CN116151516A - 一种基于混合决策模型的新能源外送线路防雷性能评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合决策模型的新能源外送线路防雷性能评估方法，属于新能源外送线路防雷性能评估领域，通过信息层指标数据收集获取新能源外送线路相关基本信息，结合基本信息进行自浪涌阻抗与互浪涌阻抗的计算，按照雷击杆塔及雷击导线进行对应的闪络临界电流值计算。采用混合决策计算新能源外送线路不同电压等级下的不同分区的雷击杆塔跳闸率、雷击导线跳闸率、感应雷击跳闸率，并计算不同分区的总的雷电跳闸率。最后对于不同指定区段，采用有效参数增量进行不同线路段和需安装保护装置的数量的排序，以实现最小的总输出数。该方法可通过以最大效率和最少费用提高新能源外送线路防雷水平，可操作性强，具有良好的市场推广价值和应用前景。

Description

一种基于混合决策模型的新能源外送线路防雷性能评估方法

技术领域

本发明属于新能源外送线路防雷性能评估技术领域，更具体地，涉及一种基于混合决策模型的新能源外送线路防雷性能评估方法。

背景技术

新能源在现代电能系统发展中以及智能电网的形成中扮演着非常重要的角色，发展新能源是实现“碳达峰”、“碳中和”目标的必要技术手段。新能源外送线路作为与新能源设备直接相关且承担着新能源电力送出的主要职责，起到了保障电力稳定的作用，其供电可靠性和安全性需求日益提高。但新能源外送线路电压等级为35kV与110kV，分布区域广且地处环境复杂多样，成为电网中最为薄弱的环节，其受雷电影响更为严重。因此，准确有效地评估新能源外送线路防雷水平成为新能源线路运维管理的重要组成部分。

目前很多线路防雷评估方法主要基于雷击跳闸机理进行精细数学模型或者是仿真软件等进行，由于计算量过大、模型构建过于复杂等问题，需要使用专业程序的能力，并且是针对特定行业的个人，因此在电网评估层面可实现性较差。因此亟需一种快速评估出新能源外送线路的防雷水平的方法。

发明内容

本发明的目的在于解决新能源外送线路防雷水平不高的问题，提出一种基于混合决策模型的新能源外送线路防雷性能评估方法，该方法有效提升了新能源外送线路防雷水平，可操作性强，具有良好的市场推广价值和应用前景。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于混合决策模型的新能源外送线路防雷性能评估方法，包括：

步骤1：信息层指标数据收集，其中，所述信息层指标数据包括地闪密度N_g，外送线路的平均高度H_x，外送线路走廊的宽度W_x、屏蔽角θ_b、避雷线平均高度H_b、杆塔高度H_g、杆塔档距l_g、杆塔横担长度l_hd、杆塔横担上各极导线对地高度H_hd、杆塔接地电阻R_t、绝缘子直径d_IN、绝缘子的高度H_IN、绝缘子串中绝缘子的数量n_IN、相对地电压V_l；

步骤2：结合新能源外送线路的杆塔自身尺寸信息，进行自浪涌阻抗与互浪涌阻抗的计算，再结合雷电击中杆塔进行雷电流损失系数的计算，根据线路上所有相绝缘子闪络顺序计算雷击杆塔发生闪络临界电流，最后结合雷电击中导线计算雷击导线发生闪络临界电流；

步骤3：结合信息层指标数据及雷击杆塔发生闪络临界电流和雷击导线发生闪络临界电流采用混合决策计算新能源外送线路不同电压等级下的不同分区的雷击杆塔跳闸率、雷击导线跳闸率、感应雷击跳闸率，并计算不同分区的总雷电跳闸率；

步骤4：对于不同指定区段，计算未安装防雷装置的跳闸率，以及安装若干个防雷装置的总雷电跳闸率，并采用有效参数增量进行不同线路段和需安装保护装置的数量的排序，以实现最小的总输出数。

在一些可选的实施方案中，步骤2包括：

步骤2.1：基于杆塔各横担长度l_hdi及杆塔横担上各极导线对地高度H_hdi，由Z_i,i＝60ln 2H_hdi/R_i得到杆塔各极导线的自浪涌阻抗Z_i,i，由Z_i,j＝60ln S_ij/s_ij得到杆塔各极导线的互浪涌阻抗值Z_i,j，其中，

S_ij为杆塔横担上导线i与导线j对地高度之和，s_ij为导线i和导线j之间的几何平均距离，R_i为导线i的电阻；

步骤2.2：当雷电流击中杆塔时，在t₁＝l_g/c之后电磁波沿着电线从雷击位置波及到相邻极，基于避雷线自浪涌阻抗及杆塔接地电阻得到反射系数γ₁和折射系数λ₁，而从相邻极点反射的波将在t₂＝2l_g/c到达雷击位置，将再以反射系数λ₂反射和折射系数γ₂折射，由反射系数γ₁、折射系数λ₁、反射系数λ₂和折射系数γ₂得到受影响杆塔中流过的电流损失系数χ，根据线路上所有相绝缘子闪络顺序计算雷击杆塔发生闪络临界电流；

步骤2.3：雷击导线后，导致绝缘子不同次闪络下的临界电流值，取所有导线不同次闪络电流最小值为最终雷击导线发生闪络临界电流。

在一些可选的实施方案中，由

得到受影响杆塔中流过的电流损失系数χ，其中，/>

Z_0,0为避雷线自浪涌阻抗，Z_L为雷电流波阻抗，t_b为雷电流波前时间。

在一些可选的实施方案中，在步骤2.2中，根据线路上所有相绝缘子闪络顺序计算雷击杆塔发生闪络临界电流，包括：

由

得到每个绝缘子f不同次闪络时对应接地等效电阻/>

其中，k为闪络次数，范围为1,2,3，L_g为杆塔等效电感；

由

得到每个导线来自于避雷线感应电压的耦合系数/>

确定每个导线i的不同次闪络临界电流

取所有导线不同次闪络电流最小值为最终雷击杆塔发生闪络临界电流I_p ^k，/>

U_f为绝缘子f的击穿电压。

在一些可选的实施方案中，由

得到雷击导线后，导致绝缘子不同次闪络下的临界电流值/>

由/>

得到最终雷击导线发生闪络临界电流I_d ^k，U_Mi为导线i的峰值电压。/>

在一些可选的实施方案中，步骤3包括：

步骤3.1：由

计算不同电压等级下的不同分区的雷击杆塔跳闸率T_p，其中，P_Y为电弧放电概率，P_g为雷击杆塔而发生闪络的临界电流发生概率，σ为环境屏蔽因子，I_p ^k为雷击杆塔发生闪络临界电流；

步骤3.2：由

计算不同电压等级下的不同分区的雷击导线跳闸率T_d，其中，P_O为屏蔽失效概率，P_d为雷击导线因屏蔽故障而发生闪络的临界电流发生概率，I_d ^k为雷击导线发生闪络临界电流；

步骤3.3：由

计算不同电压等级下的不同分区的感应雷击跳闸率T_v，其中，U为击穿电压；μ为土壤电阻率；

步骤3.4：由T＝T_p+T_d+T_y计算不同电压等级下的不同分区的总雷电跳闸率T。

在一些可选的实施方案中，步骤4包括：

步骤4.1：新能源外送线路被分为m段，τ为杆塔上安装防雷装置的个数，τ＝0,1,2,3，依次算出不同指定区段的总跳闸率T_m,τ；

步骤4.2：采用有效参数增量进行不同线路段和需安装保护装置的数量的排序，以实现最小的总输出数。

在一些可选的实施方案中，步骤4.2包括：

计算每种安装情况下的有效性参数C_m,τ，C_m,τ＝T_m,τ/max(T_m,τ)，再计算安装了防雷装置情况下的有效性参数增量ΔC_m,e，ΔC_m,e＝(C_m,0-C_m,e)/e，其中，e为杆塔安装了防雷装置的个数；

取有效性参数的增量ΔC_m,e最大值作为区段的输出，并依次对其余路线段进行有效参数增量操作计算，并进行整体不同线路段和需安装防雷装置的数量的从小到大排序，以实现最小的总输出数。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明的一种基于混合决策模型的新能源外送线路防雷性能评估方法，该方法用于评估带线路防雷装置的新能源外送线路的防雷性能，先通过信息层指标数据收集，获取新能源外送线路相关基本信息，结合基本信息进行自浪涌阻抗与互浪涌阻抗的计算，按照雷击杆塔及雷击导线进行对应的闪络临界电流值计算。采用混合决策计算新能源外送线路不同电压等级下的不同分区的雷击杆塔跳闸率、雷击导线跳闸率、感应雷击跳闸率，并计算不同分区的总的雷电跳闸率。最后对于不同指定区段，采用有效参数增量进行不同线路段和需安装保护装置的数量的排序，以实现最小的总输出数。该方法可通过以最大效率和最少费用提高新能源外送线路防雷水平，可操作性强，具有良好的市场推广价值和应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种新能源外送线路杆塔尺寸示意图；

图2是本发明实施例提供的一种雷电流损失系数计算等效电流图；

图3是本发明实施例提供的一种闪络相序计算等效电路图；

图4是本发明实施例提供的一种方法实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面结合附图1至附图4描述本发明的具体实施方式：

步骤1：信息层指标数据收集，包括地闪密度N_g，外送线路的平均高度H_x，外送线路走廊的宽度W_x、屏蔽角θ_b、避雷线平均高度H_b、杆塔高度H_g、杆塔档距l_g、杆塔横担长度l_hd、杆塔横担上各极导线对地高度H_hd、、杆塔接地电阻R_t、绝缘子直径d_IN、绝缘子的高度H_IN、绝缘子串中绝缘子的数量n_IN、相对地电压V_l；

步骤2：结合新能源外送线路的杆塔自身尺寸信息，进行自浪涌阻抗与互浪涌阻抗的计算，结合雷电击中杆塔进行雷电流损失系数的计算，再根据线路上所有相绝缘子闪络顺序计算闪络临界电流，最后结合雷电击中导线计算对应闪络临界电流；

在本发明实施例中，步骤2可以通过以下方式实现：

步骤2.1，如附图1所示，该新能源外送线路杆塔具体尺寸信息有：杆塔各横担长度l_hdi、杆塔横担上各极导线对地高度H_hdi，则该杆塔各极导线的自浪涌阻抗Z_i,i与互浪涌阻抗值Z_i,j为：

Z_i,i＝60 ln 2H_hdi/R_i (1)

Z_i,j＝60 ln S_ij/s_ij (2)

其中：

式中：S_ij为杆塔横担上导线i与导线j对地高度之和；s_ij为导线i和导线j之间的几何平均距离，R_i为导线i的电阻。

步骤2.2：如附图2所示，当雷电流击中杆塔时，杆塔上会存在着感应电流值I_g，其值会随着分流到相邻极而减小，且杆塔档距l_g长度越短，其消耗越大，在t₁＝l_g/c(c＝3*10⁸)之后电磁波沿着电线从雷击位置波及到相邻极，反射系数γ₁和折射系数λ₁由下式来确定：

式中：Z_0,0为避雷线自浪涌阻抗。

而从相邻极点反射的波将在t₂＝2l_g/c到达雷击位置，将再以反射系数λ₂反射和折射系数γ₂折射，反射系数γ₂和折射系数λ₂由下式来确定：

式中，Z_L为雷电流波阻抗。

又由于通过相邻极的电流流失，受影响杆塔中流过的电流损失系数χ可如下式确定：

式中，t_b为雷电流波前时间。

如附图3所示，杆塔上的绝缘子闪络顺序是逐步确定的，只有确定闪络顺序后才能计算闪络临界电流，设定每次闪络就如同开关F_f闭合，则每个绝缘子f不同次闪络时对应接地等效电阻

可由下式表示：

式中：k为闪络次数，范围为1,2,3。L_g为杆塔等效电感。

同时每个导线上都会有来自于避雷线的感应电压，其值取决于耦合系数

耦合系数可由下式表示：

最后确定每个导线i的不同次闪络临界电流

取所有导线不同次闪络电流最小值为最终闪络临界电流值I_p ^k：

式中：U_f为绝缘子f的击穿电压。

步骤2.3：雷击导线后，其导致绝缘子不同次闪络下的临界电流值

取所有导线不同次闪络电流最小值为最终闪络临界电流值I_d ^k：

式中：U_Mi为导线i的峰值电压。

步骤3：结合步骤1中信息层指标数据及步骤2中的闪络临界电流采用混合决策计算新能源外送线路不同电压等级下的不同分区的雷击杆塔跳闸率、雷击导线跳闸率、感应雷击跳闸率，并计算不同分区的总雷电跳闸率；

在本发明实施例中，步骤3可以通过以下方式实现：

步骤3.1：计算不同电压等级下的不同分区的雷击杆塔跳闸率T_p，其值可由下式表示：

式中：P_Y为电弧放电概率；P_g为雷击杆塔而发生闪络的临界电流发生概率；σ为环境屏蔽因子；I_p ^k为雷击杆塔发生闪络临界电流。

步骤3.2：计算不同电压等级下的不同分区的雷击导线跳闸率T_d，其值可由下式表示：

式中：P_O为屏蔽失效概率；P_d为雷击导线因屏蔽故障而发生闪络的临界电流发生概率；I_d ^k为雷击导线发生闪络临界电流。

步骤3.3：计算不同电压等级下的不同分区的感应雷击跳闸率T_v，其值可由下式表示：

式中：U为击穿电压；μ为土壤电阻率。

步骤3.4：计算不同电压等级下的不同分区的总雷电跳闸率T，其值可由下式表示：

T＝T_p+T_d+T_y (14)

步骤4：对于不同指定区段，计算未安装防雷装置的跳闸率，以及安装若干个(如一个、两个或三个)防雷装置的总跳闸率，并采用有效参数增量进行不同线路段和需安装保护装置的数量的排序，以实现最小的总输出数。

在本发明实施例中，步骤4可以通过以下方式实现：

步骤4.1：新能源外送线路被分为m段，τ为杆塔上安装防雷装置的个数，τ＝0,1,2,3，按照前述步骤依次算出其不同指定区段的总跳闸率T_m,τ；

步骤4.2：并采用有效参数增量进行不同线路段和需安装防雷装置的数量的排序，以实现最小的总输出数；

先计算上述每种安装情况下的有效性参数C_m,τ，其式如下所示：

C_m,τ＝T_m,τ/max(T_m,τ) (15)

再计算安装了防雷装置情况下的有效性参数增量ΔC_m,e，其式如下所示：

ΔC_m,e＝(C_m,0-C_m,e)/e (16)

式中：e为杆塔安装了防雷护装置的个数，e＝1,2,3。

最后取该有效性参数的增量ΔC_m,e最大值作为该区段的输出，并依次对其余路线段进行该操作计算，并进行整体不同线路段和需安装防雷装置的数量的从小到大排序，以实现最小的总输出数。

可以看到，本发明所提出的一种基于混合决策模型的新能源外送线路防雷性能评估方法，能够通过快速准确计算新能源外送线路不同电压等级下且不同分区下的雷电直击与感应雷击下的防雷水平，并能以有效性参数增量确定线路沿线的薄弱点，并提供安装装置的有效方法。方法计算简单且易于实现，可操作性强，具有良好的市场推广价值和应用前景。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于混合决策模型的新能源外送线路防雷性能评估方法，其特征在于，包括：

步骤1：信息层指标数据收集，其中，所述信息层指标数据包括地闪密度N_g，外送线路的平均高度H_x，外送线路走廊的宽度W_x、屏蔽角θ_b、避雷线平均高度H_b、杆塔高度H_g、杆塔档距l_g、杆塔横担长度l_hd、杆塔横担上各极导线对地高度H_hd、杆塔接地电阻R_t、绝缘子直径d_IN、绝缘子的高度H_IN、绝缘子串中绝缘子的数量n_IN、相对地电压V_l；

步骤2：结合新能源外送线路的杆塔自身尺寸信息，进行自浪涌阻抗与互浪涌阻抗的计算，再结合雷电击中杆塔进行雷电流损失系数的计算，根据线路上所有相绝缘子闪络顺序计算雷击杆塔发生闪络临界电流，最后结合雷电击中导线计算雷击导线发生闪络临界电流；

步骤3：结合信息层指标数据及雷击杆塔发生闪络临界电流和雷击导线发生闪络临界电流采用混合决策计算新能源外送线路不同电压等级下的不同分区的雷击杆塔跳闸率、雷击导线跳闸率、感应雷击跳闸率，并计算不同分区的总雷电跳闸率；

步骤4：对于不同指定区段，计算未安装防雷装置的跳闸率，以及安装若干个防雷装置的总雷电跳闸率，并采用有效参数增量进行不同线路段和需安装保护装置的数量的排序，以实现最小的总输出数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2包括：

步骤2.1：基于杆塔各横担长度l_hdi及杆塔横担上各极导线对地高度H_hdi，由Z_i,i＝60ln2H_hdi/R_i得到杆塔各极导线的自浪涌阻抗Z_i,i，由Z_i,j＝60ln S_ij/s_ij得到杆塔各极导线的互浪涌阻抗值Z_i,j，其中，

S_ij为杆塔横担上导线i与导线j对地高度之和，s_ij为导线i和导线j之间的几何平均距离，R_i为导线i的电阻；

步骤2.2：当雷电流击中杆塔时，在t₁＝l_g/c之后电磁波沿着电线从雷击位置波及到相邻极，基于避雷线自浪涌阻抗及杆塔接地电阻得到反射系数γ₁和折射系数λ₁，而从相邻极点反射的波将在t₂＝2l_g/c到达雷击位置，将再以反射系数λ₂反射和折射系数γ₂折射，由反射系数γ₁、折射系数λ₁、反射系数λ₂和折射系数γ₂得到受影响杆塔中流过的电流损失系数χ，根据线路上所有相绝缘子闪络顺序计算雷击杆塔发生闪络临界电流；

步骤2.3：雷击导线后，导致绝缘子不同次闪络下的临界电流值，取所有导线不同次闪络电流最小值为最终雷击导线发生闪络临界电流。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，由

得到受影响杆塔中流过的电流损失系数χ，其中，/>

Z_0,0为避雷线自浪涌阻抗，Z_L为雷电流波阻抗，t_b为雷电流波前时间。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤2.2中，根据线路上所有相绝缘子闪络顺序计算雷击杆塔发生闪络临界电流，包括：

由

得到每个绝缘子f不同次闪络时对应接地等效电阻/>

其中，k为闪络次数，范围为1,2,3，L_g为杆塔等效电感；

由

得到每个导线来自于避雷线感应电压的耦合系数/>

确定每个导线i的不同次闪络临界电流

取所有导线不同次闪络电流最小值为最终雷击杆塔发生闪络临界电流I_p ^k，/>

U_f为绝缘子f的击穿电压。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，由

得到雷击导线后，导致绝缘子不同次闪络下的临界电流值/>

由/>

得到最终雷击导线发生闪络临界电流I_d ^k，U_Mi为导线i的峰值电压。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤3包括：

步骤3.1：由

计算不同电压等级下的不同分区的雷击杆塔跳闸率T_p，其中，P_Y为电弧放电概率，P_g为雷击杆塔而发生闪络的临界电流发生概率，σ为环境屏蔽因子，I_p ^k为雷击杆塔发生闪络临界电流；

步骤3.2：由

计算不同电压等级下的不同分区的雷击导线跳闸率T_d，其中，P_O为屏蔽失效概率，P_d为雷击导线因屏蔽故障而发生闪络的临界电流发生概率，I_d ^k为雷击导线发生闪络临界电流；

步骤3.3：由

计算不同电压等级下的不同分区的感应雷击跳闸率T_v，其中，U为击穿电压；μ为土壤电阻率；

步骤3.4：由T＝T_p+T_d+T_y计算不同电压等级下的不同分区的总雷电跳闸率T。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤4包括：

步骤4.1：新能源外送线路被分为m段，τ为杆塔上安装防雷装置的个数，τ＝0,1,2,3，依次算出不同指定区段的总跳闸率T_m,τ；

步骤4.2：采用有效参数增量进行不同线路段和需安装保护装置的数量的排序，以实现最小的总输出数。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤4.2包括：

计算每种安装情况下的有效性参数C_m,τ，C_m,τ＝T_m,τ/max(T_m,τ)，再计算安装了防雷装置情况下的有效性参数增量ΔC_m,e，ΔC_m,e＝(C_m,0-C_m,e)/e，其中，e为杆塔安装了防雷装置的个数；

取有效性参数的增量ΔC_m,e最大值作为区段的输出，并依次对其余路线段进行有效参数增量操作计算，并进行整体不同线路段和需安装防雷装置的数量的从小到大排序，以实现最小的总输出数。

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