鮑 進,段梅梅,盧樹峰,李 珺,馬 鑫,葛賢軍

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司營銷服務(wù)中心,南京 210000;2.國網(wǎng)公司電能計量重點實驗室,南京 210000;3.國網(wǎng)固原供電公司,寧夏 固原 756000;4.電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室(清華大學電機系),北京 100084)

0 引言

架空輸電線路(OHTL)對于確保滿足電力需求非常重要。通常,它們成為雷擊的首選點,這一現(xiàn)象被認為是OHTL意外停運的主要原因之一[1]。另一方面,負責電力部門的監(jiān)管機構(gòu)施加了越來越嚴格的限制,以確保向消費者提供高質(zhì)量的電能。因此,開發(fā)可靠的模型來估計和改進OHTLs防雷性能是非常有意義的[2]。

已有文獻研究表明,計算OHTL防雷性能主要為兩種方法,即IEEE和CIGRE 分別提出的方法[2-3]。簡言之,IEEE和CIGRE指南包括使用臨界電流值(即導致絕緣子閃絡(luò)的峰值電流)及其發(fā)生概率估算線路停運次數(shù)的方法。這些方法被認為是許多研究的基礎(chǔ),一段時間以來一直在指導架空輸電線路防雷性能的研究。然而,上述方法在實際應用中存在一定不足,文獻[4-7]針對這些問題對上述模型進行了改進。如文獻[5]提出了一種利用ATP軟件與蒙特卡羅方法相結(jié)合方法,用于確定防雷參數(shù)(即電流峰值和波前時間)和雷擊點,而ATP軟件負責計算絕緣子串上產(chǎn)生的過電壓,并檢查雷電反擊閃絡(luò)的可能性[8-9]。眾所周知,在某些情況下,即使在由架空地線(Overhead Ground Wires,OHGW)有效保護的線路上,也可能會因雷電反擊閃絡(luò)而出現(xiàn)停電問題。在這種情況下,減小雷擊閃絡(luò)率的解決方案之一是使用輸電線路避雷器(TLSA)。近年來,針對TLSA安裝有效性的研究已有一定基礎(chǔ)[10-14]。線路避雷器與絕緣子平行安裝,尤其是在地閃密度高或由于土壤導電性差而具有高塔基阻抗的塔架中。在這些條件下,使用TLSA成為改善OHTL防雷性能的重要方案之一[12-13]。值得一提的是,TLSA應用的有效性取決于線路特性,因此,需通過技術(shù)和經(jīng)濟分析確定裝置數(shù)量及其位置。此外,文獻[14]提出了關(guān)于TLSA使用的另一個重要考慮因素,該參考文獻分析了雷擊TLSA保護塔時的過電壓和臨界電流,研究結(jié)果表明,使用避雷器可改善易擊塔的防雷性能,但會惡化相鄰塔的防雷性能。當具有高塔基阻抗的塔架遭受雷擊時,絕緣子串上產(chǎn)生的過電壓往往較高。如果易擊塔的不同相序受到TLSA保護,則由于避雷器動作,該高壓由相導線傳輸至相鄰塔架。另一方面,入射雷擊電流的一小部分通過輸電線路傳到相鄰的桿塔。而根據(jù)線路的特性,該傳輸機制可在相鄰塔架的絕緣子之間建立高過電壓。因此,如果未采用避雷器保護,則會引起停電。盡管是使用TLSAs的約束之一,但這種轉(zhuǎn)移機制很少被提及或包含在模型研究中。

因此,有必要使用優(yōu)化方法以改善避雷器的配置過程。TLSA的最佳配置問題可表述如下:給定一條輸電線路,以最少化停電次數(shù)為目標,同時兼顧經(jīng)濟性的TLSA最優(yōu)配置位置。文獻[15-18]針對該問題進行了一定研究。文獻[16]提出了一種啟發(fā)式方法來確定輸電線路上安裝避雷器的最佳位置。該方法旨在通過相關(guān)風險總和將線路故障風險降至最低:1)雷擊;2)操作沖擊;3)TLSA的失效概率;文獻[17]提出了一種類似于文獻[16]所述的方法,然而,該研究僅考慮因保護裝置故障導致的線路故障可能性,故上述方法的不足則是用戶需要提前確定優(yōu)化中使用的避雷器數(shù)量,以將線路故障風險降至最低。文獻[18-19]考慮使用雷電定位系統(tǒng)(Lightning Location Systems, LLS)來識別沿線的關(guān)鍵塔,即使用安裝在LLSs的數(shù)據(jù),提出了一種新型數(shù)據(jù)驅(qū)動模型,以估計OHTL的雷擊閃絡(luò)率。然而,上述方法使用了大量數(shù)據(jù)來構(gòu)建模型,根據(jù)用戶和研究地點的不同,這些數(shù)據(jù)可能并不總是可用的。此外,在不考慮TLSA運行引起的雷電浪涌的傳輸效應的情況下執(zhí)行TLSA的最佳配置[20-25]。由于在使用避雷器之前未識別輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵塔,所以該方法會惡化相鄰塔的雷擊閃絡(luò)率[26-28]。

到目前為止,很少有研究使用優(yōu)化工具來配置TLSA,基于此,本研究提出了一種新型多準則方法來解決TLSA最優(yōu)配置問題。該方法包括多目標優(yōu)化算法,即NSGA-II(非優(yōu)勢排序遺傳算法II)與ATP軟件相結(jié)合。該方法利用ATP可通過ATP模擬代替使用解析公式的計算來考慮雷電浪涌的傳輸效應,這種轉(zhuǎn)移機制被認為是使用TLSA的限制之一,而已有文獻中還沒有發(fā)現(xiàn)將這種轉(zhuǎn)移效應模型考慮在內(nèi)的TLSA最佳配置的研究。由于傳遞效應取決于結(jié)構(gòu)的特性(例如,塔基阻抗),本工作采用了更詳細的方法,其中ATP用于模擬每個線路塔的雷擊。通過這種方式,不使用平均值,而是考慮每個塔的特定數(shù)據(jù),例如高度、跨度、接地阻抗、相導線和屏蔽線位置,進行防雷性能評估。

1 避雷器配置優(yōu)化方法

1.1 問題建模

TLSA的優(yōu)化配置是一個多目標優(yōu)化問題,考慮避雷器數(shù)量和線路中斷次數(shù)的最小化[29-30]。下面給出的方程組為所考慮問題的數(shù)學模型:

minf1(x)=Sa

(1)

minf2(x)=LFOR

(2)

g1(x)=Sa≤Samax

(3)

g2(x)=LFOR≤LFORmax

(4)

如上所述,給定線路上的避雷器配置,Sa為使用的避雷器數(shù)量,LFOR是該配置的雷擊閃絡(luò)率,Samax是可以使用的最大TLSA數(shù)量,LFORmax是事先確定的最大停電次數(shù)。

g1(x)約束旨在使購買避雷器的成本有限的情況成為可能。g2(x)旨在確保所有解決方案的雷擊閃絡(luò)率低于既定限制。g2(x)的使用對電力設(shè)施非常重要,其目標是使線路雷擊閃絡(luò)率始終低于設(shè)定限值。

1.2 優(yōu)化算法描述

本研究提出方法是通過NSGA-Ⅱ算法和ATP軟件相結(jié)合形成的。優(yōu)化算法的主要思想是測試不同的TLSA配置,并對可能的最佳解集進行估計,即是帕累托前沿。每個個體(即問題的候選解決方案)都由一組字符編碼,這些字符表示避雷器的位置。當ATP用于計算絕緣子串上的過電壓。在這種情況下,模擬OHTL被視為使用候選解決方案指示的避雷器配置進行保護。根據(jù)產(chǎn)生的過電壓,估算線路雷擊閃絡(luò)率。最初,群體是由一個單獨的生成器創(chuàng)建的,該生成器負責加快對解決方案的搜索。在這種情況下,一部分個體隨機生成,另一部分確定獲得。在確定生成的個體中,可以提到,例如,避雷器的配置:1)所有塔架;2)位于地閃密度較高區(qū)域的塔架;3)具有較高塔基阻抗的塔架。然后評估初始種群,如果不滿足停止標準,則通過選擇、交叉和變異過程創(chuàng)建新種群。在此基礎(chǔ)上,對這些個體進行評估,并確定下一代群體。需要注意的是,此過程會重復,直到達到停止標準。

個體由一串二進制字符編碼,其中位置j中的值1表示在該位置安裝避雷器。優(yōu)化過程可考慮塔或相序分配模型。根據(jù)選擇的選項,個體的表示形式會發(fā)生變化,如圖1所示。

在塔的配置中,個體的每個字符代表一個塔架。因此,例如,表示為10 100的個體表示在1號和3號塔的所有相序安裝避雷器(見圖2)。在第二個配置模型中,該編碼被擴展,使得每個字符表示一個迭代周期。

圖2 ATPDraw中繪制的線段(該模型由5個塔組成,為了簡化只詳細顯示了一個塔)Fig.2 Line section modelled in the ATPDraw. (The model consists of five towers, but for visualization purposes, only one is shown in detail.)

需要注意的是,某段線路避雷器的配置模型允許在每個階段中安裝TLSA。即考慮到具有單回路的塔架,可以安裝0到3個避雷器。因此,按相序配置更為靈活,并且與塔架配置相比,它傾向于提供較少避雷器數(shù)量或至少相等的解決方案。相序配置的這一優(yōu)勢是由于個體表示的變化,從而導致解決方案搜索空間的增加。除了較大的搜索空間外,此搜索空間還包括相同的鐵塔分配安排。然而,出于同樣的原因,按階段放置往往在計算耗時大。

1.3 選擇、交叉和變異

在選擇過程中,使用二進制隨機選擇兩個個體并進行比較。在這種情況下,可能會發(fā)生3種不同的情況:1)如果選擇的個體違反約束,則選擇違反較少的個體;2)如果只有一個個體違反了約束條件,則選擇可行的個體;3)如果兩個個體都可行,則比較目標值并選擇最佳個體(帕累托優(yōu)勢關(guān)系)。重復這個過程,直到父代的數(shù)量減少為止。

選擇后,下一步負責通過交叉和變異產(chǎn)生新的個體。本研究中這些算子是并行進行的,也就是說,從均勻分布中隨機抽取一個數(shù)p∈[0,1]。如果生成的值小于0.90,則執(zhí)行交叉運算符。否則,應用突變。重復這一過程,直到后代數(shù)量減少為止。

值得一提的是,交叉算子和變異算子是基于組合問題中最成熟的方法實現(xiàn)的。在交叉中,從父母群體中隨機選擇兩個個體,然后考慮兩個切點進行交叉。對于突變,考慮兩個發(fā)生頻率相同的基本操作來定義。在第一次中,如果繪制了單個位置,則執(zhí)行字符反轉(zhuǎn),即,突變后單位值將變?yōu)榱?反之亦然。在第二次中,一次繪制兩個字符,并在它們之間執(zhí)行交換(即交換變異)。

值得一提的是,交叉算子和變異算子是基于組合問題文獻中最成熟的方法實現(xiàn)的。在交叉中,從父母群體中隨機選擇兩個個體,然后考慮兩個切點進行交叉。關(guān)于這種交叉類型的更多詳細信息,請參見25,26。對于突變,考慮兩個發(fā)生頻率相同的基本操作來定義。在frst中,如果繪制了單個位置,則執(zhí)行字符反轉(zhuǎn),即,突變后單位值將變?yōu)榱?反之亦然。在第二個操作中,一次繪制兩個字符,并在它們之間執(zhí)行交換(即交換變異)。

2 雷電性能評估方法

2.1 計算建模

為了評估雷擊對輸電線路的影響,ATP軟件用于建立由多個組件組成的計算模型。它們是:雷擊、跨度、塔架、避雷器和接地系統(tǒng)。為了說明這一點,圖2為在ATPDraw中建模的線段。

雷擊放電由并聯(lián)電阻為1 000 Ω的理想電流源表示,其值表示雷電通道波阻抗。電流源根據(jù)三角波形5.1/53 μs進行建模,該波形來自某實際測量獲得的參數(shù)。考慮到輸電線路的頻率變化,采用JMarti模型表示輸電線路參數(shù),該模型基于波在無損線路中的傳播,并認為這些參數(shù)在給定頻率(500 kHz)下是恒定的[20]。

塔架由兩段串聯(lián)的具有分布參數(shù)的垂直輸電線路段表示。底部部分的長度為最低相序?qū)w與地面之間的距離。在頂部,該值由該導線和屏蔽線之間的距離確定。對于每個部分,假設(shè):1)傳播速度為光速的85%;2)波阻抗等于200 Ω。根據(jù)已有研究表明,各種結(jié)構(gòu)的波阻抗值在100 Ω到300 Ω之間變化。因此,文中取其平均值為200 Ω。

本研究采用這種簡化的塔架建模方法,使該方法適用于任何輸電線路,無論塔架類型如何。避雷器由非線性電阻表示,給出其伏安特性曲線。避雷器安裝在鐵塔與相導線之間,然而塔架避雷器與相導線連接較為緊密,故塔架可以簡化式建模。接地系統(tǒng)的建?？紤]了兩種表示:有/無土壤電離效應。在第一種情況下,使用受控電阻器進行建模。電離有助于向地面輸送電流,從而瞬間降低接地系統(tǒng)的歐姆值。或可以忽略此影響,且接地考慮的集總電阻等于低頻接地電阻值。

2.2 輸電線路的雷電性能

雷電性能的估算使用:1)輸電線路雷擊次數(shù)和2)導致絕緣子破壞性放電的雷電電流值發(fā)生的概率。此外,與保護裝置故障相關(guān)的方面不包括在本研究工作中,大修次數(shù)的計算僅考慮到塔頂?shù)闹苯永讚?大修次數(shù)計算方法可詳見文獻[3]。

2.2.1 雷擊次數(shù)

根據(jù)CIGRE準則,每年每100 km對輸電線路的雷擊次數(shù)NL為

(5)

式中,Ng為雷電地閃密度(次數(shù)/(km2·年)-1),Ra是半徑(m),dpr是架空地線之間的距離(m)。下式(6)為吸引半徑表達式,其中Ht為輸電線路的高度(m)。

(6)

2.2.2 絕緣強度

絕緣強度由破壞效應(DE)方法確定。破壞效應的一般方程為

(7)

式中,e(t)為絕緣子兩端的電壓,V0為電壓,低于該電壓時不會發(fā)生閃絡(luò)。本研究中考慮以下常數(shù):DEB=1.1506(CFO)kd;kd=1.36和V0/CFO=0.770[30]。在考慮DE方法和ATP獲得的電壓的迭代過程中,計算導致絕緣子破壞性放電的臨界電流Icc。接著,量化電流超過Icc的累積概率:

(8)

2.2.3 停電率

考慮到概率P(Icc)和雷擊次數(shù)NL,由雷擊引起的故障率為:

BFR=0.6NLP(Icc)

(9)

式中,0.6為修正系數(shù)或跨度系數(shù)。式(9)的使用假設(shè)某些線路參數(shù),如每個塔的高度和基腳阻抗為常數(shù)。由于這種情況并不總是正確的,解決這一限制的一種方法是將線路劃分為多個長度為Ln的區(qū)段,并分別估計每個區(qū)段的停電次數(shù)。式(10)允許使用加權(quán)平均值組合它們。

(10)

值得注意的是,所提方法將每個線路塔及其相鄰跨度劃分為不同的區(qū)段,然后通過ATP進行的模擬計算每個區(qū)段中發(fā)生的停電次數(shù)。此外,當雷擊塔架的所有相序都裝有避雷器時,由于TLSA運行而產(chǎn)生的雷擊電涌轉(zhuǎn)移效應可能導致相鄰塔架閃絡(luò)。然而,式(10)不考慮這種情況,因為它只考慮到雷擊塔中的造成的停電。為了將這種轉(zhuǎn)移效應納入相鄰塔架的可能性,對式(10)進行如下改進:

(11)

式中:雷電閃絡(luò)率(LFOR)為輸電線路的總停電率;BFRi為i塔反擊閃絡(luò)引起的停運率的部分;AFORij(相鄰閃絡(luò)率)是指由于雷電浪涌向鄰近i的j塔的傳輸效應而導致的閃絡(luò)引起的停運率的部分;αi是一個二進制字符,表示i號塔是否在其所有相序都有避雷器。如果是,則字符采用1,否則i等于0;n是輸電線路塔的數(shù)量;i是被閃電擊中的塔;j是i塔的相鄰塔。

式(11)假設(shè)當其所有相序中沒有避雷器時,易擊塔最易引起大修。在這種情況下,αi取零值,忽略相鄰塔中發(fā)生閃絡(luò)的可能性。另一方面,當雷擊塔的所有相序都受到TLSA保護時,i假設(shè)為1。在這種情況下,該塔可防止雷擊閃絡(luò),但相鄰塔中仍可能發(fā)生絕緣故障。

AFORij的計算方法與式(9)中的計算方法類似,但使用的臨界電流估計值考慮了雷電浪涌傳輸效應產(chǎn)生的過電壓。至于j指數(shù),其數(shù)值將取決于被閃電擊中的塔。j指數(shù)為

(12)

在線路兩端,j被認為等于最近塔的指數(shù),也就是說,如果第一個塔被閃電擊中,如AFORij的計算考慮到第2個塔。類似地,如果閃電擊中最后一座塔,則j=n-1塔與閃電擊中的i塔相同。

3 仿真分析與驗證

3.1 仿真流程

為了更好地理解,有必要定義以下變量:i是被雷擊的塔;n是輸電線路塔的數(shù)量;Ip是ATP模擬中使用的電流峰值;Icc是臨界電流的估計值,Si是用來模擬雷擊塔i的線段,構(gòu)成線路段的塔根據(jù)雷擊塔的不同而不同。表1為有231座塔的OHTL時使用的線段。當首端和末端的線段沒有被涉及時,模擬總是考慮每側(cè)2個跨度,從雷擊塔開始。當僅考慮塔的直接雷擊來計算停電次數(shù)時,使用5座塔足以模擬上述問題?？紤]到第一個塔形成的線路段,對線路初始部分的雷擊進行模擬,而末端的雷擊發(fā)生率考慮到最后一個塔。因此,為了便于ATP數(shù)據(jù)輸入,無論雷擊桿塔如何,模擬始終考慮五桿塔形成的線路段。該方法還允許考慮3個(共7座塔)或4個相鄰跨度(共9座塔)。

表1 用于帶有231座塔的OHTL的線路段Table 1 Line sections used for a OHTL with 231 towers

定義Si后,用黃金分割算法估計臨界電流值Icc。該方法允許在考慮決策變量區(qū)間的情況下確定給定函數(shù)的局部最小值。總之,黃金分割對目標函數(shù)值進行連續(xù)比較,以縮短搜索間隔,直到其小于確定的公差,從而收斂到函數(shù)的最小點。本研究采用黃金分割最小化函數(shù)來計算DE和DEB之間差值的平方,ATP用于計算絕緣子串上的過電壓。根據(jù)過電壓值,該方法計算與浪涌相關(guān)的DE,黃金分割法根據(jù)定義函數(shù)的最小化縮短搜索間隔。重復此步驟,直到誤差小于2 kA的設(shè)定公差。如果不符合該標準,則定義并評估另一個電流峰值Ip,直到找到Icc值。值得注意的是,如果定義的時間間隔內(nèi)沒有電流值導致閃絡(luò),那么將返回最大值300 kA。

一旦計算出臨界電流Icc,就可以確定第一塔雷擊引起的停電次數(shù)。然后,考慮到2號、3號、4號塔等的雷擊,執(zhí)行類似程序。當模擬最后一個塔時,然后使用每個塔中發(fā)生的停電次數(shù)的加權(quán)平均,來估計OHTL性能。最后,由于所提方法模擬每個線路塔的雷擊,有必要考慮使用計算工具來降低運算時間。

3.2 案例分析

3.2.1 實際架空輸電線數(shù)據(jù)

為了評估所提方法的有效性,對230 kV實際輸電線路進行了模擬。該線路長約105 km。表2為該線路的相關(guān)數(shù)據(jù),該線路有一個單回路和兩個OHGWs。只有線路端部受避雷器保護,每個端部有3個TLSA(即完全保護的塔)。

表2 OHTL的相關(guān)數(shù)據(jù)Table 2 Related data of OHTL

表3為6號塔的主要數(shù)據(jù)。此外,圖3為沿線路的塔高、跨度和地閃密度分布?？梢宰⒁獾?大多數(shù)塔架高度在30～40 m之間,典型跨度長度在400～600 m之間。對于地閃密度密度,OHTL沿線有兩個代表性值:8.38和5.02次數(shù)/(km2·年)。

表3 6號塔的主要數(shù)據(jù)Table 3 Main data of No.6 tower m

圖3 每個范圍內(nèi)的塔架數(shù)量Fig.3 The number of towers

圖4為沿線塔基阻抗和土壤電阻率值的分布圖。如圖所示,大多數(shù)塔的接地阻抗在10～40 Ω之間,典型的土壤電阻率在1 000～4 000 Ωm之間。此外,還需要注意的是,大量塔架的接地阻抗值高于上述范圍。

圖4 每個范圍內(nèi)的塔數(shù)Fig.4 The number of towers

3.2.2 線路防雷性能

為了評估防雷性能,本研究采用IEEE提供了的軟件,可估計故障率。所需的主要參數(shù)為:1)沿線的平均地閃密度;2)平均跨度長度;3)考慮相導線和屏蔽線平均位置的塔幾何結(jié)構(gòu); 4)塔基電阻值分布。表4為觀察到的大修次數(shù)數(shù)據(jù)與使用所提方法和IEEE Flash程序的線路估計性能之間的比較。使用JMarti模型、兩個相鄰跨距和三角電流波形進行仿真。在一種情況下考慮了土壤電離效應,而在另一種模擬中忽略了土壤電離效應。

表4 估計性能的比較Table 4 Comparison of estimated performance

如表4所示,與實測相比,本研究方法估計的線路停電次數(shù)較少,而IEEE Flash程序獲得的故障率最大。在不確定性的情況下,仿真結(jié)果在可接受的誤差范圍,這是因為獲得的估計值在所分析的6年內(nèi)的大修率范圍內(nèi),這段時間內(nèi)記錄的大修率為8.59～2.86次/(100 km·年)。

3.2.3 TLSA的優(yōu)化布置

為了提高所研究線路的防雷性能,使用了所提TLSA的最佳布置。仿真考慮了兩種避雷器配置模型:1)塔和2)相。在任何情況下,未應用TLSA最大數(shù)量的約束,因此,假設(shè)實現(xiàn)所選解決方案所需的所有財務(wù)資源都可用。最大大修次數(shù)的限制被視為等于確定的限值:2.00次大修/(100 km·年)。考慮到上節(jié)中使用的相同配置以及土壤電離效應進行模擬。優(yōu)化停止準則定義為最多40代,而算法的種群由150個個體組成。圖5為通過考慮塔分配模型的優(yōu)化獲得的帕累托前沿。如圖所示,沒有任何解決方案違反先前建立的雷擊性能約束。發(fā)現(xiàn)的最大大修次數(shù)為1.86次/(100 km·年),低于既定限值(即2.00次大修/(100 km·年)。

圖5 塔臺分配模型的近似帕累托最優(yōu)前沿Fig.5 Approximate pareto-optimal front tower allocation model

如圖5所示,優(yōu)化算法允許找到一組有效的解決方案,這些解決方案顯示了目標之間的良好折衷。因此,一個或多個決策者必須從一組備選方案中選擇最優(yōu)的方案,這將為開發(fā)的方法引入靈活性。一種可能性是選擇使用較少TLSA的解決方案,同時不違反已建立的故障率約束。然而,根據(jù)表4,當考慮土壤電離效應時,所提方法提供的(線路)故障率小于觀測到的測量平均值。因此,在選擇該標準時,決策者會考慮一個樂觀的情景,這表明安裝了少量TLSA。

當使用測量值的平均值作為參考時,可考慮更現(xiàn)實的情況。由于所提方法估計故障次數(shù)較少(即平均值的63.7%),所以在選擇要在實踐中實施的解決方案時考慮該比率。由于確定的大修約束為2.00次/(100 km·年),將該值乘以估計值之間的比率,因此獲得的新閾值為1.27次大修/(100 km·年)。因此,更現(xiàn)實的標準是選擇使用較少TLSA的解決方案,并提供小于或等于1.27次/(100 km·年)的雷電故障率。在這些解決方案中,考慮到最現(xiàn)實的選擇標準,圖6為所選避雷器布置,如圖5中的箭頭所示。該解決方案使用123個TLSA,估計雷擊閃絡(luò)率為1.26次/(100 km·年)。如果要應用安全裕度,可以選擇另一種性能稍好的布置。

圖6 考慮桿塔配置模型的避雷器布置Fig.6 Surge arresters arrangement considering the tower allocation model. Second half of the line

圖7為通過考慮相序分配模型的優(yōu)化獲得的近似帕累托最優(yōu)前沿。與之前的模擬一樣,未發(fā)現(xiàn)任何解決方案違反既定的雷擊性能約束,最大值為1.82次停電/(100 km·年)。

圖7 近似帕累托最優(yōu)前沿。相序分配模型Fig.7 Approximate Pareto-optimal front. Phase allocation model

為了評估所提方案的性能,參考了沿線TLSA配置的兩個經(jīng)典解決方案。在第一種情況下,使用6個TLSA時,估計的雷電性能為3.95次大修/(100 km·年)。經(jīng)典法采用兩個標準來確定避雷器的配置。第一種方法考慮在接地阻抗大于30 Ω的塔的所有相序安裝TLSA,而第二種方法使用相同的策略,但考慮阻抗為40 Ω。一旦定義了用作參考的布置,圖8為估計的雷電性能和相應的TLSA數(shù)量:1)原始布置;2)基于塔基阻抗值的經(jīng)典解,以及3)通過塔架和相序分配模型獲得的近似帕累托最優(yōu)前沿。在后一種情況下,出于比較目的,使用了先前選擇的相同安排和相序分配的兩種其他解決方案。

圖8 結(jié)果的比較分析。箭頭表示先前在塔和相序分配模型中選擇的解決方案。Fig.8 Comparative analysis of results. The arrows indicate the solutions previously chosen in the tower and phase allocation models

4 結(jié)語

改善OHTLs雷電性能的主要解決方案之一是沿線路應用TLSA。然而,為了降低成本,有必要盡可能少的安裝避雷器,以獲得最佳的雷擊閃絡(luò)率。本研究提出了一種新型多準則方法,該方法允許確定沿OHTL的避雷器的最佳布置。所提方法在保證雷擊閃絡(luò)率的同時,確保經(jīng)濟可行的解決方案方面發(fā)揮著重要作用。該程序允許通過使用TLSA找到減少雷擊故障次數(shù)的解決方案,從而改善系統(tǒng)電能質(zhì)量。此外,這些解決方案使資源得到最佳利用,即使避雷器數(shù)量最少,以實現(xiàn)目標防雷性能。最后,本研究針對一個由231座塔和105 km長組成的實際230 kV OHTL的雷電性能進行了仿真研究。相序分配模型需要90 TLSA的應用,以獲得可接受的雷電性能。相比之下,基于地面阻抗值的經(jīng)典解決方案需要使用174和291避雷器,分別滿足40 Ω和30 Ω阻抗的標準。因此,盡管是一個很好的解決方案,但經(jīng)典的布局方法無法優(yōu)化TLSA的分配。關(guān)于雷電浪涌的傳輸效應,根據(jù)輸電線路的特性,如果不考慮雷電電涌傳輸,性能水平以及保護線路的避雷器數(shù)量可能會被低估。