數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的10 kV配電網(wǎng)跳閘次數(shù)優(yōu)化研究

趙進(jìn)良

（固原農(nóng)村電力服務(wù)有限公司，寧夏 固原 756000）

0 引 言

當(dāng)前，供電可靠性已成為電力系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行管理的重中之重。而10 kV配電網(wǎng)作為直接面向用戶(hù)的“最后一公里”，其跳閘次數(shù)直接關(guān)乎人們的獲電質(zhì)量。近年來(lái)，我國(guó)北方多雷區(qū)10 kV配電網(wǎng)頻繁跳閘的問(wèn)題日益突出，嚴(yán)重影響了農(nóng)村地區(qū)的用電可靠性，且影響面越來(lái)越廣，僅憑經(jīng)驗(yàn)判斷和粗放式管理難以有效遏制跳閘次數(shù)過(guò)多的現(xiàn)狀。在新技術(shù)革新和智能化建設(shè)背景下，如何利用各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)決策，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)配電網(wǎng)跳閘次數(shù)的持續(xù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)“既有網(wǎng)”供電質(zhì)量提升，是電力企業(yè)面臨的新課題。

1 10 kV配電網(wǎng)跳閘次數(shù)影響因素分析

1.1 主要跳閘類(lèi)型

10 kV配電網(wǎng)跳閘的主要類(lèi)型包括雷擊跳閘、樹(shù)障跳閘以及過(guò)負(fù)荷跳閘。雷擊跳閘是由于雷電產(chǎn)生的過(guò)電壓作用在配電線(xiàn)路上，可導(dǎo)致絕緣擊穿而引起跳閘。我國(guó)北方多雷區(qū)，每逢雷季來(lái)臨時(shí)跳閘次數(shù)會(huì)明顯增多，有的地區(qū)雷擊引起的跳閘甚至可以占到年度跳閘總次數(shù)的50%以上。線(xiàn)路高度與跨距過(guò)大以及避雷裝置不足，都會(huì)加劇雷擊對(duì)線(xiàn)路的沖擊，進(jìn)而導(dǎo)致跳閘。樹(shù)障跳閘是由于樹(shù)木未經(jīng)管控生長(zhǎng)靠近甚至直接接觸到線(xiàn)路而引起的，尤其在樹(shù)木生長(zhǎng)迅速的區(qū)域更為常見(jiàn)。當(dāng)遇到大風(fēng)等惡劣天氣時(shí)，容易造成樹(shù)枝折斷甚至整棵樹(shù)倒塌壓在線(xiàn)路上，形成短路引起跳閘[1]。過(guò)負(fù)荷跳閘是因負(fù)載增長(zhǎng)超過(guò)線(xiàn)路載流能力和配變?nèi)萘慷鸪掷m(xù)過(guò)載跳閘，或者因負(fù)載分布不均而使末端線(xiàn)路過(guò)載跳閘。

1.2 影響跳閘的關(guān)鍵因素

線(xiàn)路自身的參數(shù)直接決定著其負(fù)載能力（見(jiàn)表1）。當(dāng)線(xiàn)路的截面較小或者中間存在瓶頸段時(shí)，就很容易發(fā)生過(guò)負(fù)荷跳閘。如果線(xiàn)路在歷史設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)選擇不合理，而現(xiàn)在又難以進(jìn)行全線(xiàn)改造，會(huì)成為跳閘的影響因素。此外，負(fù)載分布的合理性是典型的跳閘影響因素。當(dāng)負(fù)載過(guò)度集中在線(xiàn)路的末端時(shí)，中間和末端就較易發(fā)生過(guò)載跳閘；如果負(fù)載集中在中間，則兩端過(guò)載的概率會(huì)較小。合理規(guī)劃線(xiàn)路的負(fù)載分布可以有效減少跳閘次數(shù)[2]。自動(dòng)化水平的高低直接影響著跳閘的范圍和供電恢復(fù)的時(shí)間，自動(dòng)化裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)的精確定位和快速隔離，避免全線(xiàn)跳閘。自動(dòng)分段開(kāi)關(guān)也可以快速斷開(kāi)故障區(qū)段，使大部分用戶(hù)得以繼續(xù)用電[3]。提高自動(dòng)化水平可以極大地優(yōu)化跳閘治理效果。

表1 不同參數(shù)線(xiàn)路的負(fù)載情況和運(yùn)行狀態(tài)

2 基于數(shù)據(jù)的10 kV配電網(wǎng)跳閘計(jì)算分析

2.1 分析10 kV無(wú)避雷線(xiàn)線(xiàn)路中的電氣幾何模型

電氣幾何模型是一種將雷電放電特性和配電線(xiàn)路結(jié)構(gòu)參數(shù)相結(jié)合的計(jì)算模型，可以用來(lái)判斷雷電對(duì)線(xiàn)路的影響。10 kV無(wú)避雷線(xiàn)的線(xiàn)路模型如圖1所示，展示了如何在沒(méi)有避雷線(xiàn)情況下，通過(guò)幾何繪制來(lái)計(jì)算配電線(xiàn)路的避雷屏蔽保護(hù)。在圖1中，rbm、rdm、rgm分別為避雷線(xiàn)、導(dǎo)線(xiàn)和大地的擊距?；《蜟kAk、AkBk分別是以避雷線(xiàn)、導(dǎo)線(xiàn)為圓心，以擊距rbk、rdk為半徑的圓弧。BkDk與地面的距離為擊距rgk。CkAk、AkBk,BkDk分別代表了雷電先導(dǎo)對(duì)避雷線(xiàn)、導(dǎo)線(xiàn)和大地的臨界擊穿距離。如果雷電先導(dǎo)先到達(dá)導(dǎo)線(xiàn)的擊距弧段AkBk，則認(rèn)為避雷線(xiàn)屏蔽失效，輸電線(xiàn)發(fā)生了繞擊。

圖1 10 kV無(wú)避雷線(xiàn)的線(xiàn)路模型

隨著雷電流的增加，弧段CkAk的長(zhǎng)度也會(huì)相應(yīng)增加。因此，這個(gè)模型可以用來(lái)表示在不同雷電流條件下，線(xiàn)路所受的電氣幾何影響范圍。在這個(gè)例子中，電氣幾何模型通過(guò)結(jié)合雷電參數(shù)和線(xiàn)路結(jié)構(gòu)，直觀(guān)地描述出線(xiàn)路遭受雷擊的電氣影響范圍。這可以作為決定線(xiàn)路避雷保護(hù)參數(shù)的重要參考。

在單回三角形排列的線(xiàn)路中，橫擔(dān)長(zhǎng)度與雙回塔類(lèi)似，因此可以采用雙回塔的模型來(lái)分析10 kV配電線(xiàn)路的電氣幾何影響。當(dāng)三角形排列線(xiàn)路的電氣幾何模型中的上下相線(xiàn)暴露部分相交在同一點(diǎn)時(shí)，線(xiàn)路遭到雷擊，可能會(huì)導(dǎo)致電壓升高，最終觸發(fā)10 kV線(xiàn)路跳閘。

為了提高線(xiàn)路的防雷效果，在制定防雷措施時(shí)應(yīng)考慮到可能的雷擊對(duì)線(xiàn)路的感應(yīng)影響。傳統(tǒng)的電氣幾何模型主要考慮雷電流強(qiáng)度，并使用單變量方程進(jìn)行計(jì)算。這種計(jì)算考慮線(xiàn)路的高度差異，因此在線(xiàn)路高度差異較大時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)較大誤差。

考慮雷電流強(qiáng)度和線(xiàn)路高度兩大因素，通過(guò)雙變量方程建立電氣幾何模型，滿(mǎn)足多種工況的計(jì)算精度要求。計(jì)算避雷器的額定容量，其適用條件為雷電流強(qiáng)度在5～31 kA，線(xiàn)路高度在10～50 m。額定容量的計(jì)算公式為

式中：C為額定容量，W；I為雷電流，kA；h為線(xiàn)路高度，m；k為雷電沖擊電流波形的半衰期，通常情況下可以當(dāng)作常數(shù)1計(jì)算。

2.2 雷跳閘率進(jìn)行相關(guān)計(jì)算分析

在計(jì)算配電線(xiàn)路的防雷水平時(shí)，需要準(zhǔn)確判斷絕緣子閃絡(luò)情況。為了準(zhǔn)確判斷絕緣子是否發(fā)生閃絡(luò)，一般的做法是將絕緣子兩端的過(guò)電壓與絕緣子或氣隙的50%閃絡(luò)電壓進(jìn)行比較。當(dāng)過(guò)電壓達(dá)到絕緣子或氣隙50%閃絡(luò)電壓時(shí)，可以認(rèn)為發(fā)生了閃絡(luò)。針對(duì)10 kV配電網(wǎng)，計(jì)算其波阻抗約為335 Ω，然后根據(jù)彼得遜法則，可以得到

式中：Ua為閃絡(luò)電壓，V；Z為波阻抗，Ω；L為絕緣子長(zhǎng)度，m。

同時(shí)，需要考慮感應(yīng)雷對(duì)線(xiàn)路的影響。當(dāng)附近發(fā)生雷擊時(shí)，先導(dǎo)通道中的負(fù)電荷被中和，導(dǎo)致電場(chǎng)減弱，從而導(dǎo)致線(xiàn)路上束縛的電荷被釋放，形成感應(yīng)雷電，進(jìn)而引發(fā)過(guò)電壓現(xiàn)象。雷擊通道中的強(qiáng)大電磁場(chǎng)也會(huì)在導(dǎo)線(xiàn)上感應(yīng)出高壓現(xiàn)象。靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)疊加形成非常高的過(guò)電壓。為準(zhǔn)確計(jì)算感應(yīng)雷對(duì)線(xiàn)路的影響，可以建立其過(guò)電壓計(jì)算模型。結(jié)合導(dǎo)線(xiàn)受到的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，可以得出感應(yīng)雷過(guò)電壓的計(jì)算公式，然后根據(jù)線(xiàn)路參數(shù)計(jì)算感應(yīng)雷過(guò)電壓值，并與防雷裝置的放電電壓進(jìn)行對(duì)比，以確定防雷措施是否充分。

2.3 10 kV配電網(wǎng)中絕緣配置跳閘率所產(chǎn)生的影響

10 kV配電線(xiàn)路發(fā)生雷擊跳閘的主要原因是線(xiàn)路絕緣效果不佳，因此增強(qiáng)絕緣效果是減少跳閘的一個(gè)手段。目前，在10 kV線(xiàn)路絕緣配置上已經(jīng)有了一定的研究成果；使用沖擊電壓耐受性更好的絕緣子，如復(fù)合型懸式絕緣子，可提高線(xiàn)路的抗雷沖擊能力；使用不平衡絕緣配置，在線(xiàn)路易受雷區(qū)增大第一串絕緣子數(shù)，可提高這些關(guān)鍵部位的防雷等級(jí)；使用絕緣橫擔(dān)或者絕緣塔頭，增大第一串絕緣子的離地間隙，可有效降低耐雷水平；不同絕緣子的防雷參數(shù)，如最小電弧距離，直接影響了線(xiàn)路的抗雷能力[4]。根據(jù)仿真結(jié)果，在相同線(xiàn)路條件下，復(fù)合型懸式絕緣子使線(xiàn)路直擊跳閘率降至5.57%，較瓷絕緣子的3.23%略高，但對(duì)感應(yīng)雷起到更好防護(hù)，跳閘率只有14.2%。

3 10 kV配電網(wǎng)跳閘次數(shù)優(yōu)化方法

3.1 使用無(wú)人機(jī)巡檢

使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行線(xiàn)路巡檢相比傳統(tǒng)的人工巡視具有一系列優(yōu)勢(shì)。一是全天候快速巡檢，無(wú)人機(jī)可以不受天氣等條件因素的限制，進(jìn)行全天候巡線(xiàn)。通常，無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)需要2人操作，一人控制無(wú)人機(jī)飛行，另一人監(jiān)視并分析地面屏幕圖像。二是實(shí)時(shí)傳輸圖像，無(wú)人機(jī)可以搭載可見(jiàn)光或紅外熱像儀，實(shí)時(shí)傳輸圖像，以觀(guān)察線(xiàn)路狀況。如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題區(qū)段，無(wú)人機(jī)可以懸停細(xì)查或多次飛過(guò)以確定情況。三是紅外熱像儀檢測(cè)，紅外熱像儀可以檢測(cè)線(xiàn)路上的發(fā)熱點(diǎn)，尤其在清晨、黃昏或陰天時(shí)使用，圖像更為清晰。為了最大限度上減少逆光的影響，建議無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)時(shí)最好從側(cè)向?qū)Ь€(xiàn)飛行。此外，可以提前固定鏡頭角度，或通過(guò)無(wú)人機(jī)改變航線(xiàn)來(lái)進(jìn)行視角調(diào)整。還可以使用陀螺儀平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)瞄準(zhǔn)和穩(wěn)定成像，然后進(jìn)行線(xiàn)路的精確分析。四是優(yōu)化樹(shù)障管控，通過(guò)無(wú)人機(jī)巡視的高清可見(jiàn)光或紅外熱像，可以直觀(guān)地發(fā)現(xiàn)樹(shù)枝對(duì)線(xiàn)路的壓迫和潛在的短路隱患，從而指導(dǎo)科學(xué)修剪工作。無(wú)人機(jī)還可以監(jiān)測(cè)修剪后的樹(shù)木生長(zhǎng)情況，以確保線(xiàn)路的長(zhǎng)期可靠性。此外，無(wú)人機(jī)還可用于樹(shù)障預(yù)警，一旦無(wú)人機(jī)檢測(cè)到樹(shù)枝距離線(xiàn)路達(dá)到預(yù)設(shè)限值，就能夠迅速反饋給控制中心，實(shí)時(shí)掌握樹(shù)障的動(dòng)態(tài)情況，從而確保電力線(xiàn)路的安全運(yùn)行，使得無(wú)人機(jī)成為線(xiàn)路巡檢的高效工具。

3.2 應(yīng)用參數(shù)智能檢測(cè)裝置

參數(shù)智能檢測(cè)裝置能夠獲取線(xiàn)路的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并且結(jié)合線(xiàn)路歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算出線(xiàn)路瓶頸段、電壓參數(shù)以及電流參數(shù)，進(jìn)而得到該段線(xiàn)路的穩(wěn)態(tài)負(fù)載能力和瞬態(tài)過(guò)載能力。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)收集該區(qū)域近年來(lái)的新用戶(hù)增長(zhǎng)和用電量數(shù)據(jù)，結(jié)合本地經(jīng)濟(jì)發(fā)展預(yù)測(cè)，可以模擬計(jì)算未來(lái)3～5年該線(xiàn)路負(fù)載的增長(zhǎng)趨勢(shì)，形成以季度、月度、周等為周期的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，可以通過(guò)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型對(duì)未來(lái)3～5年的線(xiàn)路進(jìn)行改造。

3.3 提升自動(dòng)化水平

提升自動(dòng)化水平可以有效控制跳閘次數(shù)，具體措施如下：一是在主饋線(xiàn)路徑上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝自動(dòng)開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)主線(xiàn)路的分段控制；二是使用通信式保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)這些自動(dòng)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)逐步提高饋線(xiàn)自動(dòng)化覆蓋率，使其達(dá)到80%以上；三是取代常開(kāi)式斷路器，使用能夠自主判斷故障消除后的自動(dòng)復(fù)位斷路器，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)自我隔離、非故障區(qū)自動(dòng)復(fù)電，縮小跳閘范圍[5]；四是在線(xiàn)路設(shè)定多個(gè)自動(dòng)分段開(kāi)關(guān)，正常情況下開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，開(kāi)關(guān)能夠快速斷開(kāi)故障區(qū)域的兩端，避免全線(xiàn)停電；五是在線(xiàn)路中間位置設(shè)置無(wú)源監(jiān)測(cè)設(shè)備，采集電流、電壓等參數(shù)，通過(guò)有源通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

4 結(jié) 論

通過(guò)分析研究得出，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)是優(yōu)化10 kV配電網(wǎng)跳閘次數(shù)的重要手段，可以充分利用各種數(shù)據(jù)樣本建立合理的預(yù)測(cè)模型，指導(dǎo)跳閘治理。結(jié)合電氣幾何模型和雷擊跳閘率計(jì)算等，更直觀(guān)地闡述配電網(wǎng)跳閘的技術(shù)原理，提出了以強(qiáng)化線(xiàn)路巡檢、調(diào)整負(fù)載分布、提升自動(dòng)化水平等為核心的跳閘治理策略，運(yùn)用智能無(wú)人機(jī)、負(fù)載控制、自動(dòng)故障隔離等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)跳閘次數(shù)的有效控制，顯著提高供電可靠性。