CN105426685A - 一种电力系统雷击闪络风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电力系统雷击闪络风险评估方法，包括：获取线路跳闸率n；获取线路在同级电网中的重要程度k₁；获取线路遭雷击跳闸重合闸不成功的概率k₂；根据n、k₁以及k₂建立区域电网雷击闪络风险模型R＝n×k₁×k₂，并获取输电网雷击闪络风险R。本方案基于边的介数衡量各边对网络性能的影响，进而分析出影响输电电网性能的脆弱域，从而因地制宜地设计线路的防雷保护方案，适当加强脆弱线路的保护，提高供电的可靠性与稳定性，同时，结合线路跳闸率n和线路遭雷击跳闸重合闸不成功的概率k₂综合评价，更加准确的评估电力系统雷击闪络风险，对降低电网因重要线路发生故障而产生巨大损失有着重要的意义。

Description

一种电力系统雷击闪络风险评估方法

技术领域

本发明涉及评估方法领域，尤其涉及一种电力系统雷击闪络风险评估方法。

背景技术

电网是现代社会的重要基础设施,电网的安全运行已越来越成为现代文明社会政治经济生活高效运作的有效保证。但是电网瓦解和大停电事故却一直伴随着电网及社会的发展而存在。近年来，全世界范围内发生了多次电力系统大停电事故，给社会经济带来了巨大损失。大停电事故的频频发生,引起了科学界和工程界的高度重视，分析大规模停电事故的内在原因并寻找有效预防途径成为热点课题。

按照电网N-1安全可靠性设计标准，当系统出现一个故障，由保护设备切除后，系统应该维持在安全可靠运行状态。但国内外电网实际运行情况，尤其近年来连锁故障引起的电网大面积停电表明，发生了大停电的电网肯定存在着脆弱环节，或者说存在着脆弱区域。当故障发生在脆弱域内，就造成了意想不到的情况，如连锁故障的出现。分析电网脆弱域的存在原因是很复杂的，但其主要因素可能包括电网物理结构本身存在的缺陷、各种自动控制设备不合适的动作(如误动或拒动等)以及电网监控系统存在的问题等原因。如：当某条处于脆弱域的线路或者某条薄弱线路遭受雷击跳闸时，由于自动重合闸装置重合闸不成功导致线路负荷丢失改变了电网潮流的平衡并引起负荷在其它线路上的重新分配，将多余的负荷转移加载到其它线路或元件上；如果这些原来正常工作的元件不能处理多余的负荷就会引起新一次的负荷重新分配，从而引发连锁的过负荷故障，并最终导致网络的大面积瘫痪和大规模停电事故的发生即为雷击跳闸造成的大面积停电事故。

近些年来，各供电单位在输电线网防雷新措施和新技术应用方面做了大量工作，积累了丰富的经验，但在现有的防雷措施下,某些架空送电线路仍存在一定的雷击跳闸率和事故率,部分地区还相当高。虽然通过线路型避雷器的推广应用,会降低雷电活动强地区的雷击事故概率,但是,雷电随机性大,雷击线路又属于小概率事件,受投资的限制,很难花费巨资防止小概率事件的发生。目前对区域电网的雷击闪络风险大多都建立在评估区域电网中线路和各站点的重要性、输电线路的耐雷水平计算方面，且计算方法和评估模型都是建立在一定的假设和模拟实验上,与实际情况有一定的区别。因此,如何准确找到区域输电网中的薄弱线路及线路中的薄弱点或“易击段”是十分必要的。

发明内容

本发明提供一种电力系统雷击闪络风险评估方法，以解决现有雷击闪络风险评估方法准确性不高的问题。

一种电力系统雷击闪络风险评估方法，所述电力系统雷击闪络风险评估方法包括：获取线路跳闸率n；获取线路在同级电网中的重要程度k₁；获取线路遭雷击跳闸重合闸不成功的概率k₂；根据所述线路跳闸率n、所述线路在同级电网中的重要程度k₁以及所述线路遭雷击跳闸重合闸不成功的概率k₂建立区域电网雷击闪络风险模型R＝n×k₁×k₂，并获取输电网雷击闪络风险R。

优选的，所述获取线路在同级电网中的重要程度k₁包括：根据最短路径长度获取网络效率；根据所述网络效率获取连锁故障所导致的网络效率的损失值D；根据所述损失值D获取线路在同级电网中的重要程度k₁。

优选的，所述根据所述损失值D获取线路在同级电网中的重要程度k₁的计算公式为：

优选的，所述获取线路跳闸率n包括：获取雷击杆塔塔顶时的跳闸率n₁；获取雷绕击导线时的跳闸率n₂；根据所述雷击杆塔塔顶时的跳闸率n₁与雷绕击导线时的跳闸率n₂之和获取所述线路跳闸率n。

优选的，所述获取线路遭雷击跳闸重合闸不成功的概率k₂包括：获取重合闸装置故障率；获取断路器故障率；获取保护装置故障率；根据公式计算得出线路遭雷击跳闸重合闸不成功的概率k₂。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明提供一种电力系统雷击闪络风险评估方法，所述电力系统雷击闪络风险评估方法包括：获取线路跳闸率n；根据边的介数获取线路在同级电网中的重要程度k₁；获取线路遭雷击跳闸重合闸不成功的概率k₂；根据所述线路跳闸率n、所述线路在同级电网中的重要程度k₁以及所述线路遭雷击跳闸重合闸不成功的概率k₂建立区域电网雷击闪络风险模型R＝n×k₁×k₂，并获取输电网雷击闪络风险R。本方案通过综合考虑线路跳闸率n、线路在同级电网中的重要程度k₁以及线路遭雷击跳闸重合闸不成功的概率k₂三重因素的影响，建立区域电网雷击闪络风险模型R＝n×k₁×k₂，获取输电网雷击闪络风险R。本方案不同于现有技术中通过节点度数作为衡量节点重要程度的标准，本方案基于边的介数衡量各边对网络性能的影响，进而分析出影响输电电网性能的脆弱域，从而因地制宜地设计线路的防雷保护方案，适当加强脆弱线路的保护，提高供电的可靠性与稳定性，同时，结合线路跳闸率n和线路遭雷击跳闸重合闸不成功的概率k₂综合评价，更加准确的评估电力系统雷击闪络风险，对降低电网因重要线路发生故障而产生巨大损失有着重要的意义。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的一种电力系统雷击闪络风险评估方法的流程图；

图2是本发明实施例中提供的具有低度数高介数节点的电网拓扑图；

图3是本发明实施例中提供的获取线路在同级电网中的重要程度k₁的流程图；

图4是本发明实施例中提供的获取线路跳闸率n的流程图；

图5是本发明实施例中提供的500kV电网运行方式图；

图6是本发明实施例中提供的电网简化的电网拓扑模型图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。

请参考图1，所示为本发明实施例中提供的一种电力系统雷击闪络风险评估方法的流程图。

由图1可知，本发明提供一种电力系统雷击闪络风险评估方法，所述电力系统雷击闪络风险评估方法包括：获取线路跳闸率n；获取线路在同级电网中的重要程度k₁；获取线路遭雷击跳闸重合闸不成功的概率k₂；根据所述线路跳闸率n、所述线路在同级电网中的重要程度k₁以及所述线路遭雷击跳闸重合闸不成功的概率k₂建立区域电网雷击闪络风险模型R＝n×k₁×k₂，并获取输电网雷击闪络风险R。

本发明所用的的网络参量有：最短路径及最短路径长度，介数，容量，耐受性参数。网络的拓扑结构特性可以用这些参量来描述。网络可以用邻接矩阵{a_ij}来描述线路间的拓扑结构。用矩阵{l_ij}来描述物理距离。元素l_ij为边v_iv_j的权重系数，例如电网传输线路阻抗。在无权重网络中，l_ij＝1，加权网络中的最短路径p_ij是指从节点i到节点j间的所有连通的路径中，权数之和最小的一条或几条路径。相应的最短路径长度即为节点i,j间的最短路径p_ij的长度d_ij。最短路径长度、边与节点的介数都与网络中任意两节点间的最短路径相关。

容量是网络模型中的一个重要因素。容量分为节点容量和边的容量。本发明中主要采用边的容量。考虑到容量要受成本的限制，我们采用类似节点容量的定义方法，将边的容量定义为通过该边的最大介数，其函数表达式为：

C_e＝(0.5+α)L_em

其中，C_e正比于其初始介数L_e；α为网络的耐受性参数，且α≥0，表示边处理增加的负荷从而抵抗干扰的能力。

当边的初始负荷为0时，给这些边的容量赋一个初值，其函数表达式为：

C_e＝(0.5+α)L_em

其中L_em为初始介数的最大值。

当然，本发明对上述参量的定义与实际电力系统存在着很大区别。本发明的节点或边的介数对应于实际电力系统中节点或线路负荷，边的容量对应于实际电力系统中线路的热稳定极限。

在对网络拓扑结构的研究过程中，人们习惯以节点度数作为衡量节点重要度的标准，认为与节点相连的边越多则该节点越重要。然而，在许多实际网络中的某些关键节点并不一定具有较大的度数。因此，节点度不能完全描述节点的重要度。例如长程线路上的节点，如果这些节点发生故障，则可能导致整个网络结构的破裂。为了解决这个问题，本发明通过边的介数和节点的介数来衡量每条边的重要程度。

请参考图2，所示为本发明实施例中提供的具有低度数高介数节点的电网拓扑图。

由图2可知，边l_1,2连接着两个子区域，并且这条边的两个端节点的度数都很小，从区域1中的任何一个节点到区域2中的任何一个节点的最短路径都要通过这条边。因此边l_1,2和节点1，2的介数都很高。如果这条边因为其两端节点或边发生故障而被切除，则整个网络就会解列为两个单独的子网络。边l_1,2为重要边，且节点1，2为重要节点。因此节点的介数和连接两端点的边的介数精确地描述了边的重要程度，即边的介数和两端节点的介数都越高时，边往往就越重要。一般情况下，电网中介数相对较大的边所对应的两端节点的介数也相对较高，并且两端节点的介数往往高于边的介数。

本方案通过综合考虑线路跳闸率n、线路在同级电网中的重要程度k₁以及线路遭雷击跳闸重合闸不成功的概率k₂三重因素的影响，建立区域电网雷击闪络风险模型R＝n×k₁×k₂，获取输电网雷击闪络风险R。本方案不同于现有技术中通过节点度数作为衡量节点重要程度的标准，本方案基于边的介数衡量各边对网络性能的影响，进而分析出影响输电电网性能的脆弱域，从而因地制宜地设计线路的防雷保护方案，适当加强脆弱线路的保护，提高供电的可靠性与稳定性，同时，结合线路跳闸率n和线路遭雷击跳闸重合闸不成功的概率k₂综合评价，更加准确的评估电力系统雷击闪络风险，对降低电网因重要线路发生故障而产生巨大损失有着重要的意义。

请参考图3，所示为本发明实施例中提供的本发明实施例中提供的获取线路在同级电网中的重要程度k₁的流程图。

由图3可知，所述获取线路在同级电网中的重要程度k₁包括：根据最短路径长度获取网络效率；根据所述网络效率获取连锁故障所导致的网络效率的损失值D；根据所述损失值D获取线路在同级电网中的重要程度k₁。

其中，根据最短路径长度获取网络效率具体包括：

应用复杂网络理论，专门针对电网线路故障引发的连锁事故进行分析，提出了基于边的介数的连锁故障模型，分析电网本身固有的脆弱性因素。基于边的介数的选择性攻击所导致的连锁故障过程可以描述如下：当基于线路介数切除某条线路后，经过这条线路的负荷将自动转移到其它相邻的线路上，因此电网中其它线路上的负荷将会重新分配。如果这些线路上的负荷超过了其自身的线路容量，这些线路将由于过负荷而被切除，于是电网中其它线路上的负荷将再次重新分配。

将输电线的阻抗作为复杂网络边的权重，采用矩阵求解法求赋权图中任意两节点间的最短路。首先在矩阵算法的基础上，设计实现了赋权图中任意两节点间的最短路d的计算，相应的再求出任意两节点间的最短路径和经过每条边的最短路径的条数，即边的介数。通过计算故障模式下的网络效率以及网络效率的损失值来衡量网络性能，分析电网的脆弱域。网络效率可以通过节点间的最短路径来计算，计算公式是：

$E\left(G\right)=\frac{2}{N(N-1)}{\mathrm{\Σe}}_{ij}$

其中，节点i,j间的效率e_ij定义为e_ij＝1/d_ij。如果节点i,j之间没有路径，无论是直接的还是间接的，则e_ij＝0。而d_ij是节点i,j间的最短路径长度，整个网络总共有N(N-1)/2对节点。根据公式可知，当网络具有比较小的最短路径时，网络效率会较高。

根据所述网络效率获取连锁故障所导致的网络效率的损失值D具体包括：

由连锁故障所导致的网络效率的损失值D的计算公式为：

$D=\frac{E\left(G_O\right)-E\left(G_j\right)}{E\left(G_0\right)}$

其中，E(G₀)是电网正常运行情况下的网络初始效率；E(G_j)是电网发生连锁故障后的网络效率值。

根据所述损失值D获取线路在同级电网中的重要程度k₁的计算公式为：

请参考图4，所示为本发明实施例中提供的获取线路跳闸率n的流程图。

由图4可知，所述获取线路跳闸率n包括：获取雷击杆塔塔顶时的跳闸率n₁；获取雷绕击导线时的跳闸率n₂；根据所述雷击杆塔塔顶时的跳闸率n₁与雷绕击导线时的跳闸率n₂之和获取所述线路跳闸率n。

通过故障模型的分析得出切除各边对整个网络效率的损失值，通过网络效率损失值的大小判断各边在网络中的重要性，从而按线路的重要程度对线路进行耐雷性能分析。

雷击杆塔塔顶时的跳闸率n₁的表达式为：

$n_1={\mathrm{Ngp}}_{I_1}\mathrm{\η}$

式中，N—100km长线路每年(折合40个雷电日)遭雷击次数，单位为

—雷电流幅值超过雷击杆塔耐雷水平I₁的概率；

g—击杆率，即雷击杆塔次数占雷击线路总数的比例，按下表1取值；

η—建弧率。

其中，建弧率(η)是由冲击闪络经过转变成为稳定的工频电弧的概率，建弧率的大小与空气间隙或沿绝缘子串的平均运行电压梯度有关，可表示为：

η＝(4.5E^0.75-14)×10^-2

式中，E为绝缘子串的平均工作电压梯度(有效值)，KV/m。

其中，击杆率g的取值如表1所示：

表1：击杆率g的取值表

在我国一般地区雷电流幅值超过I的概率可按下式求得：

${\mathrm{lgP}}_I=-\frac{I}{88}$

对于雷电活动较弱的地区(年平均雷电日在20日以内)，其概率可由下式求得：

${\mathrm{lgP}}_I=-\frac{I}{44}$

雷绕击导线时的跳闸率n₂：

$n_2={\mathrm{Ngp}}_{I_2}\mathrm{\η}$

式中，p_a——线路绕击率；

——雷电流幅值超过绕击耐雷水平I₂的概率；其他参数同上。

线路跳闸率为n₁和n₂之和，即：

$n=n_1+n_2=N\mathrm{\η}({\mathrm{gp}}_{I_1}+p_a{p}_{I_2})$

进一步，所述获取线路遭雷击跳闸重合闸不成功的概率k₂包括：获取重合闸装置故障率；获取断路器故障率；获取保护装置故障率；

根据公式算得出线路遭雷击跳闸重合闸不成功的概率k₂。

某地区500kV输电网雷击闪络风险实例分析如下：

请参看图5，所示为500kV电网运行方式图。如图5所示的电网特性，首先要将电网简化为拓扑模型。具体原则为：①只考虑高压输电网(考虑l10kV及以上高压线路)，不考虑配电网和发电厂、变电站的主接线结构；②节点(包括发电厂、变电站和中间电气连接点)均为无差别节点，不考虑大地零点；③所有边(输电线、变压器支路)均为无向赋权边，并且假定各边的权为各边的导纳的模，不考虑输电线其他特性参数和电压等级的不同；④合并同杆并架输电线，不计并联电容支路(消除自环和多重边)，使模型成为简单图。经过这种初步简化，简化为如图6所示的电网简化的电网拓扑模型图，电网即为一个由N个节点和l条边所构成的赋权、无向、稀疏连通图。

该500kV电网近10年来的运行数据及线路信息如表2所示，通过表2可以得出各线路的雷击跳闸率与重合闸不成功率并将实际输电线路中线路的阻抗作为复杂网络边的权重，采用矩阵求解法(又称Floyd算法)求出该赋权图中任意2节点间的最短路，其中最短路径L5，7<L5,6,7L5,7<L5,6L5,7<L6,7L5,6<L6,7。

表2：某地区500kV电网近10年来的运行数据及线路信息

通过表2对该500kV电网中各线路进行雷击闪络风险计算得出计算结果如表3所示：

表3：雷击闪络风险的计算结果

RL1,2	RL2,3	RL3,4	RL4,5	RL5,6	RL5,7	RL6,7	RL7,8	RL8,9	RL8,10	RL10,11	RL10,12	RL10,13
													0.923	3.6	3.69	7.41	0.605	4.23	0.705	6.98	1.65	5.97	1.92	1.21	1.94

通过计算发现虽然线路L7,8断掉之后对网络的效率损失最大(即该线路重要程度高)，但考虑到该线路的实际跳闸率与跳闸后重合闸不成功率计算的出来的结果显示该线路并不是雷击闪络风险最大的一条线路，而线路L4,5虽然切除后对网络的效率损失不是最大的但是由于其高跳闸率及教高的重合闸不成功率导致其雷击闪络风险最大，因此对该条线路要加强雷电防护。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种电力系统雷击闪络风险评估方法，其特征在于，所述电力系统雷击闪络风险评估方法包括：

获取线路跳闸率n；

获取线路在同级电网中的重要程度k₁；

获取线路遭雷击跳闸重合闸不成功的概率k₂；

根据所述线路跳闸率n、所述线路在同级电网中的重要程度k₁以及所述线路遭雷击跳闸重合闸不成功的概率k₂建立区域电网雷击闪络风险模型R＝n×k₁×k₂，并获取输电网雷击闪络风险R。

2.根据权利要求1所述的电力系统雷击闪络风险评估方法，其特征在于，所述获取线路在同级电网中的重要程度k₁包括：

根据最短路径长度获取网络效率；

根据所述网络效率获取连锁故障所导致的网络效率的损失值D；

根据所述损失值D获取线路在同级电网中的重要程度k₁。

3.根据权利要求2所述的电力系统雷击闪络风险评估方法，其特征在于，所述根据所述损失值D获取线路在同级电网中的重要程度k₁的计算公式为：

4.根据权利要求1所述的电力系统雷击闪络风险评估方法，其特征在于，所述获取线路跳闸率n包括：

获取雷击杆塔塔顶时的跳闸率n₁；

获取雷绕击导线时的跳闸率n₂；

根据所述雷击杆塔塔顶时的跳闸率n₁与雷绕击导线时的跳闸率n₂之和获取所述线路跳闸率n。

5.根据权利要求1所述的电力系统雷击闪络风险评估方法，其特征在于，所述获取线路遭雷击跳闸重合闸不成功的概率k₂包括：

获取重合闸装置故障率；

获取断路器故障率；

获取保护装置故障率；

根据公式计算得出线路遭雷击跳闸重合闸不成功的概率k₂。