CN106570777A - 一种基于热平衡分析的输电线路短期可靠性评估方法 - Google Patents

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高适
刘喜成
龚霄
李琴
王帮华
甘宁
邓超志
黄宇
蒋琳
罗艳
张迎秋
张薇薇
朱怀金
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Abstract

本发明提供一种基于热平衡分析的输电线路短期可靠性评估方法，包括以下步骤：利用暂态热平衡方程计算导体实时温度：基于输电线路历史故障数据，利用极大似然估计确定模型参数；综合上述两部分的结果，应用温度相依的输电线路短期故障率模型得到输电线路短期故障率。以解决输电线路的短期可靠性受到负载率、太阳辐射、环境温度和风速风向情况的影响的问题。本发明属于输变电设备可靠性评估技术领域。

Description

一种基于热平衡分析的输电线路短期可靠性评估方法
技术领域
本发明属于输变电设备可靠性评估技术领域，具体涉及了一种输电线路短期可靠性评估方法。
背景技术
输变电设备的可靠运行是电网安全可靠运行的基础。输变电设备的运行受到天气况状的影响，负载率随着负载的波动实时变化。高强度的运行和恶劣天气的影响将导致设备可靠性裂化。掌握输变电设备的短期可靠性对于电网风险评估和调度具有重要意义。目前，对输电线故障率模型及其可靠性评估方法的研究很多。而对于考虑环境因素和负载率变化的输电线路短期可靠性评估方法，目前尚少有文献讨论。
传统的规划可靠性算法是基于元件的稳态统计参数评估方法，仅反映系统元件在某些固定模式下的长期可靠性水平，而未能考虑实时运行条件对可靠性的影响。输电设备的短期可靠性模型是电力系统运行可靠性短期评估的基础，与长期可靠性模型相比，最重要的特征在于考虑的时间尺度小，在小时和分钟级。
导体温度持续过高时引起输电线路老化，导致线路故障的重要原因。输电线路通常架设在室外，受到环境因素变化和负载实时波动的影响，其导体温度变化是一个复杂的动态过程。因此本发明将采用暂态热平衡分析方法，建立输电线路的热力学模型，计算导体温度，评估输电线路可靠性。
在配电系统中，供电能力受到两方面因素的制约，分别是节点电压约束和输变电设备(包括变压器和馈线)容量约束。节点电压主要受到各个节点负荷无功成分的影响，而设备潮流则受到各个节点负荷有功成分的影响。
导线抗拉强度的损失是输电线路老化失效的主要原因，是一个逐渐积累的不可逆的过程。输电线路运行温度过高将导致抗拉强度损失加快，输电线路故障率上升，服役期限缩短。输电线路的短期可靠性不仅受到当前导体温度的影响，还受到历史导体温度情况的影响。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种基于热平衡分析的输电线路短期可靠性评估方法，以解决输电线路的短期可靠性受到负载率、太阳辐射、环境温度和风速风向情况的影响的问题。
为解决上述问题，提供一种基于热平衡分析的输电线路短期可靠性评估方法，包括以下步骤：
步骤1：利用暂态热平衡方程计算导体实时温度：
步骤2：基于输电线路历史故障数据，利用极大似然估计确定模型参数；
步骤3：综合上述两部分的结果，应用温度相依的输电线路短期故障率模型得到输电线路短期故障率。
步骤1包括：
步骤1-1：计算导体电流产生的焦耳热功率Qj
Qj＝I2R
I为流过线路的导体电流，R为线路的交流电阻；
步骤1-2：计算输电线路吸收太阳辐射功率Qs
Qs＝EsAsD
Es为单位面积的太阳辐射功率，As为输电线路的吸收率，D为导线外直径；
步骤1-3：计算输电线路热辐射功率Qr
Qr＝πDεσB[(Tc+273)4-(Ta+273)4]
ε为辐射率，由导体表面状况决定，σB为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，Ta为环境温度，TC为输电线路导体温度。
步骤1-4：计算输电线路对流散热功率Qc
ρ位空气密度，V风速，μ为空气粘滞系数，Kangle为风向角因子。
步骤1-5：利用暂态热平衡方程计算导体实时温度。
m为输电线路质量，Cp为输电线路的比热容，dt表示对时间的微分。
步骤2：基于输电线路历史故障数据，利用极大似然估计确定模型参数，温度相依的输电线路短期故障率模型如下：
其中β和γ为待估参数，h为输电线路故障率，为输电线路正常运行下参考温度，P为与输电线路本身材料属性相关的常数，Te为参考温度下的等效服役时间，Q为常数与输电线路本身材料属性和输电线路失效时的抗拉强度损失值有关。
步骤2-1：计算总等效服役时间。Te为总等效服役时间。将总服役时间T划分为n个区间t1,t2,…,tn，假定每个区间内输电线路的温度保持恒定。若输电线路在温度θ(ti)下运行ti时间抗拉强度的损失与参考温度下运行tei抗拉强度的损失相同，则称tei为其等效运行时间
e表示指数函数的底数，B为与输电线路本身材料属性相关的常数，θi为输电线路在时间ti下的温度。
总运行时间的等效服役时间
步骤2-2：构造极大似然函数。假设有n条输电线路独立试验，Ti为第i条线路的停止观测时间。δi为截尾标志，1表示线路由于检修等原因退出运行属于截尾数据，0表示故障数据。截尾数据用故障概率密度函数表征，故障数据用可靠度函数表征。概率密度函数f和可靠度函数R如下所示；
构造最大似然函数，取对数形式；
其中，r为n个线路样本中故障数据的个数，Ti和s为折算为参考温度下的等效运行时间，L为极大似然函数，θi为输电线路在时间ti下的温度，Z(Ti)和Z(s)为输电线路的状态变量定义如下
步骤2-3：求解待拟合参数。极大似然函数采用牛顿法进行数值求解，得到两个待拟合参数β和γ。
步骤3：结合步骤1和步骤2的结果计算输电线路短期故障率，
与现有技术相比，本发明利用输电线路暂态热平衡方程，计算输电线路的动态实时温度，考虑了负载率、太阳辐射、环境温度和风速风向对输电线路温度的影响。建立温度相依的输电线路短期可靠性模型，可以同时反映历史温度情况和实时温度变化对输电线路故障率的影响。
附图说明
图1是本发明的利用暂态热平衡方程计算输电线路动态实时温度的流程图；
图2是本发明的极大似然参数估计方法流程图；
图3是本发明的输电线路短期故障率模型框架图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明作进一步地详细描述，
实施例：
如图1所示，本发明的利用暂态热平衡方程计算输电线路动态实时温度，包括如下步骤：
步骤1.计算导体实时温度
步骤1-1.计算导体电流产生的焦耳热功率Qj
Qj＝I2R
I为流过线路的导体电流，R为线路的交流电阻。
步骤1-2.计算输电线路吸收太阳辐射功率Qs
Qs＝EsAsD
Es为单位面积的太阳辐射功率，As为输电线路的吸收率，D为导线外直径。
步骤1-3.计算输电线路热辐射功率Qr
Qr＝πDεσB[(Tc+273)4-(Ta+273)4]
ε为辐射率，由导体表面状况决定，σB为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，Ta为环境温度。
步骤1-4.计算输电线路对流散热功率Qc
ρ位空气密度，V风速，为空气粘滞系数，Kangle为风向角因子。
步骤1-5.利用暂态热平衡方程计算导体实时温度。
如图2所示，本发明的利用极大似然法进行参数估计，包括如下步骤：
步骤2.基于输电线路历史故障数据，利用极大似然估计确定模型参数。温度相依的输电线路短期故障率模型如下：
其中β和γ为待估参数。
步骤2-1.计算总等效服役时间。Te为总等效服役时间。将总服役时间T划分为n个区间t1,t2,…,tn，假定每个区间内输电线路的温度保持恒定。若输电线路在温度下运行ti时间抗拉强度的损失与参考温度下运行tei抗拉强度的损失相同，则称tei为其等效运行时间。
总运行时间的等效服役时间
步骤2-2.构造极大似然函数。假设有n条输电线路独立试验，Ti为第i条线路的停止观测时间。δi为截尾标志，1表示线路由于检修等原因退出运行属于截尾数据，0表示故障数据。截尾数据用故障概率密度函数表征，故障数据用可靠度函数表征。概率密度函数f和可靠度函数R如下所示。
构造最大似然函数，取对数形式。
其中，r为n个线路样本中故障数据的个数，Ti和s为折算为参考温度下的等效运行时间。
步骤2-3.求解待拟合参数。极大似然函数采用牛顿法进行数值求解，得到两个待拟合参数β和γ。
步骤3.结合步骤1和步骤2的结果计算输电线路短期故障率

Claims (3)

1.一种基于热平衡分析的输电线路短期可靠性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用暂态热平衡方程计算导体实时温度：
步骤2：基于输电线路历史故障数据，利用极大似然估计确定模型参数；
步骤3：综合上述两部分的结果，应用温度相依的输电线路短期故障率模型得到输电线路短期故障率。
2.根据权利要求1所述一种基于热平衡分析的输电线路短期可靠性评估方法，其特征在于，步骤1包括：
步骤1-1：计算导体电流产生的焦耳热功率；
步骤1-2：计算输电线路吸收太阳辐射功率；
步骤1-3：计算输电线路热辐射功率；
步骤1-4：计算输电线路对流散热功率；
步骤1-5：利用暂态热平衡方程计算导体实时温度。
3.根据权利要求1所述一种基于热平衡分析的输电线路短期可靠性评估方法，其特征在于，步骤2包括：
步骤2-1：计算总等效服役时间；
步骤2-2：构造极大似然函数；
步骤2-3：求解待拟合参数。
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