基于決策樹區(qū)域輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)可視化識(shí)別技術(shù)

中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局 張 鑫 鄭武略 嚴(yán)逸進(jìn) 梁凱旋 劉 賀

引發(fā)電網(wǎng)停電事故一般有以下兩種情況，其一為電網(wǎng)內(nèi)部因素，即輸電線路、設(shè)備本身故障，其二為自然因素，即大風(fēng)、火災(zāi)、雷電等自然災(zāi)害造成的電網(wǎng)故障，其中電網(wǎng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)出高概率水平。電網(wǎng)通過采取恰當(dāng)?shù)姆览状胧瑢⒗讚麸L(fēng)險(xiǎn)控制在輸電線路上，有效減小雷擊對(duì)電網(wǎng)的損害。

杜平等[1]針對(duì)當(dāng)前災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)量化等級(jí)，界定存在仍需憑借主觀因素的弊端，提出了輸電線路災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估云模型的改進(jìn)方法，但該方法的預(yù)測(cè)誤差仍然較大；陳嘉寧等[2]在對(duì)輸電線路、變電站設(shè)備可靠性模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)輸電網(wǎng)各元件的可靠性指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行確定，從而實(shí)現(xiàn)雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，但該方法對(duì)雷擊風(fēng)險(xiǎn)跳閘識(shí)別具有偏差，存在局限性特點(diǎn)。

1 區(qū)域輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)可視化識(shí)別

1.1 區(qū)域輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重確定

1.1.1 雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)H1

該指標(biāo)由兩個(gè)二級(jí)指標(biāo)構(gòu)成，分別為H11、H12。輸電線路雷擊跳閘主要由兩個(gè)因素決定，分別為輸電線路區(qū)域的雷電流分布、桿塔的耐雷性能。采用Origin軟件對(duì)歷史雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲取其雷電流幅值概率分布函數(shù)。由于不同區(qū)間內(nèi)的雷電流幅值呈現(xiàn)差異性特點(diǎn)，因此采取分段擬合方式，提高雷電流幅值概率分布函數(shù)精度，其公式描述為：

區(qū)域輸電線路雷擊跳閘率與該區(qū)域內(nèi)的地閃密度具有直接關(guān)聯(lián)，本文利用廣義帕累托分布（GPD）模型對(duì)選取的雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，確定平均地閃密度Nave，計(jì)算公式用下式描述：

其中：地閃密度表示為γ，其概率密度函數(shù)表示為f（γ），受雷范圍內(nèi)的地閃密度閾值表示為γ0，其峰值表示為γh。當(dāng)區(qū)域輸電線路遭受雷擊，會(huì)引發(fā)閃絡(luò)故障，其故障形式分為反擊、繞擊兩種。該故障的界定標(biāo)準(zhǔn)為超過危險(xiǎn)雷電流幅值最低值，即反擊耐雷水平。其中，前者為輸電線路非導(dǎo)線位置遭受雷擊，使得輸電線路與絕緣子出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，由此引發(fā)的閃絡(luò)故障即為反擊耐雷水平，表示為If，計(jì)算公式描述為：

式中：對(duì)于絕緣子串，其沖擊放電電壓的一半表示為U50%，桿塔分流因子表示為k，橫擔(dān)對(duì)地高度表示為ha，導(dǎo)線高度均值表示為hc，對(duì)于桿塔，其電感表示為L(zhǎng)t，沖擊接地電阻表示為Ri，對(duì)于輸電線路導(dǎo)線、避雷線的高度hg與ht，二者間的幾何耦合因子表示為k0，耦合因子表示為k。

桿塔雷擊跳閘率包含兩部分內(nèi)容，分別為反擊雷跳閘率、繞擊雷跳閘率，求解公式分別描述為：其中：對(duì)于桿塔而言，其遭受雷擊時(shí)的相對(duì)影響面積表示為（b+4h），其雷電流高于反擊危險(xiǎn)雷電流幅值最低值的概率表示為P`1，建弧率表示為θ，繞擊率表示為Pa，其雷電流高于繞擊危險(xiǎn)雷電流幅值最低值的概率表示為P`2。由此可確定桿塔的雷擊跳閘率為：。

在對(duì)桿塔雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，需考慮H111、H112指標(biāo)對(duì)其的影響，桿塔雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)可用下式進(jìn)行求解：Rgt=f1×f2×T，式中：H11風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)表示為f1，H12風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)表示為f2。區(qū)域輸電線路雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算公式描述為：，其中，區(qū)域輸電線路遭受雷擊風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，各桿塔區(qū)段所占權(quán)重表示為Mi，對(duì)于區(qū)段內(nèi)各桿塔，其雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)Rgt的加權(quán)均值表示為。

1.1.2 雷擊故障風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)H2

該指標(biāo)由三個(gè)二級(jí)指標(biāo)構(gòu)成，分別為H21、H22、H23，其中：H21對(duì)區(qū)域輸電線路風(fēng)險(xiǎn)表示為RU，計(jì)算公式為：RU=WU×GU=WU×RL×Ch，式中：H21指標(biāo)下的各區(qū)段輸電線路的權(quán)重表示為WU，H21指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)表示為GU，恢復(fù)合閘概率表示為Ch。H22對(duì)區(qū)域輸電線路風(fēng)險(xiǎn)表示為Rc，計(jì)算公式為：Rc=Wc×Gc=Wc×RL×（1-Ch）Qs，式中：H22指標(biāo)下的各區(qū)段輸電線路的權(quán)重表示為Wc，H22指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)表示為Gc，通過強(qiáng)送電手段實(shí)現(xiàn)恢復(fù)供電的概率表示為Qs。

H23對(duì)區(qū)域輸電線路風(fēng)險(xiǎn)表示為RQ，計(jì)算公式為：RQ=WQ×GQ=WQ×RL×（1-Ch）×（1-Qs），式中：H23指標(biāo)下的各區(qū)段輸電線路的權(quán)重表示為WQ，H23指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)表示為GQ。由此可確定區(qū)域輸電線路的雷擊故障風(fēng)險(xiǎn)，表示為RiskL，可利用下式進(jìn)行求解：RiskL=[RU,RC,RQ]×W，其中：在區(qū)域輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)下，RU、RC、RQ風(fēng)險(xiǎn)的初始權(quán)重表示為W。

1.1.3 時(shí)間和運(yùn)行方式風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)H3

該指標(biāo)由兩個(gè)二級(jí)指標(biāo)構(gòu)成，其中H31指標(biāo)表示當(dāng)輸電線路因發(fā)生永久性故障，使得所有元件跳閘時(shí)，造成的損失負(fù)荷的極大值。由于部分場(chǎng)所具有持續(xù)供電需求，一旦停電將造成很大的影響，H32指標(biāo)由兩部分內(nèi)容決定，分別為負(fù)荷重要程度、用戶用電時(shí)間。H32風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)可通過下式進(jìn)行描述：

式中：在H3指標(biāo)下，負(fù)荷所占權(quán)重表示為Mload，負(fù)荷損失等級(jí)表示為wtW、不同重要程度負(fù)荷表示為L(zhǎng)i，損失負(fù)荷極大值表示為L(zhǎng)max，負(fù)荷的重要程度表示為Zli，用戶電力需求等級(jí)表示為Z2。

1.2 確定各指標(biāo)權(quán)重向量

采用層次分析法對(duì)各指標(biāo)權(quán)重向量進(jìn)行確定，區(qū)域輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重向量表示為Ws=[WH1,WH2,WH3]，其中WH1=[WH11,WH12]、WH11=[WH111,WH112]、WH12=[WH121,WH122]、WH2=[WH21,WH22,WH23]、WH3=[WH31,WH32]、WH32=[WH321,WH322]。

1.3 基于決策樹的區(qū)域輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

本文采用C4.5決策樹分類方法對(duì)區(qū)域輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別。該方法原理為：將信息增益率作為搜索指標(biāo)，對(duì)各變量屬性進(jìn)行逐層挖掘，確定增益率極值所對(duì)應(yīng)的變量屬性，將其作為根從而獲取決策樹的根節(jié)點(diǎn)、葉子節(jié)點(diǎn)及枝干信息，實(shí)現(xiàn)區(qū)域輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別決策樹結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。信息增益率的作用是對(duì)變量屬性進(jìn)行確定，對(duì)訓(xùn)練樣本T的熵進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算公式可通過下式進(jìn)行描述：

式中：樣本集合表示為V，其樣本數(shù)目表示為|V|，可將其劃分為k，其中歸屬于類別Cj的樣本個(gè)數(shù)表示為freq（Cj,V）。X為非類別屬性，以X值作為劃分依據(jù)對(duì)T進(jìn)行劃分，獲得集合{T1,…,Tj}，對(duì)于各子集，通過下式完成熵的加權(quán)處理，表達(dá)式為：，對(duì)信息增益進(jìn)行運(yùn)算，其求解公式用下式描述：Gain（X）=inf0（T）-inf0X（T）。

通過信息增益對(duì)屬性進(jìn)行確定時(shí)，多值屬性更受其青睞，為避免出現(xiàn)此弊端，本文采用信息增益率對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，使其具有分類優(yōu)勢(shì)。其原理是對(duì)樣本進(jìn)行劃分時(shí)，將子節(jié)點(diǎn)數(shù)量及其大小作為考量點(diǎn)，忽略信息量對(duì)其的影響：。對(duì)于屬性X，其信息增益率可通過下式進(jìn)行描述：

基于決策樹的區(qū)域輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別步驟為：采用層次分析法構(gòu)建區(qū)域輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別層次結(jié)構(gòu)模型；對(duì)區(qū)域輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行求解，并完成一致性驗(yàn)證。驗(yàn)證成功后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，選擇部分?jǐn)?shù)據(jù)構(gòu)建訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，其余為測(cè)試數(shù)據(jù)；訓(xùn)練數(shù)據(jù)集輸入到?jīng)Q策樹算法中，完成決策樹模型的訓(xùn)練；應(yīng)用訓(xùn)練完成的決策樹模型對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，識(shí)別區(qū)域輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)。圖1為基于決策樹的區(qū)域輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別過程。

圖1 基于決策樹的區(qū)域輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別流程

1.4 區(qū)域輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別結(jié)果的可視化

富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序（RIA）既具有桌面應(yīng)用程序的高交互性的特性，又具備傳統(tǒng)Web應(yīng)用的高靈活性特點(diǎn)，是目前信息可視化展現(xiàn)的有效工具，F(xiàn)lex作為一種有效RIA方案，由Macromedia提出，作為.net server的應(yīng)用程序，其.SWF文件是由.mxml文件生成，將其傳輸至客戶端，經(jīng)flash player輸出后即可實(shí)現(xiàn)信息的可視化，為客戶提供良好體驗(yàn)感。因此，本文采用Flex技術(shù)提供區(qū)域輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別結(jié)果的可視化呈現(xiàn)。

2 試驗(yàn)分析

以某地區(qū)輸電線路為研究對(duì)象，選取其中3條輸電線路作為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，分別用line1、line2、line3進(jìn)行標(biāo)記，采用本文方法對(duì)上述輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，驗(yàn)證本文方法的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別性能。三條輸電線路參數(shù)信息見表1。

表1 各輸電線路參數(shù)

Line1、Line2、Line3輸電線路所含桿塔數(shù)分別為23、38、40，應(yīng)用本文方法對(duì)各輸電線路的各基桿塔的雷擊跳閘率進(jìn)行求解，并與文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]方法進(jìn)行對(duì)比，通過分析誤差之和、極大、極小誤差，驗(yàn)證本文方法的運(yùn)算精度，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 桿塔雷擊跳閘率運(yùn)算結(jié)果分析

分析表2可知，應(yīng)用三種方法對(duì)不同輸電線路的桿塔雷擊跳閘率進(jìn)行求解，誤差分析結(jié)果各不相同，采用本文方法計(jì)算的各條輸電線路雷擊跳閘率誤差之和最低，且極大、極小誤差值也低于文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]，說(shuō)明本文方法獲取的雷擊跳閘率更為精準(zhǔn)。對(duì)比兩種文獻(xiàn)方法得出，文獻(xiàn)[1]方法對(duì)Line1、Line2的低電壓輸電線路更具優(yōu)勢(shì)，文獻(xiàn)[2]方法更適合獲取高壓輸電線路的雷擊跳閘率。

試驗(yàn)結(jié)果表明，通過本文方法確定輸電線路雷擊跳閘率準(zhǔn)確度更高。進(jìn)行各條輸電線路的雷擊風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，三條線路的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別結(jié)果分別為：三級(jí)/危險(xiǎn)、二級(jí)/嚴(yán)加關(guān)注、四級(jí)/高風(fēng)險(xiǎn)，可確定line2線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別最低，為二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，需時(shí)刻對(duì)該條輸電線路進(jìn)行關(guān)注，line1線路處于雷擊危險(xiǎn)中，需加強(qiáng)防護(hù)，line3線路處于高風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，需采取有效措施應(yīng)對(duì)雷電災(zāi)害。

本文提出基于決策樹的區(qū)域輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)可視化識(shí)別技術(shù)，確定各輸電線路的雷擊調(diào)整率、各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重及雷擊風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別結(jié)果，獲取的雷擊風(fēng)險(xiǎn)跳閘率誤差較低，計(jì)算精度高，可以根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重能夠完成各線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)識(shí)別。