基于模糊評價法的福建保底電網(wǎng)改造優(yōu)先度研究

張文翔，楊曉東，林原辰

(1.中國電建集團 福建省電力勘測設(shè)計院有限公司，福州 350001；2.國網(wǎng)福建省電力有限公司，福州 350001)

近年來，福建省臺風(fēng)災(zāi)害頻發(fā)，給福建電網(wǎng)帶來嚴重損害。2015年臺風(fēng)“蘇迪羅”在福建省莆田市登陸，造成全省共有40條(74條次)220 kV及以上輸電線路跳閘。2016年“莫蘭蒂”臺風(fēng)造成廈門市74條(回)輸電線路跳閘故障，500 kV及220 kV架空輸電線路桿塔倒塔15基，塔頭或地線架局部破壞7基，同時也造成泉州、漳州電網(wǎng)大量破壞。實踐表明，臺風(fēng)等特大自然災(zāi)害已經(jīng)逐漸成為引發(fā)大面積停電的最重要原因之一[1-5]。

福建電網(wǎng)處于較為脆弱的狀態(tài)，全省有約51%的500 kV線路是采用1999年版及之前規(guī)程設(shè)計的，這些線路一是氣象重現(xiàn)期短，相應(yīng)設(shè)計基本風(fēng)速取值較現(xiàn)行規(guī)范偏低，二是桿塔設(shè)計荷載以及荷載組合偏低，三是桿塔采用材料強度偏低，裕度小，在臺風(fēng)自然災(zāi)害條件下易被破壞[6-7]。

國內(nèi)同行對保底電網(wǎng)差異化設(shè)計已開展部分研究。段姚等[8]通過結(jié)構(gòu)性的風(fēng)險管控校核電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的供電可靠性和快速復(fù)電能力,根據(jù)差異化的規(guī)劃原則選取城市重要站點和關(guān)鍵線路構(gòu)建最小規(guī)模的防風(fēng)保底電網(wǎng),并提出多項評價指標(biāo)評估所構(gòu)建的保底電網(wǎng)。龔賢夫等[9]針對現(xiàn)有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中存在的防風(fēng)抗災(zāi)薄弱環(huán)節(jié),提出了持續(xù)提升電網(wǎng)防風(fēng)抗災(zāi)能力的規(guī)劃原則。

綜上所述，雖然國內(nèi)已經(jīng)開展部分保底電網(wǎng)研究，但是主要圍繞規(guī)劃等內(nèi)容，未形成已有保底電網(wǎng)的改造措施以及定量化的評價體系。本文依托對現(xiàn)有福建省保底電網(wǎng)線路的梳理，提出不同線路改造差異化標(biāo)準(zhǔn)；選取典型的鐵塔按照不同設(shè)計條件計算桿件滿應(yīng)力度，提出老舊鐵塔改造建議；提出模糊數(shù)學(xué)評價500 kV保底電網(wǎng)改造優(yōu)先度的方法，并且以崗廈500 kV為例計算其改造優(yōu)先度置信系數(shù)，提出改造方案。

1 500 kV保底電網(wǎng)概況

500 kV保底電網(wǎng)構(gòu)筑考慮3方面內(nèi)容，一是滿足防災(zāi)保障電源的送電需要，二是為220 kV防災(zāi)基本電網(wǎng)提供電源支撐，三是形成較為堅強的500 kV電網(wǎng)網(wǎng)架。

500 kV保底網(wǎng)架考慮構(gòu)建形成由500 kV重要線路構(gòu)成的全省大環(huán)網(wǎng)骨干網(wǎng)架。在沿海雙通道中，由于重要負荷及220 kV重要變電站均集中分布于沿海東側(cè)通道500 kV站點附近，因此選取東側(cè)通道并向沿海西側(cè)通道中部重要站點泉州、南安、集美輻射。500 kV保底電網(wǎng)變電站和線路規(guī)模見表1，福建省500 kV保底電網(wǎng)方案如圖1所示，保底電網(wǎng)線路明細見表2。

表1 500 kV保底電網(wǎng)變電站和線路規(guī)模

表2 保底電網(wǎng)線路明細

續(xù)表2

續(xù)表2

圖1 福建省500 kV保底電網(wǎng)方案

2 保底線路建設(shè)及改造標(biāo)準(zhǔn)

將沿海第一重山以內(nèi)規(guī)定為強風(fēng)1區(qū)，以一重山到二重山之間規(guī)定為強風(fēng)2區(qū)，2016莫蘭蒂臺風(fēng)、2015年蘇羅迪臺風(fēng)、2006桑美臺風(fēng)中損壞的桿塔主要位于強風(fēng)1、2區(qū)范圍之內(nèi)，因此定義強風(fēng)1、2區(qū)為福建省防風(fēng)差異化設(shè)計范圍。強風(fēng)區(qū)受臺風(fēng)影響明顯，適當(dāng)提高區(qū)域內(nèi)輸電線路的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，可以有效提高電網(wǎng)的防風(fēng)能力。

位于防風(fēng)差異化設(shè)計范圍內(nèi)的新建防災(zāi)基本電網(wǎng)線路執(zhí)行以下防風(fēng)差異化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：

1)設(shè)計基本風(fēng)速應(yīng)結(jié)合實地調(diào)查研究及附近線路運行經(jīng)驗，合理提高設(shè)計風(fēng)速取值，500 kV線路按100年一遇基本風(fēng)速進行驗算。

2)桿塔結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)不宜小于1.1。

3)計算耐張塔跳線風(fēng)偏時，風(fēng)壓不均勻系數(shù)α取1.3。

4)計算導(dǎo)線、地線大風(fēng)工況水平荷載時，線路風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)取1.3。

存量防災(zāi)基本電網(wǎng)線路具體改造標(biāo)準(zhǔn)如下：

1)對于沿海地市非防風(fēng)差異化設(shè)計范圍內(nèi)且按79版規(guī)程、99版規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的防災(zāi)基本電網(wǎng)線路，按現(xiàn)行設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進行改造或重建。

2)對于防風(fēng)差異化設(shè)計范圍的線路，按新建防災(zāi)基本電網(wǎng)線路標(biāo)準(zhǔn)進行改造或重建。

3 保底線路改造方式可行性分析

3.1 典型的500 kV塔型選擇

通過對500 kV崗廈Ⅰ路、崗廈Ⅱ路等東南沿海的典型的線路塔型分布可知，主要用到的直線塔系列為ZB系列，轉(zhuǎn)角塔系列是JT系列，其中ZB6塔型(圖2)、JT11塔型(圖3)應(yīng)用較多，故以該兩塔型作為典型，以分析該塔型的受力情況、技術(shù)經(jīng)濟性以及改造的可行性。

圖2 ZB6A單線圖

圖3 JT11A單線圖

3.2 ZB6A不同檔距下滿應(yīng)力度分析以及改造措施

ZB6A的設(shè)計條件見表3。

表3 ZB6A設(shè)計條件

由于直線塔的桿件受力情況與風(fēng)速以及檔距關(guān)系密切，分別選取水平檔距為200、300、400、500 m進行桿件的受力分析，對比不同使用檔距下，在50年重現(xiàn)期以及1.1重要性系數(shù)條件下，桿件的滿應(yīng)力情況。各個主材主要關(guān)鍵節(jié)點的滿應(yīng)力度隨著檔距的變化詳見表4，ZB6A主要桿件滿應(yīng)力度隨檔距變化曲線如圖4所示。

表4 ZB6A主要桿件不同水平檔距的滿應(yīng)力度計算匯總

圖4 ZB6A主要桿件滿應(yīng)力度隨檔距變化曲線

通過上述計算，給出ZB6A開展改造的建議，詳見表5。

表5 ZB6A直線塔改造措施以及可行性分析

3.3 JT11A不同檔距、不同角度下滿應(yīng)力度分析以及改造措施

JT11A的設(shè)計條件見表6。

表6 JT11A設(shè)計條件

由于轉(zhuǎn)角塔的桿件受力情況與轉(zhuǎn)角度數(shù)以及檔距關(guān)系密切，分別選取轉(zhuǎn)角度數(shù)為0°、10°、20°，水平檔距為100、300、500 m進行桿件的受力分析，對比不同使用檔距下，在50年重現(xiàn)期以及1.1重要性系數(shù)條件下，桿件的滿應(yīng)力情況。驗算的氣象條件以及檔距情況詳見表7。

表7 JT11A驗算條件

匯總上述的計算結(jié)果，分別選取橫擔(dān)主材，地線橫擔(dān)下間隔斜材，地線橫擔(dān)上平面斜材，導(dǎo)線橫擔(dān)下塔身斜材開展分析，各個主材、主要關(guān)鍵節(jié)點的滿應(yīng)力度隨著檔距和角度的變化詳見表8，JT11A不同水平檔距橫擔(dān)計算滿應(yīng)力度變化曲線如圖5所示。

表8 JT11A不同水平檔距計算滿應(yīng)力度匯總

續(xù)表8

圖5 JT11A不同水平檔距橫擔(dān)計算滿應(yīng)力度變化曲線

通過上述計算可以看出，轉(zhuǎn)角塔在1.1的安全系數(shù)和風(fēng)速增大的條件下，整體的滿應(yīng)力度低于直線塔，其對風(fēng)速的敏感性不強。JT11A開展改造方式的建議詳見表9。

表9 JT11A改造措施以及可行性分析

4 基于模糊數(shù)學(xué)評價改造優(yōu)先度方法

4.1 評價要素篩選

結(jié)合已有研究、運行經(jīng)驗以及歷年倒塔事件，確定以下評價要素：

1)運行年限。線路的運行年限越久，鋼結(jié)構(gòu)的耐久性約差。蘇春發(fā)[10]分析了大量的試驗數(shù)據(jù)，探討了輸電桿塔材質(zhì)的耐久性問題。2007年12月某500 kV發(fā)生的橫擔(dān)自然折斷現(xiàn)象，其線路運行18年，桿塔在日積月累的運行震動過程中發(fā)生破壞。錢錫匯等[11]通過總結(jié)鋼材構(gòu)件腐蝕程度和剩余承載力之間的函數(shù)關(guān)系，結(jié)果表明運行年限越久，其腐蝕程度越高，直接影響著桿塔的安全穩(wěn)定。因此，運行年限應(yīng)作為改造優(yōu)先度的重要評價因素。

2)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。99規(guī)范與10規(guī)范主要調(diào)整的設(shè)計參數(shù)或要求包括氣象條件重現(xiàn)期、導(dǎo)地線荷載計算公式、斷線工況組合、斷線不平衡張力的取值、直線塔安裝工況、結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)造。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也是影響桿塔安全的一個重要的因素。

3)強風(fēng)區(qū)以及中冰區(qū)。根據(jù)歷年的福建省災(zāi)害可知，風(fēng)災(zāi)是主要因素，覆冰大的地區(qū)風(fēng)荷載影響更大，因此將強風(fēng)區(qū)和中冰區(qū)一并納入，作為影響線路安全運行的重要因素。

4)三跨影響?！叭纭笔侵缚缭礁咚勹F路、高速公路和重要輸電通道的架空輸電線路區(qū)段。若在三跨處發(fā)生倒塔事故，不僅會造成停電，也會造成嚴重的社會影響，危害社會安全。因此，將三跨影響也作為線路改造的評分要素。

4.2 模糊評價法評價改造優(yōu)先度

1)根據(jù)上述分析確定評價要素因子集為

X=(N,S,W,C,K)

(1)

式中：N為運行年數(shù)；S為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；W為基本風(fēng)速，m/s；C為設(shè)計覆冰，mm；K為線路交叉跨越情況。

整理歷年來倒塔發(fā)生情況下各技術(shù)要素的參數(shù)，并以各要素的最大值和最小值作為相應(yīng)要素的波動范圍，建立5個要素的風(fēng)險尺度。具體參數(shù)見表10。

表10 評價要素因子的參照尺度

2)利用層次分析法計算5個評價要素的權(quán)重值。其遞推層次結(jié)構(gòu)分為目標(biāo)層(桿塔改造置信度系數(shù))、指標(biāo)層(5級評判等級)和方案層(5個致災(zāi)因子)3層。將下一層包含的全部因子對應(yīng)上一層的某一因子，如圖6所示，建立9個標(biāo)度，其建立標(biāo)準(zhǔn)見表11，進而采用1-9標(biāo)度法建立判斷矩陣。

圖6 改造置信度評價

表11 標(biāo)度評價法含義

應(yīng)用9標(biāo)度法確定判斷矩陣時，考慮到置信度系數(shù)這一目標(biāo)的復(fù)雜性和決策人員評分主觀性的影響，會導(dǎo)致判斷矩陣出現(xiàn)不一致性，因此以隨機一致性比率 CR(consistency ratio)為檢驗指標(biāo)，對判斷矩陣的一致性進行檢驗，只有當(dāng)一致性滿足要求后，才能輸出層次權(quán)重。

獲得的權(quán)重向量表示為A=(aN，aS，aW，aC，aK)。其中aN、aS、aW、aC、aK為各因子的權(quán)重值。

3)對應(yīng)改造優(yōu)先度評判等級，改造決策集可分為5級。因子集X中的5個評價要素對應(yīng)決策集的隸屬度函數(shù)可表示為

(2)

風(fēng)險因子分為區(qū)間式(如運行年限、基本風(fēng)速和設(shè)計覆冰)以及定值式(如設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，三跨類型)兩種，分別采用梯形法和矩形法兩種方法建立不同風(fēng)險評判等級下的隸屬度函數(shù)。梯形法針對區(qū)間式指標(biāo)，矩形法針對定值式指標(biāo)。

將具體工況下5個評價要素的參數(shù)代入相應(yīng)的隸屬度函數(shù)中，得到模糊綜合評價矩陣為

M=[M1,M2,M3,M4,M5]

(3)

式中，Mi=(Ni，Si，Wi，Ci，Ki)T其含義是指具體工況下各評價要素對應(yīng)第i級風(fēng)險評判等級的隸屬程度。

由于評價要素不同，其對改造優(yōu)先度評判標(biāo)準(zhǔn)也不同，因此引入上述確定的權(quán)重向量得到模糊綜合評價向量為

B=A×M=[b1,b2,b3,b4,b5]

(4)

依據(jù)最大隸屬度原則，選擇[b1，b2，b3，b4，b5]中元素的最大值作為輸電線路山改造優(yōu)先置信度B。隨后根據(jù)置信度B與閾值的關(guān)系，判斷是否急需改造。

根據(jù)往年的實際運行經(jīng)驗，可將輸電線路甄別算法的閾值設(shè)置為4級評判等級時的最小置信度系數(shù)，即3.33%。當(dāng)通過模糊綜合評價法根據(jù)最大隸屬度原則得出的改造優(yōu)先置信度>3.33% 時，即認為存在倒塔的危險，急需改造。改造優(yōu)先度評判等級見表12。

表12 改造優(yōu)先度評判等級

5 典型保底線路改造優(yōu)先度評價

500 kV崗廈Ⅰ路起自500 kV東崗變構(gòu)架，止于500 kV廈門變電站。線路全長38.586 km，基本情況見表13，崗廈Ⅰ路谷歌路徑圖如圖7所示。

圖7 崗廈Ⅰ路谷歌路徑圖

表13 工程概況

續(xù)表13

以崗廈Ⅰ路#41～#50區(qū)段為例，其技術(shù)要素詳見表14。

表14 典型塔位的技術(shù)要素

通過1-9標(biāo)度法確定各個要素的權(quán)重值為

確定通過計算確定隸屬度函數(shù)為

根據(jù)式(4)確定模糊評價向量B為

B=[1.75 2.25 4 3 1.5]。

該段線路的改造置信度系數(shù)為4，風(fēng)險程度為高度危險，改造優(yōu)先度為急需改造。

按照該方法進行全線分析，崗廈Ⅰ路#033～崗廈Ⅰ路#081，崗廈Ⅱ路#033～崗廈Ⅱ路#077合計94基桿塔優(yōu)先度為急需改造。

結(jié)合本文第3章改造建議的結(jié)論，采用拆除重建和局部改造兩種方式，通過計算得出改造匡算約為11 232.2萬元。

6 結(jié)論

基于對福建省保底電網(wǎng)的梳理，得到以下結(jié)論：

1)提出保底電網(wǎng)的防風(fēng)差異化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，針對保底電網(wǎng)強風(fēng)區(qū)線路按照50年一遇設(shè)計，百年一遇驗算，并且考慮1.1重要性系數(shù)。

2)選取典型的500 kV的運行年限較舊的塔型，開展?jié)M應(yīng)力度分析，針對直線塔和轉(zhuǎn)角塔提出相應(yīng)的局部改造和整體改造的建議。

3)結(jié)合歷年的災(zāi)害和工程經(jīng)驗，提出影響改造優(yōu)先度的技術(shù)要素包括運行年限、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、強風(fēng)區(qū)、覆冰情況以及是否三跨。應(yīng)用頭腦風(fēng)暴的方法，定量化地確定各個技術(shù)要素的評分值，并且提出不同評分區(qū)間改造星級。

4)依據(jù)崗廈Ⅰ路500 kV線路工程，結(jié)合上述評價手段，確定線路的平均評分值為2.78，需要改造的桿塔位有94基，合計投資匡算約11 232.2萬元。