一種基于改進(jìn)層次分析法的輸電線路雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

張曉明，吳焯軍，甘艷，阮江軍，張思寒，劉歡，顧德文，董明齊，杜志葉

(1.華中電網(wǎng)有限公司，武漢市 430077;2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢市 430072)

0 引言

國內(nèi)外長期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，輸電線路的雷擊跳閘仍是影響電網(wǎng)安全運(yùn)行和可靠供電的主要因素。根據(jù)國家電網(wǎng)公司2003年的生產(chǎn)運(yùn)行情況的統(tǒng)計(jì)資料［1］，全國500 kV輸電線路中雷擊跳閘占線路跳閘的46%，220 kV輸電線路中雷擊跳閘占線路跳閘的33.4%，110 kV輸電線路中雷擊跳閘占線路跳閘的35.3%。同時(shí)，國家電網(wǎng)公司每年因雷擊跳閘所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)數(shù)億元以上，間接損失更是不可估量。因此，對(duì)電網(wǎng)中的輸電線路進(jìn)行雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并合理安排防雷改造順序是有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義的。

由于近年來國內(nèi)外才開展輸電線路雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究，目前關(guān)于雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估仍沒有確定的評(píng)估模型和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)絕大多數(shù)供電部門仍以雷擊跳閘率這一單一指標(biāo)來評(píng)價(jià)輸電線路的雷害風(fēng)險(xiǎn)，并以此標(biāo)準(zhǔn)來安排防雷改造的優(yōu)先順序。但是實(shí)際上，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估內(nèi)容是要確定風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率和對(duì)某個(gè)系統(tǒng)的影響程度［2］，因此，完整的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)不僅僅是風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率，還應(yīng)當(dāng)是概率和后果的綜合。顯然，依靠雷擊跳閘率這一單一指標(biāo)來評(píng)價(jià)輸電線路雷害風(fēng)險(xiǎn)存在一定的不合理性。本文基于改進(jìn)層次分析法，除了雷擊跳閘率之外還綜合考慮了平均非計(jì)劃停電時(shí)間、停運(yùn)時(shí)間平均經(jīng)濟(jì)損失、負(fù)荷重要性等因素，對(duì)輸電線路雷害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，達(dá)到概率與后果的有機(jī)統(tǒng)一。

1 改進(jìn)層次分析法

1.1 層次分析法簡(jiǎn)介

層次分析法［3］(analytic hierarchy process，AHP)是T.L.Saaty于20世紀(jì)70年代提出的一種多目標(biāo)評(píng)價(jià)決策方法，它將一個(gè)復(fù)雜問題中的各種因素劃分為相互聯(lián)系的有序?qū)哟问怪畻l理化，根據(jù)對(duì)一些客觀現(xiàn)實(shí)的判斷，定量表示每一層次的相對(duì)重要性，用數(shù)學(xué)方法表達(dá)每一層次全部因素相對(duì)重要性次序的數(shù)值，得到排序結(jié)果。

1.2 改進(jìn)層次分析法簡(jiǎn)介

改進(jìn)層次分析法是在層次分析法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，其主要特點(diǎn)有以下2點(diǎn):(1)用三標(biāo)度法取代九標(biāo)度法，降低人的主觀性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響;(2)利用最優(yōu)傳遞矩陣構(gòu)造判斷矩陣，直接求出權(quán)重，無需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

1.3 改進(jìn)層次分析法步驟

(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型。層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 層次分析法常用模型Fig.1Common model of AHP

(2)利用三標(biāo)度法求出相應(yīng)的比較矩陣。根據(jù)各因子的重要性次序，得出相應(yīng)的比較矩陣A。

式中:aij代表第i因素與第j因素相對(duì)比的重要性，且有aii=1。

(3)計(jì)算重要性排序指數(shù)ri。

(4)構(gòu)造判斷矩陣Bij。對(duì)每組因素構(gòu)造判斷矩陣，其元素bij遵循式(3)。

(5)求判斷矩陣Bij的傳遞矩陣Cij。傳遞矩陣的元素為

(6)求傳遞矩陣Cij的最優(yōu)傳遞矩陣Dij。最優(yōu)傳遞矩陣的元素為

(7)求判斷矩陣Bij的擬優(yōu)一致矩陣B'ij。擬優(yōu)一致矩陣的元素為

(8)求B'ij的特征向量。B'ij的特征向量(即權(quán)重向量)可用方根法求得:將矩陣B'ij的各個(gè)列矢量采用幾何平均，然后歸一化，得到的列矢量就是權(quán)重矢量。

其計(jì)算步驟如下:

第1步，A的元素按行相乘得一新矢量。

第2步，將新矢量的每個(gè)分量開n次方。

第3步，將所得矢量歸一化即為權(quán)重矢量。

2 改進(jìn)層次分析法的應(yīng)用

2.1 層次模型的建立

根據(jù)圖1和層次分析法的基本思想，構(gòu)造一個(gè)用于輸電線路雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的層次結(jié)構(gòu)分析模型，如圖2所示。目標(biāo)層A:評(píng)估出電網(wǎng)中各線路的雷害風(fēng)險(xiǎn)的相對(duì)大小。準(zhǔn)則層C:評(píng)估線路雷害風(fēng)險(xiǎn)的主要因素有雷擊跳閘率、平均非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間、停運(yùn)時(shí)間平均經(jīng)濟(jì)損失、負(fù)荷重要性、線路平均輸電設(shè)備損失等。方案層P:電網(wǎng)中的各條線路。

2.2 準(zhǔn)則層相關(guān)因素的定義及計(jì)算方法

2.2.1 雷擊跳閘率

圖2 線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估層次分析結(jié)構(gòu)Fig.2AHP structure of lightning disturbance risk for transmission lines

輸電線路的雷擊跳閘率分為實(shí)際的雷擊跳閘率和計(jì)算的雷擊跳閘率［4］。實(shí)際的雷擊跳閘率Nor(次/(100 km·a))計(jì)算公式如下:

對(duì)于本文的分析結(jié)構(gòu)模型，準(zhǔn)則層中并沒有考慮線路運(yùn)行年數(shù)對(duì)線路的風(fēng)險(xiǎn)大小的影響，而實(shí)際的雷擊跳閘率中已包含該因素對(duì)跳閘率的影響，進(jìn)而對(duì)線路的風(fēng)險(xiǎn)大小也有所影響，故本文采用實(shí)際的雷擊跳閘率評(píng)估線路風(fēng)險(xiǎn)的大小。

2.2.2 平均非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間

平均非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間Ts(h/a)是指由于雷擊跳閘引起的非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間。

式中:n為該線路在運(yùn)行年數(shù)內(nèi)由于雷擊引起的跳閘總數(shù)。

2.2.3 停運(yùn)時(shí)間平均經(jīng)濟(jì)損失

只考慮線路停運(yùn)引起的直接經(jīng)濟(jì)損失，定義線路雷擊跳閘所引起的停運(yùn)時(shí)間平均經(jīng)濟(jì)損失Mel(萬元/h)計(jì)算公式如下:

2.2.4 負(fù)荷重要性

根據(jù)國標(biāo)GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］，將負(fù)荷分為3個(gè)等級(jí)。將參與評(píng)估的線路所連接的負(fù)荷按上述規(guī)范分級(jí)，并按重要性等級(jí)排序。

2.2.5 線路平均輸電設(shè)備損失

線路輸電設(shè)備損失是指由于雷擊引起的輸電設(shè)備損失，雷擊引起的線路輸電設(shè)備損失包括導(dǎo)線、地線、接地引下線的燒毀以及線路避雷器、絕緣子的損壞等，定義線路平均輸電設(shè)備損失Mll(萬元/a)計(jì)算公式如下:

2.3 實(shí)例分析

某地區(qū)220 kV電網(wǎng)有5條線路需進(jìn)行防雷改造，根據(jù)上述模型對(duì)該5條線路進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，最終得到各線路的雷擊風(fēng)險(xiǎn)的相對(duì)大小，并據(jù)此安排線路防雷改造的優(yōu)先順序。

2.3.1 重要性排序

該地區(qū)輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型中的準(zhǔn)則層各因素對(duì)目標(biāo)層的重要性排序如下:雷擊跳閘率＞平均非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間=停運(yùn)時(shí)間平均經(jīng)濟(jì)損失=負(fù)荷重要性＞線路平均輸電設(shè)備損失。

5條線路所需的評(píng)估參數(shù)如表1所示。

表1 各線路所需的評(píng)估參數(shù)Tab.1Evaluation parameters for each line

由表1可得方案層中各線路對(duì)準(zhǔn)則層各因素的重要性排序，如表2所示。

表2 方案層各線路對(duì)于準(zhǔn)則層各因素的重要性排序Tab.2Importance ranking of program layer to rule layer factor

2.3.2 構(gòu)造比較矩陣

根據(jù)上述準(zhǔn)則層各因素對(duì)目標(biāo)層的重要性排序和公式(1)，可得出準(zhǔn)則層各因素對(duì)目標(biāo)層的比較矩陣，如表3所示。

表3 準(zhǔn)則層各因素對(duì)目標(biāo)層的比較矩陣Tab.3Comparative matrix of rule layer factor to target layer

表1 12種評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)下的雷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)排序Tab.11Lightning disturbance level under two evaluation standard

圖3 2種評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)下的雷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Fig.3Lightning disturbance level under two evaluation standard

可以看出，按雷擊跳閘率和按本文模型進(jìn)行評(píng)估所得的結(jié)果是不完全一致的，雷擊跳閘率排位較高的線路，在考慮了跳閘損失影響因素之后，其風(fēng)險(xiǎn)排位等級(jí)可能會(huì)提高或者降低。因此，輸電線路運(yùn)行管理部門完全按照雷擊跳閘率高低安排線路防雷改造的優(yōu)先級(jí)，可能會(huì)與各線路的實(shí)際雷害風(fēng)險(xiǎn)排序存在不一致性，從而影響電網(wǎng)雷害改造的整體效率和效益。

3 結(jié)論

(1)風(fēng)險(xiǎn)是概率和后果的綜合，因此在進(jìn)行輸電線路雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)不僅需要考慮雷擊跳閘率這一因素，還必須考慮雷擊跳閘帶來的損失影響因素。

(2)輸電線路雷擊跳閘所引起的損失影響因素與其停運(yùn)時(shí)間、負(fù)荷大小、負(fù)荷重要性、設(shè)備損失等要素有直接關(guān)系，因此在進(jìn)行輸電線路雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)需搜集與此相關(guān)的資料，并詳細(xì)地篩選和分析。

(3)綜合考慮了停運(yùn)時(shí)間、負(fù)荷大小、負(fù)荷重要性、設(shè)備損失等因素后的雷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與雷擊跳閘率風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)非完全一致，可能降低或者上升，因此以雷擊跳閘率這一單一指標(biāo)來評(píng)價(jià)輸電線路雷害風(fēng)險(xiǎn)并不完全科學(xué)和準(zhǔn)確。

(4)本文提出的改進(jìn)層次分析法評(píng)估模型與傳統(tǒng)的雷擊跳閘率評(píng)價(jià)模型相比，評(píng)估結(jié)果將更加合理和科學(xué)，更加符合輸電線路的實(shí)際雷害風(fēng)險(xiǎn)大小。由于評(píng)估結(jié)果十分依賴于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此建議在采用本文模型時(shí)，待評(píng)估線路的運(yùn)行時(shí)間在5年或以上，從而使所搜集的數(shù)據(jù)分散性較低，更加符合線路的實(shí)際運(yùn)行情況。

［1］國家電網(wǎng)公司生產(chǎn)運(yùn)營部.國網(wǎng)電網(wǎng)公司2003年生產(chǎn)運(yùn)行情況分析［R］.北京:國家電網(wǎng)公司生產(chǎn)運(yùn)營部，2004.

［2］李文沅.電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［M］.北京:科技出版社，2003.

［3］趙煥臣，許樹柏.層次分析法［M］.北京:科學(xué)出版社，1986:6-8.

［4］張瑞.輸電線路雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究［D］.武漢:武漢大學(xué)，2009.

［5］GB 50052—2009供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］張志勁，孫才新，蔣興良，等.層次分析法在輸電線路綜合防雷措施評(píng)估中的應(yīng)用［J］.高電壓技術(shù)，2005，29(14):68-72.

［7］IEEEWorkinggrouponestimatinglightingperformanceof transmission lines.Estimating lighting performance of transmission linesⅡ-Updates to analytical models［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1993，8(3):1254-1267.

［8］IEEEWorkinggrouponestimatinglightingperformanceof transmission lines.A simplified method for estimating lightning performance of transmission lines［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1985，104(4):919-932.

［9］Whitehead E R.CIGRE survey of lightning performance of extra-highvoltage transmission lines［J］.Electra，1974，33:63-89.

［10］張緯?，何金良，高玉明.過電壓防護(hù)及絕緣配合［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［11］谷山強(qiáng)，陳家宏，陳維江，等.輸電線路防雷性能時(shí)空差異化評(píng)估方法［J］.高電壓技術(shù)，2009，35(2):294-298.

［12］電力中央研究所.輸電線路防雷設(shè)計(jì)指南綜合報(bào)告［R］.東京:電力中央研究所，2003.

［13］維列夏金，吳維韓.俄羅斯超高壓和特高壓輸電線路防雷運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)分析［J］.高電壓技術(shù)，1998，24(2):76-79.

［14］DL/T 620—1997交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合［S］.

［15］李佩，楊偉.改進(jìn)層次分析法和模糊灰色理論的管道土壤腐蝕評(píng)價(jià)［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25(4):27-33.

［16］泰壽康.綜合評(píng)價(jià)原理與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

(編輯:魏希輝)