基于全景數(shù)據(jù)的配網(wǎng)雷擊跳閘率多態(tài)分層評(píng)估

周正煉，陶 飛，李 鵬，苗愛(ài)敏

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司瑞麗供電局，云南 瑞麗 678400;2.云南大學(xué)信息學(xué)院，云南 昆明 650504;3.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510225)

0 引言

近年來(lái)，人民生活水平日益提高，供電需求越來(lái)越大，用電負(fù)荷量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，配電網(wǎng)線路規(guī)模不斷擴(kuò)大。隨著高壓配電網(wǎng)線路的增多，線路發(fā)生跳閘的次數(shù)也不斷增加。在歷年電網(wǎng)故障分類統(tǒng)計(jì)中,因雷擊導(dǎo)致的跳閘次數(shù)占高壓線路的總跳閘次數(shù)的40%～70%[1]。特別是在雷雨天氣頻繁、土壤電阻率高、地形地貌復(fù)雜多樣的地區(qū),由雷擊所引起的跳閘率更高。雷擊跳閘率是對(duì)雷擊跳閘故障的定量分析與描述，并且是配電網(wǎng)線路和桿塔進(jìn)行防雷維護(hù)和預(yù)測(cè)的一項(xiàng)極其重要的指標(biāo)。學(xué)習(xí)研究雷電活動(dòng)，探討配電網(wǎng)線路桿塔雷擊跳閘率計(jì)算方法，以進(jìn)行合理的評(píng)估，是電力部門急需解決的問(wèn)題。

目前，眾多學(xué)者針對(duì)線路桿塔雷擊跳閘率這一問(wèn)題進(jìn)行了研究。張博文[2]提出了利用雷云趨勢(shì)和網(wǎng)格內(nèi)配電網(wǎng)線路桿塔基本參數(shù)計(jì)算線路雷擊概率；胡艷等[1]采用受雷面積內(nèi)的雷擊次數(shù)和擬合的雷電流幅值概率函數(shù)進(jìn)行了雷擊跳閘率的探討；童杭偉等[3]提出了配電網(wǎng)線路雷擊跳閘率分級(jí)評(píng)估的方法；袁文[4]基于雷電流幅值、地閃密度和桿塔耐雷水平三個(gè)因素，提出了一種雷擊跳閘率計(jì)算方法；趙芝等[5]提出了基于三時(shí)次雷區(qū)信息的電網(wǎng)雷擊跳閘概率計(jì)算方法。上述模型和方法主要著眼于雷電參數(shù)統(tǒng)計(jì)，從宏觀氣象層面描述了雷擊發(fā)生跳閘的概率。然而，雷擊跳閘率受地理環(huán)境影響嚴(yán)重，因此這些方法不能做到差異化防雷。文獻(xiàn)[6]基于幾何結(jié)構(gòu)變化從雷擊點(diǎn)角度對(duì)雷擊概率進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[7]提出了基于D-S證據(jù)理論和熵加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)分析的配電網(wǎng)線路雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，討論了環(huán)境因素與配電網(wǎng)線路雷擊事故的相關(guān)性；王海濤等[8]提出了基于全景狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立配電網(wǎng)線路動(dòng)態(tài)化狀態(tài)評(píng)估模型。以上幾種模型主要是針對(duì)配電網(wǎng)線路建立評(píng)估模型，但一般對(duì)于一條配電網(wǎng)線路而言，只要其中一基桿塔遭受雷擊發(fā)生了跳閘，整條線路便會(huì)處于故障狀態(tài)。

針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合文獻(xiàn)[9]～文獻(xiàn)[11]對(duì)雷電發(fā)生與地形地貌等關(guān)系的研究，本文提出了一種基于層次分析(analytic hierarchy process,AHP)法和多態(tài)分層評(píng)估法的配電網(wǎng)線路桿塔雷擊跳閘率計(jì)算評(píng)估新方法。該方法充分利用微地形和微氣象數(shù)據(jù)，以概率形式定量分析了配電網(wǎng)線路桿塔雷擊跳閘情況，有效地實(shí)現(xiàn)了桿塔級(jí)的差異化防雷。

1 層次分析法和多態(tài)分層評(píng)估方法

1.1 層次分析法

AHP[12-13]是由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家托馬斯·塞蒂(T.L.saaty)提出的能夠定性和定量描述問(wèn)題，且能將問(wèn)題系統(tǒng)化、層次化處理的一種分析方法。AHP思想類似于人腦思維，通過(guò)對(duì)問(wèn)題形式化處理，進(jìn)行思維與決策，將有關(guān)的影響因素按照某種分類方法自上而下分層操作，建立清晰的層次結(jié)構(gòu)模型，主要分為目標(biāo)層、中間層和對(duì)象層三層。其主要步驟包括構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型、兩兩比較構(gòu)造判斷矩陣和一致性檢驗(yàn)三步。

其中，對(duì)于判斷矩陣的構(gòu)造，常用的有三標(biāo)度法、九標(biāo)度法等。九標(biāo)度法標(biāo)度矩陣元素的比例標(biāo)度如表1所示。

表1 比例標(biāo)度

進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

(1)

式中：CI為定義的一致性衡量指標(biāo)，CI越小，一致越強(qiáng)；n為矩陣階數(shù)。

(2)

式中：RI為衡量CI大小的隨機(jī)一致性指標(biāo)。

(3)

式中：CR為檢驗(yàn)系數(shù)。

1.2 多態(tài)分層評(píng)估方法

多態(tài)分層評(píng)估方法[8]是一種能將一個(gè)包含多因素復(fù)雜事件具體化的方法。本文基于層次分析法思想，首先依據(jù)因素在事件中的類屬關(guān)系進(jìn)行層級(jí)劃分，然后選定某種劃分標(biāo)準(zhǔn)將全集分割為眾多子集，最后使原事件呈現(xiàn)出預(yù)先設(shè)定的不同狀態(tài)的解集。假定整體事件描述為Ω，將Ω細(xì)分為多個(gè)子事件、子事件還可以再次劃分，每次按照某種度量標(biāo)準(zhǔn)劃分。劃分層級(jí)根據(jù)具體事件而定，一般能清晰描述事件便結(jié)束，如式(4)所示。

Ω=B1+B2+…+Bn=[(b11+b12+…+b1n)+(b21+

b22+…+b2n)+(bn1+bn2+…+bnn)]

(4)

分層的目的是充分挖掘隱藏在混亂無(wú)規(guī)律的數(shù)據(jù)中的有用信息，讓其更好地呈現(xiàn)客觀事實(shí)。層次分析法和多態(tài)分層評(píng)估方法能拆解受多變量影響的復(fù)雜問(wèn)題，使復(fù)雜問(wèn)題因被層次結(jié)構(gòu)化而簡(jiǎn)化。對(duì)于需要多準(zhǔn)則、多目標(biāo)決策的實(shí)際問(wèn)題，AHP是非常適用的決策方法。電力系統(tǒng)是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)，存在大量需要定性與定量分析的決策問(wèn)題，例如覆冰預(yù)測(cè)、雷擊跳閘預(yù)測(cè)等。因此，引入層次分析法和多態(tài)分層評(píng)估方法，將會(huì)大大降低問(wèn)題復(fù)雜度、提高研究質(zhì)量。

2 新型配電網(wǎng)線路桿塔雷擊評(píng)估模型設(shè)計(jì)

雷擊跳閘率是對(duì)配電網(wǎng)線路桿塔的定量分析。受多種因素影響，其結(jié)果對(duì)線路和線路桿塔安全穩(wěn)定運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。本文綜合考慮配電網(wǎng)線路走廊的地理環(huán)境、氣象、桿塔本體特征等因素，采用多態(tài)分層評(píng)估的方法，建立新型的配電網(wǎng)線路桿塔雷擊跳閘概率模型。

評(píng)估模型流程如圖1所示。

圖1 評(píng)估模型流程圖

依照統(tǒng)計(jì)學(xué)與概率學(xué)中的描述，分層評(píng)估方法采用事件為分析對(duì)象，以集合形式對(duì)影響因素進(jìn)行分類描述。將配電網(wǎng)線路桿塔雷擊跳閘率問(wèn)題分為三級(jí)事件描述：桿塔為一級(jí)事件，主要影響因素為二級(jí)事件，影響因素中的基本子事件為三級(jí)事件。分層評(píng)估模型如圖2所示。

圖2 分層評(píng)估模型

2.1 模型分析

①基本子事件分析評(píng)估。

結(jié)合文獻(xiàn)[11]～文獻(xiàn)[21]和現(xiàn)有數(shù)據(jù)，本文一共選取了25個(gè)影響因子作為基本子事件，且每個(gè)基本子事件都有自己的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

線路走廊環(huán)境影響因子如表2所示。

表2 線路走廊環(huán)境影響因子

確定了影響因子，對(duì)各個(gè)基本子事件建立數(shù)學(xué)評(píng)估模型得到的對(duì)應(yīng)概率值如下：

(5)

式中：p(ai)為地形中各影響因子發(fā)生雷擊跳閘的概率；xmai為處于同一類型中發(fā)生雷擊跳閘的桿塔基數(shù)；xnai為處于同一類型的桿塔總基數(shù)。

(6)

式中：p(bi)為地貌中各影響因子發(fā)生雷擊跳閘的概率；xmbi為處于同一類型中發(fā)生雷擊跳閘的桿塔基數(shù)；xnbi為處于同一類型的桿塔總基數(shù)。

(7)

式中：p(ci)為桿塔周邊地表中各影響因子發(fā)生雷擊跳閘的概率；xmci為處于同一類型中發(fā)生雷擊跳閘的桿塔基數(shù)；xnci為處于同一類型的桿塔總基數(shù)。

(8)

式中：p(di)為桿塔土壤中各個(gè)影響因子發(fā)生雷擊跳閘的概率；xmdi為處于同一類型中發(fā)生雷擊跳閘的桿塔基數(shù)；xndi為處于同一類型的桿塔總基數(shù)。

②二級(jí)事件評(píng)估。

二級(jí)事件評(píng)估是對(duì)配電網(wǎng)線路桿塔的三個(gè)重要影響因子分別建立基于多態(tài)分層評(píng)估的架空配電網(wǎng)線路桿塔狀態(tài)評(píng)估模型，得出各因子的雷擊概率。

以地理影響因子為例，地理對(duì)桿塔雷擊影響主要包括：地形、地貌、桿塔周邊地表和桿塔土壤。這四個(gè)主要因素又包含不一樣的基本子事件影響因子。對(duì)所有羅列的基本子事件進(jìn)行加權(quán)組合，以判定各個(gè)具體子事件對(duì)配電網(wǎng)線路桿塔雷擊跳閘的概率，即：

pi=paiwai+pbiwbi+pciwci+pdiwdi

(9)

式中：pi為各子事件線性組合后雷擊的概率；pai為地形因子中子事件發(fā)生的概率；wai為地形因子中對(duì)應(yīng)子事件的權(quán)重；pbi為地貌因子中子事件發(fā)生的概率；wbi為地貌因子中對(duì)應(yīng)子事件的權(quán)重；pci為桿塔周邊地表因子中子事件發(fā)生的概率；wci為桿塔周邊地表因子中對(duì)應(yīng)子事件的權(quán)重；pdi為桿塔土壤因子中子事件發(fā)生的概率；wdi為桿塔土壤因子中對(duì)應(yīng)子事件的權(quán)重。

③一級(jí)事件評(píng)估。

對(duì)地理環(huán)境、氣象條件和桿塔本體特征三個(gè)影響因子進(jìn)行加權(quán)組合，得到雷擊跳閘率作為最終配電網(wǎng)線路桿塔雷擊跳閘的概率，即：

pn=piwi+pfiwfi+priwri

(10)

式中：pn為最終的配電網(wǎng)線路桿塔雷擊跳閘率；wi為對(duì)應(yīng)的權(quán)重；pfi為二級(jí)評(píng)估時(shí)天氣影響因子對(duì)用的雷擊跳閘率；wfi為天氣影響因子的權(quán)重；pri為二級(jí)評(píng)估時(shí)桿塔本體特征對(duì)應(yīng)的雷擊跳閘率；wri為桿塔本體特征影響因子的權(quán)重。

2.2 評(píng)估參數(shù)權(quán)值計(jì)算

隨著加權(quán)思想的出現(xiàn)，權(quán)重的計(jì)算方法層出不窮，但每種方法都有它的優(yōu)缺點(diǎn)和相對(duì)較優(yōu)的適用性。關(guān)于配電網(wǎng)線路桿塔雷擊影響因子權(quán)重的確定，本文選用了AHP。在建模過(guò)程中涉及很多影響因子，其中包含了定量和定性因子，且對(duì)于定性描述的因子沒(méi)有唯一準(zhǔn)確的表達(dá)式。此外，AHP法將一致性檢驗(yàn)作為約束條件，建立的矩陣是不完全判斷矩陣，對(duì)于需要定性分析的量適用性更強(qiáng)。

AHP權(quán)重計(jì)算步驟如下。

①根據(jù)目標(biāo)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分級(jí)處理，對(duì)其建立層級(jí)清晰的結(jié)構(gòu)。

②用九標(biāo)度法，對(duì)各層中的元素進(jìn)行兩兩比較，以構(gòu)建判斷矩陣：

C=(cij)n×n

(11)

③進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，一致性檢驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)如下：

(12)

(13)

2.3 桿塔雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

造成配電網(wǎng)線路桿塔雷擊跳閘的影響因子眾多。根據(jù)實(shí)際線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，其主要影響因素包括地形地貌等地理因素和天氣情況。這些因素和雷擊跳閘率關(guān)系密切。由于本文中雷擊跳閘率是根據(jù)上述眾多影響因素確定的，故直接選取雷擊跳閘率為其評(píng)判準(zhǔn)則，根據(jù)電網(wǎng)線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，參照文獻(xiàn)[3]～文獻(xiàn)[5]設(shè)定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)并進(jìn)行比較。雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估準(zhǔn)則如表3所示(數(shù)值越大，代表風(fēng)險(xiǎn)越大)。

表3 雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估準(zhǔn)則

表3中：P為雷擊跳閘率。

3 配電網(wǎng)線路桿塔雷擊跳閘率評(píng)估實(shí)例

以云南省某配電網(wǎng)線為例，應(yīng)用上述新建模型進(jìn)行雷擊跳閘率計(jì)算評(píng)估。

3.1 權(quán)值確定

本文以供電局線路實(shí)際的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)[14]～文獻(xiàn)[21]關(guān)于地形地貌、天氣等因素對(duì)雷擊跳閘影響的研究結(jié)果為依據(jù)，應(yīng)用層次分析法確定各級(jí)事件權(quán)重。部分影響因子權(quán)值如表4所示。

表4 部分影響因子權(quán)值表

3.2 實(shí)時(shí)雷擊跳閘數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和模型驗(yàn)證

根據(jù)云南電網(wǎng)公司提供的某配電網(wǎng)相關(guān)線路數(shù)據(jù)，按照上述建模方法從具體線路中隨機(jī)抽取10基桿塔計(jì)算其雷擊跳閘率。

云南省某配電網(wǎng)線桿塔跳閘率(2016)如表5所示。

表5 云南省某配電網(wǎng)線桿塔跳閘率(2016)

云南省某配電網(wǎng)桿塔雷擊跳閘情況統(tǒng)計(jì)(2016)如表6所示。

表6 云南省某配電網(wǎng)桿塔雷擊跳閘情況統(tǒng)計(jì)(2016)

根據(jù)表5雷擊跳閘率計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)P>20%時(shí)，對(duì)應(yīng)的桿塔發(fā)生了跳閘。表6中實(shí)際發(fā)生跳閘的桿塔對(duì)應(yīng)的P超過(guò)20%的有4基桿塔，P超過(guò)10%的有9基桿塔。根據(jù)上文中設(shè)定的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，10基實(shí)際跳閘桿塔中有9基發(fā)生跳閘的桿塔風(fēng)險(xiǎn)在3級(jí)及其以上。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為5級(jí)的桿塔外界環(huán)境如表7所示。當(dāng)桿塔處于上述外界環(huán)境時(shí)，易發(fā)生跳閘。當(dāng)有雷雨發(fā)生時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)防護(hù)。

表7 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為5級(jí)的桿塔外界環(huán)境

應(yīng)用上述結(jié)果評(píng)估模型，選取地形、地貌、桿塔周邊地表、桿塔土壤，分別對(duì)應(yīng)為山地、沿坡、旱地、堅(jiān)土；選取天氣為雷雨，根據(jù)各級(jí)影響因子計(jì)算雷擊跳閘概率P。將實(shí)際值代入式(5)～式(10)，計(jì)算得到的P約為34%。這與評(píng)估等級(jí)中劃分等級(jí)相比>>20%，說(shuō)明當(dāng)桿塔所處外界環(huán)境為山地、沿坡、旱地、堅(jiān)土，雷雨天氣和回?fù)舸螖?shù)較多時(shí)，雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)為5級(jí)，易發(fā)生跳閘，應(yīng)當(dāng)引起高度重視。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)雷擊跳閘率計(jì)算主要考慮的是宏觀信息，且針對(duì)的是配電網(wǎng)線路。為了對(duì)配電網(wǎng)線路桿塔雷擊跳閘問(wèn)題進(jìn)行定性分析和定量表示，本文利用微氣象條件、線路走廊環(huán)境、桿塔回?fù)舻热皵?shù)據(jù)建立模型，先通過(guò)層次分析法確定相應(yīng)影響因子權(quán)重；然后結(jié)合概率論中的相關(guān)知識(shí)，以概率的形式先分層級(jí)；再對(duì)各級(jí)事件加權(quán)組合獲取相應(yīng)桿塔雷擊跳閘概率，依據(jù)概率值的大小評(píng)估配電網(wǎng)線路桿塔處于何種情況時(shí)雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)性較大。將雷擊跳閘率量化到了桿塔級(jí)，提升了電網(wǎng)差異化防雷性能。最后根據(jù)具體配電網(wǎng)線路桿塔遭受雷擊情況，對(duì)模型進(jìn)行了分析驗(yàn)證，實(shí)際運(yùn)行和模型評(píng)估結(jié)果較一致，證明了該方法的有效性。該研究為電網(wǎng)雷擊故障維護(hù)提供一定的依據(jù)和幫助。