王惠麗，王中偉，彭友仙，江浩田，孫睿

(1.國網(wǎng)河南省電力公司三門峽供電公司，河南 三門峽 210098； 2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

雷擊薄弱點(diǎn)分析及防護(hù)輔助決策系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

王惠麗1，王中偉1，彭友仙2，江浩田2，孫睿2

(1.國網(wǎng)河南省電力公司三門峽供電公司，河南 三門峽 210098； 2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

目前雷擊仍然是危及電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的主要因素。本文以Visual Basic 6.0程序設(shè)計語言為開發(fā)平臺，結(jié)合Microsoft Excel 12.0組件和Access數(shù)據(jù)庫平臺，設(shè)計并開發(fā)出一套程序化、智能化的雷擊薄弱點(diǎn)分析及防護(hù)輔助決策系統(tǒng)，可單基、批量計算線路沿線桿塔雷擊跳閘率，對線路進(jìn)行雷擊閃絡(luò)風(fēng)險評估，實(shí)現(xiàn)沿線雷擊薄弱點(diǎn)的查找，并制定合適的防雷改造技術(shù)方案，最后為改造方案進(jìn)行實(shí)施效果的預(yù)評估，方便用戶快速獲取輸電線路沿線薄弱點(diǎn)及其最佳防雷改造方案。

地閃密度；雷擊跳閘率；雷擊薄弱點(diǎn)；防雷改造方案；Visual Basic 6.0；Access數(shù)據(jù)庫

1 引言

防雷工作的實(shí)施涉及眾多參數(shù)的分析與計算，如果在人工篩選的基礎(chǔ)上進(jìn)行計算，工作量大而繁瑣，容易出錯，從而影響輸電線路的安全性，因此工程上迫切需要一個功能強(qiáng)大且操作簡便的實(shí)用雷擊跳閘率計算及防雷改造技術(shù)實(shí)施分析軟件。

與輸電線路防雷相關(guān)的軟件眾多，如防雷設(shè)計計算軟件HVC[1]、利用Eclipse RCP設(shè)計開發(fā)的雷電災(zāi)害風(fēng)險評估軟件系統(tǒng)[2]、綜合性防雷及其風(fēng)險評估系統(tǒng)[3-5]等。但上述軟件系統(tǒng)的功能或只實(shí)現(xiàn)雷擊跳閘率計算，或只實(shí)現(xiàn)雷擊閃絡(luò)風(fēng)險評估，并未簡潔直觀地給出最佳的線路雷擊薄弱點(diǎn)防雷改造方案，后期需要工程人員人工制定防雷改造方案并篩選，仍然具有較大的工作量。因此，開發(fā)一套能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路從雷擊跳閘率計算到雷擊薄弱點(diǎn)防雷改造方案制定全過程的程序化、智能化軟件系統(tǒng)是非常必要的。

本軟件系統(tǒng)采用線路走廊網(wǎng)格法計算線路落雷密度，采用傳統(tǒng)電氣幾何模型計算線路繞擊跳閘率，采用規(guī)程法計算線路反擊跳閘率，確保了計算的準(zhǔn)確性；依據(jù)國網(wǎng)發(fā)布的《110(66)kV～500kV架空輸電線路管理規(guī)范》劃分雷擊閃絡(luò)風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)，確保評估等級的規(guī)范性；根據(jù)已有防雷措施和評估結(jié)果，為雷擊薄弱點(diǎn)制定合適的防雷改造方案，確保“有的放矢”。本軟件系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)一步提高了防雷保護(hù)工作的效率。

2 雷擊跳閘率計算模型介紹

2.1 地閃密度統(tǒng)計模型

圖1 線路走廊網(wǎng)格統(tǒng)計法

如圖1所示，采用線路走廊網(wǎng)格法示意圖[6]，首先將輸電線路及其走廊地理位置確定于地圖之中，將5～10年雷電定位系統(tǒng)地閃數(shù)據(jù)置于該地圖中，將該走廊分為若干個網(wǎng)格，如圖中陰影網(wǎng)格所示，再依次統(tǒng)計落入每個網(wǎng)格內(nèi)的地閃數(shù)目，繼而得到該網(wǎng)格內(nèi)的地閃密度。使用圖2所示方法估計輸電線路走廊地閃密度值，計算公式如下[7]：

(1)

式中，Ng為線路走廊統(tǒng)計網(wǎng)格內(nèi)的地面落雷密度，次/(km2·a)；Ng,i為地閃密度圖第i個網(wǎng)格內(nèi)地面落雷密度，次/(km2·a)；Si為第i個網(wǎng)格面積，km2。

圖2 輸電線路走廊內(nèi)地閃密度統(tǒng)計

2.2 雷擊跳閘率計算模型

輸電線路雷擊跳閘率的計算主要包括繞擊和反擊兩個部分。

(1)繞擊計算模型

本文采用傳統(tǒng)電氣幾何模型進(jìn)行繞擊率的計算，模型如圖3所示，依據(jù)該模型，繞擊率[8]為：

圖3 電氣幾何模型(EGM)示意圖

(2)

繞擊閃絡(luò)率[8]為：

(3)

式中，Ng為落雷密度(1/km2/a)；Imin為可發(fā)生繞擊的最小雷電流(kA)；Imax為可發(fā)生繞擊的最大雷電流(kA)；Zs為導(dǎo)線的暴露距離(m)；Ic為絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)的最小臨界電流(kA)；p(I)為雷電流幅值的概率分布函數(shù)。

(2)反擊計算模型

絕緣閃絡(luò)的判斷方法有定義法、波頭相交法和先導(dǎo)發(fā)展法等，考慮到定義法過于保守，IEC不推薦其作為判斷絕緣閃絡(luò)的判據(jù)，而先導(dǎo)發(fā)展法難以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的確定，故本文采用波頭相交法作為絕緣閃絡(luò)的判斷方法。波頭相交法的基本思想是：絕緣子串過電壓波與伏秒特性曲線相交時，即發(fā)生閃絡(luò)，不相交則認(rèn)為不發(fā)生閃絡(luò)。

根據(jù)GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)程規(guī)定，反擊跳閘率可按以下方法計算：

當(dāng)作用在絕緣子串上的合成電壓等于線路絕緣子串的50%沖擊閃絡(luò)電壓U50%時，絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)，與這一臨界條件相對應(yīng)的雷電流幅值I即線路雷擊桿塔的耐雷水平I1，計算公式如下：

(4)

式中，β為分流系數(shù)；k為考慮沖擊電暈影響的耦合系數(shù)，k=k1k0；k0為導(dǎo)、地線間的幾何耦合系數(shù)；k1為電暈校正系數(shù)，若系統(tǒng)電壓在(0，35]kV內(nèi)，則k1=1.1；若系統(tǒng)電壓在(35，110]kV內(nèi)，則k1=1.2；若系統(tǒng)電壓在(110，330]kV內(nèi)，則k1=1.25；若系統(tǒng)電壓在(330，+∞]kV內(nèi)，則k1=1.28；Rch為桿塔沖擊接地電阻，Ω；Lt為塔身等值電感，μH/m。

BFOR=N·g·P1

(5)

式中，N為每100km線路的年落雷次數(shù)；g為擊桿率。

綜上，線路總雷擊跳閘率為：

n=η·(BFOR+SFFOR)

(6)

式中，η為建弧率。

3 雷擊薄弱點(diǎn)防雷改造方案的制定

3.1 流程圖

針對雷擊薄弱點(diǎn)制定防雷改造方案的流程如圖4所示。

圖4 雷擊薄弱點(diǎn)防雷改造方案制定流程圖

為了便于分析雷擊薄弱點(diǎn)，收集數(shù)據(jù)時沿線桿塔數(shù)量達(dá)到50～100基為宜。

3.2 雷擊閃絡(luò)風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)

輸電線路桿塔雷擊閃絡(luò)風(fēng)險等級以其計算跳閘率為衡量標(biāo)準(zhǔn)，分為A、B、C、D 共4級，依據(jù)《110(66)kV～500kV架空輸電線路管理規(guī)范》，劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 雷擊閃絡(luò)風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)

表1中，Sr和Sf分別為繞擊、反擊跳閘率指標(biāo)，Src和Sfc為繞擊、反擊跳閘率計算值。Sr取國家電網(wǎng)公司發(fā)布的《110(66)kV～500kV架空輸電線路管理規(guī)范》中第八十九條中跳閘率規(guī)定值(規(guī)范中為40個雷暴日)×運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)中繞擊所占比例；Sf取跳閘率規(guī)定值×運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)中反擊所占比例。

3.3 防雷改造方案制定原則

為了保證軟件系統(tǒng)的通用性，在制定防雷改造時，遵循兼顧降低反擊和繞擊跳閘率的原則。由此根據(jù)雷擊風(fēng)險等級評估的幾種可能結(jié)果，將需要進(jìn)行防雷改造的桿塔分為以下六類：

(1)故障桿塔，指發(fā)生過雷擊跳閘事故且沒有安裝避雷器的桿塔。

(2)繞D反D桿塔，指繞擊和反擊跳閘率風(fēng)險評估等級都為D級的桿塔。

(3)繞C反D桿塔，指繞擊跳閘率風(fēng)險評估等級為C級、反擊跳閘率風(fēng)險評估等級為D級的桿塔。

(4)繞D反C桿塔，指繞擊跳閘率風(fēng)險評估等級為D級、反擊跳閘率風(fēng)險評估等級為C級的桿塔。

(5)繞D桿塔，指繞擊跳閘率風(fēng)險評估等級為D級、反擊跳閘率風(fēng)險評估等級為A或B級的桿塔。

(6)反D桿塔，指反擊跳閘率風(fēng)險評估等級為D級、繞擊跳閘率風(fēng)險評估等級為A或B級的桿塔。

上述類別基本以風(fēng)險等級從高到低排序，原則上按照這六種類別依次進(jìn)行防雷改造措施的選擇，逐步完善改造方案。

3.4 實(shí)施效果預(yù)評估

由于防雷措施的選擇可以有不同的配比，故一般會形成多個改造方案，且不同方案的防雷改造效果有所不同。

根據(jù)制定好的防雷改造方案對輸電線路的繞擊、反擊、總雷擊改造效果進(jìn)行跳閘率風(fēng)險預(yù)評估，將評估結(jié)果與改造前的雷擊風(fēng)險評估結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證改造方案的有效性。

4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本軟件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由參數(shù)統(tǒng)計、雷擊跳閘率計算、雷擊風(fēng)險評估、防雷改造方案制定四大模塊。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 主要功能設(shè)計和功能模塊說明

本系統(tǒng)采用Visual Basic 6.0開發(fā)環(huán)境。VB 6.0的工作環(huán)境是集成開發(fā)環(huán)境，它集程序的編寫、修改、調(diào)試以及生成于一體，開發(fā)的軟件系統(tǒng)可在Windows XP/7環(huán)境下使用[9]。

4.2.1 主要功能設(shè)計

(1)數(shù)據(jù)導(dǎo)入

考慮到全線桿塔的跳閘率計算和風(fēng)險評估計算，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入可以實(shí)現(xiàn)單基、多基桿塔的參數(shù)讀取，并對應(yīng)到相應(yīng)的批量計算后臺，為下一步數(shù)據(jù)的計算做準(zhǔn)備。相比于僅僅使用單基逐基桿塔輸入，這種批量導(dǎo)入大大提高了參數(shù)輸入的效率。

(2)數(shù)據(jù)處理與計算

數(shù)據(jù)處理包含對桿塔參數(shù)、地形參數(shù)、雷電流、地閃密度、已有防雷措施等的預(yù)處理，如桿塔位置坐標(biāo)化、地閃數(shù)據(jù)求均值等，均在數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，通過后臺程序進(jìn)行。

數(shù)據(jù)的計算包括線路走廊地閃密度計算、繞擊、反擊、總雷擊跳閘率的計算、風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)的計算、繞擊、反擊、總雷擊薄弱點(diǎn)尋找計算等。

(3)數(shù)據(jù)保存與輸出

完成各部分計算后，系統(tǒng)可將各部分計算成果分別展示與計算界面，并保存到TXT或EXCEL文件中，便于用戶查看和拷貝。

(4)生成報告

根據(jù)報告模板實(shí)現(xiàn)某條線路從跳閘率計算到防雷改造方案的制定全過程的報告書的生成，并設(shè)計保存、打印功能。

4.2.2 功能模塊說明

本軟件系統(tǒng)在功能上主要完成線路從參數(shù)統(tǒng)計到雷擊跳閘率計算，再到雷擊風(fēng)險評估，尋找出雷擊薄弱點(diǎn)，最后制定防雷改造方案并進(jìn)行實(shí)施效果預(yù)評估的全過程。

(1)參數(shù)統(tǒng)計模塊

用于讀取統(tǒng)計的參數(shù)，主要包括單基或多基桿塔參數(shù)統(tǒng)計、地形參數(shù)統(tǒng)計、雷電流參數(shù)模型、地閃數(shù)據(jù)統(tǒng)計、已有防雷措施(包括安裝設(shè)備及其數(shù)量)統(tǒng)計等。參數(shù)均以EXCEL文件格式保存，以便于在Visual Basic開發(fā)環(huán)境中調(diào)用。

(2)雷擊跳閘率計算模塊

用于計算線路雷擊跳閘率，該模塊設(shè)計有繞擊參數(shù)模型選擇、桿塔沖擊阻抗模型選擇、單基塔跳閘率計算、計算并準(zhǔn)備下一基、單基計算結(jié)果保存、多基導(dǎo)入及計算、多基計算結(jié)果保存等子功能項(xiàng)。

用戶根據(jù)需要，可單次逐基進(jìn)行計算并保存計算結(jié)果于TXT文件中，也可一次性導(dǎo)入多基桿塔(最多不超過1000基)并計算跳閘率，將結(jié)果保存于EXCEL文件中。

上述保存的文件均需重命名(用戶自主輸入容易辨別的文件名)，以便在下一模塊的風(fēng)險評估計算中進(jìn)行調(diào)用。

(3)雷擊風(fēng)險評估模塊

用于對待改善線路進(jìn)行雷擊閃絡(luò)風(fēng)險評估，可以調(diào)用上一模塊的跳閘率計算結(jié)果，也可直接導(dǎo)入某條線路的已有跳閘率數(shù)據(jù)，單基桿塔逐基風(fēng)險評估亦可。

該模塊設(shè)計有計算風(fēng)險控制指標(biāo)、跳閘率數(shù)據(jù)導(dǎo)入、單擊風(fēng)險評估、評估并準(zhǔn)備下一基、單基評估結(jié)果保存、多基風(fēng)險評估、多基結(jié)果輸出并保存、顯示沿線薄弱點(diǎn)等子功能項(xiàng)。

(4)防雷改造方案制定模塊

主要用于制定防雷改造方案并對其實(shí)施效果進(jìn)行預(yù)評估。

該模塊包含兩大子功能模塊：單基桿塔防雷改造方案制定和多基桿塔防雷改造方案制定。各子功能模塊均設(shè)計有已有防雷改造措施選擇、改造方案制定、方案保存、實(shí)施效果預(yù)評估、最佳方案選擇、生成報告、打印并保存報告等子功能項(xiàng)。

各模塊均設(shè)計有幫助子功能項(xiàng)，便于用戶解決常見問題、聯(lián)系軟件開發(fā)方服務(wù)等。

4.3 功能模塊的實(shí)現(xiàn)

(1)參數(shù)統(tǒng)計模塊的實(shí)現(xiàn)

該模塊計算過程主要在后臺編碼中實(shí)現(xiàn)，在可視化界面中以計算結(jié)果顯示與Textbox控件或Label控件中。應(yīng)用于不同模塊的計算參數(shù)，均采用XPFrame30控件歸類分隔，以便于用戶直觀地查閱。

(2)雷擊跳閘率計算模塊的實(shí)現(xiàn)

采用XPButton30控件制作各子功能項(xiàng)，其中文本參數(shù)的選擇采用XPFrame30控件與OptionButton控件結(jié)合實(shí)現(xiàn)。

該模塊通過編程實(shí)現(xiàn)EXCEL表格組件的創(chuàng)建及其數(shù)據(jù)的調(diào)用和文本型參數(shù)的讀取，最后將計算結(jié)果顯示于Textbox控件或Label控件中。

結(jié)果保存子功能項(xiàng)主要通過XPButton30控件、CommonDialog控件實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部包含各中間變量計算自定義函數(shù)和中間結(jié)果保存自定義函數(shù)、變量細(xì)胞組的定義和調(diào)用。

(3)雷擊風(fēng)險評估模塊的實(shí)現(xiàn)

采用XPButton30控件制作各子功能項(xiàng)，通過編程實(shí)現(xiàn)EXCEL表格組件的創(chuàng)建及其數(shù)據(jù)的調(diào)用，并實(shí)現(xiàn)風(fēng)險等級評估計算的算法。

通過Adodc控件和編程共同實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建和數(shù)據(jù)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)計算結(jié)果數(shù)據(jù)的保存、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)集錄入、結(jié)果展示。

薄弱點(diǎn)的結(jié)果展示另設(shè)計可視化界面，通過MSHFlexGrid控件以可編輯表格形式展示于可視化界面，并通過XPButton30控件設(shè)計實(shí)現(xiàn)添加、修改、刪除、刷新等子功能項(xiàng)。

(4)防雷改造方案制定模塊的實(shí)現(xiàn)

防雷改造方案的制定除計算部分外，多以文本形式編輯、存儲、刪除及保存，主要通過Richtextbox控件的FileName屬性調(diào)用RTF格式文件并顯示于Richtextbox中，該控件可通過編程設(shè)置屬性實(shí)現(xiàn)文件的可編輯與不可編輯功能。RTF格式的文件可由Word格式文件編輯轉(zhuǎn)換得到。

本軟件系統(tǒng)的可視化界面設(shè)計，主要通過Image控件、ImageList控件、Picture控件以及其他控件的Picture屬性設(shè)置實(shí)現(xiàn)，部分控件采用美化控件 “C1StudioActiveX”軟件包安裝后直接使用。

5 結(jié)語

為減少電網(wǎng)雷電災(zāi)害事故率，全面提高輸電線路的耐雷水平，進(jìn)一步加強(qiáng)輸電線路的安全性和穩(wěn)定性，針對電網(wǎng)公司的經(jīng)濟(jì)性、安全性需求，考慮差異化的防雷改造，設(shè)計并開發(fā)了雷擊薄弱點(diǎn)分析及防護(hù)輔助決策系統(tǒng)。本文從軟件使用的計算模型、防雷改造方案制定模型、軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、功能設(shè)計、功能模塊及其實(shí)現(xiàn)等方面介紹了該系統(tǒng)。

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了對多基桿塔的批量跳閘率計算、批量繞擊、反擊、總雷擊風(fēng)險等級評估計算、批量防雷改造方案的制定及報告生成，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)公司防雷檢修工作提供參考和指導(dǎo)，提高工作效率，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

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Design and Implementation of Lightning Weak Spot Analysis and Protection Reconstruction Scheme Decision System

WANGHui-li1,WANGZhong-wei1,PENGYou-xian2,JIANGHao-tian2,SUNRui2

(1.Sanmenxia Power Supply Company of Henan Electric Power,Sanmenxia 210098,China; 2.College of Electronic Engineering & New Energy,China Three Gorges University,YiChang 443002,China)

Lightning is still a major factor jeopardizing the security and reliability of power grid operation.Based on Visual Basic 6.0 programming language as the development platform,combined with Microsoft Excel 12.0 components and Access database,a set of procedural and intelligent Lightning Weak Point Analysis and Protection Reconstruction Scheme Decision System is designed and implemented.It can compute the lightning trip-out rate of a single tower and even of batch towers along a power line.Also,it has the function of assessing the levels of lightning flashover risk of batch towers along the power line,and then find out the weak spots.What′s more,appropriate lightning protection reconstruction schemes can be formulated by the system,with a implementation effect pre-assessment for the schemes.It is convenient for users to access the lightning weak spots and its best lightning protection reconstruction scheme of a power line.

lightning strike density；lightning trip-out rate；lightning weak point；lightning protection reconstruction scheme；visual basic 6.0；access database

1004-289X(2016)05-0016-05

國網(wǎng)河南省電力公司科技項(xiàng)目(SGTYHT/13-JS-175)

TM86

B

2016-06-17

王惠麗(1966-)，女，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)； 王中偉(1976-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)檩旊娋€路工程； 彭友仙(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檩旊娋€路工程； 江浩田(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘馗邏狠旊娋€路電磁環(huán)境； 孫睿(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檩旊娋€路工程。