CN102426305A - 电网雷害风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电网雷害风险评估方法，其采用需要进行评估的各条线路信息，通过计算机仿真计算得到各条线路的雷击跳闸率、雷击重合闸成功、重合失败但强送成功、重合失败且强送失败这三部分的概率值，并在此基础上采用计算机建立电网雷害分布自动评估系统，针对不同线路雷击跳闸后对电网供电和输电设备造成的损失进行量化评估，获得电网内多条线路的雷害风险评估结果。优点是，对电网内各线路的雷害风险评估基于电网雷害风险评估模型进行，以雷击跳闸率为基础，考虑雷击跳闸后对电网运行、输电设备造成的一系列损失进行综合评估，获得对电网内各线路雷害风险的评估结果，由于对多种因素的影响给以充分考虑，使得电网雷害风险评估结果真实可靠。

Description

电网雷害风险评估方法

技术领域

本发明涉及电网防雷技术领域，特别是电网雷害风险评估方法，其适用于电力系统中的高压电网、超高压电网及特高压电网的雷害风险评估。

背景技术

雷击灾害是十大自然灾害之一。长期以来，雷击故障一直是困扰电网安全供电的一个难题。近年来，随着我国电力系统快速发展，供用电系统的容量越来越大，网架越来越密，电压等级越来越高，输电线路的杆塔越来越高，与此同时面临的新情况新问题是，停电事故发生的机率相应增加，尤其是雷击所引起的线路停电事故日益增多，超高压电网的雷击事故也呈加剧之势。申请人根据收集到的有关电网雷害发生的信息经过分析研究后认为，随着电网系统容量的迅速增大，一旦遭受雷击引发事故，若处理不当很容易造成系统不稳定，情况严重时，会导致电网发生崩溃解裂，形成大面积停电的巨大恶性电网事故，给社会和人民带来难以估量的损失和后果。因此，为避免雷害造成的损失，必须对雷击所引起的线路停电事故进行有效的预防。当前，围绕着雷击前如何预防和尽量减小雷击损害，已成为电网安全运行必须考虑的重点问题，如何解决这个重点问题，据申请人所知，业内专业技术人员在这方面进行了一些有益的探索和研究，寻找对高压输电线路实施防雷保护的有效方法，就现时的高压输电线路的防雷保护情况而言，迫切需要一种能表示出电网雷害分布的、能指导高压输电线路“有的放矢”实施防雷保护的方法。申请人认为，能指导高压输电线路“有的放矢”实施防雷保护的方法，首先要解决的是如何对电网雷害风险进行正确而有效地评估这个问题。

通常，对电网雷害风险进行评估，有关雷害的一些重要信息和技术参数是进行评估的依据，如雷电活动情况、雷击跳闸率，电网线路结构、绝缘配置和防雷措施等。现在某些针对电网雷害风险进行评估的方法，对雷击跳闸率的关注度高，将其作为衡量电网雷害风险的指标，甚至是唯一指标。申请人在研究中发现，根据电网运行经验，虽然雷击引起的线路跳闸次数所占比例较高，但由于重合闸成功率较高，导致所占非计划停运比例比所占跳闸比例低。因此，将雷击跳闸率作为衡量电网雷害风险的唯一指标是不完全的。雷击跳闸率是能够有效反映电网雷害风险来源的特征参数，但由于雷击跳闸未必会造成中断供电等电力系统永久性故障的严重后果，因此将其直接作为风险评估指标并不准确。电网雷害风险评估需要综合考虑各条线路走廊的雷电活动情况、地形地貌特征、线路结构和绝缘配置、防雷措施等差异性评估雷击跳闸风险，并在此基础上系统的将雷击跳闸风险和电网运行的安全性、稳定性和损失性联系起来考虑，依据祥实的信息资料经过分析和研究来评估各条线路的雷害风险。

据申请人所知，现有的针对电网雷害风险评估方法有：

中国专利文献公开的《电网雷害分布确定方法》(申请号200810047398.9)，其主要特征在于，根据电网绝缘结构，即电网电压等级、输电线路构架、地形因素，将能引起输电线路绝缘子串发生闪络的危险雷电流幅值范围值作为判据，此判据分为反击危险电流和绕击危险电流判据，统计每个网格中雷电的电流幅值特性，剔除判据之外的数据，获得电网反击雷害分布和电网绕击雷害分布。该方法存在的不足之处是，只获取了可能引起线路跳闸的危险雷电流分布，而未将雷击跳闸与电网运行的安全性、稳定性和损失性联系起来考虑。

中国专利文献公开的《基于雷电参数统计的输电线路防雷性能评估方法》(申请号200810048399.5)，其包括以下步骤：(1)给定需要进行防雷性能评估的输电线路信息；(2)对给定输电线路进行指定时间段内的地闪密度、雷电流幅值概率分布统计；(3)计算以杆塔进行分段的输电线路各区段在指定时间段内的雷击跳闸率；(4)依据线路雷击跳闸率的设计值、规定值或运行经验值设定参考值，根据(3)的结果对输电线路防雷性能在时空上的差异性进行评估。该方法虽考虑了雷电活动、地形地貌、杆塔结构和绝缘配置的差异性对于线路防雷性能的影响，也能够较好地评估线路的雷击跳闸风险，但存在的不足之处是，未考虑雷击跳闸后续过程对电网造成的风险。

申请人在如何有效预防电网雷害风险的研究中发现，影响电网雷害风险的主要因素应包括雷击跳闸率、雷击重合闸率、手动强送成功率、供电可靠性、设备损害性、线路运行时间和线路重要性等级。目前，通常采用的做法是，仅以雷击跳闸率作为评估电网雷害风险的指标，认为雷击跳闸率较高的线路，其雷害风险也相应较高。申请人认为，由于雷击跳闸为电力系统中的瞬时性故障，在发生雷击，出现跳闸现象后，通常碰到的情况是，雷击重合闸成功率较高，雷击跳闸转变为永久性故障的可能性较低，在重合闸成功情况下因雷击跳闸造成的雷害损失并不十分严重。因此，将雷击跳闸率作为唯一衡量电网雷害风险的指标是不完全的，需要考虑雷击跳闸后对电网运行、输变电设备造成的一系列损失进行综合评估，从而得到更加全面细致的电网雷害风险评估结果。电网雷害风险评估应该探索和研究一种以计算机及信息系统为平台的自动化评估技术。该技术应该能够综合考虑各条线路走廊的雷电活动情况、地形地貌特征、线路结构和绝缘配置、防雷措施等差异性评估雷击跳闸风险，并在此基础上细致考虑雷击重合闸率、手动强送成功率、供电可靠性、设备损害性、线路运行时间和线路重要性等级等主要因素对电网雷害风险的影响。

发明内容

本发明的目的是，针对现有技术存在的问题，尤其是现有的电网雷害风险评估中的不足，进行研究和改进，提出电网雷害风险评估方法。具体的说，本发明是一种生成电网雷害分布的计算机自动评估技术，能够综合考虑雷击跳闸率及雷击跳闸后续过程对电网运行和输变电设备可能造成的影响，适用于对电网内多条线路的雷害风险评估。

本发明的技术解决方案是：采用电网内各条线路基本信息、线路雷电活动特征、线路地理信息、线路结构特征、线路绝缘特征，进行雷害风险评估，其特征在于，通过计算机仿真计算得到各条线路的雷击跳闸率，雷击重合闸成功、重合失败但强送成功、重合失败且强送失败这三部分的概率值；运用电网雷害风险评估模型，采用计算机建立电网雷害分布自动评估系统，针对不同线路雷击跳闸后对电网供电和输电设备造成的损失进行量化评估，获得电网内多条线路的雷害风险评估数据；根据电网雷害分布自动评估系统计算得到能够初步反映各条线路风险高低的电网雷害风险评估初值；考虑雷电活动随机性，引入电网实际雷击故障数据，采用电网雷害分布自动评估系统再次评估并校核风险评估初值；再以风险评估初值经过实际运行数据校核，将经过校核后的评估结果作为电网雷害风险评估结果，其基本步骤如下：

(1)综合确定电网内各条线路的雷电活动特征、线路地理信息、线路结构特征、线路绝缘特征，采用计算机进行防雷仿真计算得到各条线路的雷击跳闸率；

(2)根据各条线路的雷击跳闸率、雷击重合闸成功率和手动强送成功率，通过计算机程序计算得到各条线路雷击重合闸成功、重合失败但强送成功、重合失败且强送失败这三部分的概率值；

(3)采用计算机建立电网雷害分布自动评估系统，针对不同线路雷击跳闸后对电网供电和输电设备造成的损失进行量化评估，采用计算机建立层次结构模型，运用层次结构模型的计算程序，该层次结构模型的计算程序能够根据风险类别自动选择相应的评价准则；其中，雷击重合闸成功的风险只需考虑线路重要性等级、线路运行时间和设备损害性的影响，而重合失败下的两部分风险都需考虑供电可靠性、线路重要性等级、线路运行时间和设备损害性的共同影响；

(4)将评估参数输入层次结构模型的计算程序，采用计算机自动完成评估计算，获得三种风险各自的评价权重向量，它们是能够反映各条线路的雷击重合闸成功、重合失败但强送成功和重合失败且强送失败三种风险的三个权重向量；

(5)采用计算机对步骤(4)得到的三种风险的权重向量和步骤(2)得到的各条线路对应三种风险的概率值分别进行相乘，再考虑三种风险对雷害风险的的影响程度——重合闸成功＜重合闸失败但强送成功＜重合闸失败且强送失败，进行加权求和；

(6)对获得电网内多条线路的雷害风险评估数据校核：首先将评估参数统计值输入计算机进行上述步骤(1)～(5)的计算，得到风险评估初值；在此基础上，考虑雷电活动的随机性，引入各条线路实际雷击跳闸率、重合闸成功率、强送成功率及实际故障数据输入计算机进行步骤(2)～(5)的计算，得到基于实际故障数据的风险评估值；最后，电网雷害分布自动评估系统能够根据不同线路运行时间的差异自动调整权重，将两组评估值叠加得到最终的风险评估结果。

其特征在于，电网雷害分布自动评估系统能够自动完成层次结构模型建立、单一种类风险评估和多种风险加权求和。

其特征在于，电网雷害风险评估结果是考虑雷击跳闸后续过程对供电和输电设备的损害得到的。

其特征在于，电网雷害风险评估结果能够反映电网内各条线路的雷害风险差异性。

本发明的优点是，对电网内各线路的雷害风险评估是基于电网雷害风险评估模型进行，其以雷击跳闸率作为基础，考虑雷击跳闸后对电网运行、输电设备造成的一系列损失进行综合评估，从而获得对电网内各线路雷害风险的评估结果，由于对多种因素的影响给以充分的考虑，使得最终的电网雷害风险评估结果更加真实可靠，本发明带来的积极效果是，进一步完善了电网雷害风险评估体系。本发明的推广应用，将会有效的帮助电网设计和运行部门，掌握电网内各线路防雷性能存在的差异，找出电网防雷薄弱点，更加科学的、有针对性的采取防雷措施来提高现有电网防雷性能，更加精细化的管理电网。

附图说明

图1、本发明的流程图

图2、本发明采用的电网雷害风险评估整体方案示意图

图3、本发明采用的电网雷害风险评估模型图

具体实施方式

下面，结合附图对本发明的实施例作进一步的描述。

如图1、图2和图3所示，本发明采用电网内各条线路基本信息、线路雷电活动特征、线路地理信息、线路结构特征、线路绝缘特征进行雷害风险评估，采用防雷计算程序，通过计算机仿真计算得到各条线路的雷击跳闸率，雷击重合闸成功、重合失败但强送成功、重合失败且强送失败这三部分的概率值；运用电网雷害风险评估模型，电网雷害风险评估模型包括目标层、准则层和方案层三部分，其中，目标层涵盖电网雷害风险，准则层包括供电可靠性、运行时间、重要性等级、设备损害性，非计划停电时间、损失负荷、导地线烧坏、绝缘子损坏、接地引下线烧坏，方案层包括线路1、线路1、…线路n；采用计算机建立电网雷害分布自动评估系统，针对不同线路雷击跳闸后对电网供电和输电设备造成的损失进行量化评估，获得电网内多条线路的雷害风险评估数据。结合不同线路雷击重合闸成功率和强送成功率的统计值、以及各种输电设备(包括绝缘子、导线、地线、接地引下线等)的雷击平均故障率、不同线路的运行时间、重要性等级等信息资料，根据电网雷害分布自动评估系统计算得到能够初步反映各条线路风险高低的电网雷害风险评估初值；考虑雷电活动随机性，引入电网实际雷击故障数据采用电网雷害分布自动评估系统再次评估并校核风险评估初值；最终，以风险评估初值经过实际运行数据校核后的评估结果作为电网雷害风险评估结果。基本步骤包括：

(1)综合确定电网内各条线路的雷电活动特征、线路地理信息、线路结构特征、线路绝缘特征，采用计算机进行防雷仿真计算得到各条线路的雷击跳闸率；

(2)根据各条线路的雷击跳闸率、雷击重合闸成功率和手动强送成功率通过计算机程序计算得到各条线路雷击重合闸成功、重合失败但强送成功、重合失败且强送失败这三部分的概率值；

(3)采用计算机建立电网雷害分布自动评估系统，针对不同线路雷击跳闸后对电网供电和输电设备造成的损失进行量化评估，采用计算机建立层次结构模型，运用层次结构模型的计算程序，要求该层次结构模型的计算程序能够根据风险类别自动选择相应的评价准则；其中，雷击重合闸成功的风险只需考虑线路重要性等级、线路运行时间和设备损害性的影响，而重合失败下的两部分风险都需考虑供电可靠性、线路重要性等级、线路运行时间和设备损害性的共同影响；

(4)将评估参数输入层次结构模型的计算程序，采用计算机自动完成评估计算，获得三种风险各自的评价权重向量，它们是能够反映各条线路的雷击重合闸成功、重合失败但强送成功和重合失败且强送失败三种风险的三个权重向量；

(5)采用计算机对步骤(4)得到的三种风险的权重向量和步骤(2)得到的各条线路对应三种风险的概率值分别进行相乘，再考虑三种风险对雷害风险的的影响程度——重合闸成功＜重合闸失败但强送成功＜重合闸失败且强送失败进行加权求和；

(6)对获得电网内多条线路的雷害风险评估数据校核：首先将评估参数统计值输入计算机进行上述步骤(1)～(5)的计算，得到风险评估初值；在此基础上，考虑雷电活动的随机性，引入各条线路实际雷击跳闸率、重合闸成功率、强送成功率及实际故障数据输入计算机进行步骤(2)～(5)的计算，得到基于实际故障数据的风险评估值；最后，电网雷害分布自动评估系统能够根据不同线路运行时间的差异自动调整权重，将两组评估值叠加得到最终的风险评估结果。

电网雷害风险评估模型包括目标层、准则层和方案层三部分，其中，

本发明不同于以往仅依靠雷击跳闸率这个参数特征评价雷害风险的传统方法；电网雷害分布自动评估系统是根据层次结构模型提出的；评估结果是考虑雷击跳闸后续过程对供电和输电设备的损害得到的。

本发明实施的基本要求是，获得的评估结果能够反映电网内各条线路的雷害风险差异性。

本发明在实施中，针对需要进行雷害风险评估的区域电网，具体采用以下步骤：

(1)各条输电线路雷击跳闸率计算

给定需要进行电网雷害风险评估的各线路信息，包括线路基本信息、线路地形地貌信息(依据线路各杆塔的经纬度坐标运用三维GIS全扫描提取)、线路结构特征信息(杆塔、导线、地线的结构和几何尺寸)、线路绝缘特征信息(绝缘子串干弧距离、杆塔接地电阻)、线路雷电特征参数信息(运用雷电参数统计分析软件获取的地闪密度分布、雷电流幅值累积概率分布)。基于上述线路信息，采用防雷仿真计算程序进行逐个杆塔雷击跳闸率计算，得到各个杆塔的雷击跳闸率计算值；将整条线路各个杆塔的雷击跳闸率计算值加权平均求得线路雷击跳闸率值。

(2)电网雷害风险评估参数录入

输入电网内各条输电线路的雷击跳闸率计算值，雷击重合闸成功率、强送成功率、非计划停运时间统计值，额定负荷，绝缘子、导线、地线的型号和单价等；输入各条线路的实际雷击故障数据，包括每次雷击故障的故障时间，故障杆塔号，重合闸是否成功，强送是否成功，非计划停运时间，损失负荷，导线、地线损坏长度和型号，绝缘子损坏数量和型号等。

(3)电网雷害风险评估三部分风险划分

以雷击跳闸率为基础，结合雷击重合闸成功率和强送成功率，采用计算程序计算得到雷击重合闸成功、重合失败但强送成功和重合失败且强送失败这三部分的概率值，其中计算风险评估初值时采用雷击跳闸率计算值和统计参数，进行评估结果校核时采用实际故障数据。

(4)基于电网雷害分布自动评估系统分别评估三部分风险

如图3所示，当评估雷击重合闸成功的风险时，只考虑运行时间、重要性等级和设备损害性的影响，通过改进层次分析法计算程序求得各条线路对于雷击重合成功风险的权重向量Rs；当评估雷击重合不成功的风险时，需考虑供电可靠性、运行时间、重要性等级和设备损害性的影响，通过改进层次分析法计算程序分别求得各条线路对于重合失败但强送成功、重合失败且强送失败的权重向量Rc、Rq。

以求解雷击重合成功风险的权重向量Rs为例进行说明：

①采用三标度法求出各线路运行时间、重要性等级和设备损害对应的比较矩阵；

②依据改进层次分析法计算程序求得各线路对运行时间、重要性等级和设备损害的权重向量W22、W23、W24；

③依据改进层次分析法计算程序求得运行时间、重要性等级和设备损害这三个因素对于雷害风险的影响权重W1；

④最后按下式自上而下将各层权重向量进行合成得到各线路对于雷击重合成功风险的权重向量Rs。

Rs＝[W22 W23 W24]*W1

(5)三部分风险的权重向量加权求和

考虑三种风险对雷害风险的的影响程度(重合闸成功＜重合闸失败但强送成功＜重合闸失败且强送失败)不同，采用改进层次分析法计算程序求得三部分风险对于雷害风险的权重向量W2，结合步骤(4)求得的三部分风险的权重向量Rs、Rc、Rq，加权求和可以得到各线路对于雷害风险的权重向量。

(6)采用实际雷击故障数据校核风险评估初值

首先采用电网内各条线路的雷击跳闸率计算值和统计参数进行上述(1)～(5)的计算，得到风险评估初值；在此基础上，考虑雷电活动的随机性，引入各条线路实际雷击跳闸率、重合闸成功率、强送成功率及实际故障数据进行步骤(2)～(5)的计算，得到基于实际故障数据的风险评估值；最后，电网雷害分布自动评估系统能够根据不同线路运行时间的差异自动调整权重，将两组评估值叠加得到最终的风险评估结果。

本发明采用的方法不同于以往仅依靠雷击跳闸率评价雷害风险的传统方法；电网雷害分布自动评估系统能够自动完成层次结构模型建立、单一种类风险评估和多种风险加权求和；评估结果是考虑雷击跳闸后续过程对供电和输电设备的损害得到的。电网雷害风险评估层次结构模型包括电网雷害风险评估模型和层次结构模型，电网雷害风险评估模型以层次结构模型为基础。

作为一个例子，本发明针对某地区15条500kV输电线路进行电网雷害风险评估。

为了验证本发明提出的电网雷害风险评估方法的准确性，在采用本例进行分析时，申请人将评估时间分别设定为2008年和2010年，即采用截止2008年和2010年的实际运行数据校核风险评估初值分别得到截至2008年和2010年的风险评估结果。然后，从两方面验证评估结果的准确性：

(1)根据2009、2010年的实际雷击故障情况进行验证：雷击故障是否集中在截至2008年的评估结果中风险评估等级较高的线路；

(2)采用截止2010年的实际运行数据进行电网雷害风险评估，比较截止2008年的评估结果与截止2010年的评估结果是否吻合。如果吻合程度较好，说明评估结果具有较高的可信性，否则说明评估方法不能很好的评价雷害风险。

表1为某地区500kV电网2008年与2010年雷害风险评估结果比较。

2009年和2010年，15条线路共计发生18次雷击跳闸，其中14次发生在2008年评估结果中风险等级较高的前7条线路，占故障总数的77.8％。可见，雷击故障绝大部分集中在风险等级较高的线路中。

另一方面，2008年的评估结果与2010年的评估结果相比，风险等级最高的7条线路未发生任何变化，仅在风险排序上发生变化，表明两年的评估结果吻合程度较好，本发明提出的评估方法能够较好的评价雷害风险。在考虑雷电分散性的条件下，评估结果能够反映区域电网雷害风险的一般规律。

表1某地区500kV电网2008年与2010年雷害风险评估结果比较

Claims (4)

1.电网雷害风险评估方法，采用电网内各条线路基本信息、线路雷电活动特征、线路地理信息、线路结构特征、线路绝缘特征，进行雷害风险评估，其特征在于，通过计算机仿真计算得到各条线路的雷击跳闸率，雷击重合闸成功、重合失败但强送成功、重合失败且强送失败这三部分的概率值；运用电网雷害风险评估模型，采用计算机建立电网雷害分布自动评估系统，针对不同线路雷击跳闸后对电网供电和输电设备造成的损失进行量化评估，获得电网内多条线路的雷害风险评估数据；根据电网雷害分布自动评估系统计算得到能够初步反映各条线路风险高低的电网雷害风险评估初值；考虑雷电活动随机性，引入电网实际雷击故障数据，采用电网雷害分布自动评估系统再次评估并校核风险评估初值；再以风险评估初值经过实际运行数据校核，将经过校核后的评估结果作为电网雷害风险评估结果，其基本步骤如下：

(1)综合确定电网内各条线路的雷电活动特征、线路地理信息、线路结构特征、线路绝缘特征，采用计算机进行防雷仿真计算得到各条线路的雷击跳闸率；

(2)根据各条线路的雷击跳闸率、雷击重合闸成功率和手动强送成功率，通过计算机程序计算得到各条线路雷击重合闸成功、重合失败但强送成功、重合失败且强送失败这三部分的概率值；

(3)采用计算机建立电网雷害分布自动评估系统，针对不同线路雷击跳闸后对电网供电和输电设备造成的损失进行量化评估，采用计算机建立层次结构模型，运用层次结构模型的计算程序，该层次结构模型的计算程序能够根据风险类别自动选择相应的评价准则；其中，雷击重合闸成功的风险只需考虑线路重要性等级、线路运行时间和设备损害性的影响，而重合失败下的两部分风险都需考虑供电可靠性、线路重要性等级、线路运行时间和设备损害性的共同影响；

(4)将评估参数输入层次结构模型的计算程序，采用计算机自动完成评估计算，获得三种风险各自的评价权重向量，它们是能够反映各条线路的雷击重合闸成功、重合失败但强送成功和重合失败且强送失败三种风险的三个权重向量；

(5)采用计算机对步骤(4)得到的三种风险的权重向量和步骤(2)得到的各条线路对应三种风险的概率值分别进行相乘，再考虑三种风险对雷害风险的的影响程度——重合闸成功＜重合闸失败但强送成功＜重合闸失败且强送失败，进行加权求和；

(6)对获得电网内多条线路的雷害风险评估数据校核：首先将评估参数统计值输入计算机进行上述步骤(1)～(5)的计算，得到风险评估初值；在此基础上，考虑雷电活动的随机性，引入各条线路实际雷击跳闸率、重合闸成功率、强送成功率及实际故障数据输入计算机进行步骤(2)～(5)的计算，得到基于实际故障数据的风险评估值；最后，电网雷害分布自动评估系统能够根据不同线路运行时间的差异自动调整权重，将两组评估值叠加得到最终的风险评估结果。

2.根据权利要求1所述的电网雷害风险评估方法，其特征在于，电网雷害分布自动评估系统能够自动完成层次结构模型建立、单一种类风险评估和多种风险加权求和。

3.根据权利要求1所述的电网雷害风险评估方法，其特征在于，电网雷害风险评估结果是考虑雷击跳闸后续过程对供电和输电设备的损害得到的。

4.根据权利要求1所述的电网雷害风险评估方法，其特征在于，电网雷害风险评估结果能够反映电网内各条线路的雷害风险差异性。

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