基于多因子影响的高压电网雷害风险评估

强祥

(华东送变电工程公司，上海201803)

基于多因子影响的高压电网雷害风险评估

强祥

(华东送变电工程公司，上海201803)

以电网遭受雷害多影响因子作为研究重点，采用层次分析与模糊数学相结合理论，对高压电网展开雷害风险评估研究。以某地500kV高压电网为工程背景，以雷击跳闸率、雷击重合闸率、手动强送成功率、供电可靠性、线路重要性等级、运行时间、设备损害性指标为评估电网雷害风险的分析因子，将该地电网雷害风险等级定为Ⅲ级中等雷害风险，并对此提出针对性的防雷措施，以给工程实际提供指导与借鉴。

电网雷害;风险评估;层次分析法;模糊数学理论;防雷措施

0 引言

近些年来，随着国民经济的迅速发展与电力需求的不断增长，国家电网也取得了快速的发展，但是相应的电网安全问题也开始越发突出，其中雷电灾害作为无法避免的外部灾害，给电网的安全运营带来了很大的风险。通常情况下，由于变电站安设有直击雷防护装置而使得雷电灾害对变电站的影响有限，其影响主要集中在高压输电线路［1－2］。

通常而言，雷电灾害轻则造成输电线路同一输电通道多回线路相继跳闸、同塔双回线路同时闪络等故障，重则造成长时间电力供应中断甚至永久性故障［3］。目前，对于高压输电线路遭受雷害的风险研究［4］，相关学者及机构仅以雷击跳闸率作为高压输电线路遭受雷害的评价指标，这是不合理的，因为尽管雷击引起的线路跳闸次数较多，但因重合闸成功率较高，其占非计划停运比例要比其占跳闸比例低，此外，输电线路的雷电灾害影响因子不是单一的，它除了受雷击跳闸率控制，还与输电线路雷电活动强度、地闪密度、线路走廊雷电活动频率、地形地貌、输电线路对电网重要性程度等因子有关，需要考虑多因素影响结果［5］。因此，本文从电网遭受雷害的多影响因子作为出发点，采用层次分析与模糊数学相结合的理论，对其展开风险评估研究，并对此提出防雷措施，以给工程实际提供指导与借鉴。

1 理论方法

1.1 层次分析法

20世纪70年代初，美国学者Satty T.L.提出了层次分析法［6］，它是一种层次权重决策分析方法，该方法基于网络系统理论和多目标综合评价，能够将定量分析与定性分析相结合，对多目标、复杂问题展开准确的决策。

层次分析一般包含四个步骤:建立层次结构模型、构造两两比较的判断矩阵、层次单排序及一致性检验、层次总排序及一致性检验。

1.2 模糊数学法

模糊数学又称Fuzzy数学，是研究和处理模糊性现象的一种数学理论和方法，1965年，模糊数学开始得到快速发展［7］。模糊数学法首先要求给出电网雷害影响因素集合U及雷害风险发生级别集合V，U中每一个单因素对应雷害风险级别V的模糊子集为单因素模糊矩阵R，再根据每个因素对目标贡献程度，得到权重矩阵A，最后对矩阵R进行关于A的模糊变换，得到目标事物的评判集B，即:

式中:B=［B1，B2，…Bn］，Bn为第n级评判等级的隶属度，评判集B中最大隶属度Bi所在的位置即对应目标的最终评判级别。

1.3 综合评价

层次分析的优点是能够定量地得到定性的因素的权重值，再结合模糊数学理论，才能够综合计算出要分析对象的结果。基于层次分析－模糊数学综合评价，首先要确定各层次各因素两两之间的权重。为避免对权重定性赋值带来的失准，Satty T.L.提出了一致判断矩阵法，该方法采用1～9标度法的相对尺度，以提高准确度，当一致性比率小于0.1时，认为能够得到满意的一致性［8］。

2 电网雷害多影响因子分析

输电线路是电力系统的最重要的组成部分，由于它暴露在复杂多变的自然环境里面，因此很容易且无法避免受到外界环境的的影响和损害，尤其是当雷雨天气发生时，输电线路易于遭受雷击，并发生停电事故。因此，要进行电网雷害研究，首先要确定影响电网雷害的因素有哪些。

电网遭受雷害的影响因子不是单一的，也不是几个因子单独发生作用，而是多个因子发生耦合作用。根据目前国内外的研究成果［9－10］，评估电网雷害风险的因子主要有雷击跳闸率、雷击重合闸率、手动强送成功率、供电可靠性、线路重要性等级、运行时间、设备损害性指标。

据此，建立上述电网雷害多因子层次结构示意图如图1所示。图中具体结构为:A为目标层，即:电网雷害风险;B为准则层，具体为B1(供电可靠性)、B2(运行时间)、B3(重要性等级)、B4(设备损害性);C为方案层，即:各个线路，具体为C1(线路1)、C2(线路2)…Cn(线路n)。

图1 电网遭受雷害风险级别层次结构示意

3 工程实例分析

3.1 工程概况

我国南方某地区500kV电网含有3条输电线路D、E、F，现以该地区这三条输电线路2007年－2012年的实测数据，来分析预测该地区的雷害风险等级。D、E、F三条输电线路的准则层实测数据占比如表1所示。

3.2 综合分析

3.2.1 层次分析结构

根据电网雷害多因子分析结果，结合应用实例表1数据，在Yaahp层次分析软件建立电网雷害风险等级的层次结构模型，层次结构模型如图2所示。

对于层次结构模型中的电网雷害风险等级，本文划分为4个级别:Ⅰ级无风险、Ⅱ级低风险、Ⅲ级中等风险、Ⅳ级高风险。

表1 500kV输电线路准则层数据比例系数

图2 层次分析结构

3.2.2 一致性检验矩阵

在层次结构模型的基础上，结合1～9标度类型及专家系统意见，赋予B1～B4、C1～C3相应的权重分值，最终得到A－B、B1－C、B2－C、B3－C、B4－C五个判断矩阵。

A－B矩阵的一致性比例CR=0.0596，B1－C的CR=0.0370，B2－C的CR=0.0516，B3－C的CR=0.0516，B4－C的CR=0.0088，五个判断矩阵的一致性比列均小于0.10，矩阵的一致性检验结果可以接受。

3.2.3 计算权重

在矩阵判断一致性检验的基础上，进一步计算A－B、B－C排序的单排序权重值及6个因素的总排序权重值，权重计算结果如表2所示。

表2 电网雷害风险因素总排序权重

把上表2中的权重值用向量的形式表示，即得权重矩阵:A［0.475299，0.257689，0.267112］。

3.2.4 隶属函数和模糊矩阵

就每个雷害影响因素进行统计与分析，每个因素对应的不同雷害级别为一个隶属函数。本文定义该隶属函数为降半阶梯分布函数，取阶次k=1。分布函数的方程为:

式中:xi为第i个雷害风险评估因子;un(xi)为第i个因子对第n级雷害风险的隶属度;ai，bi，ci为第i个因子分别对应第Ⅰ～Ⅳ级雷害风险的分界值。

将线路D、E、F对应的准则层因子值依次代入(2)～(5)式，每个因子得到4个隶属函数方程，3个因子共12个隶属函数方程，计算后得到3个因子的评判模糊子集分别为:RC1［0.42，0，1，0.35］; RC2［0，1，0.62，0.16］;RC3［0.53，0，1，1］。则该地区全部雷害因子3行4列的模糊关系矩阵为:

3.2.5 综合评判

根据上述计算，现对模糊矩阵R进行关于权重矩阵A的模糊变换，得到目标事物最终评判集B:

根据模糊数学中的贴近度原理，所得到的评判集B=［B1，B2，B3，B4］=［Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ级雷害风险］，其中最大隶属度Bi所在的位置即对应目标的最终评判级别，因此，该地区电网的最大隶属度为B3=0.902=Ⅲ级中等雷害风险。即应用该综合评判方法评定该地区遭受雷盖的风险等级为中等雷害风险，需要采取相应防雷害措施，以降低高压电网遭受雷害的概率。

4 结语

(1)以电网遭受雷害多影响因子作为研究的出发点，较为全面的考虑到各个雷害影响因子对高压电网的风险程度，并采用层次分析与模糊数学相结合的综合评判理论，对高压电网展开雷害风险展开了评估研究。引入工程实例对此进行分析计算，以雷击跳闸率、雷击重合闸率、手动强送成功率、供电可靠性、线路重要性等级、运行时间、设备损害性指标为评估电网雷害风险的分析因子，成功评估得到将该地高压电网雷害风险等级。

(2)在评估得到高压电网的雷害风险等级后，应根据当地电网雷害影响因子的特点，采取相应的防雷措施。如:架设避雷线，避雷线能够对雷电产生分流作用，降低杆塔顶端电位;改善接地网形式，降低杆塔的接地电阻值;架设耦合地线，来降低绝缘子串上电压;适当提高杆塔的绝缘水平，能够对防止绕击起到一定的作用，也能对防止雷击杆塔顶部的反击过电压产生效果;采用不平衡绝缘方式，以避免双回线路在遭受雷击时同时跳闸;装设避雷器，限制过电压，保障输电线路及设备的安全。

(3)电网雷害尽管是小概率事件，但其具有随机性强，一旦发生损失大的特点，而输电线路的雷电灾害影响又是受诸如雷击跳闸率、雷电活动强度、地闪密度、线路走廊雷电活动频率、地形地貌、输电线路对电网重要性程度等多因子控制，因此在实际电网雷害风险评估中，需要考虑多因素耦合作用的结果。此外，还应结合高压输电线路运行经验以及系统运行方式，通过比较选取合理的防雷设计，以提高高压输电线路的耐雷水平。

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Study on the impact of multiple－factor lightning disaster risk assessment

The impact factor for power grid subjected to lightning disturbance were taken as the research focus，the hierarchical analysis and fuzzy mathematics theory were combined to do the risk assessment study about lightning disturbance of high voltage power grid in this paper.Taking somewhere in 500kv high voltage network as the engineering background，the lightning trip－out rate，rate of lightning reclosing，manual send success rate，power supply reliability，line importance level，operation time，equipment，damaging the risk analysis of the factors of indexes for evaluating power grid were analyzed，and we finally calculated the risk level of the area power grid isⅢlevel medium ray against risk.In addition，the corresponding lightning protection measures were put forward，and that can provide guidance and reference to the engineering practice.

grid ray harm;risk evaluation;analytic hierarchy process;fuzzy mathematics theory;the lightning protection measures

TM86

B

1674－8069(2015)05－006－04

2015-03-10;

2015-05-21

强祥(1987-)，男，江苏扬州人，助理工程师，主要从事轨道交通供电系统建设行业。E－mail:libomxd@163.com