CN107992962B - 一种基于熵权法的输电线路防雷措施优化选择方法 - Google Patents

一种基于熵权法的输电线路防雷措施优化选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于熵权法的输电线路防雷措施优化选择方法，收集计算输电线路雷击跳闸率所需要的资料，对输电线路每个杆塔的雷击跳闸率进行计算，通过雷击跳闸率结合雷电风险等级评估划分各杆塔雷击风险等级，并结合该输电线路往年的跳闸情况，确定需要进行防雷改造的杆塔，建立针对杆塔的防雷措施优化选择综合分析模型，确定杆塔防雷措施的评价指标，将杆塔的绕反击跳闸率、地形地貌特征、杆塔结构特征和杆塔原绝缘水平进行分类，运用熵权法确定权重系数，对评价指标进行赋权，对各类型杆塔中的防雷措施进行综合评价。

Description

一种基于熵权法的输电线路防雷措施优化选择方法
技术领域
本发明涉及输电线路防雷领域及信息论熵值领域，尤其涉及一种基于熵权法的防雷措施的优化选择的方法。
背景技术
据国家电网公司2012年架空输电线路运行报告统计，2006—2012年，110kV及以上总长651819km线路的跳闸故障中，雷击跳闸平均占总故障数的47.6％，因此雷电活动是影响电网安全稳定的重要因素之一。许多输电线路不可避免的要经过多雷、土壤电阻率高、地形复杂的地区，为降低这些地区输电线路的雷击跳闸必须采取各种防雷措施来提高输电线路的耐雷水平。随着线路走廊的紧缺，同塔双回或多回输电线路日益增多，杆塔高度增加；并且由于高速公路的建设，大跨越高杆塔的数据急剧增加，这些因素都使输电线路杆塔遭受雷击的概率大幅度增加。针对上述情况有采取有效的措施来提高线路的防雷性能(如降低杆塔接地电阻、加强绝缘水平、架设耦合地线、安装防绕击测针、安装线路避雷器等防雷措施)。各种防雷措施的应用目的及实施后的效果各不相同，并且不同地区实施不同措施的费用、难度也不尽相同。
但在实际工程中，很多地区仍然采用粗放式的防雷改造管理方式，不考虑输电线路和防雷措施的特点，无差异的选择单一防雷措施进行治理，使得治理效果不显著，改造过的杆塔需要进行二次改造，大大浪费了人力物力。防雷措施评估模型存在人的主观性影响太大、所考虑的影响因素不够全面等不足，不能客观地、可靠地评估防雷措施的应用效果。
中国专利CN106228305A公开了一种输电线路防雷措施的评估方法，通过层次分析法比较了输电线路各防雷措施的优劣。中国专利CN106384966A公开了一种线路差异化防雷治理方法，通过收集输电线路的各项资料对输电线路进行防雷措施的选取。
本发明将跳闸率的降低效果、工程费用、改造难易度、维护难易度、运行寿命等因素作为评价指标并结合杆塔的计算的绕反击跳闸率、地形地貌特征、杆塔结构特征、杆塔原绝缘水平作为筛选条件，将杆塔进行分类，对每类杆塔建立输电线路防雷措施综合评价模型，运用熵权法对各项评价指标进行权重的确定，对各防雷措施进行综合评价，最后筛选出针对每一类杆塔的最优防雷措施并自动推荐最适合杆塔的防雷措施。
发明内容
鉴以此，本发明要解决的问题在于提供一种结合每基杆塔具体情况并对每基杆塔确定最优的防雷措施，能客观地、可靠地评估防雷措施的应用效果的一种基于熵权法的输电线路防雷措施优化选择方法。
一种基于熵权法的输电线路防雷措施优化选择方法，包括以下步骤：
S1：收集输电线路的数据并根据所收集的数据计算输电线路雷击跳闸率，对输电线路每个杆塔的雷击跳闸率进行计算；
S2：通过雷击跳闸率结合雷电风险等级评估划分各杆塔雷击风险等级，并结合该输电线路往年的跳闸情况，确定需要进行防雷改造的杆塔；
S3：建立针对杆塔的防雷措施优化选择综合分析模型，确定杆塔防雷措施的评价指标，并对防雷措施的所述评价指标进行评分，将评分设为熵权法中的初始矩阵；
S4：将杆塔的绕反击跳闸率、地形地貌特征、杆塔结构特征和杆塔原绝缘水平进行分类；
S5：将初始矩阵代入熵权法确定权重系数，对评价指标进行赋权，对各类型杆塔中的防雷措施进行综合评价；
S6：优化选择出各类杆塔所对应的防雷措施，将需要改造的杆塔代入分类，从而确定需要进行改造的杆塔所需的防雷措施。
优选地，步骤S1中：收集输电线路杆塔号、杆塔型号、杆塔经纬度、杆塔呼高、档距、地形、接地电阻、地闪密度及输电线路中各杆塔的结构图；收集输电线路的导线型号、导线半径、导线直流电阻、导线分裂数及导线间距；收集地线型号、地线半径、地线直流电阻、绝缘子串型号、长度、干弧距离的数据，并根据杆塔结构图得到各杆塔的根开，根据杆塔的经纬度在地图软件上确定杆塔的左倾角、右倾角、海拔高度以及杆塔的土壤电阻率，通过杆塔之间的档距算出杆塔的导线弧垂及地线弧垂，在仿真建模软件中建立输电线路杆塔雷击跳闸率模型、雷电流模型、输电线路模型、杆塔模型、接地电阻模型和绝缘子闪络模型，然后将所收集的输电线路数据输入仿真建模软件所建立的上述模型中以后可计算得到每基杆塔的绕击跳闸率及反击跳闸率。
优选地,步骤S2中：各地区均按照本地区的雷暴日确定出各地区雷击跳闸率的控制指标，将输电线路闪络风险等级根据线路跳闸率与控制指标之间的关系分为A、B、C、D四级，取跳闸率大于或等于控制指标的任意一级或多级为需要进行防雷改造的杆塔,设跳闸率为X，控制指标为P，
跳闸率与风险等级的关系如下表所示
Figure GDA0002797593050000041
优选地,步骤S3中：将需要进行防雷改造的杆塔的评价指标确定为跳闸率的降低效果、工程费用、改造难易度、维护难易度以及运行寿命，并将防雷措施分别一一五个评价指标，并对防雷措施的五个评价指标进行评分，将评分设为熵权法中的初始矩阵。
优选地,步骤S4中：将需要进行防雷改造的杆塔的绕反击跳闸率、地形地貌特征、杆塔接地电阻、杆塔原绝缘水平作为分类条件，根据所述分类条件之间进行排列组合后将各杆塔进行分类。
优选地,步骤S5中：将分类后的每一类杆塔所对应的初始矩阵均代入软件算法中并建立防雷措施熵权模糊综合评价模型：
(1)将防雷措施建立成为因素论域U＝{u1,u2,…,un}；
(2)将评价指标建立成为评语论域V＝{v1,v2,…,vm}；
(3)在因素论域U与评语论域V之间进行单因素评价,建立评分水平矩阵
Figure GDA0002797593050000042
(i＝1，2……m；j＝1，2……n)；
(4)由于参与评分的各项评价指标为越大越优型，故需对评分水平矩阵中的特征值进行归一化处理，方法如下：
rij＝xijmaxxij；
由此得到归一化矩阵R：
Figure GDA0002797593050000051
(5)计算第i个防雷措施下第j个评价指标的评分的比重Pij
Figure GDA0002797593050000052
(6)计算第i个防雷措施的熵值ei
Figure GDA0002797593050000053
若取
Figure GDA0002797593050000054
则0≤ei≤1
(7)计算第i个防雷措施的差异系数gi对于给定的ei越大，对于防雷措施的评价指标评分的差异性越小，则防雷措施在综合评价中所起的作用越小；定义差异系数gi＝1-ei，则当防雷措施的差异系数gi越大时，防雷措施越重要；
(8)定义权数
Figure GDA0002797593050000055
则wij就是熵权法确定的评价指标评分的权重,得到权重矩阵W；
(9)最后算出各防雷措施的综合评价值E＝R*W。
优选地,步骤S6中：选择出每一种杆塔类型应对应的防雷措施，对需要进行防雷改造的杆塔类型选择具有相应综合评价值的防雷措施。
本发明的有益效果在于：
本发明所提供的一种基于熵权法的输电线路防雷措施优化选择方法，结合每基杆塔具体情况并对每基杆塔确定最优的防雷措施，能客观地、可靠地评估防雷措施的应用效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种基于熵权法的输电线路防雷措施优化选择方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，一种基于熵权法的输电线路防雷措施优化选择方法，包括以下步骤：
S1：收集输电线路的数据并根据所收集的数据计算输电线路雷击跳闸率，对输电线路每个杆塔的雷击跳闸率进行计算；
S2：通过雷击跳闸率结合雷电风险等级评估划分各杆塔雷击风险等级，并结合该输电线路往年的跳闸情况，确定需要进行防雷改造的杆塔；
S3：建立针对杆塔的防雷措施优化选择综合分析模型，确定杆塔防雷措施的评价指标，并对防雷措施的所述评价指标进行评分，将所述评分设为熵权法中的初始矩阵；
S4：将杆塔的绕反击跳闸率、地形地貌特征、杆塔结构特征和杆塔原绝缘水平进行分类；
S5：将所述初始矩阵代入熵权法确定权重系数，对评价指标进行赋权，对各类型杆塔中的防雷措施进行综合评价；
S6：优化选择出各类杆塔所对应的防雷措施，将需要改造的杆塔代入分类，从而确定需要进行改造的杆塔所需的防雷措施，然后生成输电线路防雷改造方案。
具体的，步骤S1中：收集输电线路杆塔号、杆塔型号、杆塔经纬度、杆塔呼高、档距、地形、接地电阻、地闪密度及输电线路中各杆塔的结构图；收集输电线路的导线型号、导线半径、导线直流电阻、导线分裂数及导线间距；收集地线型号、地线半径、地线直流电阻、绝缘子串型号、长度、干弧距离的数据，并根据杆塔结构图得到各杆塔的根开，根据杆塔的经纬度在Google地图上确定杆塔的左倾角、右倾角、海拔高度以及杆塔的土壤电阻率，通过杆塔之间的档距算出杆塔的导线弧垂及地线弧垂，在ATP—EMTP中建立输电线路杆塔雷击跳闸率模型，其中绕击跳闸率计算模型采用电气几何模型，反击跳闸率计算模型采用电磁暂态分析模型。雷电流模型采用双指数波拟合模型，输电线路模型采用Jmarti线路模型，杆塔模型采用多波阻抗模型，接地电阻模型采用冲击接地电阻模型，绝缘子闪络模型采用先导法模型，然后将所收集的输电线路数据输入ATP—EMTP所建立的上述模型中以后可计算得到每基杆塔的绕击跳闸率及反击跳闸率。
以海南省三亚市110Kv茅春田龙塘线为例说明本发明。
首先收集海南省三亚市110Kv茅春田龙塘线的数据资料，得到雷击输电线路的计算数据库，将数据带入建立的输电线路雷击跳闸率计算模型得到茅春田龙塘线各杆塔的绕击和反击跳闸率。
根据《110(66)kV～500kV架空输电线路管理规范》得到三亚地区雷击跳闸率指标值为0.917次/百公里·年从而选出需要改造的杆塔如表1所示，表1中总计算跳闸率为绕击跳闸率与反击跳闸率之和，
Figure GDA0002797593050000081
表1
收集110Kv茅春田龙塘线往年的遭受雷击的数据得到：2012.4.21，#42塔A相绝缘子雷击引起；2013.5.25，#46塔C相绝缘子被雷击；2013.7.2，#46直线塔(与110kV茅荔春海塘线#46塔同塔架设)C相绝缘子及横档有雷击放电的痕迹；2013.7.16，#41直线塔A相导线及C相悬垂线夹有雷击放电的痕迹；2014.05.29，#36耐张塔B相绝缘子有闪络放电痕迹。
故需防雷改造的杆塔除了上述计算跳闸率的较高的外还有#42。
根据得到的杆塔的绕击跳闸率及反击跳闸率，并根据《110(66)kV～500kV架空输电线路管理规范》第八十九条中规定：归算到40个雷暴日，110kV输电线路雷击跳闸率应不超过0.525次/百公里·年，220kV输电线路雷击跳闸率应不超过0.315次/百公里·年。参考上述标准，步骤S2中：各地区均按照本地区的雷暴日确定出各地区雷击跳闸率的控制指标P，将输电线路闪络风险等级根据线路跳闸率与控制指标之间的关系分为A、B、C、D四级，A级为线路杆塔跳闸率达控制指标的0.5倍以下，B级为线路跳闸率达控制指标的0.5-1倍，C级为线路跳闸率达控制指标的1-1.5倍；D级为线路跳闸率达控制指标的1.5倍以上。将各杆塔进行输电线路闪络风险等级的划分，确定出输电线路闪络风险等级为C和D的杆塔确定为需要进行防雷改造的杆塔。跳闸率与风险等级的关系如表2所示
Figure GDA0002797593050000091
表2
具体的，步骤S3中：将需要进行防雷改造的杆塔的评价指标确定为跳闸率的降低效果、工程费用、改造难易度、维护难易度以及运行寿命，并将可以采用的防雷措施分别一一对应五个评价指标，所述防雷措施可以是安装避雷器、降低接地电阻、架设耦合地线、加强绝缘水平、加装保护间隙和安装侧针，所述评价指标为区间型指标。然后划分防雷措施对应评价指标的评价等级，评价等级分为5个级别，分别对应5个标准值，即低、较低、中等、较高、高。如下表3所示：
Figure GDA0002797593050000101
表3
跳闸率降低效果 工程费用 改造难易度 维护难易度 运行寿命
安装避雷器 1.0 0.2 1.0 0.8 0.2
降低接地电阻 0.8 0.3 0.6 0.3 0.6
架设耦合地线 0.7 1.0 0.8 0.3 0.8
加强绝缘水平 0.6 0.6 0.6 0.8 0.2
加装保护间隙 0.7 0.5 0.6 0.8 0.6
安装侧针 0.4 0.8 0.6 0.8 0.6
表4
对表4的防雷措施的五个评价指标按表3的分级标准进行评分，作为熵权法的初始矩阵。
具体的，步骤S4中：将需要进行防雷改造的杆塔的绕反击跳闸率、地形地貌特征、杆塔接地电阻、杆塔原绝缘水平作为分类条件，根据所述分类条件之间进行排列组合后将各杆塔进行分类。
分类情况如下表5所示：
地形地貌特征 原绝缘水平 接地电阻大小 绕反击跳闸率
输电杆塔 平原 较低 较高 绕击跳闸率较高
输电杆塔 平原 较低 较高 反击跳闸率较高
输电杆塔 平原 较低 较低 绕击跳闸率较高
输电杆塔 平原 较低 较低 反击跳闸率较高
输电杆塔 平原 较高 较高 绕击跳闸率较高
输电杆塔 平原 较高 较高 反击跳闸率较高
输电杆塔 平原 较高 较低 绕击跳闸率较高
输电杆塔 平原 较高 较低 反击跳闸率较高
输电杆塔 山地 较低 较高 绕击跳闸率较高
输电杆塔 山地 较低 较高 反击跳闸率较高
输电杆塔 山地 较低 较低 绕击跳闸率较高
输电杆塔 山地 较低 较低 反击跳闸率较高
输电杆塔 山地 较高 较高 绕击跳闸率较高
输电杆塔 山地 较高 较高 反击跳闸率较高
输电杆塔 山地 较高 较低 绕击跳闸率较高
输电杆塔 山地 较高 较低 反击跳闸率较高
表5
上述原绝缘水平的判定方法按照输电线路的耐雷水平进行判定，判定标准如表6所示：
Figure GDA0002797593050000111
Figure GDA0002797593050000121
表6
接地电阻判定标准为：接地电阻大于等于10Ω时，接地电阻较高，接地电阻小于10Ω时，接地电阻较低。
绕反击跳闸率判定标准为：将计算得到的绕击跳闸率与反击跳闸率进行比较，若绕击跳闸率大于反击跳闸率则判定为绕击跳闸率较高。若绕击跳闸率小于等于反击跳闸率则判定为反击跳闸率较高。
具体的，步骤S5中：将上述表4内的评分值和表5内的16种分类情况代入MATLAB算法中并利用所建立的防雷措施熵权模糊综合评价模型进行下列计算：
(1)将防雷措施建立成为因素论域U＝{u1,u2,…,un}；
(2)将评价指标建立成为评语论域V＝{v1,v2,…,vm}；
(3)在因素论域U与评语论域V之间进行单因素评价,建立评分水平矩阵
Figure GDA0002797593050000122
(i＝1，2……m；j＝1，2……n)；
(4)由于参与评分的各项评价指标为越大越优型，故需对评分水平矩阵中的特征值进行归一化处理，方法如下：
rij＝xijmaxxij；
由此得到归一化矩阵R：
Figure GDA0002797593050000131
(5)计算第i个防雷措施下第j个评价指标的评分的比重Pij
Figure GDA0002797593050000132
(6)计算第i个防雷措施的熵值ei
Figure GDA0002797593050000133
若取
Figure GDA0002797593050000134
则0≤ei≤1
(7)计算第i个防雷措施的差异系数gi对于给定的ei越大，对于防雷措施的评价指标评分的差异性越小，则防雷措施在综合评价中所起的作用越小；定义差异系数gi＝1-ei，则当防雷措施的差异系数gi越大时，防雷措施越重要；
(8)定义权数
Figure GDA0002797593050000135
则wij就是熵权法确定的评价指标评分的权重,得到权重矩阵W；
(9)最后算出各防雷措施的综合评价值E＝R*W。
附MATLAB程序：
Figure GDA0002797593050000136
Figure GDA0002797593050000141
步骤S6中，选择出每一种杆塔类型应对应的防雷措施，对需要进行防雷改造的杆塔类型选择具有相应综合评价值的防雷措施。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于熵权法的输电线路防雷措施优化选择方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：收集输电线路的数据并根据所收集的数据计算输电线路雷击跳闸率，对输电线路每个杆塔的雷击跳闸率进行计算；
S2：通过雷击跳闸率结合雷电风险等级评估划分各杆塔雷击风险等级，并结合该输电线路往年的跳闸情况，确定需要进行防雷改造的杆塔；
S3：建立针对杆塔的防雷措施优化选择综合分析模型，确定杆塔防雷措施的评价指标，并对防雷措施的所述评价指标进行评分，将评分设为熵权法中的初始矩阵；
S4：将杆塔的绕反击跳闸率、地形地貌特征、杆塔结构特征和杆塔原绝缘水平进行分类；
S5：将分类后的每一类杆塔所对应的初始矩阵均代入软件算法中并建立防雷措施熵权模糊综合评价模型：
(1)将防雷措施建立成为因素论域U＝{u1,u2,…,un}；
(2)将评价指标建立成为评语论域V＝{v1,v2,…,vm}；
(3)在因素论域U与评语论域V之间进行单因素评价,建立评分水平矩阵
Figure FDA0002797593040000011
(i＝1，2……m；j＝1，2……n)；
(4)由于参与评分的各项评价指标为越大越优型，故需对评分水平矩阵中的特征值进行归一化处理，方法如下：
rij＝xij/maxxij
由此得到归一化矩阵R：
Figure FDA0002797593040000021
(5)计算第i个防雷措施下第j个评价指标的评分的比重Pij
Figure FDA0002797593040000022
(6)计算第i个防雷措施的熵值ei
Figure FDA0002797593040000023
若取
Figure FDA0002797593040000024
则0≤ei≤1
(7)计算第i个防雷措施的差异系数gi对于给定的ei越大，对于防雷措施的评价指标评分的差异性越小，则防雷措施在综合评价中所起的作用越小；定义差异系数gi＝1-ei，则当防雷措施的差异系数gi越大时，防雷措施越重要；
(8)定义权数
Figure FDA0002797593040000025
则wij就是熵权法确定的评价指标评分的权重,得到权重矩阵W；
(9)最后算出各防雷措施的综合评价值E＝R*W；
S6：优化选择出各类杆塔所对应的防雷措施，将需要改造的杆塔代入分类，从而确定需要进行改造的杆塔所需的防雷措施。
2.根据权利要求1所述的一种基于熵权法的输电线路防雷措施优化选择方法，其特征在于，步骤S1中：收集输电线路杆塔号、杆塔型号、杆塔经纬度、杆塔呼高、档距、地形、接地电阻、地闪密度及输电线路中各杆塔的结构图；收集输电线路的导线型号、导线半径、导线直流电阻、导线分裂数及导线间距；收集地线型号、地线半径、地线直流电阻、绝缘子串型号、长度、干弧距离的数据，并根据杆塔结构图得到各杆塔的根开，根据杆塔的经纬度在地图软件上确定杆塔的左倾角、右倾角、海拔高度以及杆塔的土壤电阻率，通过杆塔之间的档距算出杆塔的导线弧垂及地线弧垂，在仿真建模软件中建立输电线路杆塔雷击跳闸率模型、雷电流模型、输电线路模型、杆塔模型、接地电阻模型和绝缘子闪络模型，然后将所收集的输电线路数据输入仿真建模软件所建立的上述模型中以后可计算得到每基杆塔的绕击跳闸率及反击跳闸率。
3.根据权利要求1所述的一种基于熵权法的输电线路防雷措施优化选择方法,其特征在于,步骤S2中，各地区均按照本地区的雷暴日确定出各地区雷击跳闸率的控制指标，将输电线路闪络风险等级根据线路跳闸率与控制指标之间的关系分为A、B、C、D四级，取跳闸率大于或等于控制指标的任意一级或多级为需要进行防雷改造的杆塔,设跳闸率为X，控制指标为P，
跳闸率与风险等级的关系如下表所示
跳闸率X X＜0.5P 0.5P≤X＜P P≤X＜1.5P X≥1.5P 风险等级 A B C D
。
4.根据权利要求1所述的一种基于熵权法的输电线路防雷措施优化选择方法,其特征在于,步骤S3中，将需要进行防雷改造的杆塔的评价指标确定为跳闸率的降低效果、工程费用、改造难易度、维护难易度以及运行寿命，并将防雷措施分别一一对应五个评价指标，并对防雷措施的五个评价指标进行评分，将评分设为熵权法中的初始矩阵。
5.根据权利要求1所述的一种基于熵权法的输电线路防雷措施优化选择方法,其特征在于,步骤S4中，将需要进行防雷改造的杆塔的绕反击跳闸率、地形地貌特征、杆塔接地电阻、杆塔原绝缘水平作为分类条件，根据所述分类条件之间进行排列组合后将各杆塔进行分类。
6.根据权利要求1所述的一种基于熵权法的输电线路防雷措施优化选择方法,其特征在于,步骤S6中，选择出每一种杆塔类型应对应的防雷措施，对需要进行防雷改造的杆塔类型选择具有相应综合评价值的防雷措施。
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