关键词： 山区采动   沉陷预计   高压输电线路   采动影响评估  

摘要： 煤炭资源地下开采引起的地表移动变形破坏了高压输电线路的应力平衡状态,对输电线路的安全运营产生了显著影响,而准确预计和评估采动影响以及提出相应的维修治理对策是实现高压输电线路下煤炭安全开采的重要前提。论文以侯家村35k V高压输电线路下采煤为背景,开展了某矿5313工作面对高压输电线路的采动影响评估研究工作,为输电线路的维修、维护提供了技术依据,论文主要工作及成果如下:(1)基于山区开采沉陷滑移模型,采用Py Qt5平台设计开发了山区开采沉陷预计软件,软件集成了地表移动变形静态预计、动态预计及预计参数反演等功能,并结合实测数据对预计结果进行了分析,验证了预计软件用于山区采动地表变形预计的适用性和可靠性。(2)采用设计的山区开采沉陷预计软件,基于工作面地质采矿条件和邻近工作面实测数据反演了沉陷预计参数,预计分析了5313工作面采动过程中35k V高压输电线路的采动影响情况。其中距离工作面较近的7、9号输电塔处的下沉值分别为2372mm和1048mm,由于8号塔处于工作面上方,该塔处的下沉值为4873mm,其受到的地表移动与变形影响相对其它输电塔较为严重,其余各塔随着与工作面距离的增加,受到的采动影响逐渐减小。(3)基于5313工作面采动地表移动与变形预计结果,采用3D3S钢结构—空间结构设计软件分析了输电线塔的杆件应力状态,评估了5313工作面开采对输电线路杆塔内力、应变的影响,明确了采动过程中输电线路杆塔的结构稳定性。采动过程中8号输电塔部分杆件超过其应力极限,杆件最大应力比为3.14,可能存在结构稳定性不足的风险,其它输电塔杆件未超过其应力极限。(4)设计了输电塔结构应变、倾斜的实时观测系统,开展5313工作面采动过程中输电线路的实时观测工作,为线路运营安全提供预警,提供了后续维修治理的依据。(5)基于5313工作面的地质采矿条件及高压输电线路的压煤情况,提出了工作面地表沉陷控制、输电塔结构稳定性的实时监测和维修调整相结合的措施,并依据观测结果对输电线路进行了实时调整,保障了5313工作面的顺利开采和输电线路的安全运行。论文的研究成果对山区高压输电线路下工作面开采、侯家村35k V输电线路采动影响下的安全运营问题具有较强的实践指导意义。论文含有图63幅,表13个,参考文献82篇。

关键词： 高压输电线路   变分模态分解   多尺度排列熵   哈里斯鹰算法   支持向量机  

摘要： 输电线路作为电力系统中最为重要的组成部分之一,在现代电力系统迅速发展的大环境下,其复杂程度也随之增加。因此,输电线路的运行状况直接关系到电力系统能否保证稳定供电的关键。但是,工程实际中存在外界环境、线路老化损坏及意外事故等不可控因素,输电线路出现故障无法避免。因此,在发生故障后,必须及时修复,尽可能的减小损失,避免出现更严重故障。而如何快速、准确的判断故障种类便成为了研究重点。针对当前存在的输电线路故障诊断准确率低的问题,提出了基于MVHHO优化VMD-SVM输电线路故障诊断模型。 首先,结合工程实际,在MATLAB/Simulink仿真平台搭建高压输电线路模型,获得各种含有噪声干扰的故障电压、电流信号。深入分析EMD、EEMD和VMD三种信号分解方法的原理,通过包含高频噪音的输入信号进行分解测试实验,验证VMD算法更适合处理含噪音信号。但目前常用的参数确定方法存在过于依赖人工经验的缺陷,不适合处理复杂的工程实际情况,需通过智能算法进行参数寻优加以改进。在研究了各类熵的理论知识后,选择多尺度排列熵来表征各IMF分量的故障特征,并确定尺度因子。 构建VMD-SVM模型并分析其优缺点,提出应用改进HHO对其进行参数寻优的策略。分析HHO原理,针对算法的缺陷,提出改进策略。将改进后的算法与PSO、GWO、HHO、DE-GWO算法进行寻优对比测试,多角度、全方位地验证了改进策略的有效性。通过MVHHO对VMD-SVM模型参数进行联合寻优,进行故障诊断实验。计算不同尺度因子下故障信号的MPE值、经VMD算法信号分解后MPE值以及经MVHHO优化VMD算法分解后的MPE值。对比三组熵值曲线后验证MVHHO优化VMD算法能够完整的提取故障特征信息。 最后,进行两组实验,验证了MVHHO能够更加准确的找到VMD-SVM模型的最佳参数组合,改进后的VMD模态分解效果更好并且优化后的SVM模型诊断准确率更高,证明了本文提出的故障诊断模型具有较为明显的优越性,有效地解决了传统故障诊断方法受故障种类影响严重、泛化能力不足、缺乏处理复杂故障数据的能力、抗噪能力差等缺陷。然后将其与目前常用的ELM模型、BP神经网络、随机森林模型进行小样本对比测试实验,验证了本文提出的模型准确率更高、泛化能力更强,具有一定的理论研究和工程实际意义。 该论文有图41幅,表11个,参考文献79篇。

关键词： 电晕放电   雷云电场   下行先导   特高压输电线路   环境因素  

摘要： 为响应国家碳达峰、碳中和的战略目标,推动形成我国西电东送、南电北供的供电格局,我国加快建设超、特高压远距离输电线路。由于超、特高压输电线路跨越范围广,容易发生跳闸故障。雷暴天气时,地线表面电晕放电产生的电荷引起空间背景电场的畸变,因此需要考虑输电线路电晕放电产生的空间电荷对输电线路防雷特性的影响。本文以特高压直流输电线路为研究对象,针对地线表面空间电荷对其防雷性能计算模型的建立展开了详细的研究。本文主要研究工作如下:（1）充分考虑放电过程中离子迁移、扩散、复合过程,基于电晕放电边界的Kaptzov假设理论建立雷云电场下地线表面电晕放电二维数值计算模型并开展试验。仿真计算表明,随着雷云电场增大,地线表面正离子浓度不断增多,电晕电流增大,电流最大值为11.96μA/m,空间中正离子分布情况为椭圆形;通过对比单、双根地线表面电晕放电情况,得出结论单根地线放电产生更剧烈。为验证仿真的正确性,开展高压电晕放电试验测量电压增大时地线表面电晕电流幅值,与仿真结果近似。（2）搭建了一个3m×3m×3m的小型气候模拟室,测量了空间中不同绝对湿度时地线表面电晕放电时的光子数与电晕电流,并进行仿真计算研究了不同湿度时地线表面电晕放电。试验结果表明,空间中绝对湿度增加时电晕放电强度减弱,电晕电流减少0.0231m A。仿真计算结果表明,空间中绝对湿度增大时,地线表面电晕放电的正离子浓度降低了2.48×1010m-3,电晕电流降低了1.48μA/m,导致地线上方电场强度不断增大,有利于上行先导起始。（3）搭建自然风下地线表面电晕放电试验模拟平台,结合仿真数据,分析风速、风向对地线表面电晕放电过程的影响规律。试验中设置不同自然风速时,测量地线表面光子数和电晕电流。试验结果表明,风速增加时,地线电晕放电加剧,电流增加了0.5m A,光子数增加了3000个。仿真结果表明,空间中风速增大时地线表面电晕放电加剧。并且随着风向角增大地线表面电晕放电程度加剧,风向角增大地线上方正离子增多,与电子复合几率增大,抑制了电子崩的形成与流注的发展,抑制地线上方上行先导的形成。（4）考虑雷电下行先导发展过程,建立雷云背景电场下±1100k V特高压直流输电线路电晕放电模型。当下行先导发展时,先导电压、线路工作电压和雷云电压三者共同作用,输电线路导、地线表面电晕放电迅速加剧。同时考虑环境因素与下行先导发展时,空间中湿度增大时地线表面电晕放电程度减弱,但电晕电流总体数值远高于仅在雷云电场作用下的程度,风速增大时加剧了地线表面电晕放电程度,不利于地线上方上行先导的起始,增大雷电绕击导线的概率。

关键词： 智能电网   磁场能量收集系统   饱和   阻抗匹配   功率密度提升  

摘要： 随着智能电网工程建设的快速推进,为了能对输电线路的运行参数实时监测,解决电网系统中传感器节点的持续稳定供电问题至关重要,能量收集技术为传感设备的持续供能提供了解决思路。而在众多能量收集技术中,磁场能量收集技术由于其高可靠性、低成本、高功率密度等优点被大量应用在输电线路上。然而,磁场能量收集系统实现稳定最大功率输出存在两方面的限制:1):磁场能量收集系统磁芯存在饱和,输出功率受到限制;2):宽负载范围下磁场能量收集系统无法实现稳定最大功率输出。本课题考虑系统非线性饱和特性,以最大功率跟踪为目标进行深入研究,研究了基于缓解饱和和阻抗匹配的磁场能量收集系统最大功率跟踪方法,并完成了实验平台的搭建和理论验证。 首先,对面向输电线路的磁场能量收集系统进行理论建模,分析输电线路电流、磁芯截面积、绕组匝数以及负载大小对系统输出功率的影响规律。基于上述分析,给出磁芯参数的设计方案。通过合理设计绕组匝数使系统工作在最大功率点,并以较小的磁芯体积满足所需功率要求。 接着,以缓解磁芯饱和为目标,研究了基于串联电容的磁场能量收集系统功率提升方法。分析串联电容减小绕组副边感应电压、延长系统取能时间的原理,揭示了串联电容缓解磁芯饱和,提升系统输出功率的作用机理。在此基础上,明晰了串联电容对系统输出最大功率的影响规律,并给出了最优串联电容的设计方案。实验结果表明,此方法能稳定缓解磁芯饱和,在50Arms,100Ω的取能条件下实现了约50%的功率提升效果。 最后,针对宽负载范围内磁场能量收集系统无法实现稳定最大功率输出的问题,研究设计了基于阻抗匹配的磁场能量收集系统最大功率跟踪策略。考虑磁场能量收集系统非线性饱和特性导致系统内阻抗变化,分析电路导通时刻和取能时间对系统等效外阻抗和输出功率的影响规律,并给出了系统输出最大功率时的电路导通时刻和取能时间的数学表达式。在系统内阻抗不确定条件下实现宽负载范围内的阻抗匹配,系统稳定输出最大功率。最后,详细分析了系统各环节的功率损耗并给出了具体计算公式。通过仿真实验验证,系统在宽负载范围下能实现最大功率跟踪。实验结果表明,系统能在80Arms,800Ω的取能条件下实现2.51W的功率输出,与传统磁场能量收集系统相比,实现了136.8%的功率提升。

关键词： 覆冰类型   覆冰过程   微气象   架空输电线路   数据集  

摘要： 近年来,全球气候逐渐变暖,飓风、洪涝、冰冻等自然灾害频发,给电网安全运行带来了极大的威胁,特别是因架空输电线路覆冰导致的电网危害愈发严重。不同的覆冰类型对电网的危害不同,相应的除冰措施也不同,完整的覆冰过程则可以反映整个覆冰发展的趋势。若能准确评估架空输电线路覆冰类型和提前预知整个覆冰过程趋势,从而及时采取有效的防冰除冰决策,对电网防冰减灾和安全运行具有重要意义。当前架空输电线路覆冰监测系统支持在线监测覆冰厚度,多年来积累了大量的覆冰微气象、拉力(等值冰厚)和图像数据,但仍然无法直接监测架空输电线路的覆冰类型、也无法自动获取完整的覆冰过程。随着大数据分析与人工智能技术的兴起,应用人工智能方法对覆冰数据进行大数据挖掘和大数据分析,已经成为一种趋势。针对覆冰数据利用率低、覆冰系统无法直接监测覆冰类型和自动获取覆冰过程等问题,本文充分利用南方电网覆冰监测系统10多年积累的海量覆冰数据,应用人工智能算法研究架空输电线路覆冰类型和覆冰过程的识别,并提出相应的预测方法。首先,利用架空输电线路覆冰监测系统的微气象和图像数据,提出覆冰类型标注方法,构建了覆冰类型数据集,共包含6344个覆冰类型样本;利用微气象和冰厚数据,提出完整覆冰过程提取方法,构建了覆冰过程数据集,共包含73个覆冰过程样本。然后,基于构建的覆冰类型数据集,统计分析不同覆冰类型的微气象和时空分布特征,提出连续三天微气象数据识别与预测覆冰类型的方法;结果表明,雨凇、雾凇、混合凇和湿雪的识别准确性均达80%以上,精确率、召回率和准确率分别达86.7%、86.6%和92.2%,大大提高了覆冰数据的利用率和分析效率,且无需图像即可实现未来72小时的覆冰类型预测,为利用未来天气预报预测覆冰类型提供了可能。最后,基于构建的覆冰过程数据集,提出完整覆冰过程的表征参数并进行提取,利用K-means多层加权聚类方法识别覆冰过程,将覆冰过程分为尖峰型、饱和型、多峰型和人工融冰型4类,并提出覆冰过程分段预测方法;总结归纳了其冰厚和温度变化特征,不同覆冰过程的特征相互印证,统计分析了其最大冰厚、监测终端等参数的影响,结果表明,最大冰厚>30mm时主要为人工融冰型,人工融冰多存在于覆冰较严重时,因此该结果符合实际运维情况,相同终端的覆冰过程类型不固定,其地理位置影响较小,主要还是由微气象决定,为架空输电线路覆冰过程分段预测奠定了基础。

关键词： 架空输电线路   覆冰监测   三维测量   边缘提取   旋转目标检测   多模态融合   线状目标  

摘要： 对架空输电线路进行周期性覆冰监测,有助于降低冬季电网系统中覆冰灾害发生的概率。目前,三维测量被视为一种有效的覆冰监测策略,其借助三维立体视觉技术测量导线上的冰层厚度。然而,现有三维测量方法大多采用手工提取特征的传统算法获取导线的覆冰边缘,在复杂场景下的鲁棒性较差。一个直接的优化方案是在边缘提取阶段采用基于深度学习的实例分割算法,但是导线覆冰后的不规则形状使得像素级掩码标注的成本巨大。为了解决上述问题,本文构建了一个多模态融合边缘提取管道。该管道仅基于图像级注释训练目标检测网络定位旋转边界框,然后将边界框对应的感兴趣区域映射到三维空间以进一步提取实例的边缘信息。考虑到架空输电导线属于特殊的线状目标,且领域内缺少面向此类目标的专项研究,本文着重于改进现有方法和设计针对性的模块,以实现高性能、高鲁棒的边缘提取管道,并将其嵌入到实际应用场景下的三维测量模型中。本文的主要工作和创新点如下: 1)提出了一种线状目标检测网络LOD-Net。针对现有旋转目标检测网络在具有极端长宽比例的线状目标上性能退化的问题,本文以无锚框网络Center Net-O作为研究基线,通过分析得出造成该问题的主要原因在于通用卷积核的感受野受限及角度预测器的粒度不匹配。根据这一发现,本文设计了一个线性核与方形核堆叠的线性增强模块LEM以强化网络在线状目标上的感知能力,以及一个基于“分而治之”思想的组合式角度模块CAM以细粒度地预测目标的旋转角度。为了减少模块引入的模型复杂度,本文还在基线中更换了轻量级的骨干网络Hourglass-54。上述内容最终形成了线状目标检测网络LOD-Net。实验结果证明,LOD-Net对线状目标的检测性能提升达到4.31%m AP和8.87%m Io U,且在推理速度方面也具有竞争优势。 2)提出了一个多模态融合边缘检测器MME-Det。针对仅依赖于二维图像的像素特征难以提取细粒度边缘信息的问题,MME-Det将二维图像和三维点云的互补特性以多模态前融合的形式引入到三维测量的边缘提取任务中。具体而言,MME-Det首先利用四目矩阵相机生成的五元坐标矩阵在两种模态之间建立了点对点的映射关系,然后通过这种映射关系将LOD-Net检测到的旋转边界框投影到三维点云空间中,进而基于三维点云前景点和背景点离散式分布的特点使用密度空间聚类算法细化分割边缘。实验结果表明,以MME-Det为基础构建的多模态融合管道在架空输电导线数据集上的边缘提取精度达到了87.33%m Io U,能够满足三维测量模型的检测需求。 3)设计了一个三维测量模型并将其部署到四目无人机平台上。在LOD-Net和MME-Det的基础上,本文设计了一个基于多模态融合边缘提取管道的三维测量模型。为确保项目在真实应用场景中顺利落地,本文还将该模型部署到北京清影机器视觉公司提供的四目无人机硬件平台上,最终形成了一个四目无人机覆冰监测系统Ice-Watcher。实验结果证明,Ice-Watcher测量到的覆冰厚度测量误差可以控制在测量值的2%以内,符合电网维护任务的实施标准。 4)构建了一个架空输电导线覆冰监测数据集DTL。本文构建了首个与旋转目标检测相关的架空输电导线数据集DTL,该数据集的所有数据附带纯手工标注的旋转边界框注释,可用于训练和测试目标检测网络。此外,DTL的验证集还包含了点云数据和像素级掩码注释,也可用于评估边缘提取和三维测量的误差。

关键词： 输电线路   导地线线夹   红外图像   语义分割   热缺陷检  

摘要： 线夹在输电线路中扮演着关键的角色,它既要承受导线的张力,又要承载导地线的负荷电流,其可靠性对于确保电网的安全和稳定运行至关重要。近年来,由于年久失修、老化腐蚀,输电线路导地线线夹设备的热缺陷问题频繁发生,对输电线路的安全运行构成了严峻挑战。目前主要依靠人工进行线夹红外图像的发热缺陷分析,任务重、效率低、误检率高。因此,迫切需要寻找更高效的分析方法:基于深度学习图像分割算法实现输电线路导地线线夹热缺陷智能检测。在综述国内外相关研究的基础上,本文提出了一种红外图像下的输电线路导地线线夹语义分割方法,进而建立了线夹区域的温度提取与热缺陷判断方法,主要研究成果如下:(1)建立了输电线路典型导地线线夹红外图像语义分割数据集;提出了HR-Deep Labv3+线夹红外图像语义分割算法:采用HRNetV2作为骨干网络提取高分辨率特征图,包含丰富的上下文信息和细节特征;引入FCN分支作为辅助分割头,提升网络性能和稳定性;采用类别均衡的损失函数CBCE Loss,提高不平衡样本下的分割性能。该方法在线夹红外图像数据集上具有高分割准确率,mIoU和mAcc分别达到83.23%和91.96%,适用于多种形状和大小的导地线线夹热缺陷检测。(2)利用skimage库、numpy库和OpenCV库将语义分割算法输出的二值化掩码转化为多边形轮廓坐标作为线夹区域温度提取的输入参数,并基于FLIR Atlas SDK中的相关函数开发了线夹区域温度提取功能;根据带电设备红外诊断应用规范对热缺陷性质的划分,建立了相对温差法结合同类比较法的线夹热缺陷综合判断方法。(3)基于Windows Forms开发了具有图像批量导入导出、线夹分割、线夹区域温度提取和热缺陷程度判断功能的输电线路典型导地线线夹热缺陷智能检测系统,实现了输电线路导地线线夹热缺陷的自动检测,解决了依靠人工进行发热缺陷分析、耗时费力的问题,提高了线夹热缺陷分析效率。

关键词： 输电线路   风偏   有限元模拟   防风偏阻尼结构   磁流变液阻尼器  

摘要： 随着我国经济发展,工业用电和生活用电日益增加,我国电能资源区域分布不均衡是较为严峻的问题,作为电能的主要运输载体输电线路,其规模也正在迅速扩大。因此,跨区域长距离输电不可或缺,输电线路的安全平稳运行更是重中之重。然而因输电塔线本身结构的高柔性,其受动态影响较大,尤其是风荷载。输电线路在风荷载作用下的面外摆动,导致线路与杆塔间隙减小,小于电气允许最小空气间隙所引起的风偏故障时有发生,这将导致输电线路的突然跳闸,且风偏故障产生的跳闸停电自动重合闸概率较低。因此,输电线路所致风偏故障,给电网平稳供电带来了极大挑战,造成较大的经济与国民利益损失。本文以新疆电网乌鲁木齐110千伏宝渝二线风偏故障跳闸为工程背景。针对易发生风偏故障的新疆地区,进行风偏故障案例分析,并分析总结其产生机理。进行输电线路风偏影响因素分析,并采用复合防风偏绝缘子对塔线体系进行风偏治理,分析复合防风偏绝缘子防风偏效果及其影响因素分析。以达到对新疆等易发生风偏故障的大风地区输电线路的风偏防治,进而为减少风偏故障提出相应建议。本文结论如下:(1)通过ABAQUS建立塔线体系模型,采用Matlab模拟数值风速,生成风荷载,进行静、动模拟对比分析。得出在忽略脉动风的影响下,风偏经验计算精度较小,但在脉动风速的作用下,风偏最大角是经验计算方法的1.3倍左右,进而提出风偏动态放大修正系数;档距及绝缘子串长度对风偏影响较小,但当档距较大时,档距对风偏角的影响不可忽略;当风速较小时,绝缘子串长度对风偏角的影响不可忽略;最后风攻角与绝缘子串风偏呈正向关系,得出风攻角风偏修正系数在风攻角为0°～60°间按1～1.6线性插值取值。(2)对风偏故障特性进行分析,提出采用防风偏绝缘子进行风偏控制。防风偏绝缘子由斜撑支柱式绝缘棒与尾部的复合反相位阻尼器构成。反相位阻尼器由SMA螺旋弹簧及MRF磁流变液阻尼器构成。复合防风偏绝缘子在绝缘子底端与横担处斜撑。通过ABAQUS进行了塔线体系应用复合绝缘子后的风偏模拟,分析其抗风偏效果。结果表明,复合防风偏绝缘子防风偏率达95%左右,可以起到良好的抑制风偏效果。(3)进行防风偏绝缘子结构及材料相关参数对防风偏效果影响因素分析。得出磁流变液磁场屈服强度与抗风偏效果成正向关系,当屈服强度超过40k Pa时,随着屈服强度增大其抗风偏效果增加幅度越来越小;形状记忆合金主要起变形恢复作用,其等效刚度对抗风偏影响较小;活塞有效长度与抗风偏效果成正向关系,但当其长度超过40mm时,其长度对抗风偏的影响较小;活塞间隙宽度与抗风偏效果呈负相关,且影响较大,其抗风偏效果减小幅度越来越大。以上参数分析,为防风偏绝缘子结构设计提供相关参数参考。