CN112199841A - 一种雷害差异化评估仿真计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种雷害差异化评估仿真计算方法，其包括以下步骤：步骤A：将杆塔空间分割成多个面元，并计算每个面元内每年落雷次数；步骤B：根据雷电流幅值概率分布，将电流划分为多个区间，求各区间中点雷电流幅值发生概率；步骤C：根据模型判断落雷的位置；步骤D：若雷击线路，则计入直击雷跳闸次数；否则利用感应雷过电压模型判断是否闪络；步骤E：判断电流的所有区间的雷跳闸次数是否计算完毕，若计算完毕，则计算另一个面元；否则返回步骤C；步骤F：判断所有的面元是否计算完毕，若是未计算完毕，则返回步骤B；否则对各杆塔的雷害风险进行分级。本发明通过分析不同杆塔的不同面元的雷击跳闸次数，从而对不同杆塔的雷害风险进行分级。

Description

一种雷害差异化评估仿真计算方法

技术领域

本发明涉及输电线路防雷评估与保护领域，特别涉及一种雷害差异化评估仿真计算方法。

背景技术

雷击灾害是十大自然灾害之一。长期以来，雷击故障一直是困扰电网安全供电的一个难题。近年来，随着我国电力系统快速发展，供用电系统的容量越来越大，网架越来越密，电压等级越来越高，输电线路的杆塔越来越高，与此同时面临的新情况新问题是，停电事故发生的机率相应增加，尤其是雷击所引起的线路停电事故日益增多，超高压电网的雷击事故也呈加剧之势。如何对电网雷害风险进行正确而有效地评估这个问题。

现有对电网雷害风险进行评估方法中，有关雷害的一些重要信息和技术参数是进行评估的依据，如雷电活动情况、雷击跳闸率，电网线路结构、绝缘配置和防雷措施等。现在某些针对电网雷害风险进行评估的方法，对雷击跳闸率的关注度高，将其作为衡量电网雷害风险的指标，甚至是唯一指标。但是现有的评价方法无法模拟出杆塔附近的雷击次数并且无法精准的计算出雷击跳闸率，导致无法对各个杆塔的雷害风险进行准确的分级，为防雷治理工作带来偏差。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的上述技术问题之一，为此，本发明提出一种雷害差异化评估仿真计算方法，该方法通过对各杆塔附近空间进行模拟仿真，在确定电流幅值及落雷位置确定后，可结合所存储的树木与建筑物的离散质点，运用雷击位置判断模型判断该N_I+0.5△I次雷击的雷击位置，并根据雷击位置及雷击物体进行过电压计算，根据过电压计算模型判断是否跳闸，并归入相应的评估参量中，从而能够对各杆塔雷害风险进行分级，以便对雷害风险等级较高的杆塔进行有效的预防。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种雷害差异化评估仿真计算方法，包括以下步骤：

步骤A：将杆塔及附近空间分割成多个面元，并计算每个面元面积ΔS内每年落雷次数ΔN；

步骤B：根据雷电流幅值概率分布，将电流划分为多个区间，求各区间中点雷电流幅值发生概率ΔP；

步骤C：根据雷击点位置判断模型判断ΔN·ΔP次落雷的位置；

步骤D：若雷击线路，则直接计入直击雷跳闸次数；若雷击其他位置，则利用感应雷过电压模型计算，判断是否闪络，并折算为感应雷的跳闸次数；

步骤E：判断电流的所有区间的雷跳闸次数是否计算完毕，若是计算完毕，则计算另一个面元面积ΔS的雷跳闸次数；若是未计算完毕，重复循环上述步骤 C和步骤D；

步骤F：判断所有的面元的雷跳闸次数是否计算完毕，若是未计算完毕，返回上述步骤B重复循环；若是计算完毕，则进入步骤G；

步骤G：通过计算各个杆塔及附近空间的所有面元的雷跳闸次数，从而对各杆塔的雷害风险进行分级。

进一步的，所述步骤A中包括以下步骤：

步骤H：选取其中一个杆塔作为目标杆塔，首先读入所述目标杆塔前后两个档距范围内所有的树木及建筑物信息，并处理成多个具有各自击距的离散质点；

步骤I：分别取x方向及y方向步长△h、△l作为指定的面元，相应的面元面积ΔS为：

ΔS＝Δl·Δh

步骤J：将面元一年中产生的落雷次数均当作在面元中心位置下落，该面元面积ΔS内每年落雷次数ΔN为：

ΔN＝ΔS·Υ·T_d，式中：

γ为地面平均落雷次数；

T_d为雷暴日数。

进一步的，所述步骤J中包括以下步骤：

步骤K：从雷害在线监测数据库中获取过去一年的历史时间段中该区域出现的落雷次数历史数据；

步骤L：从所述步骤K获得地面平均落雷次数γ；

步骤M：从雷害在线监测数据库中获取过去一年的历史时间段中该区域出现雷暴天气的雷暴日数T_d。

进一步的，在所述步骤B中，

根据雷电流幅值概率分布函数，将幅值[0，I_max]按照仿真步长△I划分为多个区间，则雷电流幅值概率分布函数上I与I+△I之间的面积等效为两者中点的雷电流幅值I+0.5△I所发生的概率△P，则在面元中心点一年中所能发生的幅值为I+0.5△I的雷电流次数等效为：

N_I+0.5ΔI＝ΔN·ΔP。

进一步的，在所述步骤B中，在所发生的△N次雷击中雷电流幅值的分布规律按照特定地区的雷电流参数确定，所考虑的雷电流幅值最大值仅需根据各地区所可能发生的最大雷电流幅值I_max确定。

进一步的，在所述步骤C中，结合树木与建筑物的离散质点，运用雷击位置判断模型判断该N_I+0.5△I次雷击的雷击位置：由空间直角坐标系推导出物体间相互位置关系及击距表面的位置关系，从而判断雷电先导所到达的击距面，最终判断出雷击位置。

进一步的，以所述目标杆塔为坐标原点，以平行于架空配电线路方向为y 轴，垂直于架空配电线路方向为x轴，沿所述目标杆塔垂直于xy平面的方向为 z轴方向，建立所述空间直角坐标系。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过将杆塔及附近空间分割成多个面元，并将电流根据幅值的不同划分成多个区间，通过建立仿真模型，计算每个面元内不同区间的电流的落雷次数并统计落雷次数中导致跳闸的跳闸次数，通过分析不同杆塔的不同面元内的雷击跳闸次数，从而可以对不同杆塔的雷害风险进行分级，通过对比准确查找出特定线路中相对雷害风险等级高的杆塔进行防护，以期满足不同区域中配网线路差异化雷害治理目标。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为发明实施例中的空间直角坐标系的示意图；

图2为本发明实施例的流程示意图；

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图2所示，根据本发明实施例提供的一种雷害差异化评估仿真计算方法，包括以下步骤：

步骤A：将杆塔及附近空间分割成多个面元，并计算每个面元面积ΔS内每年落雷次数ΔN；

步骤B：根据雷电流幅值概率分布，将电流划分为多个区间，求各区间中点雷电流幅值发生概率ΔP；

步骤C：根据雷击点位置判断模型判断ΔN·ΔP次落雷的位置；

步骤D：若雷击线路，则直接计入直击雷跳闸次数；若雷击其他位置，则利用感应雷过电压模型计算，判断是否闪络，并折算为感应雷的跳闸次数；

步骤E：判断电流的所有区间的雷跳闸次数是否计算完毕，若是计算完毕，则计算另一个面元面积ΔS的雷跳闸次数；若是未计算完毕，重复循环上述步骤 C和步骤D；

步骤F：判断所有的面元的雷跳闸次数是否计算完毕，若是未计算完毕，返回上述步骤B重复循环；若是计算完毕，则进入步骤G；

步骤G：通过计算各个杆塔及附近空间的所有面元的雷跳闸次数，从而对各杆塔的雷害风险进行分级。

与现有技术相比，本发明实施例通过将杆塔及附近空间分割成多个面元，并将电流根据幅值的不同划分成多个区间，通过建立仿真模型，计算每个面元内不同区间的电流的落雷次数并统计落雷次数中导致跳闸的跳闸次数，通过分析不同杆塔的不同面元内的雷击跳闸次数，从而可以对不同杆塔的雷害风险进行分级，通过对比进而可准确查找出特定线路中相对雷害风险等级高的杆塔进行防护，以期满足不同区域中配网线路差异化雷害治理目标。可以理解的是，仿真模型是基于蒙特卡洛算法和电气几何模型(EGM)建立起来的，电气几何模型将雷电放电、杆塔和地形地貌结合起来，可以对复杂地形进行防雷分析；同时电气几何模型也可以判断特定雷电流情况下的落雷位置；感应雷过电压采用数值计算模型，判断雷击其他位置时，是否产生闪络，从而判断是否导致跳闸。

具体地，所述步骤A中包括以下步骤：

步骤H：选取其中一个杆塔作为目标杆塔，首先读入所述目标杆塔前后两个档距范围内所有的树木及建筑物信息，并处理成多个具有各自击距的离散质点；

步骤I：分别取x方向及y方向步长△h、△l作为指定的面元，相应的面元面积ΔS为：

ΔS＝Δl·Δh

步骤J：将面元一年中产生的落雷次数均当作在面元中心位置下落，该面元面积ΔS内每年落雷次数ΔN为：

ΔN＝ΔS·Υ·T_d，式中：

γ为地面平均落雷次数；

T_d为雷暴日数。

通过在将目标杆塔及附近空间分割成多个面元进行细分，并分别计算每个面元内产生的落雷次数和产生跳闸的雷跳闸次数，从而可以通过计算雷跳闸次数与落雷次数的比值得出目标杆塔及附近空间的雷击跳闸率，进而可以根据该雷击跳闸率对该目标杆塔的雷害风险进行分级。

更具体地，通过计算得到全线的平均雷击跳闸率P_基，全线的平均雷击跳闸率P_基为全线的所有目标杆塔的雷跳闸次数的总和与全线的所有目标杆塔的落雷次数的总和的比值，通过将各个目标杆塔的雷击跳闸率与全线的雷击平均跳闸率P_基进行对比，从而将各个目标杆塔的雷害风险进行分级。具体的分级标准为：当目标杆塔的雷击跳闸率≤0.5P_基，目标杆塔的雷害等级为A级；当0.5P_基＜目标杆塔的雷击跳闸率≤P_基，目标杆塔的雷害等级为B级；当P_基＜目标杆塔的雷击跳闸率≤1.5P_基，目标杆塔的雷害等级为C级；当目标杆塔的雷击跳闸率＞ 1.5P_基，目标杆塔的雷害等级为D级，其中D级为最高的雷害等级，A级为最低的雷害等级。

表1各个目标杆塔的雷击跳闸率对比P_基获得的雷害等级如下

通过本发明实施例的方法，获得了线路上各个目标杆塔的对应的雷害等级，将各个目标杆塔的雷害等级由高到低进行排序，优先选择其中雷害等级高的目标杆塔进行防雷预防，提高该目标杆塔的线路的耐雷水平，减少出现雷跳闸的几率，为配网线路差异化雷害治理工作提供指导作用。

在本发明的一些实施例中，所述步骤J中包括以下步骤：

步骤K：从雷害在线监测数据库中获取过去一年的历史时间段中该区域出现的落雷次数历史数据；

步骤L：从所述步骤K获得地面平均落雷次数γ；

步骤M：从雷害在线监测数据库中获取过去一年的历史时间段中该区域出现雷暴天气的雷暴日数T_d。

通过参考过去一年的历史时间段中该区域的雷害情况，可以对未来的一年将会出现的地面平均落雷次数γ和雷暴日数T_d进行有效的预测。可以理解的是，由于不同年份的天气有所区别，需要立足当年的天气预测，对过去一年的历史数据进行修正，从而进一步调高评估的准确性。

在本发明的一些实施例中，在所述步骤B中，

根据雷电流幅值概率分布函数，将幅值[0，I_max]按照仿真步长△I划分为多个区间，则雷电流幅值概率分布函数上I与I+△I之间的面积等效为两者中点的雷电流幅值I+0.5△I所发生的概率△P，则在面元中心点一年中所能发生的幅值为I+0.5△I的雷电流次数等效为：

N_I+0.5ΔI＝ΔN·ΔP。

基于将电流幅值概率分布函数，将雷电流幅值概率分布函数上I与I+△I 之间的面积等效为两者中点的雷电流幅值I+0.5△I所发生的概率△P，可以简化计算的过程，进一步加快评估的效率。

在本发明的一些实施例中，在所述步骤B中，在所发生的△N次雷击中雷电流幅值的分布规律按照特定地区的雷电流参数确定，所考虑的雷电流幅值最大值仅需根据各地区所可能发生的最大雷电流幅值I_max确定。通过立足特定地区的雷电流参数确定对应地区的最大雷电流幅值I_max，可以使得最终得到的评估结果更加接近该地区的环境，使得最终的评估结果更加准确。

在本发明的一些实施例中，在所述步骤C中，结合树木与建筑物的离散质点，运用雷击位置判断模型判断该N_I+0.5△I次雷击的雷击位置：由空间直角坐标系推导出物体间相互位置关系及击距表面的位置关系，从而判断雷电先导所到达的击距面，最终判断出雷击位置。通过将目标杆塔附近的树木与建筑物处理成离散质点，考虑到附近树木与建筑物的影响，结合雷击位置判断模型和空间直角坐标系可以较为准确的判断出雷击位置。

如图1所示，在本发明的一些实施例中，以所述目标杆塔为坐标原点，以平行于架空配电线路方向为y轴，垂直于架空配电线路方向为x轴，沿所述目标杆塔垂直于xy平面的方向为z轴方向，建立所述空间直角坐标系。这样设置，本发明实施例的空间直角坐标系与传统的笛卡尔坐标系相一致，以便操作人员快速的判断雷击位置。

以上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 (7)

1.一种雷害差异化评估仿真计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：将杆塔及附近空间分割成多个面元，并计算每个面元面积ΔS内每年落雷次数ΔN；

步骤B：根据雷电流幅值概率分布，将电流划分为多个区间，求各区间中点雷电流幅值发生概率ΔP；

步骤C：根据雷击点位置判断模型判断ΔN·ΔP次落雷的位置；

步骤D：若雷击线路，则直接计入直击雷跳闸次数；若雷击其他位置，则利用感应雷过电压模型计算，判断是否闪络，并折算为感应雷的跳闸次数；

步骤E：判断电流的所有区间的雷跳闸次数是否计算完毕，若是计算完毕，则计算另一个面元面积ΔS的雷跳闸次数；若是未计算完毕，重复循环上述步骤C和步骤D；

步骤F：判断所有的面元的雷跳闸次数是否计算完毕，若是未计算完毕，返回上述步骤B重复循环；若是计算完毕，则进入步骤G；

步骤G：通过计算各个杆塔及附近空间的所有面元的雷跳闸次数，从而对各杆塔的雷害风险进行分级。

2.根据权利要求1所述的一种雷害差异化评估仿真计算方法，其特征在于，所述步骤A中包括以下步骤：

步骤H：选取其中一个杆塔作为目标杆塔，首先读入所述目标杆塔前后两个档距范围内所有的树木及建筑物信息，并处理成多个具有各自击距的离散质点；

步骤I：分别取x方向及y方向步长△h、△l作为指定的面元，相应的面元面积ΔS为：

ΔS＝Δl·Δh

步骤J：将面元一年中产生的落雷次数均当作在面元中心位置下落，该面元面积ΔS内每年落雷次数ΔN为：

ΔN＝ΔS·Υ·T_d，式中：

γ为地面平均落雷次数；

T_d为雷暴日数。

3.根据权利要求2所述的一种雷害差异化评估仿真计算方法，其特征在于，所述步骤J中包括以下步骤：

步骤K：从雷害在线监测数据库中获取过去一年的历史时间段中该区域出现的落雷次数历史数据；

步骤L：从所述步骤K获得地面平均落雷次数γ；

步骤M：从雷害在线监测数据库中获取过去一年的历史时间段中该区域出现雷暴天气的雷暴日数T_d。

4.根据权利要求2所述的一种雷害差异化评估仿真计算方法，其特征在于，在所述步骤B中，

根据雷电流幅值概率分布函数，将幅值[0，I_max]按照仿真步长△I划分为多个区间，则雷电流幅值概率分布函数上I与I+△I之间的面积等效为两者中点的雷电流幅值I+0.5△I所发生的概率△P，则在面元中心点一年中所能发生的幅值为I+0.5△I的雷电流次数等效为：

N_I+0.5ΔI＝ΔN·ΔP。

5.根据权利要求4所述的一种雷害差异化评估仿真计算方法，其特征在于，在所述步骤B中，在所发生的△N次雷击中雷电流幅值的分布规律按照特定地区的雷电流参数确定，所考虑的雷电流幅值最大值仅需根据各地区所可能发生的最大雷电流幅值I_max确定。

6.根据权利要求5所述的一种雷害差异化评估仿真计算方法，其特征在于，在所述步骤C中，结合树木与建筑物的离散质点，运用雷击位置判断模型判断该N_I+0.5△I次雷击的雷击位置：由空间直角坐标系推导出物体间相互位置关系及击距表面的位置关系，从而判断雷电先导所到达的击距面，最终判断出雷击位置。

7.根据权利要求6所述的一种雷害差异化评估仿真计算方法，其特征在于，以所述目标杆塔为坐标原点，以平行于架空配电线路方向为y轴，垂直于架空配电线路方向为x轴，沿所述目标杆塔垂直于xy平面的方向为z轴方向，建立所述空间直角坐标系。

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