CN111695775A - 基于偏好比率-熵值法最优组合赋权的输电线路雷击风险评估方法 - Google Patents

基于偏好比率-熵值法最优组合赋权的输电线路雷击风险评估方法 Download PDF

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CN111695775A CN202010389647.3A CN202010389647A CN111695775A CN 111695775 A CN111695775 A CN 111695775A CN 202010389647 A CN202010389647 A CN 202010389647A CN 111695775 A CN111695775 A CN 111695775A
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Abstract

本发明提供一种基于偏好比率‑熵值法最优组合赋权的输电线路雷击风险评估方法，包括：统计雷电数据和输电线路数据，逐基杆塔计算杆塔跳闸率n，在考虑天气因素k1、地形地貌k2、植被覆盖面积k3、接地电阻k4的情况下对杆塔跳闸率n进行修正得到修正的杆塔跳闸率n’，以确定各基杆塔雷击风险等级；基于偏好比率法以确定各风险的等级主观权重以及基于熵值法确定各风险等级客观权重进行杆塔区段的评估，然后基于离差平方准则的最优组合赋权方法求出最终风险等级权重向量W；最后在考虑风险等级权重和各风险等级杆塔数量比例的情况下最终确定线路的雷击风概率，能够提高输电线路雷击风险评估的准确度。

Description

基于偏好比率-熵值法最优组合赋权的输电线路雷击风险评 估方法
技术领域
本发明涉及输电线路防雷技术领域，具体是一种基于偏好比率-熵值法最优组合赋权的输电线路雷击风险评估方法。
背景技术
我国地理面积广阔，气候地形等多变，全国各地气象灾害频发，根据电力可靠性管理中心的统计数据，在发生地区电网瘫痪的事故中，雷击导致线路跳闸的原因占40％-70％。输电线路的风险评估是深入掌握电网运行状况的一种重要手段，由于雷击灾害具有地域分布广、发生频率高、后果严重等特点，防雷评估成为电网灾害防护研究的热点和重点。
目前，对于架空输电线路雷害风险评估主要分为两大类：第一类是基于雷击故障机理分析构建物理或者数学分析模型及算法进行线路雷击参数方面的定量计算，即模拟分析类。其二是基于经验总结或者数据分析的雷害风险评估，即统计分析类。在定量计算方面，主要包括规程法及其改进算法、经典电气几何模型法(EGM)、行波法、蒙特卡洛法、先导发展模型等；在统计分析方面，如输电线路雷击事故率计算程序LORP(Lightning OutageRate Program)、网格法、线路走廊网格法等。然而，这些传统的输电线路雷击风险评估方法均是基于简化的线路结构及运行环境，计算时未考虑各级杆塔的实际雷电活动特征、地形地貌特征，无法反应局部微地形对输电线路雷击风险的影响，存在评估结果不准确的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于偏好比率-熵值法最优组合赋权的输电线路雷击风险评估方法，能够提高输电线路雷击风险评估的准确度。
本发明的目的采用如下方案实现：
一种输电线路雷击风险评估方法，包括如下步骤：
采集雷电数据和输电线路数据，具体包括雷电流幅值、地闪密度、杆塔参数、地形地貌、线路参数、天气、植被覆盖面积等，可根据采集的雷电数据和输电线路数据，建立反击跳闸计算模型和绕击跳闸模型；
基于规程法，计算反击跳闸率n1；
基于改进的电气几何模型，计算绕击跳闸率n2；
根据所述反击跳闸率n1和绕击跳闸率n2，计算杆塔跳闸率n＝n1+n2；
根据天气因素k1、地形地貌k2、周围植被覆盖面积k3、接地电阻k4对杆塔跳闸率进行修正求出修正的杆塔跳闸率n’＝n*k1*k2*k3*k4，根据修正的杆塔跳闸率n’评估各基杆塔雷击风险等级，基杆塔雷击风险等级分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级风险，分别表示正常、黄色预警、橙色预警和红色预警；
分别统计处于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级的杆塔数量，并由此计算各级风险等级杆塔在整条线路杆塔中所占的比例L1、L2、L3、L4；
运用偏好比率法，确定各风险等级对应的主观权重系数ω1、ω2、ω3、ω4；
运用熵值法，确定各风险等级对应的客观权重系数
Figure BDA0002485315790000021
利用主观权重系数和客观权重系数，根据离差平方准则的最优组合赋权方法求出最终风险等级权重向量W＝(W1,W2,W3,W4)；
根据确定的各风险等级杆塔比例L1、L2、L3、L4及最终风险等级权重向量W，计算整条输电线路雷击风险概率值
Figure BDA0002485315790000022
进一步的，根据如下公式计算反击跳闸率n1：
n1＝Ng(b+4h)ηgP1
其中，Ng是地闪密度；b为两根避雷线之间的距离(m)，h为避雷线的平均高度(m)，(b+4h)为杆塔的相对受雷面积；η为建弧率，g为击杆率，即雷击杆塔次数占雷击线路的比率；P1为超过雷击塔顶时耐雷水平I1的雷电流概率。
进一步的，根据如下公式计算绕击跳闸率n2：
Figure BDA0002485315790000023
其中，Ng是地闪密度；Imax为最大绕击电流、Ie为绕击耐雷水平、Zs为暴露距离、f(I)为雷电流概率密度函数。
进一步的，根据修正的杆塔跳闸率n’评估各基杆塔雷击风险等级具体为：以所述的杆塔雷击跳闸率n’作为参考，在不同电压等级下设定不同阈值对雷击风险进行分级。
进一步的，运用偏好比率法，确定各风险等级对应的主观权重系数ω1、ω2、ω3、ω4，包括：
以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级风险权重ω2、ω2、ω3、ω4为评价指标，其重要程度为ω1>ω2>ω3>ω4；
定义两个不同风险间的偏好比率，如表1所示：
表1
Figure BDA0002485315790000031
令oij(i,j＝1,2,...,4)为指标Ci比Cj进行比较的比率标度值，建立下列方程组：
o11ω1+o12ω2+o13ω3+o14ω4＝4ω1
o22ω2+o23ω3+o34ω4＝3ω2
o33ω3+o34ω4＝2ω3
ω1+ω2+ω3+ω4＝1
式中，0≤ωi≤1i＝1,2,3,4，由上式所求出的ω1,ω2,ω3,ω4即为各风险等级的主观权重系数。
进一步的，运用熵值法，确定各风险等级对应的客观权重系数
Figure BDA0002485315790000032
Figure BDA0002485315790000033
包括：
对各风险等级杆塔所引起的全年负荷损失情况用矩阵aij形式表示；
对原始数据进行规范化，得出规范化的矩阵
Figure BDA0002485315790000034
其中i＝1,2,…，m；j＝1,2,…,n；
计算各个评价指标的熵值
Figure BDA0002485315790000035
j＝1,2,…,n；
求出各指标变异系数dj＝1-hj，j＝1,2,…,n；
第j个评价指标的权重系数为
Figure BDA0002485315790000036
j＝1,2,…,n，于是可求出各风险等级的客观权重向量
Figure BDA0002485315790000041
进一步的，根据确定的各风险等级杆塔比例L1、L2、L3、L4及最终风险等级权重向量W，计算整条输电线路雷击风险概率值
Figure BDA0002485315790000042
包括：
构造分块矩阵
Figure BDA0002485315790000043
令矩阵A1为：
Figure BDA0002485315790000044
使m个评价指标总的离差平方和达到最大，构造如下目标函数
Figure BDA0002485315790000045
Figure BDA0002485315790000046
求出矩阵J(Wc)的最大特征根，根据最大特征根求出对应的单位化特征向量θ，根据θ，可以得最优组合赋权向量W′c＝Wcθ；
最后进行归一化处理，就可以得到最终风险等级权重向量W＝(W1，W2，W3，W4)。
本发明首先采集雷电数据和输电线路数据，然后逐基杆塔计算跳闸率，基于规程法计算反击跳闸率，基于改进电气几何模型计算绕击跳闸率，并且在考虑天气因素、地形地貌、植被覆盖面积、接地电阻的情况下对杆塔跳闸率进行修正，从而确定各基杆塔雷击风险等级，从而实现了杆塔评估；杆塔区段的评估是基于偏好比率法确定各风险的等级主观权重以及熵值法确定各风险等级的客观权重，然后基于离差平方准则的最优组合赋权方法求出最终风险等级权重向量W；最后在考虑风险等级权重和各风险等级杆塔数量比例的情况下最终确定线路的雷击风概率，据此即能实现“线路→杆塔区段→杆塔”的完整评价体系，由于计算时考虑了各级杆塔的实际雷电活动特征、地形地貌特征，能够提高输电线路雷击风险评估的准确度。
附图说明
图1是本发明基于偏好比率-熵值法最优组合赋权的输电线路雷击风险评估方法其中一个实施例的流程示意图；
图2是本发明雷击风险等级划分指标图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图和实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明实施例提供一种基于偏好比率-熵值法最优组合赋权的输电线路雷击风险评估方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：
步骤1、采集雷电数据和输电线路数据，具体包括雷电流幅值、地闪密度、杆塔参数、地形地貌、线路参数、天气、植被覆盖面积等；可根据采集的雷电数据和输电线路数据，建立反击跳闸计算模型和绕击跳闸模型；
步骤2、基于规程法，计算反击跳闸率n1；
所述反击跳闸率n1的计算公式为n1＝Ng(b+4h)ηgP1
式中，Ng是地闪密度，规程推荐40雷暴日地区使用公式为Ng＝0.07Td，Td为雷暴日；b为两根避雷线之间的距离(m)，h为避雷线的平均高度(m)，(b+4h)为杆塔的相对受雷面积；η为建弧率，η＝(4.5E0.75-14)×10-2，其中，E为绝缘子串或空气间隙的平均运行电压梯度的有效值(kV/m)；g为击杆率，即雷击杆塔次数占雷击线路的比率，击杆率的取值如下表2所示：
表2
Figure BDA0002485315790000051
P1为超过雷击塔顶时耐雷水平I1的雷电流概率。P1的求解过程如下：
步骤(1)对雷电流幅值数据进行统计分析，用Origin软件进行统计数据的曲线拟合，得到更符合实际的雷电流幅值分布函数；
步骤(2)雷击杆塔顶部时的直击耐雷水平为：
Figure BDA0002485315790000061
其中U50％为绝缘子串的50％冲击放电电压，kV；k为导线和避雷线间的耦合系数，β为杆塔分流系数；Ri为杆塔冲击接地电阻；ha为横担对地高度，m；ht为杆塔高度，m；Lf为杆塔电感；hg为避雷线对地平均高度，m；k0为导线和避雷线间的几何耦合系数；hc为导线平均高度，m；
由步骤(1)和步骤(2)可求出P1。
步骤3、基于改进的电气几何模型，计算绕击跳闸率n2；
其中，绕击跳闸率n2的计算公式为
Figure BDA0002485315790000062
其中，Ng是地闪密度；Imax为最大绕击电流；Zs为暴露距离；f(I)为雷电流概率密度函数。
最大绕击电流rsm和最大击距Imax有这样的关系：rsm＝kImax p
式中，rsm为最大击穿距离(即击距)，m；k和p均为常数，不同研究者给出的值不同，常见的有k＝6.72，p＝8；k＝9.4，p＝2/3；k＝7.1，p＝7.5；
Figure BDA0002485315790000063
其中，hd为避雷线高度，hb为导线高度，α为保护角，θ为地面倾角，根据上式可以求出最大绕击电流；
Ie为绕击耐雷水平：
Figure BDA0002485315790000064
其中Z为阻波率，一般取100Ω；
Zs为暴露距离(屏蔽弧和暴露弧相交于A点，暴露弧和地面击距线交于B点，暴露距离Zs指的是A、B两点的水平距离)。
步骤4、根据所述反击跳闸率n1和绕击跳闸率n2，计算杆塔跳闸率n＝n1+n2；
步骤5、考虑杆塔雷击跳闸率的外界影响参数主要有天气因素k1、地形地貌k2、周围植被覆盖面积k3以及接地电阻k4从而对杆塔雷击跳闸率进行修正求出n’＝n*k1*k2*k3*k4，根据图2雷击风险等级划分指标图评估各基杆塔雷击风险等级。
其中天气因素
Figure BDA0002485315790000071
式中gi的取值如表3所示：
表3
Figure BDA0002485315790000072
k2的取值如表4所示：
表4
地形地貌 山顶山棱 半山侧山 平地
k2 1.5 1.2 1
k3的取值如表5所示：
表5
植被覆盖率 <5％ 5％～20％ >20％
k3 1 1.2～1.5 1.8
k4的取值如表6所示；
表6
接地电阻 <5Ω 5Ω～15Ω >15Ω
k4 1 1.2 1.4
步骤6、分别统计处于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级的杆塔数量，并由此计算各级风险等级杆塔在整条线路杆塔中所占的比例L1、L2、L3、L4。
步骤7、运用偏好比率法，确定各风险等级对应的主观权重系数ω1、ω2、ω3、ω4：以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级风险权重ω1、ω2、ω3、ω4为评价指标，其重要程度为ω1>ω2>ω3>ω4。具体步骤如下：
定义两个不同风险间的偏好比率，如表7所示：
表7
Figure BDA0002485315790000073
Figure BDA0002485315790000081
令oij(i,j＝1,2,...,4)为指标Ci比Cj进行比较的比率标度值，于是可建立下列方程组：
o11ω1+o12ω2+o13ω3+o14ω4＝4ω1
o22ω2+o23ω3+o34ω4＝3ω2
o33ω3+o34ω4＝2ω3
ω1+ω2+ω3+ω4＝1
式中，0≤ωi≤1i＝1,2,3,4.由上式所求出的ω1,ω2,ω3,ω4即为各风险等级的主观权重。
步骤8、运用熵值法，确定各风险等级对应的客观权重系数
Figure BDA0002485315790000082
具体的，对各风险等级杆塔所引起的全年负荷损失情况用矩阵aij形式表示；
对原始数据进行规范化，得出规范化的矩阵
Figure BDA0002485315790000083
其中i＝1,2,…，m；j＝1,2,…,n；
计算各个评价指标的熵值
Figure BDA0002485315790000084
j＝1,2,…,n；求出各指标变异系数dj＝1-hj，j＝1,2,…,n；
第j个评价指标的权重系数为
Figure BDA0002485315790000085
j＝1,2,…,n，于是可求出各风险等级的客观权重向量
Figure BDA0002485315790000086
步骤9、利用主观权重系数和客观权重系数，根据离差平方准则的最优组合赋权方法求出最终风险等级权重向量W＝(W1,W2,W3,W4)：
具体的，构造分块矩阵
Figure BDA0002485315790000087
令矩阵A1为：
Figure BDA0002485315790000091
使m个评价指标总的离差平方和达到最大，构造如下目标函数
Figure BDA0002485315790000092
求出矩阵J(Wc)的最大特征根，根据最大特征根求出对应的单位化特征向量θ；
根据θ，可以得最优组合赋权向量W′c＝Wcθ；
最后进行归一化处理，就可以得到最终风险等级权重向量W＝(W1，W2，W3，W4)。
步骤9、根据确定的各风险等级杆塔比例L1、L2、L3、L4及最终风险等级权重向量W，计算整条输电线路雷击风险概率值
Figure BDA0002485315790000093
本发明能实现“线路→杆塔区段→杆塔”的完整评价体系，由于计算时考虑了各级杆塔的实际雷电活动特征、地形地貌特征，能够提高输电线路雷击风险评估的准确度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于偏好比率-熵值法最优组合赋权的输电线路雷击风险评估方法，其特征在于包括如下步骤：
采集雷电数据和输电线路数据，包括雷电流幅值、地闪密度、杆塔参数、地形地貌、线路参数、天气、植被覆盖面积；
基于规程法，计算反击跳闸率n1；
基于改进的电气几何模型，计算绕击跳闸率n2；
根据所述反击跳闸率n1和绕击跳闸率n2，计算杆塔跳闸率n＝n1+n2；
根据天气因素k1、地形地貌k2、周围植被覆盖面积k3、接地电阻k4对杆塔跳闸率进行修正求出修正的杆塔跳闸率n’＝n*k1*k2*k3*k4，根据修正的杆塔跳闸率n’评估各基杆塔雷击风险等级，基杆塔雷击风险等级分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级风险，分别表示正常、黄色预警、橙色预警和红色预警；
分别统计处于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级的杆塔数量，并由此计算各级风险等级杆塔在整条线路杆塔中所占的比例L1、L2、L3、L4；
运用偏好比率法，确定各风险等级对应的主观权重系数ω1、ω2、ω3、ω4；
运用熵值法，确定各风险等级对应的客观权重系数
Figure FDA0002485315780000011
利用主观权重系数和客观权重系数，根据离差平方准则的最优组合赋权方法求出最终风险等级权重向量W＝(W1,W2,W3,W4)；
根据确定的各风险等级杆塔比例L1、L2、L3、L4及最终风险等级权重向量W，计算整条输电线路雷击风险概率值
Figure FDA0002485315780000012
2.如权利要求1所述的基于偏好比率-熵值法最优组合赋权的输电线路雷击风险评估方法，其特征在于：根据如下公式计算反击跳闸率n1：
n1＝Ng(b+4h)ηgP1
其中，Ng是地闪密度；b为两根避雷线之间的距离(m)，h为避雷线的平均高度(m)，(b+4h)为杆塔的相对受雷面积；η为建弧率，g为击杆率，即雷击杆塔次数占雷击线路的比率；P1为超过雷击塔顶时耐雷水平I1的雷电流概率。
3.如权利要求1所述的基于偏好比率-熵值法最优组合赋权的输电线路雷击风险评估方法，其特征在于：根据如下公式计算绕击跳闸率n2：
Figure FDA0002485315780000021
其中，Ng是地闪密度；Imax为最大绕击电流、Ie为绕击耐雷水平、Zs为暴露距离、f(I)为雷电流概率密度函数。
4.如权利要求1所述的基于偏好比率-熵值法最优组合赋权的输电线路雷击风险评估方法，其特征在于：根据修正的杆塔跳闸率n’评估各基杆塔雷击风险等级具体为：以所述的杆塔雷击跳闸率n’作为参考，在不同电压等级下设定不同阈值对雷击风险进行分级。
5.如权利要求1所述的基于偏好比率-熵值法最优组合赋权的输电线路雷击风险评估方法，其特征在于运用偏好比率法，确定各风险等级对应的主观权重系数ω1、ω2、ω3、ω4，包括：
以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级风险权重ω2、ω2、ω3、ω4为评价指标，其重要程度为ω1>ω2>ω3>ω4；
定义两个不同风险间的偏好比率，如表1所示：
表1
Figure FDA0002485315780000022
令oij(i,j＝1,2,…,4)为指标Ci比Cj进行比较的比率标度值，建立下列方程组：
o11ω1+o12ω2+o13ω3+o14ω4＝4ω1
o22ω2+o23ω3+o34ω4＝3ω2
o33ω3+o34ω4＝2ω3
ω1+ω2+ω3+ω4＝1
式中，0≤ωi≤1i＝1,2,3,4，由上式所求出的ω1,ω2,ω3,ω4即为各风险等级的主观权重系数。
6.如权利要求1所述的基于偏好比率-熵值法最优组合赋权的输电线路雷击风险评估方法，其特征在于：运用熵值法，确定各风险等级对应的客观权重系数
Figure FDA0002485315780000031
包括：
对各风险等级杆塔所引起的全年负荷损失情况用矩阵aij形式表示；
对原始数据进行规范化，得出规范化的矩阵
Figure FDA0002485315780000032
其中i＝1,2,…，m；j＝1,2,…,n；
计算各个评价指标的熵值
Figure FDA0002485315780000033
求出各指标变异系数dj＝1-hj，j＝1,2,…,n；第j个评价指标的权重系数为
Figure FDA0002485315780000034
于是可求出各风险等级的客观权重向量
Figure FDA0002485315780000035
7.如权利要求1所述的基于偏好比率-熵值法最优组合赋权的输电线路雷击风险评估方法，其特征在于：
根据确定的各风险等级杆塔比例L1、L2、L3、L4及最终风险等级权重向量W，计算整条输电线路雷击风险概率值
Figure FDA0002485315780000036
包括：
构造分块矩阵
Figure FDA0002485315780000037
令矩阵A1为：
Figure FDA0002485315780000038
使m个评价指标总的离差平方和达到最大,构造如下目标函数
Figure FDA0002485315780000039
Figure FDA00024853157800000310
求出矩阵J(Wc)的最大特征根，根据最大特征根求出对应的单位化特征向量θ，根据θ，可以得最优组合赋权向量W’c＝Wcθ；
最后进行归一化处理，就可以得到最终风险等级权重向量W＝(W1,W2,W3,W4)。
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