寇 正，劉濤瑋，劉 軒，趙建利，馮汝明，何文浩

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特010020；3.內(nèi)蒙古超高壓供電局，呼和浩特010080）

0 引言

極端天氣下，電力設(shè)備故障的發(fā)生概率較高。關(guān)鍵電力設(shè)備發(fā)生故障可能會(huì)導(dǎo)致大面積停電，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究基于氣象數(shù)據(jù)的電力設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)情況提前預(yù)警具有重要意義。大氣系統(tǒng)具有能量特征，氣象環(huán)境具有時(shí)間周期性和波動(dòng)性等特征，在氣候變化的大背景下，一些區(qū)域性的惡劣天氣、極端氣候事件的強(qiáng)度和發(fā)生頻率有增強(qiáng)的趨勢(shì)，特別是極端風(fēng)災(zāi)和冰災(zāi)。架空輸電線路等輸變電設(shè)備長(zhǎng)期暴露于大氣環(huán)境中，其能否安全可靠運(yùn)行與外部氣象環(huán)境有密切關(guān)系。

現(xiàn)有電網(wǎng)可靠性風(fēng)險(xiǎn)分析理論中，采用長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)的恒定故障率、停運(yùn)時(shí)間等參數(shù)來(lái)描述電力設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)水平，考慮外部氣象環(huán)境也僅是個(gè)別因素或少量狀態(tài)，而大部分地區(qū)的電力設(shè)備都要經(jīng)歷一年四季多種氣象環(huán)境因素的作用，因此現(xiàn)有方法只能反映電力設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的平均風(fēng)險(xiǎn)水平，無(wú)法真實(shí)反映電力設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)水平隨時(shí)間、外部氣象環(huán)境等的變化情況[1-5]。而在電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中迫切需要掌握氣象環(huán)境作用下電力設(shè)備的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，以便據(jù)此調(diào)控電網(wǎng)的運(yùn)行模式，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。本文在分析氣象要素對(duì)電力設(shè)備作用方式的物理機(jī)理和統(tǒng)計(jì)規(guī)律的基礎(chǔ)上，分析電力設(shè)備故障情況與氣象災(zāi)害之間的關(guān)系，利用氣象預(yù)報(bào)信息，對(duì)可能發(fā)生的設(shè)備故障進(jìn)行在線預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，建立基于氣象災(zāi)害的電力設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估規(guī)則和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

1 氣象災(zāi)害下關(guān)鍵電力設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)建模及計(jì)算方法

研究極端天氣下電力設(shè)備的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，需要確定電力設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)的表征方法。不同氣象災(zāi)害下，不同電力設(shè)備可能出現(xiàn)的故障概率也不相同。例如，暴雨對(duì)輸電線路金具影響較小，但沙塵暴、覆冰等氣象災(zāi)害都可能損傷金具，造成線路故障。因此，為了更好地分析電力設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)，需要從實(shí)際運(yùn)維記錄與故障機(jī)理出發(fā)，初步確定與電力設(shè)備故障相關(guān)的氣象災(zāi)害類型[6-16]。

對(duì)受天氣影響發(fā)生故障概率變化的13種電力設(shè)備類型進(jìn)行分析，通過(guò)查看其相應(yīng)的歷史運(yùn)維數(shù)據(jù)，分析其運(yùn)行原理，統(tǒng)計(jì)其故障與相應(yīng)的極端天氣狀態(tài)，可獲得這些電力設(shè)備與相應(yīng)氣象災(zāi)害的初步關(guān)系，見(jiàn)表1。由表1可知，在13種電力設(shè)備中，3類電力設(shè)備故障僅與一種氣象災(zāi)害關(guān)聯(lián)度較高，而其他電力設(shè)備故障與多種氣象災(zāi)害關(guān)系密切。針對(duì)這兩種情況，分別計(jì)算其相應(yīng)的設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)。

表1 電力設(shè)備與氣象災(zāi)害初步關(guān)系

1.1 受單一氣象災(zāi)害影響的設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)模型

一旦有電力設(shè)備由某一類氣象災(zāi)害產(chǎn)生故障，即認(rèn)為該氣象災(zāi)害與這種設(shè)備故障具有關(guān)系，但故障發(fā)生具有一定偶然性。為了合理描述氣象災(zāi)害與設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系，需對(duì)故障發(fā)生次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[17-18]。目前廣為接受的一種風(fēng)險(xiǎn)定義是由洛倫斯（Lowrance）提出的，他將風(fēng)險(xiǎn)定義為事件不利影響發(fā)生的可能性和后果的嚴(yán)重程度的一種綜合度量[19-20]，即：

式中：R為事件風(fēng)險(xiǎn)值，p為事件發(fā)生的可能性，h為影響后果的嚴(yán)重程度。

將其風(fēng)險(xiǎn)定義應(yīng)用于電力設(shè)備氣象風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算中，電力設(shè)備氣象預(yù)警指氣象造成的電力設(shè)備故障率和由此產(chǎn)生的電力生產(chǎn)危害的乘積，即：

式中：RE為氣象災(zāi)害對(duì)電力設(shè)備影響的風(fēng)險(xiǎn)值；pE為氣象災(zāi)害造成電力設(shè)備故障的概率；hE為該電力設(shè)備故障后可能帶來(lái)的電網(wǎng)安全危害。

氣象因素造成的輸電線路故障是時(shí)變的，同時(shí)輸電線路的傳輸功率也是時(shí)變的，因此輸電線路氣象風(fēng)險(xiǎn)也應(yīng)該是時(shí)變的，即：

電力設(shè)備在某一時(shí)間區(qū)間內(nèi)，其氣象風(fēng)險(xiǎn)可表示為：

式中：RE,T為[t1，t2]時(shí)間區(qū)間內(nèi)電力設(shè)備可能造成的安全風(fēng)險(xiǎn)。

量化分析氣象災(zāi)害作用下的電力設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)值，核心工作是確定氣象災(zāi)害導(dǎo)致的故障率，本節(jié)內(nèi)容將通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析電力設(shè)備多年的故障記錄數(shù)據(jù)，得到研究時(shí)間區(qū)間內(nèi)某種氣象災(zāi)害作用下的故障率，并由此計(jì)算氣象災(zāi)害下電力設(shè)備的故障發(fā)生概率，為后續(xù)電力設(shè)備故障災(zāi)害預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐。

統(tǒng)計(jì)分析是從宏觀上掌握氣象對(duì)電力設(shè)備沖擊作用規(guī)律的有效方法。由于氣象災(zāi)害具有時(shí)空分布規(guī)律，因此可以從電力設(shè)備故障事件的時(shí)空分布特征以及氣象與設(shè)備故障的關(guān)聯(lián)關(guān)系入手，分析與氣象相關(guān)的設(shè)備故障的統(tǒng)計(jì)特征。按氣象災(zāi)害類型計(jì)算e類電力設(shè)備的故障率λx.e：

式中：nx.e為e類電力設(shè)備在氣象災(zāi)害x下的故障次數(shù)；Tx為氣象災(zāi)害的持續(xù)時(shí)間，x∈{雷電，大風(fēng)，暴雪，暴雨，沙塵暴等}。

將某類型氣象災(zāi)害的持續(xù)時(shí)間T代入一段研究時(shí)間Tx區(qū)間內(nèi)進(jìn)行故障率計(jì)算，可得：

其中，

式中：αx為氣象災(zāi)害x的持續(xù)時(shí)間占研究時(shí)間區(qū)間的百分比；βx為氣象災(zāi)害x下設(shè)備故障次數(shù)占研究時(shí)間內(nèi)總故障次數(shù)的百分比。

進(jìn)一步考慮設(shè)備修復(fù)與設(shè)備造成的損失程度，則由氣象災(zāi)害x造成的設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)概率Rx為：

式中：μx為氣象災(zāi)害x下設(shè)備故障的修復(fù)率；h為電力設(shè)備故障造成的損失。

1.2 多種氣象災(zāi)害影響下設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法

電力設(shè)備故障不僅受單一氣象災(zāi)害的影響，有的電力設(shè)備可能受到多種氣象災(zāi)害的波及，其故障發(fā)生概率極大增加?，F(xiàn)實(shí)中多種氣象災(zāi)害往往同時(shí)出現(xiàn)，如果采用上節(jié)的計(jì)算方法，通常會(huì)忽視多種氣象災(zāi)害的共同作用，從而無(wú)法準(zhǔn)確獲得該條件下的電力設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)概率。

當(dāng)電力設(shè)備受到多種氣象災(zāi)害因素影響時(shí)，需要按照不同方式對(duì)設(shè)備故障發(fā)生概率與風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。假設(shè)電力設(shè)備k受到m（m≥2）種氣象災(zāi)害的影響，則需分別針對(duì)不同組合氣象災(zāi)害下的故障率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。為了更好地覆蓋氣象災(zāi)害與電力設(shè)備故障之間的關(guān)系，首先需分析氣象災(zāi)害可能產(chǎn)生的組合，并排除不可能同時(shí)出現(xiàn)的災(zāi)害組合，例如高溫與暴雪。統(tǒng)計(jì)該氣象災(zāi)害組合發(fā)生的次數(shù)，并統(tǒng)計(jì)氣象災(zāi)害期間電力設(shè)備故障發(fā)生次數(shù)，根據(jù)式（1）—（8）所述方式，對(duì)組合期間內(nèi)的設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2 基于氣象因素的電力設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警實(shí)現(xiàn)方法

由上節(jié)分析可知，設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)主要由兩個(gè)值確定，即氣象災(zāi)害發(fā)生的概率和氣象災(zāi)害發(fā)生期間電力設(shè)備出現(xiàn)故障的概率。電力設(shè)備所涉及的氣象災(zāi)害種類主要有7種：雷電、暴雪、大風(fēng)、暴雨、沙塵暴、高溫、寒潮。我國(guó)對(duì)這7種氣象災(zāi)害采用顏色信息進(jìn)行預(yù)警。其中，雷電、沙塵暴、高溫為3種顏色等級(jí)預(yù)警（黃、橙、紅）；其他4種氣象災(zāi)害包含4種顏色預(yù)警信息（藍(lán)、黃、橙、紅）。顏色越接近紅色，表明該氣象災(zāi)害在規(guī)定時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的概率越大，危害等級(jí)越大。反之，該氣象災(zāi)害在規(guī)定時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的概率較小，危害等級(jí)較低。為了便于電力設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別劃分，需將氣象災(zāi)害預(yù)警信息量化。

對(duì)于僅受到一種氣象災(zāi)害影響的電力設(shè)備，結(jié)合式（8）和（9），其設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果為：

當(dāng)電力設(shè)備受到多種氣象災(zāi)害影響，并且相關(guān)氣象災(zāi)害同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，其設(shè)備的故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果為：

式中：Rx.W為在氣象災(zāi)害組合下的電力設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)，其值可通過(guò)1.2節(jié)所述多種氣象災(zāi)害同時(shí)發(fā)生時(shí)電力設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算方法獲得。

由于不同的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)可以造成的故障各有不同，在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估前，需根據(jù)災(zāi)害類型對(duì)可能造成故障的設(shè)備類型進(jìn)行篩選。具體步驟如下。

2.1 步驟1

初始化，根據(jù)運(yùn)維需求，設(shè)定故障復(fù)發(fā)權(quán)重系數(shù)ω1、ω2與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估閾值向量θ的數(shù)據(jù)值。其中，θ=

2.2 步驟2

輸入天氣預(yù)警信息向量A=[A1，…，A7]與預(yù)警范圍D=[D1，…，D7]。其中，A1到A7分別指代雷電、暴雪、大風(fēng)、暴雨、沙塵暴、高溫、寒潮7種氣象災(zāi)害的顏色預(yù)警信息；D1到D7分別標(biāo)識(shí)7種氣象災(zāi)害所預(yù)警的地域范圍。

2.3 步驟3

檢測(cè)極端天氣預(yù)警信息A=[A1，…，A7]，根據(jù)預(yù)警設(shè)備判斷規(guī)則（表2），判斷需要預(yù)警的電力設(shè)備類型Ei，其中i=1，2，3，4，5，6，7，8，分別指代絕緣子、導(dǎo)地線、電纜、金具、引流線、桿塔、接地網(wǎng)、桿塔基礎(chǔ)8種電力設(shè)備。

表2 預(yù)警設(shè)備判斷規(guī)則

2.4 步驟4

根據(jù)Ei，結(jié)合表1，判定A=[A1，…，A7]中是否有一個(gè)以上關(guān)聯(lián)氣象災(zāi)害信息為非空。如果有且僅有一個(gè)關(guān)聯(lián)氣象災(zāi)害信息為非空，按步驟4.1進(jìn)行預(yù)警；如果由多個(gè)關(guān)聯(lián)氣象信息為非空，按步驟4.2進(jìn)行預(yù)警。

（1）步驟4.1：判定Ei關(guān)聯(lián)的氣象災(zāi)害預(yù)警范圍Dj是否覆蓋該電力設(shè)備歷史故障區(qū)域。如果沒(méi)有覆蓋歷史故障區(qū)域，則該電力設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)可通過(guò)式（12）計(jì)算獲得。如果涵蓋歷史故障區(qū)域，則通過(guò)故障復(fù)發(fā)權(quán)重ω1對(duì)其進(jìn)行校正，校正后該類型電力設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)為：

結(jié)束故障風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，并跳至步驟4.2。

（2）步驟4.2：判定Ei關(guān)聯(lián)的氣象災(zāi)害預(yù)警范圍Dj是否覆蓋該電力設(shè)備歷史故障區(qū)域。如果沒(méi)有覆蓋歷史故障區(qū)域，則該電力設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)可通過(guò)式（13）計(jì)算獲得。如果涵蓋歷史故障區(qū)域，則通過(guò)故障復(fù)發(fā)權(quán)重ω2對(duì)其進(jìn)行校正，則校正后該類型電力設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)為：

其中，n表示有n種氣象災(zāi)害預(yù)警范圍覆蓋的歷史故障區(qū)域。

3 基于氣象災(zāi)害的電力設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估規(guī)則及其不足

3.1 評(píng)估規(guī)則

基于上節(jié)氣象災(zāi)害預(yù)警范圍內(nèi)的電力設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估閾值向量θ=[θ1，θ2，θ3，θ4，θ5]，比較計(jì)算獲得的故障設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)值，按照電力設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估描述規(guī)則（表3），對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值進(jìn)行定性化描述，為電力設(shè)備維護(hù)提供建議。電力設(shè)備預(yù)警流程如圖1所示。

圖1 電力設(shè)備預(yù)警流程圖

表3 電力設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估描述規(guī)則

根據(jù)上述研究，可獲得極端天氣的氣象數(shù)據(jù)與電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)之間的關(guān)系節(jié)選規(guī)則見(jiàn)表4。表4針對(duì)不同電力設(shè)備，給出了不同氣象災(zāi)害下可能發(fā)生的故障類型其及發(fā)生概率。結(jié)合此評(píng)估原則可調(diào)控電網(wǎng)運(yùn)行模式，從而規(guī)避電網(wǎng)發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。

表4 基于氣象預(yù)警信息的電力設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估規(guī)則

3.2 注意事項(xiàng)

該評(píng)估方法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，能夠?qū)\(yùn)維人員提供明確的電氣設(shè)備故障預(yù)警信息，有益于開(kāi)展設(shè)備故障預(yù)防。然而在部分情況下，由于氣象氣候的隨機(jī)擾動(dòng)以及氣象預(yù)測(cè)的局部不準(zhǔn)確性，會(huì)使預(yù)警信息出現(xiàn)不準(zhǔn)確性，對(duì)運(yùn)維人員產(chǎn)生一定的誤導(dǎo)。因此，在使用該方法時(shí)，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)際運(yùn)維情況，對(duì)設(shè)備故障的預(yù)警進(jìn)行綜合判斷。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)收集氣象災(zāi)害歷史數(shù)據(jù)，劃分關(guān)鍵電力設(shè)備受威脅程度等級(jí)構(gòu)建原始數(shù)據(jù)集和樣本集；采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，研究單一極端天氣、多種極端天氣同時(shí)出現(xiàn)等情況下設(shè)備故障發(fā)生概率計(jì)算方法；結(jié)合故障率預(yù)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估指標(biāo)，構(gòu)建極端天氣下電力設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，形成電力設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估規(guī)則，預(yù)測(cè)關(guān)鍵電力設(shè)備受威脅程度等級(jí)。結(jié)合關(guān)鍵電力設(shè)備受威脅程度等級(jí)，可指導(dǎo)運(yùn)行人員提前對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)做出預(yù)控方案。