葉劍華，林濟鏗，胡世駿，劉輝，袁啟海，于建成

（1．天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津300072；2.同濟大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海201804；3.國網(wǎng)安徽省電力公司，合肥230061；4.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京110179; 5.國網(wǎng)天津市電力公司，天津300010）

計及氣象因素的電網(wǎng)靜態(tài)安全評估框架及模型

葉劍華1，林濟鏗2，胡世駿3，劉輝3，袁啟海4，于建成5

（1．天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津300072；2.同濟大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海201804；3.國網(wǎng)安徽省電力公司，合肥230061；4.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京110179; 5.國網(wǎng)天津市電力公司，天津300010）

近年來因氣象因素導(dǎo)致的大停電事故時有發(fā)生，因此開展電網(wǎng)氣象安全風(fēng)險評估的研究十分必要。該文首先提出了一種基于D5000平臺的計及氣象因素的電網(wǎng)靜態(tài)安全風(fēng)險評估框架體系，該框架體系包括電網(wǎng)氣象信息集成模塊、氣象風(fēng)險在線評估與預(yù)警模塊和氣象風(fēng)險預(yù)警可視化模塊，并分別給出了每一模塊的構(gòu)成及實現(xiàn)方法。文中的研究成果為電網(wǎng)由氣象導(dǎo)致的系統(tǒng)風(fēng)險評估奠定了堅實基礎(chǔ)。

氣象因素；風(fēng)險評估；停運概率；靜態(tài)安全

電網(wǎng)的安全運行與氣象環(huán)境密切相關(guān)，世界范圍內(nèi)由于氣象因素引發(fā)的大停電事故時有發(fā)生。2008年中國南方的大范圍冰雪災(zāi)害對電力系統(tǒng)造成了嚴重破壞，經(jīng)濟損失達數(shù)百億元[1]。2012年7月底，由于惡劣天氣引發(fā)的印度大停電，導(dǎo)致印度28個邦有20個停電[2]。隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，氣象因素對電網(wǎng)安全運行的影響越來越大，因此考慮氣象因素的電網(wǎng)風(fēng)險評估變得更加迫切。

近年來，越來越多的學(xué)者已經(jīng)意識到氣象因素對電網(wǎng)安全運行的影響，提出了計及氣象因素的電網(wǎng)風(fēng)險評估方法。目前，電網(wǎng)氣象風(fēng)險評估方法總體上可分為兩類：一類是針對單一氣象風(fēng)險源的評估，如雷電風(fēng)險評估、覆冰風(fēng)險評估等；另一類是考慮多種氣象風(fēng)險的綜合風(fēng)險評估。

（1）單一氣象風(fēng)險評估。文獻[3]基于改進層次分析法提出了全層級電網(wǎng)雷害風(fēng)險評估體系。文獻[4]根據(jù)線路荷載-強度的隨機特性與干涉理論，建立了線路冰風(fēng)荷載風(fēng)險模型，并應(yīng)用模糊理論對線路的短期冰風(fēng)荷載風(fēng)險進行預(yù)測。文獻[5]提出了基于廣義帕累托分布GPD（generalized Pareto distribution）和Copula函數(shù)的冰風(fēng)暴災(zāi)害下電力斷線倒塔的概率計算方法。上述電網(wǎng)氣象風(fēng)險評估方法只是針對單一氣象因素的評估，但實際電網(wǎng)可能同時受到多種氣象因素的影響，因此該類方法不能全面評估電網(wǎng)的氣象風(fēng)險水平。

（2）綜合氣象風(fēng)險評估。文獻[6]將氣象條件分為正常和惡劣兩種情況，提出了一種對架空線與氣象相關(guān)的停運率、修復(fù)時間和不可用性進行模糊建模的方法。文獻[7]將文獻[6]中兩氣象條件推廣到任意多個氣象條件，采用概率方法對區(qū)域劃分氣象狀態(tài)進行建模。文獻[8]建立了計及不同氣象等級和不同氣象因素的輸電線路故障率模型，提出一種基于灰色模糊理論的多氣象因素組合的輸電線路風(fēng)險分析方法。上述的綜合氣象風(fēng)險評估方法大多采用兩狀態(tài)或三狀態(tài)氣象模型，模型較為粗糙，需要研究更精細的模型。文獻[9-10]提出了一種面向調(diào)度運行的電網(wǎng)安全風(fēng)險管理控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，建立了一套詳細的風(fēng)險評估指標體系，文中提及了多種氣象因素對線路停運率的影響，但未展開詳細闡述。文獻[11]提出將停電防御框架向自然災(zāi)害預(yù)警拓展，需要跟蹤自然條件的變化動態(tài)修正設(shè)備故障率，但未提及具體的修正方法。

本文提出了一種計及氣象因素的電網(wǎng)靜態(tài)安全風(fēng)險評估框架體系，給出了框架體系中的各個模塊的具體構(gòu)成及實現(xiàn)方法。該框架體系將為電網(wǎng)風(fēng)險評估和分析奠定堅實的基礎(chǔ)。

1 電網(wǎng)靜態(tài)安全風(fēng)險評估框架體系結(jié)構(gòu)

計及氣象因素的電網(wǎng)靜態(tài)安全風(fēng)險評估框架體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。電網(wǎng)靜態(tài)安全風(fēng)險評估系統(tǒng)，通過采集和處理各類氣象信息、地理信息資源，利用D5000系統(tǒng)（D5000系統(tǒng)是國家電網(wǎng)公司推出的智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺）的數(shù)據(jù)資源和應(yīng)用服務(wù)，進行氣象信息綜合展示，同時基于電力系統(tǒng)實時穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，融合電力氣象信息，實現(xiàn)全網(wǎng)計及氣象因素的靜態(tài)安全風(fēng)險在線監(jiān)測和評估。

圖1所示的電網(wǎng)靜態(tài)安全風(fēng)險評估系統(tǒng)具有以下功能：

圖1 電網(wǎng)靜態(tài)安全風(fēng)險評估框架體系結(jié)構(gòu)Fig.1Structure of framework system of steady security risk assessment of power grid

（1）系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐平臺部分可實現(xiàn)對上層氣象分析應(yīng)用的地理信息的支持；

（2）可通過跨區(qū)信息集成實現(xiàn)與“雷電定位系統(tǒng)”和“輸電線路微氣象監(jiān)測系統(tǒng)”的氣象信息的接入；

（3）可對電網(wǎng)安全運行有影響的災(zāi)害性天氣進行監(jiān)視，并給出氣象告警。

（4）氣象風(fēng)險在線預(yù)警與分析可與D5000的“電網(wǎng)實時監(jiān)控與智能告警”等其他應(yīng)用功能進行集成協(xié)同。

下面對圖1中的3個主要模塊：電網(wǎng)氣象信息集成模塊、氣象風(fēng)險在線評估與預(yù)警模塊和氣象風(fēng)險預(yù)警可視化模塊的構(gòu)成和實現(xiàn)進行介紹。

2 電網(wǎng)氣象信息集成

圖1中的氣象信息集成模塊的詳細結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電網(wǎng)氣象數(shù)據(jù)集成示意Fig.2Diagram of data integration of power grid

在D5000系統(tǒng)中實時庫和歷史庫中建立相應(yīng)的氣象信息數(shù)據(jù)單元的記錄，實現(xiàn)實況數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)的儲存，同時利用平臺的歷史數(shù)據(jù)存儲機制，實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的初始化、動態(tài)維護更新和歷史保存。

在D5000系統(tǒng)中建立輸電線路、桿塔和變電站的GIS信息數(shù)據(jù)庫模型，實現(xiàn)電網(wǎng)基礎(chǔ)信息的初始化和動態(tài)維護更新。

在D5000系統(tǒng)中建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)變電站、線路、桿塔和各類氣象信息的關(guān)聯(lián)。

采集的氣象信息目標主要包括行政區(qū)域、地理區(qū)域、線路走廊、桿塔等，數(shù)據(jù)類型涵蓋常規(guī)氣象、災(zāi)害天氣、雷電和微氣象等。

3 氣象風(fēng)險在線評估與預(yù)警模塊

圖1中的氣象風(fēng)險在線評估與預(yù)警模塊是電網(wǎng)靜態(tài)安全風(fēng)險評估框架體系的核心，其詳細功能結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。基于電網(wǎng)氣象信息集成數(shù)據(jù)，包括電網(wǎng)基礎(chǔ)信息、雷電監(jiān)測信息和微氣象信息，該模塊首先計算各輸電線路的氣象停運概率，包括雷電停運概率和微氣象停運概率，進而得到各電網(wǎng)所處狀態(tài)的概率；在此基礎(chǔ)上，計算電網(wǎng)氣象風(fēng)險評估指標，包括靜態(tài)安全評估指標、運行風(fēng)險評估指標和薄弱點評估指標，并進而從支路、節(jié)點、斷面和系統(tǒng)4個層面對當前系統(tǒng)狀態(tài)的靜態(tài)安全風(fēng)險水平進行全方位的評估和預(yù)警。

圖3 氣象風(fēng)險在線評估與預(yù)警模塊詳細結(jié)構(gòu)框圖Fig.3Detailed structure diagram of meteorological risk online assessment and early warning

3.1 氣象停運概率計算

在眾多氣象因素中，通過對長江流域電網(wǎng)近年來的事故分析并結(jié)合專家經(jīng)驗，對長江流域電網(wǎng)影響最大的氣象因素為雷電和微氣象（包括大風(fēng)、暴雨、溫度等）信息，故本文只考慮雷電和微氣象影響的停運概率計算。只需補充其他氣象因素的停運概率模型，本文的框架體系即可推廣到全國電網(wǎng)。

3.1.1 雷電停運概率計算

電網(wǎng)雷害主要源于雷擊塔頂與繞擊線路兩種，可認為線路雷擊跳閘率即等于反擊跳閘率加繞擊跳閘率。由于線路的結(jié)構(gòu)特點使得雷擊塔頂?shù)哪屠姿揭h高于繞擊線路的耐雷水平，繞擊跳閘是雷擊故障的主要原因。因而，先對繞擊跳閘率進行計算，在已知繞擊跳閘概率的基礎(chǔ)上進行反擊跳閘概率的計算，進而得到線路的雷擊跳閘概率，即線路的停運概率。

1）基于改進電氣幾何模型計算線路的繞擊跳閘概率

計算繞擊跳閘概率公式為

式中：η為建弧率，定義為線路絕緣子串和空氣間隙在沖擊閃絡(luò)之后，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定工頻電弧的概率，主要E與電壓梯度有關(guān)，η=（4.5E0.75-14）×10-2；ψ為雷電先導(dǎo)入射角，其概率密度分布函數(shù)為g（ψ）=2π-1cos2ψ；Pα（ψ）為線路繞擊率，定義為雷電先導(dǎo)入射角ψ下該線路的暴露距離（即為在旋轉(zhuǎn)后的坐標系中導(dǎo)線暴露弧在橫坐標上的投影）與總暴露距離（三相導(dǎo)線和地線的暴露距離之和）的比值。

2）基于蒙特卡羅法計算桿塔反擊跳閘概率

雷擊瞬間疊加工頻電壓對線路反擊閃絡(luò)情況有較大影響[12]。蒙特卡羅方法通過模擬雷擊過程對每回線路的三相輸電線路進行分別考慮，判斷閃絡(luò)狀態(tài)，最終合成該基桿塔的反擊跳閘概率，相較于統(tǒng)一計算的方法，更加符合實際。經(jīng)過N次模擬，便可得到第i基桿塔的反擊跳閘概率為

式中，yk表示每次模擬的結(jié)果，其計算思路為：先產(chǎn)生一個[0，1]均勻分布的隨機數(shù)r1，若r1＜Pα，則yk= 0，開始下一次模擬；否則認為發(fā)生反擊。若發(fā)生反擊則繼續(xù)產(chǎn)生一個[0，1]均勻分布的隨機數(shù)r2，模擬疊加工頻電壓的瞬時值，將其疊加到絕緣子兩端承受的過電壓Uj上，并將Uj與絕緣子串的50%沖擊放電電壓U50%相比較，若Uj＞U50%，則發(fā)生反擊閃絡(luò)，令該次模擬的模擬結(jié)果yk=1，否則yk=0。

3）計算線路雷擊跳閘概率

在某一時段，線路的不同位置可能遭受多次雷擊，不管是繞擊跳閘或反擊跳閘，必將導(dǎo)致該線路停運，故該線路雷擊跳閘概率為

式中：NT為該線路某時段發(fā)生雷擊的次數(shù)為該次雷擊（繞擊或反擊）的跳閘概率。

3.1.2微氣象停運概率計算

在氣壓、降雨量、氣溫、相對濕度等眾多微氣象因素中，對長江流域電網(wǎng)安全威脅最大的是由大風(fēng)引起的風(fēng)偏閃絡(luò)，故本文計算風(fēng)偏停運概率作為微氣象停運概率。輸電線路設(shè)計規(guī)范規(guī)定了在相應(yīng)的風(fēng)偏條件下帶電部分與桿塔構(gòu)件的最小間隙，如500 kV線路的最小間隙dc=1.2 m，當風(fēng)速v等于臨界風(fēng)速時，最小空氣間隙將等于最小間隙dc，可能引起風(fēng)偏閃絡(luò)，因絕大多數(shù)風(fēng)偏閃絡(luò)是在工作電壓下發(fā)生的，一般不能成功重合閘，從而導(dǎo)致線路停運。因空氣的擊穿強度與其顆粒物含量、水汽含量等因素相關(guān)，因而風(fēng)偏閃絡(luò)時的風(fēng)速具有隨機性，可以對風(fēng)偏停運進行概率建模，本文提出了如下思路：

當風(fēng)速v比臨界風(fēng)速vc小很多時，風(fēng)偏角較小，最小空氣間隙將遠大于最小間隙dc，因此線路不會發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)，即風(fēng)偏跳閘概率PM為0；當風(fēng)速v比臨界風(fēng)速vc小很多時，風(fēng)偏角很大，最小空氣間隙將遠小于最小間隙dc，因此線路必將發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)，即風(fēng)偏跳閘概率PM為1；當風(fēng)速v在臨界風(fēng)速vc附近時，風(fēng)偏跳閘概率PM介于（0，1）之間，且與風(fēng)速的增長趨勢相同，為了使風(fēng)偏概率模型更加簡單實用，采用如圖4所示的折線模型近似。

圖4 輸電線路風(fēng)偏停運概率模型Fig.4Probabilistic model of transmission line outages considering windage yaw

圖4中的風(fēng)速轉(zhuǎn)折點vmin和vmax可由電網(wǎng)微氣象監(jiān)測設(shè)備的風(fēng)速數(shù)據(jù)和風(fēng)偏跳閘事故記錄采用線性擬合得到。

3.1.3 氣象停運總概率計算

3.2 氣象風(fēng)險評估指標計算及預(yù)警

電網(wǎng)的氣象風(fēng)險評估指標體系包括靜態(tài)安全評估指標、運行風(fēng)險評估指標以及電網(wǎng)薄弱點評估指標3大類。該指標體系涵蓋了系統(tǒng)評估指標和斷面評估指標兩大類，并通過薄弱點評估指標對薄弱點進行辨識。

（1）靜態(tài)安全評估指標的計算是基于狀態(tài)估計獲得的電網(wǎng)當前狀態(tài)信息，通過一系列指標，從支路、節(jié)點和斷面3個層次對當前系統(tǒng)狀態(tài)的靜態(tài)安全性進行全方位的評估。

（2）運行風(fēng)險評估指標的計算是在上述氣象停運概率計算的基礎(chǔ)上，定義兩大類電網(wǎng)氣象停運風(fēng)險評估指標，從斷面和系統(tǒng)兩個層面對氣象因素導(dǎo)致電網(wǎng)的靜態(tài)安全運行風(fēng)險進行評估。

（3）薄弱點評估指標的計算是基于運行點的累積風(fēng)險，通過一系列指標，識別出電網(wǎng)的運行薄弱點，包括薄弱支路、薄弱節(jié)點和薄弱斷面。

將計算得到的風(fēng)險指標與不同風(fēng)險等級的告警閾值進行比較，給出相應(yīng)的風(fēng)險告警等級。詳細的風(fēng)險指標計算過程請參閱論文《計及氣象因素的電網(wǎng)靜態(tài)安全指標體系》。

4 氣象風(fēng)險預(yù)警可視化

結(jié)合電網(wǎng)調(diào)控中心的大屏幕配置、顯卡配置技術(shù)特點和安全網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的技術(shù)要求，將電網(wǎng)氣象安全監(jiān)視信息和電網(wǎng)氣象安全分析與預(yù)警分析結(jié)果相結(jié)合，實現(xiàn)了全景、雷擊和微氣象監(jiān)視與預(yù)警可視化主題。

為了全面、直觀、清晰地展示電網(wǎng)的氣象風(fēng)險預(yù)警信息，系統(tǒng)采用了以下幾種可視化技術(shù)。

1）熱圖

采用熱圖可以直觀地表示電網(wǎng)的氣溫分布情況，不同的顏色表示不同的氣溫，與地理接線圖對應(yīng)可以獲得各輸電線路所處的環(huán)境溫度，據(jù)此可對線路的傳輸功率極限進行調(diào)整。相應(yīng)可視化組件畫面如圖5（a）所示。

2）雷達圖

當雷擊發(fā)生時，將雷擊點距離最近的所有桿塔虛擬成一個桿塔，在雷達圖上可以動態(tài)顯示出雷擊點與最近桿塔的距離和方位，通過不同的著色表征雷擊發(fā)生時刻與當前時刻的間隔。進行風(fēng)險指標計算后，也采用動態(tài)雷達圖展示雷擊風(fēng)險最大的3個故障的雷電活動情況。相應(yīng)可視化組件畫面如圖5（b）所示。

3）儀表圖

儀表圖主要針對微氣象設(shè)備的監(jiān)測信息（溫度、降雨量、風(fēng)速等），因重點線路的微氣象設(shè)備較多，因此在顯示前做了歸并，采用主動推出方式，對同一線路只顯示最嚴重的氣象信息，并進行動態(tài)刷新。相應(yīng)可視化組件畫面如圖5（c）所示。

圖5 氣象可視化表達組件Fig.5Components of meteorological visualization

4）統(tǒng)計曲線

統(tǒng)計曲線可以清楚的展示雷電活動發(fā)展變化的過程，展示以2 min為時間間隔統(tǒng)計最近30 min的落雷次數(shù)變化，展示雷擊點與最近桿塔的距離變化，展示雷擊停運概率和風(fēng)險指標的變化。

5）告警欄

告警欄以文字的形式給出當前的氣象預(yù)警信息，包括氣象影響因素的名稱、影響的設(shè)備名稱、風(fēng)險的大小等等。

6）光字牌

當某一氣象因素對電網(wǎng)產(chǎn)生影響時，相應(yīng)的光字牌會點亮，但這種可視化技術(shù)對短時間內(nèi)多點受到同一氣象因素影響的情況不適用（如同一時段多條線路受到雷擊），因此只能作為一種輔助手段。相應(yīng)可視化組件畫面如圖6所示。

圖6 氣象告警綜合光字牌組件Fig.6Components of lighting plate for meteorological warning

7）GIS圖

GIS圖可以展示全網(wǎng)的輸電線路和變電站，以不同的顏色和圖標對不同電壓等級進行區(qū)分。當雷擊發(fā)生時，在GIS圖上會標示出雷擊點的位置，與雷達圖類似，通過不同的著色表征雷擊發(fā)生時刻與當前時刻的間隔。

通過上述的多種可視化技術(shù)，可以從不同角度直觀地反映電網(wǎng)的氣象風(fēng)險現(xiàn)狀及其發(fā)展態(tài)勢，為運行調(diào)度人員提供輔助決策依據(jù)。

5 結(jié)語

本文提出了基于D5000平臺的計及氣象因素的電網(wǎng)靜態(tài)安全風(fēng)險評估框架體系。該框架體系包括電網(wǎng)氣象信息集成模塊、氣象風(fēng)險在線評估與預(yù)警模塊和氣象風(fēng)險預(yù)警可視化模塊。文中給出了每一模塊的構(gòu)成及實現(xiàn)方法。氣象停運概率模型的提出為風(fēng)險評估指標的計算提供了堅實的基礎(chǔ)，在后續(xù)論文《計及氣象因素的電網(wǎng)靜態(tài)安全指標體系》中將提出全面的風(fēng)險評估指標體系，結(jié)果將為調(diào)度運行人員客觀、真實和全面地把握系統(tǒng)當前的靜態(tài)安全狀況起到非常重要的作用。

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[12]周遠翔，魯斌，李震宇，等（Zhou Yuanxiang，Lu Bin，Li Zhenyu，et al）.蒙特卡羅法計算線路雷擊跳閘率隨機過程研究（Selection of random processes in application of Monte Carlo method to calculation of the lightning flashover rate of transmission lines）[J].高電壓技術(shù)（High Voltage Engineering），2007，33（5）：1-5.

Assessment Architecture and Model of Steady Security of Power Grid Considering Meteorological Factors

YE Jian-hua1，LIN Ji-keng2，HU Shi-jun3，LIU Hui3，YUAN Qi-hai4，YU Jian-cheng5
（1.School of Electrical Engineering&Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.School of Electronics and Information，Tongji University，Shanghai 201804，China；3.State Grid Anhui Electric Power Company，Hefei 230061，China；4.Kedong Power Control System Company Limited，Beijing 110179，China；5.State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300010,China）

Blackouts caused by meteorological factors appears frequently in recent years,therefore it is necessary to conduct the research of meteorological security risk assessment of power grid.The framework system of steady security risk assessment considering meteorological factors based on D5000 is proposed first.The framework system consists of meteorological information integration module of power grid,meteorological risk online assessment and early warning module，and visualization module of meteorological risk early warning.The structure and implementation method of each module are introduced.The results provide a solid foundation for risk assessment of power grid caused by meteorological factors.

meteorological factor；risk assessment；outage probability；steady security

TM711

A

1003-8930（2014）08-0065-06

葉劍華（1979—），男，博士，講師，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析及控制、智能電網(wǎng)等。Email：jh_ye@tju.edu.cn

2012-06-26；

2012-08-20

林濟鏗（1967—），男，博士，教授，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析及控制、智能電網(wǎng)等。Email：mejklin@126.com

胡世駿（1966—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析及控制、智能電網(wǎng)等。Email：husj6390@ah. sgcc.com.cn