导线温度关联分析图 1 为 贵 州 电 网 220 kV 铜 黎 线 路 覆 冰 在 线 监 测 系 统 获 取 的 微 气 象 (环 境 温 度 、相 对 湿 度 、环 境 风 速 等)、导 线 温 度 以 及 覆 冰 厚 度 随 时 间 变 化 的 数 据 统33)求出矩阵 X中 比拟序列与 参考序列之 间的时间序列差ij = |X0j-Xij|式(3)中：i = 1，2，M；j = 1，2，N。4)求出两级最 小差和最大 差(min) = min (min |X0j-Xij|)i j(max) = max (max |X0j-Xij|)i j式(4)中：i =

20、1，2，M；j = 1，2，N。5)计算出关联 系数 Lij。(3)计图 。该线路设计 承受覆冰厚 度为 10 mm。覆冰监测 时 间 范 围 为 2021 年 1 月 1 日 到 2021 年 1 月 27日 ，数 据 为 每 15 min 监 测 一 次 ，为 便 于 分 析 将 没 有 发生覆冰或 微气象 、导线 温度缺失的 数据去除 ，得 到(4)并用来分析 的覆冰有效 数据为 521 组数 据 ，有 其 数据几乎包括了覆冰期内所有的情况，因此具有代表性 。按 照 灰 关 联 分 析 方 法 用 MATLAB 软 件 编 程 计 算得出的覆 冰与微气象 因素和导 线温度之间 的关联 系

21、数和关联 度见图 2。 从图 2 中可知, 关联 度最大的 是环境风速 ，而环境温度 、导线温度与 覆冰厚度的 关 联度值非常 相近 ，关联度 最小的为相 对湿度 。其中 环 境风速是影 响覆冰的主 要因素 。Lij = (min)-(max) (5)|X0j-Xij|+(max)式 (5)中 , 为 分 辨 系 数 ，在 (0,1) 中 取 值 ，它 反 映了 系统各个因 子对关联度 的间接影 响程度 。 有关 文献 对 分 辨 系 数 进 行 了 深 入 分 析,并 得 出 了 体 现 关 联度 整 体 性 的 分 辨 系 数 取 值 原 那么12。笔 者 综 合 上 述 原6420-2-

22、4-6-8120100806040200时 间时 间876543210-11086420-2-4时 间时 间(a) 微 气 象(环 境 温 度 、相对湿度及环境风速)和导线温度数据统计图 环 境 风 速/(m.s-1)环 境 温 度/2021-01-26 8:332021-01-25 22:182021-01-25 11:512021-01-25 1:062021-01-24 14:172021-01-24 3:532021-01-23 17:342021-01-05 14:372021-01-05 2:502021-01-04 15:352021-01-04 4:512021-01-03 1

23、8:372021-01-02 21:292021-01-02 7:432021-01-26 8:332021-01-25 22:182021-01-25 11:512021-01-25 1:062021-01-24 14:172021-01-24 3:532021-01-23 17:342021-01-05 14:372021-01-05 2:502021-01-04 15:352021-01-04 4:512021-01-03 18:372021-01-02 21:292021-01-02 7:43相 对 湿 度/%导 线 温 度/2021-01-26 8:332021-01-25 22:1

24、82021-01-25 11:512021-01-25 1:062021-01-24 14:172021-01-24 3:532021-01-23 17:342021-01-05 14:372021-01-05 2:502021-01-04 15:352021-01-04 4:512021-01-03 18:372021-01-02 21:292021-01-02 7:432021-01-26 8:332021-01-25 22:182021-01-25 11:512021-01-25 1:062021-01-24 14:172021-01-24 3:532021-01-23 17:34202

25、1-01-05 14:372021-01-05 2:502021-01-04 15:352021-01-04 4:512021-01-03 18:372021-01-02 21:292021-01-02 7:432520151050覆 冰 与 环 境温 度 的 关 联 度 为覆 冰 与 相 对湿 度 的 关 联 度 为0.494 4覆 冰 与 环 境风 速 的 关 联 度 为0.638 2覆 冰 与 导 线温 度 的 关 联 度 为0.543 90.552 91导 线0 1 温 度 2 湿 度 3 风 速 4 温 度(b)覆 冰 与 4 个影响因素的关联度 覆冰与微气象因素和导线温度之间的 关

26、联系数和关联度 图 2Fig.2 The correlation and correlation coefficientamong icing data, micro meteorological data and conductor temperature data时 间(b)覆冰厚度数据统计图 图 1 贵 州 电 网 220 kV 铜黎线路覆冰监测数据统计图 Fig.1 The curve of icing on-line motoring data for220 kV Tongli lines in Guizhou power grid方法计算微 气象 、导线温 度与覆冰的 关联度 ，分

27、析 结果见图 4。从图 4 可知，在 4 个因素中 ，环 境风速与覆 冰的 关联度值仍 是最大 ，环境 温度 、导线温 度与覆冰的 关联度值仍然 相近 ，而相对 湿度的关联 度仍是最小 。这为 了 能 验 证 贵 州 电 网 220 kV 铜 黎 线 路 覆 冰 影响因素关联的准确性，笔者进一步以贵州电网220 kV鸡 阳 二 回 线 路 2021 年 12 月 22 日 至 2021 年 1 月27 日的 覆冰监测 数据为分析 对象 ，见图 3，用 来分析与 220 kV 铜 黎 线 的 分 析 结 果 一 致 。结 合 贵 州 电 网420-2-4-6的覆冰有效 数据为 389 组数 据

28、。同样以灰 关联分析10200400时 间 序 列600覆冰与环境温度的关联系数 时 间11201008060402000200400时 间 序 列600覆冰与相对湿度的关联系数 10200400600时 间时 间 序 列覆冰与环境风速的关联系数 -10200时 间 序 列400600覆冰与导线温度的关联系数 (a)覆 冰 与 4 个影响因素的关联系数 时 间覆 冰 厚 度/mm关 联 系 数关 联 系 数关 联 系 数关 联 系 数2021-01-26 8:332021-01-25 22:182021-01-25 11:512021-01-25 1:062021-01-24 14:17202

29、1-01-24 3:532021-01-23 17:342021-01-05 14:372021-01-05 2:502021-01-04 15:352021-01-04 4:512021-01-03 18:372021-01-02 21:292021-01-02 7:43相 对 湿 度/%关 联 度环 境 风 速/(m.s-1)环 境 温 度/2021-01-27 12:002021-01-27 3:562021-01-26 20:252021-01-26 12:562021-01-05 5:302021-01-04 7:262021-01-03 23:112021-01-03 12:512

30、021-12-31 4:122021-12-24 6:512021-12-23 22:352021-12-23 15:062021-12-23 7:212021-01-27 12:002021-01-27 3:562021-01-26 20:252021-01-26 12:562021-01-05 5:302021-01-04 7:262021-01-03 23:112021-01-03 12:512021-12-31 4:122021-12-24 6:512021-12-23 22:352021-12-23 15:062021-12-23 7:212021-01-27 12:002021-0

31、1-27 3:562021-01-26 20:252021-01-26 12:562021-01-05 5:302021-01-04 7:262021-01-03 23:112021-01-03 12:512021-12-31 4:122021-12-24 6:512021-12-23 22:352021-12-23 15:062021-12-23 7:21 环 境相 对环 境0-2-4-6-8-103210时 间(a)微 气 象(环 境 温 度 、相对湿度及环境风速)和 导线温度数据统计图 时 间(b)覆冰厚度数据统计图 图 3 贵 州 电 网 220 kV 鸡阳二回线路覆冰监测数据统计图

32、The curve of icing online motoring data for 220 kV Jiyangerhui lines in Guizhou power grid110100200300时 间 序 列4000100200时 间 序 列300400覆冰与环境温度的关联系数 覆冰与相对湿度的关联系数 110100200时 间 序 列3004000100200300时 间 序 列400覆冰与环境风速的关联系数 覆冰与导线温度的关联系数 (a)覆 冰 与 4 个影响因素的关联系数 1覆冰与导线温度的 关 联 度 为 0.540 9覆冰与相对湿度的 637 2导 线温 度0温 度湿 度

33、风 速1234(b)覆 冰 与 4 个影响因素的关联度 覆冰与微气象因素和导线温度之间的关联系数和关联度 图 4Fig. 4 The correlation and correlation coefficient among icing data,micro meteorological data and conductor temperature data220 kV 铜 黎 线 和 220 kV 鸡 阳 二 回 线 路 微 气 象 、导线 温度与覆冰 的关联分析 ， 可以大致 对各因素与 覆结论4冰的相关 程度进行排 序 ，得到影响 覆冰的重 要程 度1)覆 冰 影 响 因 素 分 析 需

34、 要 大 量 覆 冰 和 气 象 数据，然 而覆冰在线 监测系统 监测到的历 史数据有限 ，且由于传感 器本身精度 问题等不确 定性原因导 致覆 冰数据也不 够完整准确 ，数据灰度较 大 ，因此文中 采依 次 为 ：环 境 风 速 环 境 温 度导 线 温 度相 对 湿 度 。其中 环境风速为 影响覆冰的 主要因素 ， 其 次为环 境 温 度、导线温 度 。导 线 温 度/关 联 系 数关 联 系 数2021-01-27 12:002021-01-27 3:562021-01-26 20:252021-01-26 12:562021-01-05 5:302021-01-04 7:262021-

35、01-03 23:112021-01-03 12:512021-12-31 4:122021-12-24 6:512021-12-23 22:352021-12-23 15:062021-12-23 7:21关 联 度关 联 系 数关 联 系 数覆 冰 厚 度/mm2021-01-27 12:002021-01-27 3:562021-01-26 20:252021-01-26 12:562021-01-05 5:302021-01-04 7:262021-01-03 23:112021-01-03 12:512021-12-31 4:122021-12-24 6:512021-12-23 2

36、2:352021-12-23 15:062021-12-23 7:21覆冰与环境温度的 覆 冰 与 风 速 的关 联 度 为 0.557 9关 联 度 为 0.395 3关 联 度 为 0.环 境环 境相 对用以小样本 、 贫信息下不 确定性系统 为研究对象 的8黄 新 波 ，孙 钦 东 ，张 冠 军 ，等 . 线路覆冰与局部气象因素 的 关 系J. 高 压 电 器 ， 2021， 44(4): 289-294.HUANG Xin-bo， SUN Qin-dong， ZHANG Guang-jun et al. Relation of transmission line icing and l

37、ocal meteorology J. High Voltage Apparatus， 2021，44 (4):289-294.黄 新 波 ，孙 钦 东 ，王 小 敬 ，等 . 输电线路危险点远程图像 监 控 系 统J. 高 电 压 技 术 ， 2007，33(8): 192-197.HUANG Xin-bo，SUN Qin-dong，WANG Xiao-jing，et al. Image remote-monitoring system of transmission lines dangerous items J. High Voltage Engineering， 2007，33 (8)

38、: 192-197.灰关联分 析方法来 计算覆冰与 微气象条件 、导线 温度之 间的关联度 ，关联性9。以确定各 影响因素与 覆冰之间的2)在 进 一 步 对 贵 州 电 网 线 路 覆 冰 进 行 全 面 和 系统 的状态评估 和处置决 策等应用方 面时 ，应着重 考9虑 环 境 风 速 的 影 响 ，适 当 考 虑 温 度 的 影 响(环 境 温 度与 导 线 温 度)，并 应 根 据 各 个 因 素 的 影 响 程 度 排 序 情 况确定各自 的影响权重 。3)利 用 覆 冰 在 线 监 测 系 统 所 监 测 的 覆 冰 气 象 数 据 ， 分 析 微 气 象 条 件 ( 环 境 温

39、度 、 环 境 湿 度 、 环 境 风 速 )、导 线 温 度 与 覆 冰 之 间 的 关 系 ，接 下 来 的 研 究 可进一步通过 模糊理论建 立覆冰与微 气象条件 的关系模型，通过关 系模型以及 简单预测模 型的建立 ，可 根 据宏观气象 实现广域和 局域的冰情 预测14-15。阳林 ，郝 艳 捧 ，黎 卫 国 ，等 . 输电线路覆冰与导线温度 10和微气象参数关 联 分析 J. 高 电 压 技 术 ，2021，36 (3):775-779.YANG Lin， HAO Yan-peng， LI Wei-guo，et al. Relation- ships among transmissi

40、on line icing， conductor tempera- ture and local meteorology using grey relational analysis J. High Voltage Apparatus，2021，36(3):775-779.邓 聚 龙. 灰 色 理 论 基 础M. 武 汉:华 中 科 技 大 学 出 版 社 ，2002.DENG Ju-long. The basis of grey theory M. Wuhan: Huazhong Technology University Press，2002.孙 才 新 ，李 俭 ，郑 海 平 ，等 .

41、基于灰色面积关联度分析 的电力变压器绝缘故障诊断 方 法 J. 电网技术， 2002，26 (7):24-29.SUN Cai-xin， LI Jian， ZHENG Hai-ping et al. A new method of faulty insulation diagnosis in power transformer based on degree of area incidence analysis J. PowerSystem Technology， 2002，26(7):24-29.刘 思 峰 ，谢 乃 明. 灰色系统理论及其应用 M. 北 京 :科 学 出 版 社 ， 202

42、1.LIU Si-feng， XIE Nai-ming. The theory and application of grey systemM. Beijing: Science Press， 2021.黄 新 波 ，孙 钦 东 ，程 荣 贵 ，等 . 导线覆冰的力学分析与覆 冰在线监测系统J. 电力系统自动化 ，2007(14):98-101. HUANG Xin-bo，SUN Qin-dong，CHENG Rong-gui，et al. Mechanical analysis on transmission line conductor icing and application of o

43、n-line monitoring system J. Automa- tion of Electric Power Systems， 2007(14):98-101.参考文献:1黄 新 波 ，程 荣 贵. 输电线路在线监测与故障诊断M.京 ：中国电力出版社 ，2021.北11HUANG Xin-bo， CHENG Rong-guan. Transmission lineon-line monitoring and fault diagnosisM. Beijing: ElectricPower Press， 2021.蒋 兴 良 ，易 辉. 输电线路覆冰及防护 M. 北 京 :中 国 电 力 出 版 社 ， 2001.JIANG Xing-liang， YI H