張曉明，吳焯軍，甘艷，阮江軍，張思寒，劉歡，顧德文，董明齊，杜志葉

(1.華中電網(wǎng)有限公司，武漢市 430077;2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢市 430072)

0 引言

國內(nèi)外長期的運行經(jīng)驗表明，輸電線路的雷擊跳閘仍是影響電網(wǎng)安全運行和可靠供電的主要因素。根據(jù)國家電網(wǎng)公司2003年的生產(chǎn)運行情況的統(tǒng)計資料［1］，全國500 kV輸電線路中雷擊跳閘占線路跳閘的46%，220 kV輸電線路中雷擊跳閘占線路跳閘的33.4%，110 kV輸電線路中雷擊跳閘占線路跳閘的35.3%。同時，國家電網(wǎng)公司每年因雷擊跳閘所造成的直接經(jīng)濟損失可達數(shù)億元以上，間接損失更是不可估量。因此，對電網(wǎng)中的輸電線路進行雷害風(fēng)險評估并合理安排防雷改造順序是有十分重要的經(jīng)濟意義和社會意義的。

由于近年來國內(nèi)外才開展輸電線路雷害風(fēng)險評估的研究，目前關(guān)于雷害風(fēng)險評估仍沒有確定的評估模型和評估標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)絕大多數(shù)供電部門仍以雷擊跳閘率這一單一指標(biāo)來評價輸電線路的雷害風(fēng)險，并以此標(biāo)準(zhǔn)來安排防雷改造的優(yōu)先順序。但是實際上，風(fēng)險評估內(nèi)容是要確定風(fēng)險發(fā)生的概率和對某個系統(tǒng)的影響程度［2］，因此，完整的風(fēng)險指標(biāo)不僅僅是風(fēng)險發(fā)生的概率，還應(yīng)當(dāng)是概率和后果的綜合。顯然，依靠雷擊跳閘率這一單一指標(biāo)來評價輸電線路雷害風(fēng)險存在一定的不合理性。本文基于改進層次分析法，除了雷擊跳閘率之外還綜合考慮了平均非計劃停電時間、停運時間平均經(jīng)濟損失、負(fù)荷重要性等因素，對輸電線路雷害風(fēng)險進行評估，達到概率與后果的有機統(tǒng)一。

1 改進層次分析法

1.1 層次分析法簡介

層次分析法［3］(analytic hierarchy process，AHP)是T.L.Saaty于20世紀(jì)70年代提出的一種多目標(biāo)評價決策方法，它將一個復(fù)雜問題中的各種因素劃分為相互聯(lián)系的有序?qū)哟问怪畻l理化，根據(jù)對一些客觀現(xiàn)實的判斷，定量表示每一層次的相對重要性，用數(shù)學(xué)方法表達每一層次全部因素相對重要性次序的數(shù)值，得到排序結(jié)果。

1.2 改進層次分析法簡介

改進層次分析法是在層次分析法的基礎(chǔ)上進行改進，其主要特點有以下2點:(1)用三標(biāo)度法取代九標(biāo)度法，降低人的主觀性對評價結(jié)果的影響;(2)利用最優(yōu)傳遞矩陣構(gòu)造判斷矩陣，直接求出權(quán)重，無需進行一致性檢驗。

1.3 改進層次分析法步驟

(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型。層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 層次分析法常用模型Fig.1Common model of AHP

(2)利用三標(biāo)度法求出相應(yīng)的比較矩陣。根據(jù)各因子的重要性次序，得出相應(yīng)的比較矩陣A。

式中:aij代表第i因素與第j因素相對比的重要性，且有aii=1。

(3)計算重要性排序指數(shù)ri。

(4)構(gòu)造判斷矩陣Bij。對每組因素構(gòu)造判斷矩陣，其元素bij遵循式(3)。

(5)求判斷矩陣Bij的傳遞矩陣Cij。傳遞矩陣的元素為

(6)求傳遞矩陣Cij的最優(yōu)傳遞矩陣Dij。最優(yōu)傳遞矩陣的元素為

(7)求判斷矩陣Bij的擬優(yōu)一致矩陣B'ij。擬優(yōu)一致矩陣的元素為

(8)求B'ij的特征向量。B'ij的特征向量(即權(quán)重向量)可用方根法求得:將矩陣B'ij的各個列矢量采用幾何平均，然后歸一化，得到的列矢量就是權(quán)重矢量。

其計算步驟如下:

第1步，A的元素按行相乘得一新矢量。

第2步，將新矢量的每個分量開n次方。

第3步，將所得矢量歸一化即為權(quán)重矢量。

2 改進層次分析法的應(yīng)用

2.1 層次模型的建立

根據(jù)圖1和層次分析法的基本思想，構(gòu)造一個用于輸電線路雷害風(fēng)險評估的層次結(jié)構(gòu)分析模型，如圖2所示。目標(biāo)層A:評估出電網(wǎng)中各線路的雷害風(fēng)險的相對大小。準(zhǔn)則層C:評估線路雷害風(fēng)險的主要因素有雷擊跳閘率、平均非計劃停運時間、停運時間平均經(jīng)濟損失、負(fù)荷重要性、線路平均輸電設(shè)備損失等。方案層P:電網(wǎng)中的各條線路。

2.2 準(zhǔn)則層相關(guān)因素的定義及計算方法

2.2.1 雷擊跳閘率

圖2 線路雷擊風(fēng)險評估層次分析結(jié)構(gòu)Fig.2AHP structure of lightning disturbance risk for transmission lines

輸電線路的雷擊跳閘率分為實際的雷擊跳閘率和計算的雷擊跳閘率［4］。實際的雷擊跳閘率Nor(次/(100 km·a))計算公式如下:

對于本文的分析結(jié)構(gòu)模型，準(zhǔn)則層中并沒有考慮線路運行年數(shù)對線路的風(fēng)險大小的影響，而實際的雷擊跳閘率中已包含該因素對跳閘率的影響，進而對線路的風(fēng)險大小也有所影響，故本文采用實際的雷擊跳閘率評估線路風(fēng)險的大小。

2.2.2 平均非計劃停運時間

平均非計劃停運時間Ts(h/a)是指由于雷擊跳閘引起的非計劃停運時間。

式中:n為該線路在運行年數(shù)內(nèi)由于雷擊引起的跳閘總數(shù)。

2.2.3 停運時間平均經(jīng)濟損失

只考慮線路停運引起的直接經(jīng)濟損失，定義線路雷擊跳閘所引起的停運時間平均經(jīng)濟損失Mel(萬元/h)計算公式如下:

2.2.4 負(fù)荷重要性

根據(jù)國標(biāo)GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》［5］，將負(fù)荷分為3個等級。將參與評估的線路所連接的負(fù)荷按上述規(guī)范分級，并按重要性等級排序。

2.2.5 線路平均輸電設(shè)備損失

線路輸電設(shè)備損失是指由于雷擊引起的輸電設(shè)備損失，雷擊引起的線路輸電設(shè)備損失包括導(dǎo)線、地線、接地引下線的燒毀以及線路避雷器、絕緣子的損壞等，定義線路平均輸電設(shè)備損失Mll(萬元/a)計算公式如下:

2.3 實例分析

某地區(qū)220 kV電網(wǎng)有5條線路需進行防雷改造，根據(jù)上述模型對該5條線路進行雷擊風(fēng)險評估，最終得到各線路的雷擊風(fēng)險的相對大小，并據(jù)此安排線路防雷改造的優(yōu)先順序。

2.3.1 重要性排序

該地區(qū)輸電線路雷擊風(fēng)險評估模型中的準(zhǔn)則層各因素對目標(biāo)層的重要性排序如下:雷擊跳閘率＞平均非計劃停運時間=停運時間平均經(jīng)濟損失=負(fù)荷重要性＞線路平均輸電設(shè)備損失。

5條線路所需的評估參數(shù)如表1所示。

表1 各線路所需的評估參數(shù)Tab.1Evaluation parameters for each line

由表1可得方案層中各線路對準(zhǔn)則層各因素的重要性排序，如表2所示。

表2 方案層各線路對于準(zhǔn)則層各因素的重要性排序Tab.2Importance ranking of program layer to rule layer factor

2.3.2 構(gòu)造比較矩陣

根據(jù)上述準(zhǔn)則層各因素對目標(biāo)層的重要性排序和公式(1)，可得出準(zhǔn)則層各因素對目標(biāo)層的比較矩陣，如表3所示。

表3 準(zhǔn)則層各因素對目標(biāo)層的比較矩陣Tab.3Comparative matrix of rule layer factor to target layer

表1 12種評估標(biāo)準(zhǔn)下的雷害風(fēng)險等級排序Tab.11Lightning disturbance level under two evaluation standard

圖3 2種評估標(biāo)準(zhǔn)下的雷害風(fēng)險等級Fig.3Lightning disturbance level under two evaluation standard

可以看出，按雷擊跳閘率和按本文模型進行評估所得的結(jié)果是不完全一致的，雷擊跳閘率排位較高的線路，在考慮了跳閘損失影響因素之后，其風(fēng)險排位等級可能會提高或者降低。因此，輸電線路運行管理部門完全按照雷擊跳閘率高低安排線路防雷改造的優(yōu)先級，可能會與各線路的實際雷害風(fēng)險排序存在不一致性，從而影響電網(wǎng)雷害改造的整體效率和效益。

3 結(jié)論

(1)風(fēng)險是概率和后果的綜合，因此在進行輸電線路雷害風(fēng)險評估時不僅需要考慮雷擊跳閘率這一因素，還必須考慮雷擊跳閘帶來的損失影響因素。

(2)輸電線路雷擊跳閘所引起的損失影響因素與其停運時間、負(fù)荷大小、負(fù)荷重要性、設(shè)備損失等要素有直接關(guān)系，因此在進行輸電線路雷害風(fēng)險評估時需搜集與此相關(guān)的資料，并詳細地篩選和分析。

(3)綜合考慮了停運時間、負(fù)荷大小、負(fù)荷重要性、設(shè)備損失等因素后的雷害風(fēng)險等級與雷擊跳閘率風(fēng)險等級非完全一致，可能降低或者上升，因此以雷擊跳閘率這一單一指標(biāo)來評價輸電線路雷害風(fēng)險并不完全科學(xué)和準(zhǔn)確。

(4)本文提出的改進層次分析法評估模型與傳統(tǒng)的雷擊跳閘率評價模型相比，評估結(jié)果將更加合理和科學(xué)，更加符合輸電線路的實際雷害風(fēng)險大小。由于評估結(jié)果十分依賴于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此建議在采用本文模型時，待評估線路的運行時間在5年或以上，從而使所搜集的數(shù)據(jù)分散性較低，更加符合線路的實際運行情況。

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(編輯:魏希輝)