CN116579617B - 一种电网风险评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力系统的风险评估技术领域，具体为一种电网风险评估方法及系统，包括：获取输电线路信息和地形地貌信息；将输电线路划分为多个相邻杆塔区段；根据每个杆塔区段内的气象数据、输电线路信息和地形地貌信息，计算每个杆塔区段的平均雷击跳闸率；根据各杆塔区段的平均雷击跳闸率以及该杆塔区段的地形地貌权重计算综合雷击跳闸率；根据综合雷击跳闸率，结合输电线路遭受雷击跳闸自动重合闸不成功率且手动强送不成功率判断输电线路的永久故障率；基于输电线路的永久故障率评估电网的安全运行风险值。本发明利用该区段内的平均雷击跳闸率以及风险权重计算得到该条输电线线路的综合跳闸率，计算结果更能反映沿线地形对于评估结果的影响。
Description
技术领域
本发明属于电力系统的风险评估技术领域，尤其涉及一种电网风险评估方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
输电线路投运后的风险主要受外部气象环境的影响，特别是气象灾害的冲击作用而导致的电气或物理失效。
输电线路是由线路段和杆塔组成，尤其是高压、超高压输电线路走廊传送距离远，输电线路走廊往往横跨多个行政区域，穿越各种复杂地形，特别是在高原或山地，较短水平距离区域内海拔高度有可能相差很大，导致同一条线路的不同区段故障频度也存在差异；
雷击是导致输电线路跳闸的主要因素，严重威胁大电网的安全稳定运行及电力的可靠供应，线路频繁的雷击跳闸会给社会带来巨大的经济损失。为降低线路的雷击跳闸率，提升其耐雷性能，对新建线路和在运线路开展防雷设计与改造对提升系统的运行可靠性具有重要意义。但不合理、不准确的防雷设计与改造无法满足输电线路差异化防雷设计的要求，不符合电力系统经济运行的理念，因此，准确计算输电杆塔的雷击跳闸率是开展线路差异化防雷设计与改造的首要前提，对保障电网的安全经济运行具有重要意义。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种电网风险评估方法及系统。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种电网风险评估方法，包括：
获取待评估输电线路的输电线路信息和地形地貌信息；
确定待评估输电线路的气象分析区域，将待评估输电线路划分为多个相邻杆塔区段；
根据每个杆塔区段内输电线路的气象数据、输电线路信息和地形地貌信息，计算典型灾害下的每个杆塔区段所对应的平均雷击跳闸率；
根据各杆塔区段的平均雷击跳闸率以及该杆塔区段的地形地貌权重计算待评估输电线路的综合雷击跳闸率；
根据输电线路的综合雷击跳闸率，结合输电线路遭受雷击跳闸自动重合闸不成功率且手动强送不成功率判断输电线路的永久故障率；
基于输电线路的永久故障率获取输电网中具体输电线路遭受雷击跳闸时对电网的安全运行风险值。
本发明第二方面提供了一种电网风险评估系统，包括：
输电线路相关信息获取模块，被配置为：获取待评估输电线路的输电线路信息和地形地貌信息；
杆塔区段划分模块，被配置为：确定待评估输电线路的气象分析区域，将待评估输电线路划分为多个相邻杆塔区段；
平均雷击跳闸率计算模块，被配置为：根据每个杆塔区段内输电线路的气象数据、输电线路信息和地形地貌信息，计算典型灾害下的每个杆塔区段所对应的平均雷击跳闸率；
综合雷击跳闸率计算模块，被配置为：根据各杆塔区段的平均雷击跳闸率以及该杆塔区段的地形地貌权重计算待评估输电线路的综合雷击跳闸率；
风险评估模块，被配置为：根据输电线路的综合雷击跳闸率，结合输电线路遭受雷击跳闸自动重合闸不成功率且手动强送不成功率判断输电线路的永久故障率；
基于输电线路的永久故障率获取输电网中具体输电线路遭受雷击跳闸时对电网的安全运行风险值。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
（1）在雷害场景下，本发明对输电线路防雷性能的评估是综合考虑了各种影响因子，利用该塔杆区段内的反击故障率和雷击故障率以及不同塔型所占比例计算该区段内的平均雷击跳闸率，解决了现有技术中雷击跳闸率计算不准确的问题，实现了区域内的精细化风险评估，对输电线路防雷性能的评估结果更加真实可靠；考虑到不同地形地貌处的杆塔遭受雷击的概率不同，对每个杆塔区段的地形地貌风险权重进行计算，利用该区段内的平均雷击跳闸率以及风险权重计算得到该条输电线线路的综合跳闸率，计算结果更能反映沿线地形对于评估结果的影响。
（2）本发明考虑到各线路段所处地形和气象信息等均可能存在较大差异，在计算输电线路典型灾害下的综合故障发生率时，综合考虑了地形地貌因素和气象因素，输电线路走廊往往横跨多个区域，而气象站点多是按照区域分布的，考虑到气象站点的空间分布的特点，利用网格化算法对气象区域进行网格化，然后对输电线路进行区段划分，建立气象资源推算模型推算网格化的非站点区域的气象数据，实现了各区段局地性气象灾害监测，解决了由于气象信息分散导致输电线路各典型灾害场景下故障率计算不准确的问题。
（3）本发明基于输电线路雷害风险评估方法，能够实现区域化的雷害防治，为区域内输电网防雷治理工作提供科学、量化、有效依据，获得的评估结果能够反映电网内各条线路的雷害风险差异性，实现了“电网→线路→杆塔段→杆塔”的完整风险评估。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为第一个实施例的一种电网风险评估方法流程图。
图2为第一个实施例的雷击灾害场景下电网风险评估方法流程图。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，本实施例公开了一种电网风险评估方法，包括：
步骤1、获取待评估输电线路的输电线路信息和地形地貌信息；
步骤2、将待评估输电线路划分为多个相邻杆塔区段；
步骤3、根据每个杆塔区段内输电线路的气象数据、输电线路信息和地形地貌信息，计算每个杆塔区段所对应的典型灾害下的平均故障发生率；根据每个杆塔区段所对应的典型灾害下的平均故障发生率以及该杆塔区段的地形地貌权重计算待评估输电线路典型灾害下的综合故障发生率；
步骤4、根据待评估输电线路典型灾害下的综合故障发生率对电网的安全运行风险值进行评估。
在步骤1中，GIS数据库中的输电线路信息包括：线路基本信息、线路地理信息、线路结构特征和线路绝缘特征；
线路基本信息包括：线路名称、归属单位、电压等级、线路总长和线路各级杆塔的编号；线路地理信息包括：线路各级杆塔的经度、纬度坐标和海拔高度；线路结构特征包括：杆塔、导线、地线的型号和几何尺寸；线路绝缘特征包括：绝缘子的型号、绝缘子串或最短空气间隙的闪络电压或伏秒特性和杆塔接地电阻；
杆塔（Pole and Tower）是支承架空输电线路导线和架空地线并使它们之间以及与大地之间保持一定距离的杆形或塔形构筑物。世界各国线路杆塔采用钢结构、木结构和钢筋混凝土结构。通常对木和钢筋混凝土的杆形结构称为杆，塔形的钢结构和钢筋混凝土烟囱形结构称为塔。不带拉线的杆塔称为自立式杆塔，带拉线的杆塔称为拉线杆塔。
地形地貌信息为：平原、平地、山顶、山谷、跨山谷、临水、沿坡和爬坡；
考虑到输电线路内部流经电压较高，会对周边空气产生电离现象，许多输电线路不可避免地安装在山坡、山顶的海拔较高的地区，杆塔安装高度的提升导致故障概率的增加，因此本实施例对地形地貌进行权重划分，其中，地形地貌种类的权重比为：平原4％、平地4％、山顶28％、临水26％、跨山谷10％、山谷8％、沿坡12％及爬坡8％；
在步骤2中，考虑到输电线路距离长，跨度范围大的特点，若杆塔区段划分不合理，用某一站点的气象数据描述跨区域区段内气候，会产生较大误差，很难客观反映小区段的气象情况，本实施例将待评估输电线路划分为多个相邻杆塔区段，具体包括：
步骤201、考虑到每个气象站点覆盖相应的空间区域，将每个气象站点覆盖区域边界内的输电线路作为该输电线路气象区段分析的划定区域，获得气象分析区域；
步骤202、利用网格化算法将气象分析区域网格化，获得气象分析区域网格；
步骤203、提取气象分析区域网格与输电线路的交点，将其与杆塔点结合，从而判定输电线路区段划分的节点，最后通过获得的节点将输电线路划分若干区段；
步骤204、利用逐步回归的方法，根据气象分析区域内的气象站点所提供的历史气象数据，建立气象资源推算模型，推算非站点气象分析区域网格的气象值；
气象资源推算模型的为：
其中，为非气象站点气象分析区域网格的气象值；/>为微观地理因子对/>影响的修正值，即气象台站地理残差；/>为宏观地理因子纬度；λ为宏观地理因子经度；/>为宏观地理因子海拔高度；/>、/>、/>、/>均为回归系数；
步骤205、输电线路所对应的气象分析区域网格的气象值即为该区段输电线路的气象数据，实现了更加准确的利用气象数据计算典型灾害场景下的故障概率；
其中，典型灾害包括雷击灾害、大风灾害、舞动灾害以及覆冰灾害，气象数据包括网格化的温度、湿度、风速、风向、降水量、气压、能见度、雷电监测等数据；
如图2所示，本实施例以雷击灾害场景下的风险评估为例进行具体说明。
雷击灾害场景下的采用的雷电参数是根据长期雷电监测数据统计而出的，采用计算机对目标区段内的雷电自动监测数据进行处理，以气象信息数据库里的气象数据以及地理信息系统的GIS数据库为分析平台，采用网格法统计雷电参数；
雷电参数包括落雷点编号、落雷点经度、落雷点纬度、雷电流幅值、雷电流放电时间、冲击过电压等参数；
在步骤3中，雷击灾害场景下，基于雷击计算模型和绕击计算模型计算输电线路上各杆塔区段的平均雷击跳闸率，根据各杆塔区段的平均雷击跳闸率，得到输电线路的综合雷击跳闸率；
具体为：步骤301、根据某杆塔区段内每基杆塔所占据的地形地貌种类的权重计算该杆塔区段的地形地貌风险权重；
步骤302、统计每个杆塔区段的不同塔型所占比例，分别计算每个塔型的雷击跳闸率；
步骤303、将不同塔型所占比例乘以对应塔型的雷击跳闸率后将不同塔型的雷击跳闸率相加得到该区段内的平均雷击跳闸率；
步骤304、结合每个杆塔区段的平均雷击跳闸率和该杆塔区段的地形地貌风险权重，获得该条输电线线路的综合雷击跳闸率；
步骤302中，综合雷电统计参数、线路结构特征、线路绝缘特征，计算每个塔型的雷击跳闸率包括：
（1）基于雷击计算模型计算输电线路上每个塔型的反击跳闸率，包括：
采用预设的电磁暂态仿真模型，对输电线路进行暂态计算，建立雷电流击中杆塔的雷电流反击仿真模型，得到杆塔反击耐雷水平；
根据反击耐雷水平、建弧率以及击杆率结合线路结构参数，建立雷击计算模型，根据雷击计算模型得到杆塔的反击跳闸率：
雷击计算模型为：
其中，为反击跳闸率，/>为绝缘子串雷击建弧率，/>为击杆率，/>为雷暴日下的地闪密度，/>为两避雷线之间的宽度；/>为雷电流超过反击耐雷水平/>的概率；
建弧率为：
其中，E为绝缘子串平均运行电压(有效值)梯度，单位为kV/m。对于有效接地系统，E通过下式计算：
对于中性点绝缘，消弧线圈接地系统，E通过下式计算：
其中，为额定电压，/>为绝缘子串放电距离，/>为木横担线路的线间距离。
（2）根据杆塔的结构参数和雷电的放电特性，建立包含地面倾角的电气几何模型，根据电气几何模型计算杆塔的绕击跳闸率；
电气几何模型为：
其中，为第K相导线的绕击跳闸率，/>为杆塔实际高度，/>为导线绕击率；
其中，为雷电流为/>时雷电入射角为/>下，第K相导线暴露弧的投影长度，/>为雷电流为/>时雷电入射角为/>下，地线屏蔽弧的投影长度。
根据各杆塔的反击跳闸率和绕击跳闸率，得到各杆塔区段的雷击跳闸率；雷击跳闸率为反击跳闸率与绕击跳闸率之和；整条输电线路综合雷击跳闸率为线路各区段平均雷击跳闸率的加权平均值。
在步骤4中，根据待评估输电线路典型灾害综合发生率对电网的安全运行风险值进行评估，包括：
根据输电线路综合雷击跳闸率，结合输电线路遭受雷击跳闸自动重合闸失败且手动强送失败率对输电线路的雷击重合闸成功风险、自动重合闸失败但强送成功风险和自动重合闸失败且手动强送失败风险进行评估。
电网中包含多条输电线路，本发明计算各条输电线路的雷害风险评估数据，以雷击跳闸率为基础，考虑雷击跳闸后电网的安全运行风险值。
具体的，首先，基于获取的输电线路数据和雷电参数，以雷击跳闸率为基础，结合雷击重合闸成功率和强送成功率，通过计算机仿真计算得到各条输电线路遭受雷击时的雷击重合闸成功、重合失败但强送成功、重合失败且强送失败的概率值；
然后，采用计算机建立层次结构模型，层次结构模型能够根据风险类别自动选择相应的评价准则；其中，雷击重合闸成功的风险只需考虑线路重要性等级、线路运行时间和设备损害性的影响，而重合失败下的两部分风险都需考虑供电可靠性、线路重要性等级、线路运行时间和设备损害性的共同影响；运用层次分析方法分别求得各条线路对于雷击重合闸成功、重合失败但强送成功、重合失败且强送失败的权重向量；
其次，将评估参数输入层次结构模型的计算程序自动完成评估计算，获得三种风险各自的评价权重向量，即能够反映各条输电线路的雷击重合闸成功风险、自动重合闸失败但强送成功风险和自动重合闸失败且手动强送失败风险的三个权重向量；
最后，得到的三种风险的权重向量和得到的各条输电线路对应三种风险的概率值分别进行相乘，再考虑三种风险对雷害风险的的影响程度——重合闸成功＜重合闸失败但强送成功＜重合闸失败且强送失败进行加权求和，得到电网内多条输电线路的雷害风险评估数据，获得的评估结果能够反映电网内各条线路的雷害风险差异性。
实施例二
本实施例公开了一种电网风险评估系统，包括：
输电线路相关信息获取模块，被配置为：获取待评估输电线路的输电线路信息和地形地貌信息；
杆塔区段划分模块，被配置为：确定待评估输电线路的气象分析区域，将待评估输电线路划分为多个相邻杆塔区段；
平均雷击跳闸率计算模块，被配置为：根据每个杆塔区段内输电线路的气象数据、输电线路信息和地形地貌信息，计算典型灾害下的每个杆塔区段所对应的平均雷击跳闸率；
综合雷击跳闸率计算模块，被配置为：根据各杆塔区段的平均雷击跳闸率以及该杆塔区段的地形地貌权重计算待评估输电线路的综合雷击跳闸率；
风险评估模块，被配置为：根据输电线路的综合雷击跳闸率，结合输电线路遭受雷击跳闸自动重合闸不成功率且手动强送不成功率判断输电线路的永久故障率；
基于输电线路的永久故障率获取输电网中具体输电线路遭受雷击跳闸时对电网的安全运行风险值。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种电网风险评估方法，其特征在于，包括：
获取待评估输电线路的输电线路信息和地形地貌信息；
确定待评估输电线路的气象分析区域，将待评估输电线路划分为多个相邻杆塔区段；
根据每个杆塔区段内输电线路的气象数据、输电线路信息和地形地貌信息，计算典型灾害下的每个杆塔区段所对应的平均雷击跳闸率；
根据各杆塔区段的平均雷击跳闸率以及该杆塔区段的地形地貌权重计算待评估输电线路的综合雷击跳闸率；
根据输电线路的综合雷击跳闸率，结合输电线路遭受雷击跳闸自动重合闸不成功率且手动强送不成功率判断输电线路的永久故障率；
基于输电线路的永久故障率获取输电网中具体输电线路遭受雷击跳闸时对电网的安全运行风险值；
所述计算典型灾害下的每个杆塔区段所对应的平均雷击跳闸率，包括：根据某杆塔区段内每基杆塔所占据的地形地貌种类的权重计算该杆塔区段的地形地貌风险权重；所述地形地貌种类包括：平原、平地、山顶、山谷、跨山谷、临水、沿坡和爬坡；
统计每个杆塔区段的不同塔型所占比例，分别计算每个塔型的雷击跳闸率；将不同塔型所占比例乘以对应塔型的雷击跳闸率后相加得到该区段内的平均雷击跳闸率；
所述计算每个塔型的雷击跳闸率，包括：
（1）根据杆塔反击耐雷水平、建弧率以及击杆率结合线路结构参数，建立雷击计算模型，根据雷击计算模型得到杆塔的反击跳闸率；
雷击计算模型为：
其中，为反击跳闸率，/>为绝缘子串雷击建弧率，/>为击杆率，/>为雷暴日下的地闪密度，/>为两避雷线之间的宽度；/>为雷电流超过反击耐雷水平/>的概率；
建弧率为：
其中，E为绝缘子串平均运行电压(有效值)梯度，单位为kV/m；
（2）根据杆塔的结构参数和雷电的放电特性，建立包含地面倾角的电气几何模型，根据电气几何模型计算杆塔的绕击跳闸率；
电气几何模型为：
其中，为第K相导线的绕击跳闸率，/>为杆塔实际高度，/>为导线绕击率；
其中，为雷电流为/>时雷电入射角为/>下，第K相导线暴露弧的投影长度，为雷电流为/>时雷电入射角为/>下，地线屏蔽弧的投影长度。
2.如权利要求1所述的一种电网风险评估方法，其特征在于，所述输电线路信息包括：线路基本信息、线路地理信息、线路结构特征和线路绝缘特征；
所述线路基本信息包括：线路名称、归属单位、电压等级、线路总长和线路各级杆塔的编号；
所述线路地理信息包括：线路各级杆塔的经度、纬度坐标和海拔高度；
所述线路结构特征包括：杆塔、导线、地线的型号和几何尺寸；
所述线路绝缘特征包括：绝缘子的型号、绝缘子串或最短空气间隙的闪络电压或伏秒特性和杆塔接地电阻。
3.如权利要求1所述的一种电网风险评估方法，其特征在于，所述确定待评估输电线路的气象分析区域，将待评估输电线路划分为多个相邻杆塔区段，包括：
利用网格化算法将气象分析区域网格化，得到气象分析区域网格；
提取待评估输电线路与气象分析区域网格的交点，结合输电线路的杆塔，将输电线路划分若干杆塔区段；
建立气象资源推算模型推算非站点网格气象值；
输电线路所对应的气象分析区域网格的气象值即为该杆塔区段输电线路的气象数据。
4.如权利要求1所述的一种电网风险评估方法，其特征在于，所述雷击跳闸率为反击跳闸率与绕击跳闸率之和。
5.一种电网风险评估系统，其特征在于，包括：
输电线路相关信息获取模块，被配置为：获取待评估输电线路的输电线路信息和地形地貌信息；
杆塔区段划分模块，被配置为：确定待评估输电线路的气象分析区域，将待评估输电线路划分为多个相邻杆塔区段；
平均雷击跳闸率计算模块，被配置为：根据每个杆塔区段内输电线路的气象数据、输电线路信息和地形地貌信息，计算典型灾害下的每个杆塔区段所对应的平均雷击跳闸率；
所述计算典型灾害下的每个杆塔区段所对应的平均雷击跳闸率，包括：根据某杆塔区段内每基杆塔所占据的地形地貌种类的权重计算该杆塔区段的地形地貌风险权重；所述地形地貌种类包括：平原、平地、山顶、山谷、跨山谷、临水、沿坡和爬坡；
统计每个杆塔区段的不同塔型所占比例，分别计算每个塔型的雷击跳闸率；将不同塔型所占比例乘以对应塔型的雷击跳闸率后相加得到该区段内的平均雷击跳闸率；
所述计算每个塔型的雷击跳闸率，包括：
（1）根据杆塔反击耐雷水平、建弧率以及击杆率结合线路结构参数，建立雷击计算模型，根据雷击计算模型得到杆塔的反击跳闸率；
雷击计算模型为：
其中，为反击跳闸率，/>为绝缘子串雷击建弧率，/>为击杆率，/>为雷暴日下的地闪密度，/>为两避雷线之间的宽度；/>为雷电流超过反击耐雷水平/>的概率；
建弧率为：
其中，E为绝缘子串平均运行电压(有效值)梯度，单位为kV/m；
（2）根据杆塔的结构参数和雷电的放电特性，建立包含地面倾角的电气几何模型，根据电气几何模型计算杆塔的绕击跳闸率；
电气几何模型为：
其中，为第K相导线的绕击跳闸率，/>为杆塔实际高度，/>为导线绕击率；
其中，为雷电流为/>时雷电入射角为/>下，第K相导线暴露弧的投影长度，为雷电流为/>时雷电入射角为/>下，地线屏蔽弧的投影长度；
综合雷击跳闸率计算模块，被配置为：根据各杆塔区段的平均雷击跳闸率以及该杆塔区段的地形地貌权重计算待评估输电线路的综合雷击跳闸率；
风险评估模块，被配置为：根据输电线路的综合雷击跳闸率，结合输电线路遭受雷击跳闸自动重合闸不成功率且手动强送不成功率判断输电线路的永久故障率；
基于输电线路的永久故障率获取输电网中具体输电线路遭受雷击跳闸时对电网的安全运行风险值。
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