計(jì)及氣象因素的電網(wǎng)輸電線路故障停運(yùn)概率分析與應(yīng)用

李龍+謝大為+湯偉+余麗

摘要： 本文針對(duì)氣象自然災(zāi)害對(duì)特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)安全運(yùn)行構(gòu)成的威脅，介紹各類氣象因素（雷電、微氣象等）影響下輸電線路氣象停運(yùn)概率的計(jì)算方法和功能應(yīng)用。包括基于多時(shí)次信息進(jìn)行雷擊數(shù)值預(yù)報(bào)，預(yù)測(cè)雷區(qū)信息及發(fā)展軌跡，基于風(fēng)速大小的線路停運(yùn)分段線性模型，由電網(wǎng)微氣象記錄的風(fēng)速數(shù)據(jù)，和相應(yīng)風(fēng)偏跳閘事故記錄進(jìn)行線性擬合，得到風(fēng)偏引發(fā)的線路停運(yùn)概率。在雷擊和風(fēng)偏強(qiáng)度基礎(chǔ)上，獲得輸電線路總的氣象災(zāi)害停運(yùn)概率，為生成“電網(wǎng)氣象風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備故障集”提供基礎(chǔ)。

Abstract： In view of the threat to the safety operation of the special high voltage AC/DC power network， the paper introduces the calculation method and function of the meteorological outage probability of transmission line under the influence of the meteorological factors such as lightning， typhoon and micro Meteorological. Based on multi time information for numerical prediction of lightning， the minefield information and development trajectory prediction and wind speed size based line outage piecewise linear model， the grid micro meteorological monitoring wind record data， and the corresponding wind yaw tripping accident record of linear fitting， get wind deviation caused by the line outage probability. Based on the intensity of lightning and the wind， the total meteorological disaster outage probability of transmission line is obtained.

關(guān)鍵詞： 氣象；因素；電網(wǎng)；線路；故障；停運(yùn)概率

Key words： meteorological；factors；power network；transmission line；outage；probability

中圖分類號(hào)：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）32-0148-03

0 引言

目前，我國尚未建立面向電網(wǎng)調(diào)控人員，基于氣象災(zāi)害因素的電網(wǎng)輸電線路故障停運(yùn)概率。對(duì)于不同的氣象災(zāi)害的電網(wǎng)設(shè)備停運(yùn)模型的研究也不夠深入，沒有實(shí)現(xiàn)較為精確的定量分析手段。本文主要介紹了雷電、微氣象影響下輸電線路氣象停運(yùn)概率的計(jì)算方法。采用包括基于三時(shí)次信息進(jìn)行雷擊數(shù)值預(yù)報(bào)，基于電網(wǎng)微氣象數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行線路分段線性擬合等技術(shù)，獲得輸電線路總的氣象災(zāi)害停運(yùn)概率，為電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行人員預(yù)控電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)提供決策支撐。

1 雷電停運(yùn)概率計(jì)算

雷電氣象生消時(shí)間短、變化快。因此，以實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)的雷電監(jiān)測(cè)信息為基礎(chǔ)，基于三時(shí)次識(shí)別當(dāng)前雷電區(qū)域，預(yù)測(cè)雷電發(fā)展趨勢(shì)，再篩選出在雷電影響范圍內(nèi)的桿塔，結(jié)合桿塔信息進(jìn)行桿塔雷電停運(yùn)概率計(jì)算，最終綜合線路各桿塔雷電停運(yùn)概率得到線路的雷電停運(yùn)概率。雷電停運(yùn)概率計(jì)算主要分為兩部分：雷電發(fā)生范圍的預(yù)測(cè)和輸電線路雷電停運(yùn)概率計(jì)算。

1.1 基于圖像識(shí)別技術(shù)的每一時(shí)次雷電分區(qū)識(shí)別

選擇短時(shí)間段（2min）為時(shí)間單位對(duì)雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括雷擊發(fā)生時(shí)間、落雷點(diǎn)位置（經(jīng)度和緯度）、 雷電電流和回?fù)舸螖?shù)等參數(shù)。因雷電統(tǒng)計(jì)時(shí)間段按時(shí)間先后次序進(jìn)行區(qū)分，稱一個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)間段為一個(gè)時(shí)次。為了識(shí)別雷電范圍，首先將監(jiān)測(cè)區(qū)域按經(jīng)緯度方向劃分成若干個(gè)面積相同的正方形，使之構(gòu)成一個(gè)圖1所示的2D網(wǎng)格圖像?；诮?jīng)緯度方向，以正方形的邊長(zhǎng)作為坐標(biāo)體系的單位長(zhǎng)度，構(gòu)建水平方向和垂直方向的坐標(biāo)體系，以小正方形右下角點(diǎn)的坐標(biāo)作為小正方形的標(biāo)記。建立坐標(biāo)體系后，小正方形的邊長(zhǎng)決定了識(shí)別落雷分區(qū)的空間粒度，并且也在一定程度上決定著外推算法的有效性和預(yù)報(bào)區(qū)域的精準(zhǔn)度。取方格大小為0.01°×0.01°，以2分鐘為一個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)間段，將雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)統(tǒng)計(jì)的落雷點(diǎn)累計(jì)到對(duì)應(yīng)的小方格，以便識(shí)別出落雷密集區(qū)域。

1.2 雷電發(fā)展預(yù)測(cè)

針對(duì)相鄰的兩個(gè)時(shí)次雷電分區(qū)的最優(yōu)軌跡進(jìn)行雷電預(yù)測(cè)，只能從中獲知連續(xù)的兩個(gè)時(shí)次雷電的線性分布情況，并且這種雷電預(yù)測(cè)方法雷區(qū)采樣信息量不足，預(yù)測(cè)精度并不高。而若基于連續(xù)三時(shí)次雷電分區(qū)最優(yōu)軌跡所做的雷區(qū)發(fā)展預(yù)測(cè)，則可以考慮雷區(qū)發(fā)展的非線性，同時(shí)也因?yàn)樗蓸拥睦讌^(qū)信息量大，使得其預(yù)測(cè)精度相對(duì)更高?；诖耍谶B續(xù)三個(gè)時(shí)次t-2，t-1，t的雷電分區(qū)的最優(yōu)軌跡計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行雷電分區(qū)的預(yù)測(cè)，如圖2所示，根據(jù)t-2，t-1時(shí)次和時(shí)次t-1，t的雷電分區(qū)位置及移動(dòng)軌跡計(jì)算雷電分區(qū)的移動(dòng)速度（包括速度大小及方向），從而預(yù)測(cè)t，t+1時(shí)次的雷電分區(qū)移動(dòng)速度，預(yù)測(cè)t+1時(shí)次雷電分區(qū)的位置，其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度相對(duì)于基于兩時(shí)次雷電分區(qū)的最優(yōu)軌跡預(yù)測(cè)更高。

2 輸電線路雷擊跳閘概率計(jì)算

線路的雷電停運(yùn)概率以桿塔的雷電停運(yùn)概率為基礎(chǔ)，為了考慮具體的雷電天氣對(duì)線路的影響，以實(shí)時(shí)的雷電信息為基礎(chǔ)建立桿塔的雷電停運(yùn)概率計(jì)算模型。桿塔的雷電停運(yùn)概率等于桿塔所在位置的落雷概率與當(dāng)前雷電強(qiáng)度下桿塔的閃絡(luò)概率的乘積。首先，在雷電分區(qū)內(nèi)建立落雷概率模型，描述雷電分區(qū)內(nèi)各點(diǎn)受當(dāng)前雷電影響的情況；然后，利用雷電流計(jì)算桿塔雷擊閃絡(luò)概率，分別采用改進(jìn)電氣幾何模型計(jì)算繞擊跳閘概率和蒙特卡洛模擬方法計(jì)算反擊跳閘概率。endprint

2.1 雷區(qū)內(nèi)桿塔處落雷概率

雷電分區(qū)表示了受雷電影響的區(qū)域，但分區(qū)內(nèi)不同位置的桿塔受雷電影響的情況不盡相同?？紤]了雷電分區(qū)的形狀、大小等特性，利用高斯分布表示雷電分區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)（x，y）處桿塔的受雷電影響情況，區(qū)別于氣象學(xué)科里的落雷概率的概念，稱此模型為桿塔的落雷概率模型。

根據(jù)2011-2013年某地區(qū)線路雷擊跳閘故障事件的統(tǒng)計(jì)，距離線路350米內(nèi)的落雷引起該線發(fā)生跳閘閃絡(luò)的概率在70%左右，需要注意的是，線路雷擊故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，除雷電強(qiáng)度過小的情況外，距離線路350米以內(nèi)的落雷對(duì)線路的影響較大但影響效果差異不大。因而可以據(jù)此選取高斯分布的形狀參數(shù)s。由于采用圓形描述雷電分區(qū)，這里以分區(qū)內(nèi)點(diǎn)（x，y）到分區(qū)中心的距離z為變量建立高斯分布。計(jì)算雷電分區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)（x，y）桿塔的落雷概率PT時(shí)，如式（1）所示，首先計(jì)算該點(diǎn)到雷電分區(qū)中心的距離z，認(rèn)為z？燮350m的桿塔落雷概率均為70%，其他桿塔則服從高斯分布，如式（2）所示。

2.2 桿塔雷擊跳閘概率計(jì)算

雷擊跳閘概率為繞擊跳閘概率和反擊跳閘概率的總和，其計(jì)算流程如圖3所示。以雷區(qū)的雷電強(qiáng)度為基礎(chǔ)。首先，基于改進(jìn)電氣幾何模型進(jìn)行繞擊跳閘概率的計(jì)算，計(jì)算過程考慮了桿塔所處地形及雷電入射角的隨機(jī)性；然后，在已知跳閘概率的基礎(chǔ)上，采用蒙特卡洛法計(jì)算反擊的跳閘概率。在模擬雷電發(fā)生的過程中，考慮了工頻電壓對(duì)三相電路的影響。最后得出了桿塔的雷擊跳閘概率，得到了跳閘的總跳閘概率。

2.3 計(jì)算線路因雷擊跳閘概率

線路雷擊跳閘率以桿塔雷擊跳閘率為基礎(chǔ)，根據(jù)式（3）所示的可靠性邏輯串聯(lián)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。

式中，PL為線路的總雷擊跳閘概率；n為該線路在雷區(qū)內(nèi)的桿塔數(shù)；PiT為第i基桿塔所在位置受雷電影響的概率；Pi為第i基桿塔的雷擊跳閘概率，為第i基桿塔的反擊跳閘率和繞擊跳閘概率的總和，Pi=Pic+Pis

3 輸電線路微氣象跳閘概率計(jì)算

在氣壓、降水量、環(huán)境溫濕度等微氣象因素中，大風(fēng)引起的風(fēng)偏閃絡(luò)是電網(wǎng)所面臨的最大安全威脅。輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范中明確指出：在相應(yīng)的風(fēng)偏條件下，帶電部分和桿塔構(gòu)件之間的最小間隙，如500kV線路的最小間隙dc=1.2m，在風(fēng)速v與臨界風(fēng)速vc一致的條件下，最小空氣間隙與最小間隙dc相同，可能成為風(fēng)偏閃絡(luò)的誘因。風(fēng)偏閃絡(luò)現(xiàn)象多半在工作電壓下發(fā)生，出現(xiàn)這種現(xiàn)象后通常已無法完成重合閘操作，因此它造成線路停運(yùn)的可能性較大。由于空氣的擊穿強(qiáng)度與其顆粒物含量、水汽含量等因素有一定的關(guān)聯(lián)性，所以風(fēng)偏閃絡(luò)時(shí)的風(fēng)速具有不確定性。對(duì)此，本文主要按以下思路通過建模分析風(fēng)偏停運(yùn)進(jìn)行概率：

在風(fēng)速v比臨界風(fēng)速vc小很多的情況下，風(fēng)偏角較小，最小空氣間隙將遠(yuǎn)大于最小間隙dc，風(fēng)偏跳閘概率PM=0，線路不會(huì)出現(xiàn)風(fēng)偏閃絡(luò)現(xiàn)象；在風(fēng)速v比臨界風(fēng)速vc大很多的情況下，風(fēng)偏角也比較大，最小空氣間隙將遠(yuǎn)小于最小間隙dc，風(fēng)偏跳閘概率PM=1，線路出現(xiàn)風(fēng)偏閃絡(luò)現(xiàn)象的概率是100%。此外，當(dāng)風(fēng)速v在臨界風(fēng)速vc附近時(shí)，風(fēng)偏跳閘概率與風(fēng)速的增長(zhǎng)趨勢(shì)相同，PM介于（0，1）之間。為了使微氣象停運(yùn)概率模型更加簡(jiǎn)單實(shí)用，采用如圖4所示的分段線性模型近似。

圖4中的風(fēng)速轉(zhuǎn)折點(diǎn)v7、v10分別為7級(jí)和10級(jí)風(fēng)速，vc為線路的臨界風(fēng)速，vm為必定發(fā)生跳閘的最小風(fēng)速，P10和Pc為相應(yīng)風(fēng)速下的停運(yùn)概率，P10、Pc、vc和vm可由某地區(qū)電網(wǎng)微氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備的風(fēng)速數(shù)據(jù)和風(fēng)偏跳閘事故記錄采用線性擬合得到。

4 實(shí)例分析

線路停運(yùn)概率預(yù)報(bào)效果：

省級(jí)電網(wǎng)雷電監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)的線路總共458條，其中包括399條220kV線路和59條500kV線路。每次線路停電概率預(yù)測(cè)過程中，提前6分鐘結(jié)合雷電觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行雷電預(yù)測(cè)，然后預(yù)測(cè)未來1分鐘的雷電分區(qū)的雷電發(fā)展情況，最后算出本區(qū)各條線路雷擊閃電的停運(yùn)概率。

表1為某天18：14：00線路停運(yùn)概率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。從表中可以看出5條線路閃電分區(qū)的雷擊跳閘概率。其中，繁朱2873線的雷擊中斷概率比另外4條線路的雷擊中斷概率偏大，是5條線路中最容易遭受雷擊的線路。另外，從電網(wǎng)雷擊跳閘事故也可以看出，某日18：15繁朱2873線路上發(fā)生雷擊停運(yùn)故障。從實(shí)踐的角度來講，筆者提出的停電概率計(jì)算方法切實(shí)可行，客觀有效，并且通過概率大小可以預(yù)測(cè)雷擊跳閘事故的發(fā)生概率。

5 結(jié)語

本文介紹雷電、微氣象等氣象因素影響下輸電線停運(yùn)概率的計(jì)算方法和應(yīng)用實(shí)例，基于多時(shí)次信息進(jìn)行雷擊數(shù)值預(yù)報(bào)，預(yù)測(cè)雷區(qū)信息及發(fā)展軌跡，基于風(fēng)速大小的線路停運(yùn)分段線性模型，利用電網(wǎng)微氣象監(jiān)測(cè)的風(fēng)速數(shù)據(jù)挖掘，和相應(yīng)風(fēng)偏跳閘事故記錄進(jìn)行線性擬合，得到風(fēng)偏引發(fā)的線路停運(yùn)概率，為電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行人員在遇到極端災(zāi)害性氣候影響情況下，預(yù)控電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)提供重要的參考應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]DL 75-2001 電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則.北京：中國電力出版社，2001.

[2]薛禹勝.時(shí)空協(xié)調(diào)的大停電防御框架：（二）廣域信息、在線量化分析和自適應(yīng)優(yōu)化控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30（2）.

[3]段濤，羅毅，等.計(jì)及氣象因素的輸電線路故障概率的實(shí)時(shí)評(píng)估模型[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013（15）：59-67.endprint