考慮臺(tái)風(fēng)影響的含源配電網(wǎng)可靠性研究

史訓(xùn)濤 柯清派 袁智勇 雷金勇

摘? 要：近年來，我國沿海地區(qū)頻繁出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害，而臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的發(fā)生會(huì)給電力系統(tǒng)造成巨大損失。為了提高含源配電網(wǎng)的可靠性，就必須要充分考慮臺(tái)風(fēng)的影響。為此，文章便對考慮臺(tái)風(fēng)影響下的含源配電網(wǎng)可靠性進(jìn)行深入的研究，以此提出一種科學(xué)的含源配電網(wǎng)可靠性評估方法，以期能夠全面提高含源配電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平，最大限度的降低臺(tái)風(fēng)給含源配電網(wǎng)運(yùn)行帶來的不利影響。

關(guān)鍵詞：臺(tái)風(fēng);含源配電網(wǎng);可靠性

中圖分類號：TM726? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）05-0075-02

Abstract： In recent years， typhoon disasters occur frequently in the coastal areas of China， and the occurrence of typhoon disasters will cause huge losses to the power system. In order to improve the reliability of distribution network with source， the influence of typhoon must be fully considered. For this reason， this paper makes an in-depth study on the reliability of the active distribution network considering the influence of typhoon， and puts forward a scientific reliability evaluation method of the active distribution network， in order to improve the safe operation level of the active distribution network in an all-round way， so as to minimize the adverse impact of typhoon on the operation of active distribution network.

Keywords： typhoon; distribution network with source; reliability

引言

長期以來，由于全球氣候的變化，使極端天氣頻繁出現(xiàn)，這也使沿海地區(qū)每年都會(huì)受到臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的侵?jǐn)_，這也給我國沿海地區(qū)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，更會(huì)受到臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的嚴(yán)重影響，較強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)不僅會(huì)造成大規(guī)模停電，甚至還會(huì)引發(fā)電力災(zāi)難。因此，在配電網(wǎng)建設(shè)中，必須要對臺(tái)風(fēng)的影響進(jìn)行充分考慮。據(jù)相關(guān)調(diào)查表明，臺(tái)風(fēng)對電力系統(tǒng)的影響主要集中在電桿故障，很少出現(xiàn)斷線情況，因此可對斷線情況進(jìn)行忽略。而本文則僅對電桿故障造成的含源配電網(wǎng)可靠性降低的情況進(jìn)行考慮，通過分析臺(tái)風(fēng)和含源配電網(wǎng)可靠性之間所存在的內(nèi)部關(guān)系，對于提高含源配電網(wǎng)可靠性，保障當(dāng)?shù)孛癖娚踩哂兄匾F(xiàn)實(shí)意義。

1 臺(tái)風(fēng)模型分析

在對臺(tái)風(fēng)的風(fēng)場進(jìn)行模擬時(shí)，通常采用Batts臺(tái)風(fēng)模型，該模型是通過對臺(tái)風(fēng)中心的移動(dòng)風(fēng)速以及氣旋梯度風(fēng)速進(jìn)行疊加，然后以臺(tái)風(fēng)中心與研究位置之間的關(guān)系為依據(jù)，以此測出臺(tái)風(fēng)風(fēng)速值的。由Vgx來對梯度最大風(fēng)速值進(jìn)行表示，該參數(shù)可通過忽略摩擦梯度風(fēng)方程來求出，具體可表示為

在上述表達(dá)式中，地球在自轉(zhuǎn)過程中所具備的科氏力系數(shù)由f進(jìn)行表示，而經(jīng)驗(yàn)系數(shù)則由K來進(jìn)行表示，在研究過程中，將經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的值設(shè)定為6.72。而中心壓差則由 P來進(jìn)行表示，臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的半徑最大值則由Rmax來進(jìn)行表示，其單位為km。一般而言，該處也是平均最大風(fēng)速的所在位置，因此可進(jìn)行以下表示

在上述表達(dá)式中，臺(tái)風(fēng)在登陸沿海地區(qū)之前，其所具有的中心氣壓差可由？駐P0來表示，而臺(tái)風(fēng)在t時(shí)刻登陸沿海地區(qū)后，其所具有的中心氣壓值則由？駐P（t）來進(jìn)行表示，臺(tái)風(fēng)在登陸過程中，其自身運(yùn)動(dòng)方向和海岸線之間的夾角則由？茁來進(jìn)行表示。

一般而言，平均最大風(fēng)速值V■通常會(huì)在Rmax位置上出現(xiàn)，因此可進(jìn)行以下表示，即

在上述計(jì)算公式中，臺(tái)風(fēng)在移動(dòng)過程中的自身速度由VT進(jìn)行表示，而速度單位則為m/s。在對風(fēng)場內(nèi)不同位置的風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算時(shí)，則需按照以下公式來進(jìn)行，即

從上述公式中，臺(tái)風(fēng)的風(fēng)場模擬圓中不同點(diǎn)所具有的風(fēng)速平均值由Vrin來進(jìn)行表示，而臺(tái)風(fēng)風(fēng)場的模擬圓之外不同點(diǎn)所具有的風(fēng)速平均值則由Vrout來進(jìn)行表示。臺(tái)風(fēng)中心和含源配電網(wǎng)之間的距離則由r來進(jìn)行表示，以徑向?yàn)榉较?，臺(tái)風(fēng)所具有的強(qiáng)度衰減參數(shù)由x來進(jìn)行表示，將x的取值控制在0.5至0.7范圍以內(nèi)。

2 電桿的故障率與修正

2.1 荷載效應(yīng)

電桿結(jié)構(gòu)受到內(nèi)力與外力變形的影響，便是電桿的荷載，當(dāng)電桿受到臺(tái)風(fēng)災(zāi)害影響時(shí)，其外力包括三種，一種是臺(tái)風(fēng)給導(dǎo)線施加的風(fēng)荷載，一種是臺(tái)風(fēng)給桿塔施加的風(fēng)荷載，還有一種是臺(tái)風(fēng)給絕緣子施加的風(fēng)荷載。這三種風(fēng)荷載在計(jì)算過程中，需要確定電線的水平檔具、風(fēng)壓高度的變化系數(shù)、電線風(fēng)壓的不均勻系數(shù)、電線體形系數(shù)、風(fēng)向和線路夾角、電線外徑、線路規(guī)定標(biāo)高中的設(shè)計(jì)風(fēng)速、風(fēng)振系數(shù)、桿塔迎風(fēng)面的投影面積、風(fēng)荷載體形系數(shù)、各串絕緣子片數(shù)、一相導(dǎo)線中的絕緣子串?dāng)?shù)以及各片絕緣子的受風(fēng)面積等參數(shù)，這些參數(shù)均可從設(shè)計(jì)規(guī)范中進(jìn)行確定。在對這三種風(fēng)荷載的值進(jìn)行計(jì)算得出后，便可確定電桿桿身中任意截面的彎矩。

2.2 故障率模型

在含源配電網(wǎng)中，其電桿材質(zhì)大多以混凝土為主，因其在制作工藝上有著不同差異，因此會(huì)使其抗彎強(qiáng)度產(chǎn)生分散，而對于混凝土電桿而言，其抗彎強(qiáng)度是滿足正態(tài)分布規(guī)律的，由此便可通過公式來表示其概率密度函數(shù)，在此過程中需要應(yīng)用到混凝土電桿抗彎強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差及其均值。通過公式計(jì)算可對電桿中的荷載效應(yīng)及其強(qiáng)度變量進(jìn)行求出，并以此對基本變量是元件狀態(tài)的功能函數(shù)進(jìn)行建立。在此過程中需要確定元件的強(qiáng)度，而本文便以正態(tài)分布態(tài)勢中的某個(gè)隨機(jī)性變量進(jìn)行設(shè)定，而風(fēng)力荷載對元件所產(chǎn)生的內(nèi)部效應(yīng)，也就是應(yīng)力和風(fēng)向以及風(fēng)速是存在聯(lián)系的。因元件強(qiáng)度是滿足正態(tài)分布態(tài)勢的，因此，基本變量是元件狀態(tài)的功能函數(shù)也應(yīng)滿足正態(tài)分布態(tài)勢。由此便可分別得出元件在正常狀態(tài)與故障狀態(tài)下的功能函數(shù)依據(jù)，從而根據(jù)元件受到風(fēng)力荷載而形成的內(nèi)部效應(yīng)，即可對電桿故障率進(jìn)行計(jì)算。

2.3 修正

從電桿的故障率模型分析中，可以確定電桿的抗彎強(qiáng)度是滿足正態(tài)分布態(tài)勢的，這并沒有對不同電桿所存在的不同運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行充分考慮。在含源配電網(wǎng)中，每個(gè)電桿都有著不同的投入運(yùn)行時(shí)間，而且所采用的加固支撐方法也有所不同，這勢必會(huì)給電桿的故障率計(jì)算造成影響。為了消除這種影響，就必須要針對該因素來修正電桿的故障率。在將電桿進(jìn)行投入運(yùn)行時(shí)，電桿發(fā)生故障的頻率和其投入運(yùn)行的時(shí)間有著內(nèi)在的變化規(guī)律，由此便可利用曲線來繪制電桿的故障率與其使用壽命，以此描述兩者間的關(guān)系，在該繪制曲線中可以看出，整個(gè)曲線的形狀呈現(xiàn)出兩側(cè)高而中間低的變化態(tài)勢，并且曲線中間的低洼地帶較為平坦，這使得曲線形狀看起來像一個(gè)“浴盆”，由此便可將該曲線稱之為元件的故障率浴盆曲線。電桿在最初投入運(yùn)行時(shí)，由于其尚處于磨合階段，這使得電桿在初期使用時(shí)有著很高的故障率初始值，而隨著電桿投入運(yùn)行時(shí)間的不斷增加，其故障率的值會(huì)隨之降低，直至達(dá)到一個(gè)較為穩(wěn)定的恒定值。由此便可得出各個(gè)電桿在發(fā)生老化后時(shí)的故障率修正系數(shù)，而該系數(shù)則可通過威布爾分布來進(jìn)行表示，在對該系數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要確定威布爾的分布形狀參數(shù)、電桿的投入運(yùn)行年限、并通過修正后得到電桿的故障率模型，在該模型中便應(yīng)用了經(jīng)過修正以后的電桿故障率。

3 考慮臺(tái)風(fēng)影響的含源配電網(wǎng)可靠性評估

3.1 臺(tái)風(fēng)影響下的甩負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

沿海地區(qū)在發(fā)生臺(tái)風(fēng)災(zāi)害后，由于電桿出現(xiàn)故障而引發(fā)停電，致使其他線路無法對電能進(jìn)行有效的輸送。這時(shí)電桿的故障停電區(qū)域通常會(huì)通過轉(zhuǎn)供電與孤島運(yùn)行兩種模式進(jìn)行結(jié)合采用，其中，轉(zhuǎn)供電能夠?qū)收贤ｋ妳^(qū)域?qū)嵤┺D(zhuǎn)帶，以確保電能的正常提供。而孤島內(nèi)部分布式電源則需對高負(fù)荷等級的用戶進(jìn)行優(yōu)先滿足供電，而且因天氣的影響，會(huì)使分布式電源在運(yùn)行過程中產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)，進(jìn)而造成孤島中剩余的負(fù)荷會(huì)因分布式電源無法有效出力而發(fā)生停電。為此，可通過LLR指標(biāo)來評估臺(tái)風(fēng)影響下含源配電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)，以此實(shí)現(xiàn)對含源配電網(wǎng)在出現(xiàn)故障時(shí)，能夠描述其所受到的負(fù)荷損失。在利用LLR指標(biāo)來評估臺(tái)風(fēng)影響下含源配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，需要明確蒙特卡羅的抽樣次數(shù)、臺(tái)風(fēng)影響下發(fā)生倒桿事故的概率及其引發(fā)的后果嚴(yán)重程度。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算

本文通過蒙特卡羅狀態(tài)抽樣法來處理臺(tái)風(fēng)影響下含源配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過對抽樣結(jié)果進(jìn)行判斷，以此分析含源配電網(wǎng)是否出現(xiàn)故障。如果出現(xiàn)故障，則需計(jì)算其風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，如果沒有出現(xiàn)故障，則繼續(xù)進(jìn)行抽樣，直到全部抽樣次數(shù)完成為止。最后再對各個(gè)故障狀態(tài)下全部風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的和進(jìn)行求出，由此便可得到當(dāng)前含源配電網(wǎng)在臺(tái)風(fēng)影響下的整體風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值，從而實(shí)現(xiàn)對含源配電網(wǎng)在臺(tái)風(fēng)影響下的可靠性評價(jià)。其具體計(jì)算流程如下：第一步是對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中所有設(shè)備的參數(shù)及需要對狀態(tài)數(shù)據(jù)的抽樣次數(shù)進(jìn)行設(shè)置，第二步通過抽樣來獲得系統(tǒng)狀態(tài)，并根據(jù)抽樣結(jié)果來判斷系統(tǒng)是否處于故障狀態(tài)，如發(fā)生故障，則進(jìn)行第三步，如未發(fā)生狀態(tài)，則返回至第二步。第三步是對故障狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)分量進(jìn)行計(jì)算，并判斷是否抽樣結(jié)束，如未結(jié)束則自動(dòng)返回至第二步，如已結(jié)束則需進(jìn)行最后一步，也就是對風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié)束語

總而言之，本文對臺(tái)風(fēng)影響下的含源配電網(wǎng)可靠性進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評估，從而使含源配電網(wǎng)能夠具備更高的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警能力，最大限度的降低負(fù)荷損失。本文針對臺(tái)風(fēng)影響下含源配電網(wǎng)的運(yùn)行，提出了一種用于其風(fēng)險(xiǎn)評估的方法，通過對臺(tái)風(fēng)在登陸過程中所具有的風(fēng)速特征進(jìn)行考慮，并針對電桿運(yùn)行狀態(tài)，以此構(gòu)建了含源配電網(wǎng)中的電桿故障率修正模型，然后將LLR作為含源配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)的供電能力指標(biāo)，以此實(shí)現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)影響下含源配電網(wǎng)的LLR計(jì)算，利用該指標(biāo)便可使含源配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)得到真實(shí)反映。

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