汤奕，徐香香
东南大学 电气工程学院
引文信息
汤奕, 徐香香, 陈彬, 等. 降雨滑坡灾害对输电杆塔故障的时空强在线预警[J]. 中国电力, 2020, 53(1): 56-65.
TANG Yi, XU Xiangxiang, CHEN Bin, et al. Space-time-intensity online early-warning of transmission tower faults by caused rainfall-induced landslides[J]. Electric Power, 2020, 53(1): 56-65.
近年来，全球气候变暖带来一系列极端自然灾害，其中暴雨、持续性强降雨诱发的降雨型滑坡是人类社会面临的主要次生地质灾害之一，容易引发杆塔故障、线路断线等电网事故。通过提高输电杆塔的设计标准抵御滑坡灾害所需的经济代价较高，迫切需要一个科学的输电杆塔预警方法，指导制定相应的应急措施，减小甚至避免停电事故的发生。传统预警采用的统计模型不能充分体现环境相关性，无法对即将来临的灾害天气进行可靠预判，需要从空间、时间和强度等多维角度出发，基于灾害的全过程进行滑坡导致倒塔预测，通过缩小目标范围明确滑坡对象和活动时间，实现输电杆塔故障的在线预警。
降雨滑坡灾害下的预警需先将降雨信息关联到滑坡，继而转化为对输电杆塔的影响。作为降雨引发输电杆塔故障的桥梁，滑坡的空间、时间和规模强度预测显得尤为必要。空间、时间和强度预测从灾害的全过程出发，通过缩小目标范围明确滑坡对象和活动时间，可确保预警结果的时效性和准确性。（1）滑坡空间预测。利用GIS对历史滑坡灾点进行分析计算并确定易滑坡区域，避免地质环境因子过多而引起的主观化和复杂化问题。（2）滑坡时间预测。需要动态计算不同地质和气候条件下的累积有效降雨量以及滑坡概率的大小，从而提前预测滑坡可能发生的时间。（3）输电塔受损分析。如何通过滑坡的致灾强度和输电塔的抗灾能力来确定输电塔的损毁程度？
本文从“时间-空间-强度”角度，提出一种较全面反映气象环境对输电塔故障率影响的预警方法。该方法实时跟踪气象预报信息，在网格化确定坡体位置的基础上，动态评估坡体活动时间以及坡体下滑对输电塔故障率的影响，实现输电杆塔故障的在线预警。为有效快速锁定影响电网安全的滑坡空间，将暴雨来临前气象台定性预报的降雨区域与电网公司关注的灾害区域进行叠置，基于GIS技术，以图形形式输出一个空间有效的目标风险区域。考虑到网格化能够更有目的性地管理和提炼灾害数据，将该风险区域按经度、纬度进行网格划分，计算每个网格单元内历史滑坡灾害的数量分布密度和规模分布密度，归一化处理后，获得每个网格的滑坡灾害指数。
图1 易滑坡区域确定示意
考虑地表径流、水分蒸发等原因，除当日降雨量外，前期降雨只有部分会对滑坡产生影响，为此需要用实际作用滑坡的有效降雨量替代累积总降雨量。有效降雨量的预测主要取决于气象台的不同时间尺度的降雨预报，并在此后不断滚动更新未来24h雨量，直至降雨结束，图2为追踪预报信息的有效雨量变化示意。
图2 追踪预报信息的有效雨量变化示意
在此思想上，建立不断修正更新的预测累积有效降雨量的表达式。累积有效降雨量同时，考虑了降雨强度和降雨时间，其随降雨预报逐日更新，并可根据其引发滑坡概率的大小提前预测滑坡可能发生的时间。输电塔的损毁程度与其相对于滑坡体的位置有关，当输电塔处于滑坡体外时，输电塔受到的危害主要取决于两方面：一是滑坡的致灾强度，二是输电塔的抗灾能力。滑坡灾害作用于输电塔的过程可分为失稳下滑阶段和冲击破坏阶段，如图3所示的二维模型，在失稳下滑阶段滑坡体不断释放重力势能转化为动能和摩擦内能，在冲击破坏阶段则将动能转给输电塔，此时输电塔接受能量并产生一定的变形。
图3 滑坡体作用输电塔示意
滑坡体对输电塔的冲击破坏过程，其实是滑坡体的致灾强度与输电塔的抗灾性能之间的较量，基于功—能关系，输电塔的损毁程度可表示冲击能和抗冲击能的比值，当坡体冲击能过大，超过了输电塔本身的抗冲击能时，输电塔必然发生破坏。本文提出的输电塔故障在线预警框架如图4所示，其主要包含3个部分：滑坡灾害的空间预测；滑坡灾害的时间预测；滑坡灾害的强度预测。
图 4 输电塔故障在线预警框架
为有效防御降雨滑坡灾害引起电网事故，本文提出一种降雨滑坡灾害对输电杆塔故障的时空强在线预警方法。从滑坡风险区域、滑坡活动时间以及杆塔受损状况三个角度实现灾害全过程的量化在线预警，有助于调度人员甄别风险杆塔并及时制定应急预案。
第一作者：汤奕（1977—），男，教授，博士生导师。从事电力系统安全稳定分析与控制、电力信息物理系研究。
E-mail: tangyi@seu.edu.cn。
第二作者：徐香香（1992—），女，硕士研究生，从事电力系统风险分析研究。
E-mail: xuxx_su@126.com。
东南大学电力系统自动化研究所长期从事电力系统分析与控制、电网信息物理系统等领域的研究工作。团队共有教授2人，讲师4人。近三年来，团队主持了国家自然科学基金项目8项，参与了国家重点研发计划项目4项，负责国家电网有限公司及省级电网公司项目20余项，发表SCI检索论文50余篇，申请和授权国家发明专利60余项。
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编辑：杨彪
审核：许晓艳
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