層次分析法在風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

林英鑒,陳星宇,王婷婷

（1.煙臺(tái)市氣象局，山東 煙臺(tái)264003；

2.煙臺(tái)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)氣象局，山東 煙臺(tái)264006）

1 引言

雷電災(zāi)害是一種巨大的自然災(zāi)害， 它危害人身安全及生命財(cái)產(chǎn)損失，雷電災(zāi)害是“聯(lián)合國(guó)國(guó)際減災(zāi)十年” 公布的十種最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一， 被稱為“電子時(shí)代的一大公害”。 在電力系統(tǒng)中，雷電災(zāi)害是造成電力供應(yīng)中斷的主要自然災(zāi)害之一。 風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔的可再生資源，對(duì)環(huán)境污染小，節(jié)省煤炭、石油等常規(guī)能源，技術(shù)成熟，在可再生能源中成本相對(duì)較低，有著廣闊的發(fā)展前景。 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可以靈活應(yīng)用， 既可以并網(wǎng)運(yùn)行， 也可以離網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，還可以與其它能源技術(shù)組成互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。 這些優(yōu)點(diǎn)使得風(fēng)力發(fā)電在近些年得到長(zhǎng)足發(fā)展。

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)在世界各地的廣泛應(yīng)用， 對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)遭受雷擊時(shí)的危害以及所應(yīng)采取防護(hù)措施的研究逐漸成為雷電研究的新內(nèi)容， 李丹等對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片姿態(tài)與雷擊概率關(guān)系進(jìn)行了模擬分析， 得出下行梯級(jí)先導(dǎo)相對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)水平偏右300 m 以及偏左300 m 以內(nèi)時(shí)， 槳葉處于15°-45°之間遭受的雷擊概率略高， 而偏右500 m時(shí)其雷擊概率明顯偏高。 Romero 等建立了一個(gè)考慮接地系統(tǒng)以及閃電多次回?fù)粢蛩氐娘L(fēng)力發(fā)電機(jī)模型， 探討了接地阻抗大小以及地電流特點(diǎn)。 但是由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身特性，例如槳葉在工作中時(shí)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致雷擊截收面積周期性變化，風(fēng)機(jī)高度越來越高，加上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般安裝在山頂，戈壁，海灘上等空闊地帶，使其更容易遭受雷擊， 雷電對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)造成的損失也在逐年增加。 目前國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雷電防護(hù)還處于起步階段， 對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究的更少， 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能夠?yàn)轱L(fēng)機(jī)在防雷設(shè)計(jì)階段起到指導(dǎo)作用，并做好前期規(guī)劃，避免盲目施工中發(fā)揮作用。

2 評(píng)估方法介紹

層次分析法 （Analytic Hierarchy Process， 簡(jiǎn)稱AHP）是將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次， 在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。 該方法是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家匹茨堡大學(xué)教授薩蒂于20 世紀(jì)70年代初，在為美國(guó)國(guó)防部研究“根據(jù)各個(gè)工業(yè)部門對(duì)國(guó)家福利的貢獻(xiàn)大小而進(jìn)行電力分配”課題時(shí)，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論和多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法，提出的一種層次權(quán)重決策分析方法。 層次分析法的主要步驟為建立層次模型、給出判斷矩陣、對(duì)矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，具體步驟如下。

(1)建立層次結(jié)構(gòu)。 在對(duì)系統(tǒng)深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，根據(jù)目標(biāo)和主要問題的性質(zhì)， 確定主要目標(biāo)要素和主要判斷要素，建立層次模型。 最上層為目標(biāo)層，通常只有1 個(gè)因素，最下層通常為方案或?qū)ο髮?，中間可以有一個(gè)或幾個(gè)層次，通常為準(zhǔn)則或指標(biāo)層。

（2）構(gòu)建判斷矩陣。 根據(jù)對(duì)事物的認(rèn)識(shí)給出判斷的數(shù)值。 一般采用1-9 標(biāo)度法，含義如表1 所示。

（3）判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)。 當(dāng)階數(shù)大于2時(shí)，判斷矩陣的一致性指標(biāo)與隨機(jī)一致性指標(biāo)之比成為

表1 1-9 標(biāo)度法含義

隨機(jī)一致性比率，記為CR。 當(dāng)時(shí)CR= <0.10時(shí)，即認(rèn)為判斷具有滿意的一致性， 否則需要調(diào)整判斷矩陣，使之具有滿意的一致性。

（4）層次單排序。 計(jì)算出某層次因素相對(duì)于上一層次中某一因素的相對(duì)重要性， 這種排序方式稱為層次單排序。 層次單層次計(jì)算問題可歸結(jié)為計(jì)算判斷矩陣的最大特征根與特征向量問題。

（5）總層次排序。 最底層因素相對(duì)于最高層的相對(duì)重要性或相對(duì)優(yōu)勢(shì)的排序值，即層次總排序。 也就是說層次總排序是針對(duì)最高層目標(biāo)而言的。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因素確定

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雷電災(zāi)害有其自身的特征， 旋轉(zhuǎn)的槳葉使得風(fēng)機(jī)的截收面積周期性變化， 直接雷擊點(diǎn)可能發(fā)生在槳葉上，也可能擊到塔筒上，風(fēng)機(jī)接閃后雷電流沿自身塔筒泄放入地， 此時(shí)塔筒內(nèi)的控制設(shè)備的電磁環(huán)境就會(huì)很差， 可能會(huì)引起控制設(shè)備的損壞。 但總體來說，風(fēng)機(jī)的雷電損壞和風(fēng)機(jī)所處環(huán)境地理位置、地形特點(diǎn)、土壤條件、氣象條件、塔筒的結(jié)構(gòu)等是相關(guān)的。 根據(jù)防雷工程的經(jīng)驗(yàn)本文選取五個(gè)參數(shù)來確定風(fēng)機(jī)遭受雷電災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)， 分別為風(fēng)機(jī)所在位置的地閃密度、所在地的平均土壤電阻率、海拔高度、塔基本身的接地電阻、風(fēng)塔的塔身高度。

3.1 雷擊大地的平均密度

地閃密度是引起風(fēng)機(jī)雷電災(zāi)害損失的最主要的因素，它的確定直接影響評(píng)估的準(zhǔn)確性。 地閃密度的分布明顯的具有季節(jié)性， 在中國(guó)的絕大多數(shù)地區(qū)閃電的發(fā)生主要集中每年的6-9月， 這4 個(gè)月的雷擊大地密度較其他月份的雷擊密度要高許多。 以往對(duì)于地閃密度的確定是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式， 根據(jù)每年的雷暴日數(shù)推斷出年平均雷擊大地密度。 如今隨著觀測(cè)設(shè)備的改進(jìn)， 應(yīng)用閃電定位系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的確定出年平均雷擊大地密度，月平均雷擊大地密度。

3.2 風(fēng)機(jī)所在地的土壤電阻率

不同區(qū)域的土壤電阻率有著顯著的不同， 它和閃電電流的幅值分布概率是相關(guān)的， 高幅值的閃電電流能夠使土壤產(chǎn)生電離，使得土壤電阻率變小。 同時(shí)土壤電阻率越高雷電流越不容易泄放， 高電位的存在時(shí)間就越長(zhǎng)，弱電設(shè)備更容易受到損害，雷電災(zāi)害更容易發(fā)生在土壤電阻率高的區(qū)域。

3.3 海拔高度

風(fēng)機(jī)的雷電災(zāi)害在不同的地形也有著明顯的不同。海拔高度是另一個(gè)影響閃電電流分布的因素。在山區(qū)的雷云高度要低于平原處的高度， 它們?cè)谶_(dá)到大量的電荷積累前就能達(dá)到空氣的擊穿強(qiáng)度， 換句話說雷電電流的幅值一般情況下會(huì)隨著海拔高度的增加而減小，但是發(fā)生的頻率會(huì)更高，Peesapati 等采用有限元法對(duì)雷暴云下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行整體三維數(shù)值模擬，得出隨著雷暴云高度降低，風(fēng)力發(fā)電機(jī)遭受雷擊概率增大。 因此在進(jìn)行雷電災(zāi)害評(píng)估時(shí)海拔高度也應(yīng)該是必須考慮的因素。

3.4 塔基本身的接地電阻

塔基的接地電阻對(duì)雷電流的泄放起到至關(guān)重要的作用， 較小的接地電阻值能夠有效的減小布置在槳葉上的接閃器和塔筒本身以及塔基接地網(wǎng)的過電壓，從而減小槳葉以及電氣設(shè)備受損害的幾率，同時(shí)也能降低由于跨步電壓和接觸電壓對(duì)人身的傷害。如果塔基已經(jīng)安裝到位， 在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)應(yīng)該用實(shí)際的測(cè)量值替代設(shè)計(jì)時(shí)的理論值。

3.5 風(fēng)電機(jī)組的高度

風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉上易激發(fā)上行先導(dǎo)，Bedja 等提出了一種軸對(duì)稱的先導(dǎo)模式， 模擬結(jié)果顯示增加避雷針的高度或是減小避雷針的半徑均可增加產(chǎn)生上行先導(dǎo)時(shí)下行先導(dǎo)的高度， 而風(fēng)力發(fā)電機(jī)的避雷針一般都安裝在槳葉內(nèi)部， 即風(fēng)機(jī)的高度影響電場(chǎng)的畸變，高度越高越容易遭受雷擊。

4 實(shí)例研究

4.1 構(gòu)建層次模型

以風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例進(jìn)行研究， 首先要構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。 其中第一層為目標(biāo)層，第二層為準(zhǔn)則層，第三次為方案層。 假設(shè)有3 臺(tái)風(fēng)機(jī)，圖中標(biāo)記為P1,P2，P3，5 個(gè)準(zhǔn)則層的影響因素設(shè)為C1 、C2 、C3 、C4、 C5 分別對(duì)應(yīng)雷擊大地的平均密度、 風(fēng)機(jī)所在地的土壤電阻率、海拔高度、塔基本身的接地電阻、風(fēng)電機(jī)組的高度。 建立的層次結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 風(fēng)機(jī)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的層次結(jié)構(gòu)模型

4.2 構(gòu)建判斷矩陣并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)

由圖1 可知，準(zhǔn)則層包含5 個(gè)準(zhǔn)則，相對(duì)于目標(biāo)層，進(jìn)行兩兩比較，建立比較矩陣A 如下:然后求出滿足該矩陣的最大特征根和對(duì)應(yīng)的正規(guī)化特增向量， 在處理過程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理， 則可以得到A 的最大特征根λmax和歸一化的特征向量W(2),分別為λmax=5.158,W(2)=(0.4126 0.1736 0.0859 0.2627 0.0652)T。 此外對(duì)矩陣 A 進(jìn)行一致性比率檢驗(yàn)， 一致性指標(biāo) CI==0.0395， 查 表 知 平 均 隨 機(jī) 一 致 性 指 標(biāo) RI=1.12,則 一 致 性 比 率 CR= =0.03530＜.1，矩 陣 A 的不一致性程度在容許范圍內(nèi)， 此時(shí)可用 A 的特征向量作為權(quán)向量。

4.3 計(jì)算最大特征值及權(quán)向量

假設(shè)風(fēng)機(jī)P1，P2，P3 相對(duì)于準(zhǔn)則層的參數(shù)如表2所示，C1 地閃密度可由閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)確定風(fēng)機(jī)所在地的月平均雷擊大地密度，土壤電阻率C2、接地電阻C4 可由接地電阻測(cè)量?jī)x直接測(cè)出。

表2 各風(fēng)機(jī)相對(duì)于準(zhǔn)則層的參數(shù)

其中C1 的單位為次/月·平方千米。

構(gòu)造所有相對(duì)于不同準(zhǔn)則的方案層判斷矩陣

分別求出B1 至B5 的最大特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量，具體數(shù)值如下：

λ1max=3.0889，W1(3)=(0.5364 0.1931 0.2705)T,λ2max=3.0183，W2(3)= (0.1365 0.6205 0.2385)T，

λ3max=3.0143，W3(3)=(0.3332 0.5917 0.0751)T，

λ4max=3.0092，W4(3)= (0.1634 0.2970 0.5396)T，

λ5max=3.0000， W5(3)= (0.4000 0.4000 0.2000)T，

矩陣的一致性檢驗(yàn)CR1=0.0766，CR2=0.0158，CR3=0.0122，CR4=0.0079 ，CR5=0.0000 均小于0.1， 通過了一致性檢驗(yàn)。

以W(3)為列向量構(gòu)成矩陣

4.4 層次總排序

按照各個(gè)層次的權(quán)重， 量化3 臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)值則有W＝W（3）W（2）＝從W 的最終結(jié)果可以得到，3 臺(tái)風(fēng)機(jī)P1 的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高，P3 的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最低。 在工程設(shè)計(jì)階段應(yīng)對(duì)P1給予更多的關(guān)注。

5 結(jié)論

科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法能夠?yàn)闇p小或者避免雷電災(zāi)害事故提供技術(shù)支持， 層次分析法中每一層的權(quán)重設(shè)置最后都會(huì)直接或間接影響到結(jié)果， 而且在每層次中的每個(gè)因素對(duì)結(jié)果的影響程度都是量化的，非常清晰、明確。 應(yīng)用層次分析法對(duì)雷擊大地的平均密度、風(fēng)機(jī)所在地的土壤電阻率、海拔高度、塔基本身的接地電阻、風(fēng)電機(jī)組的高度5 個(gè)要素進(jìn)行分析，能夠比較出每臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)值的高低， 從而為工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意見。

這種方法也存在著不足之處，當(dāng)目標(biāo)過多時(shí)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量大，且權(quán)重比較難確定，更好的評(píng)估方法還有待研究。