CN108876194A - 一种台风灾害场景下配电网风险评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种台风灾害场景下配电网风险评估方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1:建立台风风速模型，用于计算台风风场中各点风速；步骤S2:建立电杆荷载计算模型，用于计算电杆荷载和任意截面的弯矩；步骤S3:建立修正后的电杆故障率模型，得到修正后的电杆故障率；步骤S4:根据所述台风风速模型、电杆荷载计算模型和电杆故障率计算及修正模型，计算台风灾害下配电网风险指标。本发明能够详细表征台风灾害与配电网电杆相互作用的机理以及该机理对配电网运行风险的影响，对于台风灾害性配电网风险预警评估。
Description
技术领域
本发明涉及涉及配电网运行方式分析领域，具体涉及一种台风灾害场景下配电网风险评估方法。
背景技术
沿海地区灾害性台风活动频繁，给电力系统带来巨大的运行风险和经济损失。由于台风风速大大超过了配电网的设计标准，导致台风过程中中压配电线路倒杆、断杆、断线等现象十分严重。根据统计，绝大部分故障是电杆故障所造成的，断线的概率很低。
当前经济社会对电力系统依赖程度越来越高，电网大面积故障将带来巨大的经济损失。尽管气象部门在台风登陆前可做出准确预警，但电力部门通常缺乏对其危害性的准确评价、安全防御措施的制定也存在极大困难。历史教训表明，配电网面对台风灾害条件存在严重缺陷，电杆故障是其出现的主要成因。如何结合气象部门预报信息合理评价台风天气下配电网故障风险、及时为运行人员提供配网风险测度，已成为目前需要迫切解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种台风灾害场景下配电网风险评估方法，可以结合气象部门预报信息合理评价台风天气下配电网故障风险、及时为运行人员提供配网风险测度。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种台风灾害场景下配电网风险评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1:建立台风风速模型，用于计算台风风场中各点风速；
步骤S2:建立电杆荷载计算模型，用于计算电杆荷载和任意截面的弯矩；
步骤S3:建立修正后的电杆故障率模型，得到修正后的电杆故障率；
步骤S4:根据所述台风风速模型、电杆荷载计算模型和电杆故障率计算及修正模型，计算台风灾害下配电网风险指标。
进一步的，所述步骤S1具体为：
步骤S11:计算最大梯度风速Vgx：
式中，f为地球自转科氏力系数；K为经验系数，本文取0.865；ΔP为中心压差(hPa)；
步骤S12:计算最大风速半径(km)，Rmax为最大风速半径；
Rmax＝exp(-0.1239ΔP0.6003+5.1043)
ΔP(t)＝ΔP0-0.675(1+sinβ)t
式中，ΔP0为台风登陆前中心气压差(hPa)；ΔP(t)为台风登陆后t时刻的中心气压差(hPa)；β为台风登陆海岸线时与台风运动方向的夹角；
步骤S13:根据得到的最大风速半径Rmax，计算最大风速的平均值，最大风速的平均值VRmax出现在最大风速半径Rmax处
VRmax＝0.865Vgx+0.5VT
式中，VT为台风的移动整体速度(m/s)；
步骤S14:根据最大风速的平均值VRmax，计算风场中各点风速，得到台风风速模型：
式中，Vrin为台风风场模拟圆内各点平均风速；Vrout为台风风场模拟圆外各点平均风速；r为配电线路距台风中心的距离；x为台风沿径向强度衰减有关的参数，取值在0.5到0.7之间。
进一步的，所述步骤S2具体为：
步骤S21:计算电杆在风速为v时，受到的三种风载荷：
1)导线受到的风荷载wx：
2)杆塔受到的风荷载ws：
3)绝缘子受到的风荷载wz：
式中，lH为电线水平档距(m)；wx为线路水平档距为lH的风荷载(kN)；μz为风压高度变化系数；α为电线风压不均匀系数；μsc为电线体形系数；d为电线外径(m)；为风向与线路之间夹角；v为线路规定基准高hs处的设计风速；β为风振系数；μs为风荷载体形系数；A为杆塔结构构件迎风面的投影面积(m2)；n1为一相导线所用的绝缘子串数；n2为每串绝缘子的片数，其它金属零件按加一片绝缘子的受风面积计算；Ap为每片绝缘子的受风面积；
步骤S22:计算电杆杆身任意截面的x-x处的弯矩Mx，得到电杆荷载计算模型:
wxz＝wx+wz
式中，wxz为导线风荷载和绝缘子的风荷载合计(kN)；为x-x截面至杆身风压合力作用点的高度(m)；h1为x-x截面至杆顶距离(m)；F为杆身投影面积(m2)；D0为电杆稍径(m)；Dx为电杆x-x直径(m)；mx为扰度产生的附加弯矩系数。
进一步的，所述步骤S3具体为：
步骤S31:混凝土电杆的抗弯强度Mp通常符合正态分布，其概率密度函数可表示为：
式中，μp为混凝土电杆抗弯强度的均值；δp为混凝土电杆抗弯强度的标准差；
步骤S32:建立以元件状态为基本变量的功能函数：
Z＝R-S
式中，R为元件强度；S为风力荷载引起的元件内部效应；
设定R服从正态分布，则Z服从正态分布，可以得到：
进而特定固定值S，电杆的故障率为：
步骤S33:根据电杆的历史运行故障信息以及设备状态评价记录，由统计方法拟合出运行年限与绝缘老化故障概率累积分布函数，从而计算各电杆老化故障率修正系数，用威布尔分布来表示：
其中，T为电杆服役年限；0≤β≤1，为威布尔分布系数；
步骤S34:根据电杆故障率和电杆老化故障率修正系数，可以得到经修正后的电杆故障率模型：
Pf＝λ(T)P。
进一步的，所述步骤S4具体为：
步骤S41:利用甩负荷风险指标LLR对台风灾害下配电网风险进行评估，其计算公式为：
其中，Pf(Ei)为台风灾害事件Ei下倒杆事故发生的可能性；S(F/Ei)为Ei发生后带来的后果的严重性；
步骤S42：利用蒙特卡洛状态抽样法对台风灾害发生时的LLR进行计算，得到台风灾害下配电网风险指标值。
进一步的，蒙特卡洛状态抽样法对台风灾害下的配电网运行状态进行抽样，判断抽样结果是否处于故障状态。若是，则对风险指标进行计算；否则进行下一次抽样，直至完成所有次数抽样。最后求出各故障状态下风险指标的和，即为当前。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明能够详细表征台风灾害与配电网电杆相互作用的机理以及该机理对配电网运行风险的影响，对于台风灾害性配电网风险进行预警评估。为台风时期的防风险预案作为参考基础，有很高的参考价值。
附图说明
图1是本发明流程图
图2是本发明一实施例中电杆故障率浴盆曲线图
图3是本发明一实施例中蒙特卡洛状态抽样法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种台风灾害场景下配电网风险评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1:建立台风风速模型，用于计算台风风场中各点风速；
步骤S2:建立电杆荷载计算模型，用于计算电杆荷载和任意截面的弯矩；
步骤S3:建立修正后的电杆故障率模型，得到修正后的电杆故障率；
步骤S4:根据所述台风风速模型、电杆荷载计算模型和电杆故障率计算及修正模型，计算台风灾害下配电网风险指标。
进一步的，所述步骤S1具体为：
步骤S11:计算最大梯度风速Vgx：
式中，f为地球自转科氏力系数；K为经验系数，本文取0.865；ΔP为中心压差(hPa)；
步骤S12:计算最大风速半径(km)，Rmax为最大风速半径；
Rmax＝exp(-0.1239ΔP0.6003+5.1043)
ΔP(t)＝ΔP0-0.675(1+sinβ)t
式中，ΔP0为台风登陆前中心气压差(hPa)；ΔP(t)为台风登陆后t时刻的中心气压差(hPa)；β为台风登陆海岸线时与台风运动方向的夹角；
步骤S13:根据得到的最大风速半径Rmax，计算最大风速的平均值，最大风速的平均值VRmax出现在最大风速半径Rmax处
式中，VT为台风的移动整体速度(m/s)；
步骤S14:根据最大风速的平均值VRmax，计算风场中各点风速，得到台风风速模型：
式中，Vrin为台风风场模拟圆内各点平均风速；Vrout为台风风场模拟圆外各点平均风速；r为配电线路距台风中心的距离；x为台风沿径向强度衰减有关的参数，取值在0.5到0.7之间。
进一步的，所述步骤S2具体为：
步骤S21:计算电杆在风速为v时，受到的三种风载荷：
4)导线受到的风荷载wx：
5)杆塔受到的风荷载ws：
6)绝缘子受到的风荷载wz：
式中，lH为电线水平档距(m)；wx为线路水平档距为lH的风荷载(kN)；μz为风压高度变化系数；α为电线风压不均匀系数；μsc为电线体形系数；d为电线外径(m)；为风向与线路之间夹角；v为线路规定基准高hs处的设计风速；β为风振系数；μs为风荷载体形系数；A为杆塔结构构件迎风面的投影面积(m2)；n1为一相导线所用的绝缘子串数；n2为每串绝缘子的片数，其它金属零件按加一片绝缘子的受风面积计算；Ap为每片绝缘子的受风面积；
步骤S22:计算电杆杆身任意截面的x-x处的弯矩Mx，得到电杆荷载计算模型:
wxz＝wx+wz
式中，wxz为导线风荷载和绝缘子的风荷载合计(kN)；为x-x截面至杆身风压合力作用点的高度(m)；h1为x-x截面至杆顶距离(m)；F为杆身投影面积(m2)；D0为电杆稍径(m)；Dx为电杆x-x直径(m)；mx为扰度产生的附加弯矩系数。
进一步的，所述步骤S3具体为：
步骤S31:混凝土电杆的抗弯强度Mp通常符合正态分布，其概率密度函数可表示为：
式中，μp为混凝土电杆抗弯强度的均值；δp为混凝土电杆抗弯强度的标准差；
步骤S32:建立以元件状态为基本变量的功能函数：
Z＝R-S
式中，R为元件强度；S为风力荷载引起的元件内部效应即应力，与风速、风向有关；
设定R服从正态分布，则Z服从正态分布，可以得到：
进而特定固定值S，电杆的故障率为：
上述电杆故障率模型认为电杆抗弯强度符合特定正态分布，未考虑不同电杆的运行状态的差异性。在配电网中，各电杆投入运行时间及加固支撑方案的可靠性不尽相同，从而影响电杆故障率，因此需要结合该因素对电杆故障率进行修正。
电杆在整个投入运行期间，故障发生次数和投入运行时间之间存在着一定规律。电杆故障率和使用寿命之间关系曲线如图2所示。
步骤S33:根据电杆的历史运行故障信息以及设备状态评价记录，由统计方法拟合出运行年限与绝缘老化故障概率累积分布函数，从而计算各电杆老化故障率修正系数，用威布尔分布来表示：
其中，T为电杆服役年限；0≤β≤1，为威布尔分布系数；
步骤S34:根据电杆故障率和电杆老化故障率修正系数，可以得到经修正后的电杆故障率模型：
Pf＝λ(T)P。
进一步的，所述步骤S4具体为：
步骤S41:利用甩负荷风险指标LLR对台风灾害下配电网风险进行评估，其计算公式为：
其中，Pf(Ei)为台风灾害事件Ei下倒杆事故发生的可能性；S(F/Ei)为Ei发生后带来的后果的严重性；
步骤S42：利用蒙特卡洛状态抽样法对台风灾害发生时的LLR进行计算，得到台风灾害下配电网风险指标值。
进一步的，蒙特卡洛状态抽样法对台风灾害下的配电网运行状态进行抽样，判断抽样结果是否处于故障状态。若是，则对风险指标进行计算；否则进行下一次抽样，直至完成所有次数抽样。最后求出各故障状态下风险指标的和，即为当前。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (5)
1.一种台风灾害场景下配电网风险评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1:建立台风风速模型，用于计算台风风场中各点风速；
步骤S2:建立电杆荷载计算模型，用于计算电杆荷载和任意截面的弯矩；
步骤S3:建立修正后的电杆故障率模型，得到修正后的电杆故障率；
步骤S4:根据所述台风风速模型、电杆荷载计算模型和电杆故障率计算及修正模型，计算台风灾害下配电网风险指标。
2.根据权利要求1所述的一种台风灾害场景下配电网风险评估方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：
步骤S11:计算最大梯度风速Vgx：
式中，f为地球自转科氏力系数；K为经验系数，本文取0.865；ΔP为中心压差；
步骤S12:计算最大风速半径，Rmax为最大风速半径；
Rmax＝exp(-0.1239ΔP0.6003+5.1043)
ΔP(t)＝ΔP0-0.675(1+sinβ)t
式中，ΔP0为台风登陆前中心气压差；ΔP(t)为台风登陆后t时刻的中心气压差；β为台风登陆海岸线时与台风运动方向的夹角；
步骤S13:根据得到的最大风速半径Rmax，计算最大风速的平均值，最大风速的平均值VRmax出现在最大风速半径Rmax处
式中，VT为台风的移动整体速度；
步骤S14:根据最大风速的平均值VRmax，计算风场中各点风速，得到台风风速模型：
式中，Vrin为台风风场模拟圆内各点平均风速；Vrout为台风风场模拟圆外各点平均风速；r为配电线路距台风中心的距离；x为台风沿径向强度衰减有关的参数，取值在0.5到0.7之间。
3.根据权利要求1所述的一种台风灾害场景下配电网风险评估方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：
步骤S21:计算电杆在风速为v时，受到的三种风载荷：
1)导线受到的风荷载wx：
2)杆塔受到的风荷载ws：
3)绝缘子受到的风荷载wz：
式中，lH为电线水平档距；wx为线路水平档距为lH的风荷载(kN)；μz为风压高度变化系数；α为电线风压不均匀系数；μsc为电线体形系数；d为电线外径；为风向与线路之间夹角；v为线路规定基准高hs处的设计风速；β为风振系数；μs为风荷载体形系数；A为杆塔结构构件迎风面的投影面积；n1为一相导线所用的绝缘子串数；n2为每串绝缘子的片数，其它金属零件按加一片绝缘子的受风面积计算；Ap为每片绝缘子的受风面积；
步骤S22:计算电杆杆身任意截面的x-x处的弯矩Mx，得到电杆荷载计算模型:
wxz＝wx+wz
式中，wxz为导线风荷载和绝缘子的风荷载合计；为x-x截面至杆身风压合力作用点的高度；h1为x-x截面至杆顶距离；F为杆身投影面积；D0为电杆稍径；Dx为电杆x-x直径(m)；mx为扰度产生的附加弯矩系数。
4.根据权利要求1所述的一种台风灾害场景下配电网风险评估方法，其特征在于：所述步骤S3具体为：
步骤S31:混凝土电杆的抗弯强度Mp通常符合正态分布，其概率密度函数可表示为：
式中，μp为混凝土电杆抗弯强度的均值；δp为混凝土电杆抗弯强度的标准差；
步骤S32:建立以元件状态为基本变量的功能函数：
Z＝R-S
式中，R为元件强度；S为风力荷载引起的元件内部效应；
设定R服从正态分布，则Z服从正态分布，可以得到：
进而特定固定值S，电杆的故障率为：
步骤S33:根据电杆的历史运行故障信息以及设备状态评价记录，由统计方法拟合出运行年限与绝缘老化故障概率累积分布函数，从而计算各电杆老化故障率修正系数，用威布尔分布来表示：
其中，T为电杆服役年限；0≤β≤1，为威布尔分布系数；
步骤S34:根据电杆故障率和电杆老化故障率修正系数，可以得到经修正后的电杆故障率模型：
Pf＝λ(T)P。
5.根据权利要求4所述的一种台风灾害场景下配电网风险评估方法，其特征在于：所述步骤S4具体为：
步骤S41:利用甩负荷风险指标LLR对台风灾害下配电网风险进行评估，其计算公式为：
其中，Pf(Ei)为台风灾害事件Ei下倒杆事故发生的可能性；S(F/Ei)为Ei发生后带来的后果的严重性；
步骤S42：利用蒙特卡洛状态抽样法对台风灾害发生时的LLR进行计算，得到台风灾害下配电网风险指标值。
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