基于多因子影響的高壓電網(wǎng)雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

強(qiáng)祥

(華東送變電工程公司，上海201803)

基于多因子影響的高壓電網(wǎng)雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

強(qiáng)祥

(華東送變電工程公司，上海201803)

以電網(wǎng)遭受雷害多影響因子作為研究重點(diǎn)，采用層次分析與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合理論，對(duì)高壓電網(wǎng)展開(kāi)雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究。以某地500kV高壓電網(wǎng)為工程背景，以雷擊跳閘率、雷擊重合閘率、手動(dòng)強(qiáng)送成功率、供電可靠性、線路重要性等級(jí)、運(yùn)行時(shí)間、設(shè)備損害性指標(biāo)為評(píng)估電網(wǎng)雷害風(fēng)險(xiǎn)的分析因子，將該地電網(wǎng)雷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)定為Ⅲ級(jí)中等雷害風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)此提出針對(duì)性的防雷措施，以給工程實(shí)際提供指導(dǎo)與借鑒。

電網(wǎng)雷害;風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估;層次分析法;模糊數(shù)學(xué)理論;防雷措施

0 引言

近些年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展與電力需求的不斷增長(zhǎng)，國(guó)家電網(wǎng)也取得了快速的發(fā)展，但是相應(yīng)的電網(wǎng)安全問(wèn)題也開(kāi)始越發(fā)突出，其中雷電災(zāi)害作為無(wú)法避免的外部災(zāi)害，給電網(wǎng)的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了很大的風(fēng)險(xiǎn)。通常情況下，由于變電站安設(shè)有直擊雷防護(hù)裝置而使得雷電災(zāi)害對(duì)變電站的影響有限，其影響主要集中在高壓輸電線路［1－2］。

通常而言，雷電災(zāi)害輕則造成輸電線路同一輸電通道多回線路相繼跳閘、同塔雙回線路同時(shí)閃絡(luò)等故障，重則造成長(zhǎng)時(shí)間電力供應(yīng)中斷甚至永久性故障［3］。目前，對(duì)于高壓輸電線路遭受雷害的風(fēng)險(xiǎn)研究［4］，相關(guān)學(xué)者及機(jī)構(gòu)僅以雷擊跳閘率作為高壓輸電線路遭受雷害的評(píng)價(jià)指標(biāo)，這是不合理的，因?yàn)楸M管雷擊引起的線路跳閘次數(shù)較多，但因重合閘成功率較高，其占非計(jì)劃停運(yùn)比例要比其占跳閘比例低，此外，輸電線路的雷電災(zāi)害影響因子不是單一的，它除了受雷擊跳閘率控制，還與輸電線路雷電活動(dòng)強(qiáng)度、地閃密度、線路走廊雷電活動(dòng)頻率、地形地貌、輸電線路對(duì)電網(wǎng)重要性程度等因子有關(guān)，需要考慮多因素影響結(jié)果［5］。因此，本文從電網(wǎng)遭受雷害的多影響因子作為出發(fā)點(diǎn)，采用層次分析與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合的理論，對(duì)其展開(kāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，并對(duì)此提出防雷措施，以給工程實(shí)際提供指導(dǎo)與借鑒。

1 理論方法

1.1 層次分析法

20世紀(jì)70年代初，美國(guó)學(xué)者Satty T.L.提出了層次分析法［6］，它是一種層次權(quán)重決策分析方法，該方法基于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論和多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，能夠?qū)⒍糠治雠c定性分析相結(jié)合，對(duì)多目標(biāo)、復(fù)雜問(wèn)題展開(kāi)準(zhǔn)確的決策。

層次分析一般包含四個(gè)步驟:建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造兩兩比較的判斷矩陣、層次單排序及一致性檢驗(yàn)、層次總排序及一致性檢驗(yàn)。

1.2 模糊數(shù)學(xué)法

模糊數(shù)學(xué)又稱(chēng)Fuzzy數(shù)學(xué)，是研究和處理模糊性現(xiàn)象的一種數(shù)學(xué)理論和方法，1965年，模糊數(shù)學(xué)開(kāi)始得到快速發(fā)展［7］。模糊數(shù)學(xué)法首先要求給出電網(wǎng)雷害影響因素集合U及雷害風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生級(jí)別集合V，U中每一個(gè)單因素對(duì)應(yīng)雷害風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別V的模糊子集為單因素模糊矩陣R，再根據(jù)每個(gè)因素對(duì)目標(biāo)貢獻(xiàn)程度，得到權(quán)重矩陣A，最后對(duì)矩陣R進(jìn)行關(guān)于A的模糊變換，得到目標(biāo)事物的評(píng)判集B，即:

式中:B=［B1，B2，…Bn］，Bn為第n級(jí)評(píng)判等級(jí)的隸屬度，評(píng)判集B中最大隸屬度Bi所在的位置即對(duì)應(yīng)目標(biāo)的最終評(píng)判級(jí)別。

1.3 綜合評(píng)價(jià)

層次分析的優(yōu)點(diǎn)是能夠定量地得到定性的因素的權(quán)重值，再結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論，才能夠綜合計(jì)算出要分析對(duì)象的結(jié)果。基于層次分析－模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)，首先要確定各層次各因素兩兩之間的權(quán)重。為避免對(duì)權(quán)重定性賦值帶來(lái)的失準(zhǔn)，Satty T.L.提出了一致判斷矩陣法，該方法采用1～9標(biāo)度法的相對(duì)尺度，以提高準(zhǔn)確度，當(dāng)一致性比率小于0.1時(shí)，認(rèn)為能夠得到滿(mǎn)意的一致性［8］。

2 電網(wǎng)雷害多影響因子分析

輸電線路是電力系統(tǒng)的最重要的組成部分，由于它暴露在復(fù)雜多變的自然環(huán)境里面，因此很容易且無(wú)法避免受到外界環(huán)境的的影響和損害，尤其是當(dāng)雷雨天氣發(fā)生時(shí)，輸電線路易于遭受雷擊，并發(fā)生停電事故。因此，要進(jìn)行電網(wǎng)雷害研究，首先要確定影響電網(wǎng)雷害的因素有哪些。

電網(wǎng)遭受雷害的影響因子不是單一的，也不是幾個(gè)因子單獨(dú)發(fā)生作用，而是多個(gè)因子發(fā)生耦合作用。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外的研究成果［9－10］，評(píng)估電網(wǎng)雷害風(fēng)險(xiǎn)的因子主要有雷擊跳閘率、雷擊重合閘率、手動(dòng)強(qiáng)送成功率、供電可靠性、線路重要性等級(jí)、運(yùn)行時(shí)間、設(shè)備損害性指標(biāo)。

據(jù)此，建立上述電網(wǎng)雷害多因子層次結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖中具體結(jié)構(gòu)為:A為目標(biāo)層，即:電網(wǎng)雷害風(fēng)險(xiǎn);B為準(zhǔn)則層，具體為B1(供電可靠性)、B2(運(yùn)行時(shí)間)、B3(重要性等級(jí))、B4(設(shè)備損害性);C為方案層，即:各個(gè)線路，具體為C1(線路1)、C2(線路2)…Cn(線路n)。

圖1 電網(wǎng)遭受雷害風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別層次結(jié)構(gòu)示意

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

我國(guó)南方某地區(qū)500kV電網(wǎng)含有3條輸電線路D、E、F，現(xiàn)以該地區(qū)這三條輸電線路2007年－2012年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)分析預(yù)測(cè)該地區(qū)的雷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。D、E、F三條輸電線路的準(zhǔn)則層實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)占比如表1所示。

3.2 綜合分析

3.2.1 層次分析結(jié)構(gòu)

根據(jù)電網(wǎng)雷害多因子分析結(jié)果，結(jié)合應(yīng)用實(shí)例表1數(shù)據(jù)，在Yaahp層次分析軟件建立電網(wǎng)雷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的層次結(jié)構(gòu)模型，層次結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

對(duì)于層次結(jié)構(gòu)模型中的電網(wǎng)雷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，本文劃分為4個(gè)級(jí)別:Ⅰ級(jí)無(wú)風(fēng)險(xiǎn)、Ⅱ級(jí)低風(fēng)險(xiǎn)、Ⅲ級(jí)中等風(fēng)險(xiǎn)、Ⅳ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)。

表1 500kV輸電線路準(zhǔn)則層數(shù)據(jù)比例系數(shù)

圖2 層次分析結(jié)構(gòu)

3.2.2 一致性檢驗(yàn)矩陣

在層次結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合1～9標(biāo)度類(lèi)型及專(zhuān)家系統(tǒng)意見(jiàn)，賦予B1～B4、C1～C3相應(yīng)的權(quán)重分值，最終得到A－B、B1－C、B2－C、B3－C、B4－C五個(gè)判斷矩陣。

A－B矩陣的一致性比例CR=0.0596，B1－C的CR=0.0370，B2－C的CR=0.0516，B3－C的CR=0.0516，B4－C的CR=0.0088，五個(gè)判斷矩陣的一致性比列均小于0.10，矩陣的一致性檢驗(yàn)結(jié)果可以接受。

3.2.3 計(jì)算權(quán)重

在矩陣判斷一致性檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算A－B、B－C排序的單排序權(quán)重值及6個(gè)因素的總排序權(quán)重值，權(quán)重計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 電網(wǎng)雷害風(fēng)險(xiǎn)因素總排序權(quán)重

把上表2中的權(quán)重值用向量的形式表示，即得權(quán)重矩陣:A［0.475299，0.257689，0.267112］。

3.2.4 隸屬函數(shù)和模糊矩陣

就每個(gè)雷害影響因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，每個(gè)因素對(duì)應(yīng)的不同雷害級(jí)別為一個(gè)隸屬函數(shù)。本文定義該隸屬函數(shù)為降半階梯分布函數(shù)，取階次k=1。分布函數(shù)的方程為:

式中:xi為第i個(gè)雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估因子;un(xi)為第i個(gè)因子對(duì)第n級(jí)雷害風(fēng)險(xiǎn)的隸屬度;ai，bi，ci為第i個(gè)因子分別對(duì)應(yīng)第Ⅰ～Ⅳ級(jí)雷害風(fēng)險(xiǎn)的分界值。

將線路D、E、F對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)則層因子值依次代入(2)～(5)式，每個(gè)因子得到4個(gè)隸屬函數(shù)方程，3個(gè)因子共12個(gè)隸屬函數(shù)方程，計(jì)算后得到3個(gè)因子的評(píng)判模糊子集分別為:RC1［0.42，0，1，0.35］; RC2［0，1，0.62，0.16］;RC3［0.53，0，1，1］。則該地區(qū)全部雷害因子3行4列的模糊關(guān)系矩陣為:

3.2.5 綜合評(píng)判

根據(jù)上述計(jì)算，現(xiàn)對(duì)模糊矩陣R進(jìn)行關(guān)于權(quán)重矩陣A的模糊變換，得到目標(biāo)事物最終評(píng)判集B:

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的貼近度原理，所得到的評(píng)判集B=［B1，B2，B3，B4］=［Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級(jí)雷害風(fēng)險(xiǎn)］，其中最大隸屬度Bi所在的位置即對(duì)應(yīng)目標(biāo)的最終評(píng)判級(jí)別，因此，該地區(qū)電網(wǎng)的最大隸屬度為B3=0.902=Ⅲ級(jí)中等雷害風(fēng)險(xiǎn)。即應(yīng)用該綜合評(píng)判方法評(píng)定該地區(qū)遭受雷蓋的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等雷害風(fēng)險(xiǎn)，需要采取相應(yīng)防雷害措施，以降低高壓電網(wǎng)遭受雷害的概率。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)以電網(wǎng)遭受雷害多影響因子作為研究的出發(fā)點(diǎn)，較為全面的考慮到各個(gè)雷害影響因子對(duì)高壓電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)程度，并采用層次分析與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合的綜合評(píng)判理論，對(duì)高壓電網(wǎng)展開(kāi)雷害風(fēng)險(xiǎn)展開(kāi)了評(píng)估研究。引入工程實(shí)例對(duì)此進(jìn)行分析計(jì)算，以雷擊跳閘率、雷擊重合閘率、手動(dòng)強(qiáng)送成功率、供電可靠性、線路重要性等級(jí)、運(yùn)行時(shí)間、設(shè)備損害性指標(biāo)為評(píng)估電網(wǎng)雷害風(fēng)險(xiǎn)的分析因子，成功評(píng)估得到將該地高壓電網(wǎng)雷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

(2)在評(píng)估得到高壓電網(wǎng)的雷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)后，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)雷害影響因子的特點(diǎn)，采取相應(yīng)的防雷措施。如:架設(shè)避雷線，避雷線能夠?qū)纂姰a(chǎn)生分流作用，降低桿塔頂端電位;改善接地網(wǎng)形式，降低桿塔的接地電阻值;架設(shè)耦合地線，來(lái)降低絕緣子串上電壓;適當(dāng)提高桿塔的絕緣水平，能夠?qū)Ψ乐估@擊起到一定的作用，也能對(duì)防止雷擊桿塔頂部的反擊過(guò)電壓產(chǎn)生效果;采用不平衡絕緣方式，以避免雙回線路在遭受雷擊時(shí)同時(shí)跳閘;裝設(shè)避雷器，限制過(guò)電壓，保障輸電線路及設(shè)備的安全。

(3)電網(wǎng)雷害盡管是小概率事件，但其具有隨機(jī)性強(qiáng)，一旦發(fā)生損失大的特點(diǎn)，而輸電線路的雷電災(zāi)害影響又是受諸如雷擊跳閘率、雷電活動(dòng)強(qiáng)度、地閃密度、線路走廊雷電活動(dòng)頻率、地形地貌、輸電線路對(duì)電網(wǎng)重要性程度等多因子控制，因此在實(shí)際電網(wǎng)雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，需要考慮多因素耦合作用的結(jié)果。此外，還應(yīng)結(jié)合高壓輸電線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及系統(tǒng)運(yùn)行方式，通過(guò)比較選取合理的防雷設(shè)計(jì)，以提高高壓輸電線路的耐雷水平。

［1］趙淳，陳家宏，王劍，等.電網(wǎng)雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究［J］.高電壓技術(shù)，2011(12):3012－3021.

［2］馬御棠，王磊，馬儀，等.云南電網(wǎng)雷害風(fēng)險(xiǎn)分布圖的繪制與應(yīng)用［J］.高壓電器，2013(4):76－81.

［3］程宏波，何正友，胡海濤，等.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)警［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2013(5):21－26.

［4］崔雪.用電負(fù)荷管理系統(tǒng)終端設(shè)備雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［D］.上海:上海交通大學(xué)，2009.

［5］張曉明，吳焯軍，甘艷，等.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［J］.電力建設(shè)，2012(8):35－39.

［6］趙煥臣.層次分析法［M］.北京:科學(xué)出版社，1986.

［7］楊綸標(biāo)，高英儀.模糊數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用［M］.廣州:華南理工大學(xué)出版社，2004.

［8］孫雷雷，王小霖，龔學(xué)毅.基于雷電定位數(shù)據(jù)的廣州白云機(jī)場(chǎng)10kV配網(wǎng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2014(3):40－47.

［9］趙淳，阮江軍，李曉嵐，等.輸電線路綜合防雷措施技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估［J］.高電壓技術(shù)，2011(2):290－297.

［10］李振，余占清，何金良，等.線路避雷器改善同塔多回線路防雷性能的分析［J］.高電壓技術(shù)，2011(12):3120－3128.

［11］方宏，周青.高壓架空輸電線路防雷措施的研究與實(shí)踐［J］.南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011(3):61－66.

［12］孫禔，孫鵬.湖北省高壓輸電線路防雷現(xiàn)狀及綜合防雷措施［J］.中國(guó)電力，2006(2):35－38.

Study on the impact of multiple－factor lightning disaster risk assessment

The impact factor for power grid subjected to lightning disturbance were taken as the research focus，the hierarchical analysis and fuzzy mathematics theory were combined to do the risk assessment study about lightning disturbance of high voltage power grid in this paper.Taking somewhere in 500kv high voltage network as the engineering background，the lightning trip－out rate，rate of lightning reclosing，manual send success rate，power supply reliability，line importance level，operation time，equipment，damaging the risk analysis of the factors of indexes for evaluating power grid were analyzed，and we finally calculated the risk level of the area power grid isⅢlevel medium ray against risk.In addition，the corresponding lightning protection measures were put forward，and that can provide guidance and reference to the engineering practice.

grid ray harm;risk evaluation;analytic hierarchy process;fuzzy mathematics theory;the lightning protection measures

TM86

B

1674－8069(2015)05－006－04

2015-03-10;

2015-05-21

強(qiáng)祥(1987-)，男，江蘇揚(yáng)州人，助理工程師，主要從事軌道交通供電系統(tǒng)建設(shè)行業(yè)。E－mail:libomxd@163.com