CN105160412A - 一种评估输电线路山火故障跳闸概率的方法 - Google Patents

Abstract

一种评估输电线路山火故障跳闸概率的方法，所述方法采用宏观气象条件、地理条件、日期易获得数据作为输入量，并采用山火发生概率模型、山火条件下输电线路故障模型、山火的蔓延模型预测输电线路山火故障跳闸概率或者在山火发生后计算线路故障跳闸概率，以及分析周边火源点对线路山火故障影响程度；从而实现对输电线路山火故障跳闸概率评估，绘制山火风险区域等级分布图，制定输电线路山火故障预案和防灾减灾措施；使用模糊综合评判法对输电线路途经区域的山火发生概率<i>P</i>(<i>A</i>)进行评判。本发明主要用于输电线路山火故障跳闸的风险评估，制定输电线路山火故障预案和防灾减灾措施。

Description

一种评估输电线路山火故障跳闸概率的方法

技术领域

本发明涉及一种评估输电线路山火故障跳闸概率的方法，属输电线路在线监测和故障风险评估技术领域。

背景技术

途经山岭地带的输电线路极易受到山火等自然灾害的威胁。山火发生时的造成输电线路故障跳闸的原因主要是火焰温度、火焰导电率以及灰烬和烟雾导致间隙绝缘水平下降，发生气隙击穿闪络。近年来，输电走廊发生山火造成的输电线路故障停运事件有逐年增多的趋势。建立评估输电线路山火故障跳闸概率的评估方法对降低山火灾害的损失具有重要意义。

目前，输电线路的山火故障研究主要是预报未来的山火等级，或者用设备监测或人工巡线的方法找寻是否有山火发生，确定火源点附近的输电线路，并通知调度部门决策是否采取停电停运等措施避免线路跳闸故障。具体包括如下几个方面：

(1)监测山火是否发生并发出预警的技术。通过大范围的卫星遥感技术或者小范围安装的传感器、摄像机等元件监测山火是否发生，并向运行管理人员发出预警信号。该方法的基本思路是在山火发生后提醒运行人员做出预防或减小电网停电损失的措施。

(2)监测山地输电走廊的气象条件预测可能发生的山火等级。该方法应用气象预报的结果评估输电走廊的山火等级，便于电网做出预防输电线路山火跳闸的预案。

可见目前对输电线路山火故障的研究缺乏综合评估输电线路山火故障跳闸概率的方法，因此制定防灾减灾预案和灾后处理措施的依据是定性的，而不是定量的。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，以提高电网安全运行水平为目标，本发明提供了一种输电线路山火故障跳闸概率的评估方法，用于输电线路山火故障跳闸概率评估，制定输电线路山火故障预案和防灾减灾措施。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种输电线路山火故障跳闸概率评估的方法，所述方法采用宏观气象条件、地理条件、日期易获得数据作为输入量，并采用山火发生概率模型、山火条件下输电线路故障模型、山火的蔓延模型预测输电线路山火故障跳闸概率或者在山火发生后计算线路故障跳闸概率，以及分析周边火源点对线路山火故障影响程度；使用模糊综合评判法对输电线路途经区域的山火发生概率P(A)进行评判，从而实现对输电线路山火故障跳闸概率评估，绘制山火风险区域等级分布图，制定输电线路山火故障预案和防灾减灾措施。

所述一种输电线路山火故障跳闸概率评估的方法是：将所计算的某段输电线路划分成为多个等分，假定每个等分的山火故障概率为P_li，则输电线路的山火故障跳闸概率评估公式是：

$P_f=1-\stackrel{n}{\mathrm{\&Pi;}}(1-P_{li})---\left(1\right)$

所述将所计算的某段输电线路划分成为多个等分，若计算山火已发生时的情况，则对山火附近将要影响到的线路按照地形精度划分；若计算山火未发生时的情况，则按照微气象条件差异划分。

所述输电线路的山火故障跳闸概率P_f中n的计算方法是：山火已发生时，采用山火蔓延模型和算法计算线路周围某个火源点起火后一定时间t内火势蔓延的情况，记录输电线路被火场覆盖的n段。山火未发生时，按照微气象条件差异划分为n段。

所述输电线路的山火故障跳闸概率评估公式中的P_li是指第i等份的输电线路段的山火故障概率，其计算公式是：

P_li＝P_i(A)×P_i(B|A)(2)

式中，P_i(A)为输电线路走廊山火发生概率；P_i(B|A)为山火条件下输电线路故障概率。

若计算山火已发生时的情况，则对山火附近将要影响到的线路按照地形精度划分；若计算山火未发生时的情况，则对输电线路按照微气象条件差异划分为几个较长线段，取线段中按照地形精度划分时的最大值作为改线段的P_i(B|A)。

所述输电线路走廊山火发生概率P_i(A)是指输电线路第i等份走廊附近不同火源点起火并蔓延至输电线路走廊的概率。其计算方法是：

1.若山火未发生，先将火险评判等级划分为5级。

表1火险等级划分

火险等级	危险程度	易燃程度	区域林火概率
				1级	没有危险	不能燃烧	小于1.41％
2级	低度危险	难以燃烧	1.41％～2.82％
				3级	中度危险	可以燃烧	2.82％～5.65％
4级	高度危险	容易燃烧	5.65％～11.31％
				5级	极度危险	极易燃烧	大于11.31％

利用输电线路途经区域的每日降水量R、日最高温度T、日最小空气相对湿度H、日平均风速W、人为因子K等量，根据火险评判等级与因子量值是正相关还是负相关，继而选择戒下型或戒上型隶属函数原型式来表征各因子与决策判别量之间的隶属关系：

$f=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{1+{\left(a\right(c-x\left)\right)}^b},& x<c\\ 1,& x\&GreaterEqual;c\end{array}\right.---\left(3\right)$

$f=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{1+{\left(a\right(c-x\left)\right)}^b},& x>c\\ 1,& x\&le;c\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中：x为X中R,T,H,W,K各因子的测量值或预测值，分别用r,t,h,w,k表示，f为对应的隶属函数原型式；a，b，c为待定系数。对收集的各因子测量数据做归一化处理，并求解待定系数a，b，c。将各因子对火险决策判别集的隶属度记作：

M＝[M₁M₂M₃M₄M₅](5)

其中：M_i＝(R_i,T_i,H_i,W_i,K_i)^T，表示各因子对第i级火险等级的隶属度。M可以根据各自对应的原型式f在表1中每个火险等级相应的区域林火概率的最大值和最小值为关键截域来计算隶属函数R_i、T_i、H_i、W_i、K_i。并采用专家打分法制定降水量R、空气温度T、空气相对湿度H、风速W、人为因子K等影响因子的权重A＝(a_R,a_T,a_H,a_W,a_K)，其中a_R,a_T,a_H,a_W,a_K分别为R,T,H,W,K各因子的权重。则对五个火险等级的隶属度为：

B＝[b₁b₂b₃b₄b₅]＝A×M(6)

其中：b_i＝a_R×R_i+a_T×T_i+a_H×H_i+a_W×W_i+a_K×K_i，i＝1，2，3，4，5。按照最大隶属度原则选定为哪一级火险，继而可以根据表1得到该区域内发生山火概率P(A)。

2、若山火已发生，可以采用山火蔓延模型和算法计算着火后一定时间t内所形成的火场形状和覆盖情况。认为线路被山火覆盖的部分P_i(A)＝1，线路上距离火场超过火源点到线路距离l的部分P_i(A)＝P(A)，介于两者之间的部分认为其P_i(A)按照线性变化。

所述山火条件下输电线路故障概率P_i(B|A)是指在输电走廊发生山火的条件下输电线路故障概率。其计算方法是：在山火条件下，输电线路击穿概率接近正态分布。

$P\left(U\right)=\frac{1}{0.04\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}{U}_{50}^{\&prime;}}{\&Integral;}_{-\mathrm{\&infin;}}^U{e}^{-\frac{{(x-U_{50}^{\&prime;})}^2}{0.0032{U_{50}^{\&prime;}}^2}}dx---\left(7\right)$

式中U为实际电压，U'₅₀＝K_dK_hK_rU₅₀为山火条件下工频击穿电压。正常情况下的工频击穿电压U₅₀采用查表法得到。其中K_d为空气密度校正系数，K_h为空气湿度校正系数。K_r为空气浓烟校正系数。K_d，K_h，K_r为校正山火发生时，空气温度、湿度、密度变化以及浓烟对U₅₀的影响。系数K_d和空气相对密度δ相关：

K_d＝δ^m(8)

空气湿度校正系数K_h为：

K_h＝K^W(9)

式(8)～(9)中的指数m，W及系数K的具体取值可参考国家标准。山火中浓烟使击穿电压最多可以下降到原来的10％。因此这里令K_r等于1/10，即：

$K_r=\frac{1}{10}---\left(10\right)$

所述一种输电线路山火故障风险评估的方法中山火蔓延模型的建立方法是：采取参考文献中毛贤敏等人修正后的王正非林火模型。

$R=R_0{K}_s{e}^{0.1783vcos\mathrm{\&theta;}}\&times;e^{3.533{\left(tg\mathrm{\&phi;}\right)}^{1.2}}---\left(11\right)$

R＝R₀K_se^{0.1783vcos(θ+90°)}(13)

R＝R₀K_se^{0.1783vcos(θ-90°)}(14)

式(11)～式(15)分别为上坡、下坡、左平坡、右平坡、风方向的蔓延速度表达式。式中，R₀是初始蔓延速度；K_s表示可燃物配置格局更正系数；K_w表示风力更正系数；K_φ表示地形坡度更正系数，φ表示地形坡度角，θ为上坡方向按顺时针转到风向时，所旋转的角度。

所述一种输电线路山火故障风险评估的方法中山火蔓延模型的算法采用边界插值算法。

本发明涉及的基本原理是：输电线路走廊山火发生概率P_i(A)与线路途经区域的气象条件相关，根据历史火灾发生情况和线路故障信息，选择影响山火发生的各个因素如每日降水量、空气温度、空气相对湿度、风速风向等。考虑到火灾多为农民、百姓在农耕烧荒，节日祭祖时引发，因此引入人为因子K作为衡量人类行为对山火的干扰。上述因子的预报皆有模糊性和不准确性，故选择使用模糊综合评判的方法对山火概率进行预报。采用模糊综合判别法时若某事物受多个因素影响时，可以用权重代表每个因素对事物判别重要程度的差别，做出合理的综合判别。所以可以用公式B＝[b₁b₂b₃b₄b₅]＝A×M计算山火等级，得到山火发生概率。

输电线路山火条件下的故障概率P_i(B|A)与山火发生时输电线路气隙的绝缘水平有关。造成输电线路山火故障跳闸的原因主要是火焰引起的温度、导电率的改变以及灰烬和烟雾导致间隙绝缘水平下降，从而发生气隙击穿闪络。线路运行情况正常时不会发生击穿。但是山火发生时，空气温度剧烈升高，大气湿度、密度也必然随之变化，由此引入K_d、K_h校正击穿电压。除了大气条件的改变之外，山火燃烧植被将产生大量浓烟，包含大量飞灰，炭黑以及灰烬和木屑等长条状、大尺寸颗粒。在火焰条件下和正常空气中，颗粒触发放电的特性具有明显区别，在山火中浓烟触发间隙放电具有倍增效应，使得气隙的绝缘强度发生剧烈下降，击穿电压最多可以下降到原来的10％。所以引入系数K_r。考虑到山地植被情况复杂，而不同植被，不同风速、风向都将影响浓烟对U₅₀的影响程度令K_r等于1/10。

输电线路的山火故障跳闸概率P_f与山火蔓延覆盖的输电线路长度有关。覆盖的长度越长则故障跳闸的概率越大，只要有一点发生击穿闪络则整条线路故障跳闸，因此将整条线路的山火跳闸概率表示为

采用所述一种输电线路山火故障风险评估的方法，具有这些显著优点和有益效果：

(1)相比于现有方案，本发明采用从宏观地理、气象条件判断输电线路走廊是否火灾，并进行输电线路的山火故障概率计算，预报线路出现山火故障的高危部分，并可以和地图叠加可视化显示。可以针对输电线路故障高风险部分采取相应措施，提高线路抗山火水平。因此更加有利于预报输电线路运行山火故障隐患，提高输电线路运行安全水平。

(2)相比于现有方案，本发明可以计算着火后火势的蔓延覆盖情况，以及线路是否受到影响或即将被山火覆盖的故障集中区域以及输电线路山火跳闸概率的变化。有利于确定火势的重点扑救区域，可以用来计划线路是否合理停运，规避故障风险和降低故障所带来的经济损失。

(3)相比于现有方案，本发明可以绘制山火风险区域等级分布图，得到对线路故障有较高风险的火源点分布区域。这对加强防火宣传和线路巡视，针对性清理线路下方可燃物，制造差异化、科学有效的防火道和隔离带有重要作用。

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本发明的实施情况,但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

本发明用于评估一定气象条件下输电线路山火跳闸风险等级，用于制定山火跳闸等级分布图和山火预案。根据天气预报，或监测到的微气象条件获得实时或未来评估日的输电线路途经地区地理条件、气象条件。分别将日降水量、日最高气温、日最小相对湿度、日平均风速、日期作为输入量，计算各自对火险等级的隶属度R_i、T_i、H_i、W_i、K_i。将各因子乘以相应的权重得到对各个火险等级的隶属度为B＝[b₁b₂b₃b₄b₅]＝A×M。按最大隶属度原则确定为哪一级火险，取相应火险等级下的火灾发生概率作为线路途经区域的山火发生概率P(A)。将输电线路分为长度相等的n段，按照山火条件下输电线路故障模型，计算空气密度校正系数K_d，空气湿度校正系数K_h，空气浓烟校正系数K_r，得山火条件下工频击穿电压U'₅₀＝K_dK_hK_rU₅₀。代入式(7)得到线路下方处于山火条件下时每一段的最大击穿故障概率P_i(B|A)。根据P_li＝P_i(A)×P_i(B|A)计算输电线路山火故障跳闸概率，其分布可以用于绘制山火跳闸等级分布图。

本发明用于火灾发生后不同时间输电线路山火跳闸概率的变化，用于指导抗灾行动。发现着火点之后，根据实时的气象条件和地理条件，按照山火蔓延模型和算法计算该点着火后一定时间t内所形成的火场形状和覆盖情况，记录火场所覆盖住的线路部分。根据天气预报，或监测到的微气象条件获得实时或未来评估日的输电线路途经地区地理条件、气象条件。分别将日降水量R、日最高气温T、日最小相对湿度H、日平均风速W、认为因子K作为输入量，计算各自对火险等级的隶属度R_i、T_i、H_i、W_i、K_i。将各因子乘以相应的权重得到对各个火险等级的隶属度为B＝[b₁b₂b₃b₄b₅]＝A×M。按最大隶属度原则确定为哪一级火险，取相应火险等级下的火灾发生概率作为线路途经区域的山火发生概率P(A)。将山火要影响到的线路分为n段，计算P_i(A)。按照山火条件下输电线路故障模型，计算空气密度校正系数K_d，空气湿度校正系数K_h，空气浓烟校正系数K_r，得山火条件下工频击穿电压U'₅₀＝K_dK_hK_rU₅₀。代入式(7)得到每一段的击穿故障概率P_i(B|A)。根据P_li＝P_i(A)×P_i(B|A)计算输电线路山火故障跳闸概率。按照计算P_f作为输电线路山火跳闸概率。发出相应的预警信号，为制定火势扑救方案和是否停运线路规避输电线路故障跳闸风险提供参考。

本发明用于山火风险区域等级分布图的制定方法是，假定线路途经区域的某点着火，按照山火的蔓延模型和算法计算该点着火后一定时间t内所形成的火场形状和覆盖情况，记录火场所覆盖住的线路部分，设有n段被火场覆盖，计算P_f作为火源点故障风险指标表征该火源点起火对线路故障的影响程度大小；P_f越大，表示该火源点起火之后，输电线路山火故障跳闸的概率越大。根据天气预报，或监测到的微气象条件获得实时或未来评估日的输电线路途经地区地理条件、气象条件。分别将日降水量R、日最高气温T、日最小相对湿度H、日平均风速W、认为因子K作为输入量，计算各自对火险等级的隶属度R_i、T_i、H_i、W_i、K_i。将各因子乘以相应的权重得到对各个火险等级的隶属度为B＝[b₁b₂b₃b₄b₅]＝A×M。按最大隶属度原则确定为哪一级火险，取相应火险等级下的火灾发生概率作为线路途经区域的山火发生概率P(A)。按照山火条件下输电线路故障模型，计算空气密度校正系数K_d，空气湿度校正系数K_h，空气浓烟校正系数K_r，得山火条件下工频击穿电压U'₅₀＝K_dK_hK_rU₅₀。代入式(7)得到每一段的击穿故障概率P_i(B|A)。根据P_li＝P_i(A)×P_i(B|A)计算输电线路山火故障跳闸概率。按照计算P_f作为该火源点起火对线路发生山火故障的影响程度大小。对线路途经区域的每一个火源点重复上述计算，即可得到P_f的分布，用以绘制山火风险区域等级分布图。为针对性清理线路下可燃物，制造差异化、科学有效的防火道和隔离带提供参考。

Claims (5)

1.一种评估输电线路山火故障跳闸概率的方法，其特征是：所述方法采用宏观气象条件、地理条件、日期易获得数据作为输入量，并采用山火发生概率模型、山火条件下输电线路故障模型、山火的蔓延模型预测输电线路山火故障跳闸概率或者在山火发生后计算线路故障跳闸概率，以及分析周边火源点对线路山火故障影响程度；使用模糊综合评判法对输电线路途经区域的山火发生概率P(A)进行评判，从而实现对输电线路山火故障跳闸概率评估，绘制山火风险区域等级分布图，制定输电线路山火故障预案和防灾减灾措施。

2.根据权利要求1所述的一种评估输电线路山火故障跳闸概率的方法，其特征是：所述山火故障跳闸概率评估的方法是，将所计算的某段输电线路划分成为多个等分，则输电线路的山火故障跳闸概率评估公式为：

$P_f=1-\stackrel{n}{\&Pi;}(1-P_{li});$

其中，P_li是指第i等份的输电线路段的山火故障概率，P_li＝P_i(A)×P_i(B|A)；式中，P_i(A)为线路实时变化的山火发生概率；P_i(B|A)为山火条件下输电线路故障概率。

3.根据权利要求1所述的一种评估输电线路山火故障跳闸概率的方法，其特征是：所述山火发生概率P(A)，是根据输电线路途经区域的每日降水量、空气温度、空气相对湿度、风速风向、人为因子，使用模糊综合评判法评判；山火发生后采用山火蔓延模型计算着火后火场的情况，根据线路的每一等分距离火场的距离，计算线路实时变化的山火发生概率P_i(A)。

4.根据权利要求1所述的一种评估输电线路山火故障跳闸概率的方法，其特征是：所述绘制山火风险区域等级分布图的方法是，分别假设输电线路周围每个火源点起火，计算其蔓延一定时间t后形成的火场，记录输电线路与火场重叠的部分，设有n段被火场覆盖，计算P_f作为火源点故障风险指标表征该火源点起火对线路故障的影响程度大小；P_f越大，表示该火源点起火之后，输电线路山火故障跳闸的概率越大；根据P_li＝P_i(A)×P_i(B|A)计算输电线路山火故障跳闸概率；按照计算P_f作为该火源点起火对线路发生山火故障的影响程度大小；对线路途经区域的每一个火源点重复上述计算，即可得到P_f的分布，用以绘制山火风险区域等级分布图。

5.根据权利要求2所述的一种评估输电线路山火故障跳闸概率的方法，其特征是：所述山火条件下输电线路故障概率P_i(B|A)，其计算方法是：在山火条件下，输电线路击穿概率接近正态分布：

$P\left(U\right)=\frac{1}{0.04\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}{U}_{50}^{\&prime;}}{\&Integral;}_{-\mathrm{\&infin;}}^U{e}^{-\frac{{(x-U_{50}^{\&prime;})}^2}{0.0032{U_{50}^{\&prime;}}^2}}dx$

式中U为实际电压；U'₅₀＝K_dK_hK_rU₅₀为山火条件下工频击穿电压，正常情况下的工频击穿电压U₅₀采用查表法得到，其中K_d为空气密度校正系数，K_h为空气湿度校正系数，K_r为空气浓烟校正系数，K_d，K_h，K_r为校正山火发生时，空气温度、湿度、密度变化以及浓烟对U₅₀的影响；系数K_d和空气相对密度δ相关：K_d＝δ^m；空气湿度校正系数K_h为：K_h＝K^W；指数m，W及系数K的具体取值可参考国家标准；山火中浓烟使击穿电压最多可以下降到原来的10％；因此这里令K_r等于1/10。