CN112380734A - 一种基于topsis法的输电线路防雷措施优化选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于TOPSIS法的输电线路防雷措施优化选择方法，确定需要进行防雷改造的杆塔后，将防雷措施与初始评价指标一一对应，并对防雷措施的初始评价指标进行评分，将评分设为TOPSIS法的初始决策矩阵X，对初始决策矩阵进行归一化处理得到归一化决策矩阵R，利用层次分析法求得各初始评价指标的权重，得到加权归一化决策矩阵Z，求出每个初始评价指标的最优、最劣值及正、负理想解，根据TOPSIS法，获取各个防雷措施与正、负理想解的欧式距离，并获得相对贴近度，将相对贴近度作为综合评价指标，根据综合评价指标的大小得到防雷措施的优选顺序，基于每基杆塔的具体情况，采用TOPSIS法为每基杆塔进行防雷措施的最优选择，保证杆塔的防雷性能。

Description

一种基于TOPSIS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技术领域，特别涉及一种基于TOPSIS法的输电线路防雷措施优化选择方法。

背景技术

雷电是影响输电线路安全稳定运行的重要原因，据统计，输电线路每年因雷击发生的跳闸事故占总事故的40％～70％，输电线路一旦发生跳闸事故，将会造成巨大的经济损失，给人们的生产生活带来不便，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，目前采取了较多的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、安装防绕击侧针、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。

发明内容

鉴以此，本发明提出一种基于TOPSIS法的输电线路防雷措施优化选择方法，在进行防雷改造前，对防雷措施进行综合评估，根据评估结果选择技术经济型较高的措施，提高防雷改造效果。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于TOPSIS法的输电线路防雷措施优化选择方法，包括以下步骤：

步骤S1、确定需要进行防雷改造的杆塔；

步骤S2、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初始评价指标，将防雷措施与初始评价指标一一对应，并对防雷措施的初始评价指标进行评分，将评分设为TOPSIS法的初始决策矩阵X；

步骤S3、对初始决策矩阵进行归一化处理得到归一化决策矩阵R；

步骤S4、利用层次分析法求得各初始评价指标的权重，得到加权归一化决策矩阵Z，求出每个初始评价指标的最优、最劣值及正、负理想解；

步骤S5、根据TOPSIS法，获取各个防雷措施与正、负理想解的欧式距离，并获得相对贴近度；

步骤S6、将相对贴近度作为综合评价指标，根据综合评价指标的大小得到防雷措施的优选顺序。

优选的，所述步骤S1包括以下步骤：

步骤S11、收集输电线路雷击跳闸数据，计算输电线路各个杆塔的雷击跳闸率；

步骤S12、根据雷击跳闸率的大小，确定杆塔的雷击风险等级，结合历史跳闸情况，确定需要进行防雷改造的杆塔；

优选的，所述步骤S11的具体步骤包括：

步骤S111、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；

步骤S112、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；

步骤S113、收集地线型号、地线半径、地线直流电阻、绝缘子串型号、长度、干弧距离的数据并建立雷击输电线路计算统计数据库，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；

步骤S114、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；

步骤S115、将所收集的输电线路数据输入到步骤S114的各个模型中，得到每基杆塔的绕击跳闸率及反击跳闸率。

优选的，所述步骤S12包括以下步骤：

步骤S121、根据雷暴日确定雷击跳闸率的控制指标；

步骤S122、将输电线路闪络风险等级根据跳闸率与控制指标之间的关系分为若干级；

步骤S123、取跳闸率大于控制指标的级别为需要进行防雷改造的杆塔。

优选的，所述步骤S2的初始评价指标包括跳闸率的降低效果、工程费用、改造难易度、维护难易度以及运行寿命，所述防雷措施包括安装避雷器、降低杆塔接地电阻、架设耦合地线、加强绝缘水平、加装保护间隙以及安装防雷侧针。

优选的，所述步骤S2包括以下步骤：

步骤S21、将防雷措施建立成为因素论域U＝{u₁，u₂，...，u_n}；

步骤S22、将初始评价指标建立成为评语论域V＝{v₁，v₂，...，v_m}；

步骤S23、在因素论域U和评语论域V之间进行单因素评价，建立初始决策矩阵X；

初始决策矩阵X的表达式为

i＝1，2...，m；j＝1，2...，n。

优选的，所述步骤S3的归一化决策矩阵R的表达式为：

其中r_mn由下式得到：

优选的，所述步骤S4包括以下步骤：

步骤S41、建立判断矩阵A，通过对初始评价指标的两两比较，对同一层次中各初始评价指标的相对重要性进行判断；

步骤S42、获取判断矩阵A的最大特征根的特征向量，该特征向量为权重向量W；

步骤S43、加权归一化决策矩阵Z＝WR，其表达式如下：

步骤S44、由加权归一化决策矩阵Z获得指标的最优解z⁺ _*j＝max z_ij、最劣解z^- _*j＝min z_ij、正理想解Z⁺ _*j＝[z⁺ _*1，z⁺ _*2，...z⁺ _*n]、负理想解Z^- _*j＝[z^- _*1，z^- _*2，...z^- _*n]。

优选的，各个防雷措施与正理想解的欧式距离为：

各个防雷措施与负理想解的欧式距离为：

各个防雷措施的相对贴近度为：

优选的，所述步骤S6中，根据相对贴近度数值由大到小，对防雷措施进行排序，获得优先级由高到低的防雷措施优选顺序。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于TOPSIS法的输电线路防雷措施优化选择方法，在选取需要改造的杆塔后，基于每基杆塔的具体情况，采用TOPSIS法对输电线路杆塔进行防雷措施优化选择，并最终得到适用于每基杆塔的防雷措施优选顺序，从而可以针对不同的杆塔采取不同的防雷措施，保证每基杆塔的改造措施符合其基本情况，不仅可以减少人力物力的使用，还可以保证杆塔的防雷性能。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种基于TOPSIS法的输电线路防雷措施优化选择方法的流程图。

具体实施方式

为了更好理解本发明技术内容，下面提供一具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。

参见图1，本发明提供的一种基于TOPSIS法的输电线路防雷措施优化选择方法，包括以下步骤：

步骤S1、确定需要进行防雷改造的杆塔；

步骤S2、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初始评价指标，将防雷措施与初始评价指标一一对应，并对防雷措施的初始评价指标进行评分，将评分设为TOPSIS法的初始决策矩阵X；

步骤S3、对初始决策矩阵进行归一化处理得到归一化决策矩阵R；

步骤S4、利用层次分析法求得各初始评价指标的权重，得到加权归一化决策矩阵Z，求出每个初始评价指标的最优、最劣值及正、负理想解；

步骤S5、根据TOPSIS法，获取各个防雷措施与正、负理想解的欧式距离，并获得相对贴近度；

步骤S6、将相对贴近度作为综合评价指标，根据综合评价指标的大小得到防雷措施的优选顺序。

本发明的一种基于TOPSIS法的输电线路防雷措施优化选择方法，用于对待改造的杆塔进行防雷措施的最优选，其中，在选择防雷措施前，先选取待防雷改造的杆塔，然后采用TOPSIS法对输电线路杆塔进行防雷措施优化选择，获得初始决策矩阵、归一化决策矩阵以及加权归一化矩阵，最终获得相对贴近度，根据相对贴近度的大小可以对防雷措施进行排序，可以获得防雷措施的优选顺序，从而可以根据优选顺序针对每基杆塔进行防雷措施的最优选择，保证防雷措施适用于对应的杆塔，保证杆塔的防雷可靠性。

优选的，所述步骤S1包括以下步骤：

步骤S11、收集输电线路雷击跳闸数据，计算输电线路各个杆塔的雷击跳闸率；

所述步骤S11的具体步骤包括：

步骤S111、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；

步骤S112、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；

步骤S113、收集地线型号、地线半径、地线直流电阻、绝缘子串型号、长度、干弧距离的数据并建立雷击输电线路计算统计数据库，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；

步骤S114、在ATP—EMTP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，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；

步骤S115、将所收集的输电线路数据输入到步骤S114的ATP—EMTP所建立的各个模型中，得到每基杆塔的绕击跳闸率及反击跳闸率。

步骤S12、根据雷击跳闸率的大小，确定杆塔的雷击风险等级，结合历史跳闸情况，确定需要进行防雷改造的杆塔；

所述步骤S12包括以下步骤：

步骤S121、根据雷暴日确定雷击跳闸率的控制指标；

步骤S122、将输电线路闪络风险等级根据跳闸率与控制指标之间的关系分为若干级；

步骤S123、取跳闸率大于控制指标的级别为需要进行防雷改造的杆塔。

各地区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，表1为跳闸率与风险等级的关系：

表1 跳闸率与风险等级的关系：

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

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。

优选的，所述步骤S2的初始评价指标包括跳闸率的降低效果、工程费用、改造难易度、维护难易度以及运行寿命，所述防雷措施包括安装避雷器、降低杆塔接地电阻、架设耦合地线、加强绝缘水平、加装保护间隙以及安装防雷侧针，所述步骤S2包括以下步骤：

步骤S21、将防雷措施建立成为因素论域U＝{u₁，u₂，...，u_n}；

步骤S22、将初始评价指标建立成为评语论域V＝{v₁，v₂，...，v_m}；

步骤S23、在因素论域U和评语论域V之间进行单因素评价，建立初始决策矩阵X；

初始决策矩阵X的表达式为

i＝1，2...，m；j＝1，2...，n。

划分防雷措施对应初始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，如表2所示：

表2 防雷措施对应初始评价指标的评价等级

优选的，所述步骤S3的归一化决策矩阵R的表达式为：

其中r_mn由下式得到：

由于参与评价的各项初始评价指标有越大越优型和越小越优型，因此需要对初始决策矩阵X进行归一化处理。

优选的，所述步骤S4包括以下步骤：

步骤S41、建立判断矩阵A，通过对初始评价指标的两两比较，对同一层次中各初始评价指标的相对重要性进行判断，A＝(a_ij)_n*n；

指数型判断标度的判断体系为：当标度＝1时，表明两指标具有同等重要性；标度＝3时，a_i比a_j稍微重要；当标度＝5时，a_i比a_j明显重要；当标度＝7时，a_i比a_j强烈重要；当标度＝9，表明a_i比a_j极端重要。

步骤S42、获取判断矩阵A的最大特征根的特征向量，该特征向量为权重向量W，W＝{ω_j|1≤j≤m}；

获取权重向量后，需要进行一致性检验，随机一致性比率CR<0.1时，认为是符合要求的，反之，需要重新进行评估，其中，CR＝CI/RI，

步骤S43、加权归一化决策矩阵Z＝WR，其表达式如下：

步骤S44、由加权归一化决策矩阵Z获得指标的最优解z⁺ _*j＝max z_ij、最劣解z^- _*j＝min z_ij、正理想解Z⁺ _*j＝[z⁺ _*1，z⁺ _*2，...z⁺ _*n]、负理想解Z^- _*j＝[z^- _*1，z^- _*2，...z^- _*n]。

优选的，各个防雷措施与正理想解的欧式距离为：

各个防雷措施与负理想解的欧式距离为：

各个防雷措施的相对贴近度为：

优选的，所述步骤S6中，根据相对贴近度数值由大到小，对防雷措施进行排序，获得优先级由高到低的防雷措施优选顺序。

以下通过海南省琼海市110kV红乘线为例来论述本发明的有益效果。

首先先收集红乘线的雷击跳闸数据，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杆塔雷击跳闸率模型中可以得到各杆塔的绕击跳闸率和反击跳闸率，根据规定，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，因此当跳闸率大于控制指标P时，判断所对应的杆塔为需要进行防雷改造的杆塔，而琼海地区雷击跳闸率控制指标1.385次/百公里·年，根据该控制指标可以获得红乘线需要进行雷击改造的杆塔编号，其待改造的杆塔编号及对应的跳闸率如表3所示。

表3 待改造杆塔及其雷击跳闸率

收集110kV红乘线往年的遭受雷击的数据得到：2011.6.21，#85-#86杆雷击；2011.8.27，#130-#131杆雷击；2011.9.18，.#86杆AC相绝缘子遭雷击；2012.5.30，#86杆C相绝缘子有雷击痕迹；#32-#33杆雷击2012.7.31，#128塔处A、C相合成绝缘子被雷击；#144杆雷击；2013.7.15，#70塔AB相绝缘子有雷击闪络放电痕迹；2013.8.20，N131塔处AC相合成绝缘子有被雷击痕迹。

所以所需改造的杆塔除了表3中所示的以外，还有#32、#33、#70、#85、#128、#130、#131号杆塔，以下以#86杆塔作为待防雷改造杆塔进行说明。

初始评价指标包括跳闸率的降低效果、工程费用、改造难易度、维护难易度以及运行寿命，所述防雷措施包括安装避雷器、降低杆塔接地电阻、架设耦合地线、加强绝缘水平、加装保护间隙以及安装防雷侧针，对于红乘线而言，其各防雷措施对应初始评价指标的评分如表4所示。

表4 红乘线各防雷措施对应初始评价指标的评分

将表4的评分设为TOPSIS法的初始决策矩阵X，对初始决策矩阵X进行归一化后获得归一化决策矩阵R，在对初始评价指标进行加权归一化时，所建立的判断矩阵A如下：

计算判断矩阵A的最大特征根的特征向量，该特征向量即为权重向量W，计算得到W＝＝[0.4659 0.2009 0.1555 0.0598 0.1179]^T。

对计算结果进行一致性检验，得到CI＝0.0503,CR＝0.0449，CR<0.1，所以是符合要求的。

获得加权归一化决策矩阵Z后，计算各防雷措施与正理想解的欧式距离d⁺，d⁺＝[0.1216，0.3458，0.1881，0.0000，0.1951，0.3461]，而各防雷措施与负理想解的欧式距离d^-＝[0.3106，0.0590，0.1745，0.3533，0.1670，0.0237]，根据各防雷措施与正理想解的欧式距离d⁺和各防雷措施与负理想解的欧式距离d^-计算得到相对贴近度C＝[0.7186,0.1456,0.4814,1.0000,0.4613,0.0640]。

将相对贴近度大小作为防雷措施的综合指标，相对贴近度越大，防雷措施的优先级越高，对于#86杆塔而言，其对应的防雷措施优选顺序依次为：加强绝缘水平、安装避雷器、架设耦合地线、加装保护间隙、降低杆塔接地电阻、安装防雷侧针，对本线路其他需要改造的杆塔按照此发明的步骤进行分析计算，即可得到整条线路的防雷改造措施。

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 (10)

1.一种基于TOPSIS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：

步骤S1、确定需要进行防雷改造的杆塔；

步骤S2、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初始评价指标，将防雷措施与初始评价指标一一对应，并对防雷措施的初始评价指标进行评分，将评分设为TOPSIS法的初始决策矩阵X；

步骤S3、对初始决策矩阵进行归一化处理得到归一化决策矩阵R；

步骤S4、利用层次分析法求得各初始评价指标的权重，得到加权归一化决策矩阵Z，求出每个初始评价指标的最优、最劣值及正、负理想解；

步骤S5、根据TOPSIS法，获取各个防雷措施与正、负理想解的欧式距离，并获得相对贴近度；

步骤S6、将相对贴近度作为综合评价指标，根据综合评价指标的大小得到防雷措施的优选顺序。

2.根据权利要求1所述的一种基于TOPSIS法的输电线路防雷措施优化选择方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

步骤S11、收集输电线路雷击跳闸数据，计算输电线路各个杆塔的雷击跳闸率；

步骤S12、根据雷击跳闸率的大小，确定杆塔的雷击风险等级，结合历史跳闸情况，确定需要进行防雷改造的杆塔。

3.根据权利要求2所述的一种基于TOPSIS法的输电线路防雷措施优化选择方法，其特征在于，所述步骤S11的具体步骤包括：

步骤S111、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；

步骤S112、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；

步骤S113、收集地线型号、地线半径、地线直流电阻、绝缘子串型号、长度、干弧距离的数据并建立雷击输电线路计算统计数据库，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；

步骤S114、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；

步骤S115、将所收集的输电线路数据输入到步骤S114的各个模型中，得到每基杆塔的绕击跳闸率及反击跳闸率。

4.根据权利要求2所述的一种基于TOPSIS法的输电线路防雷措施优化选择方法，其特征在于，所述步骤S12包括以下步骤：

步骤S121、根据雷暴日确定雷击跳闸率的控制指标；

步骤S122、将输电线路闪络风险等级根据跳闸率与控制指标之间的关系分为若干级；

步骤S123、取跳闸率大于控制指标的级别为需要进行防雷改造的杆塔。

5.根据权利要求1所述的一种基于TOPSIS法的输电线路防雷措施优化选择方法，其特征在于，所述步骤S2的初始评价指标包括跳闸率的降低效果、工程费用、改造难易度、维护难易度以及运行寿命，所述防雷措施包括安装避雷器、降低杆塔接地电阻、架设耦合地线、加强绝缘水平、加装保护间隙以及安装防雷侧针。

6.根据权利要求1所述的一种基于TOPSIS法的输电线路防雷措施优化选择方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

步骤S21、将防雷措施建立成为因素论域U＝{u₁，u₂，...，u_n}；

步骤S22、将初始评价指标建立成为评语论域V＝{v₁，v₂，...，v_m}；

步骤S23、在因素论域U和评语论域V之间进行单因素评价，建立初始决策矩阵X；

初始决策矩阵X的表达式为

7.根据权利要求6所述的一种基于TOPSIS法的输电线路防雷措施优化选择方法，其特征在于，所述步骤S3的归一化决策矩阵R的表达式为：

其中r_mn由下式得到：

8.根据权利要求1所述的一种基于TOPSIS法的输电线路防雷措施优化选择方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：

步骤S41、建立判断矩阵A，通过对初始评价指标的两两比较，对同一层次中各初始评价指标的相对重要性进行判断；

步骤S42、获取判断矩阵A的最大特征根的特征向量，该特征向量为权重向量W；

步骤S43、加权归一化决策矩阵Z＝WR，其表达式如下：

步骤S44、由加权归一化决策矩阵Z获得指标的最优解z⁺ _*j＝max z_ij、最劣解z^- _*j＝minz_ij、正理想解Z⁺ _*j＝[z⁺ _*1，z⁺ _*2，...z⁺ _*n]、负理想解Z^- _*j＝[z^- _*1，z^- _*2，...z^- _*n]。

9.根据权利要求8所述的一种基于TOPSIS法的输电线路防雷措施优化选择方法，其特征在于，各个防雷措施与正理想解的欧式距离为：

各个防雷措施与负理想解的欧式距离为：

各个防雷措施的相对贴近度为：

10.根据权利要求1所述的一种基于TOPSIS法的输电线路防雷措施优化选择方法，其特征在于，所述步骤S6中，根据相对贴近度数值由大到小，对防雷措施进行排序，获得优先级由高到低的防雷措施优选顺序。

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