一種配電網(wǎng)雷電災害故障預測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種配電網(wǎng)雷電災害故障預測方法，該方法為：基于多時次雷電范圍預報確定雷電分區(qū)；確定各桿塔所在線路的直擊落雷概率和雷電感應過電壓發(fā)生概率；根據(jù)桿塔所在線路的雷電繞擊跳閘概率和反擊跳閘概率確定雷擊跳閘概率；根據(jù)導線上感應過電壓最大值確定桿塔所在線路的雷電感應過電壓跳閘概率，通過構建模糊數(shù)學模型得到桿塔所在線路的雷電感應過電壓故障率，從而得到考慮雷電流強度的各桿塔所在線路的雷電感應過電壓跳閘概率；通過建立配電線路溫度模型，根據(jù)配電線路已服役時間確定待測區(qū)域饋線段發(fā)生瞬時故障概率；建立考慮老化失效和修正配電線路雷電災害下配電線路發(fā)生故障概率模型；預測待測區(qū)域饋線段發(fā)生故障的概率。
【專利說明】
一種配電網(wǎng)雷電災害故障預測方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及配電技術領域，具體涉及一種配電網(wǎng)雷電災害故障預測方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，雷害故障頻繁發(fā)生，配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)和用戶之 間最直接和關鍵的部分，雷電災害已經(jīng)成為我國配電網(wǎng)安全可靠運行的主要危害。
[0003] 目前，雷電故障預測手段有:有的基于有限的嚴重雷暴事件及相關氣象數(shù)據(jù)和電 網(wǎng)故障數(shù)據(jù)，利用數(shù)理統(tǒng)計分析，建立電網(wǎng)故障率回歸模型，但雷暴事件較少，時間間隔較 長，實時性差，對預測有很大局限性;有的僅考慮雷電變化趨勢并未考慮雷電流強度對配電 線路雷電感應過電壓故障概率的影響;有的雷電故障概率預測僅考慮單一雷電災害，但實 際中，雷電常常伴隨著降雨同時發(fā)生，放電間隙中的雨滴會使空氣間隙場強增強并發(fā)生畸 變，直接影響雷電閃絡概率的大小;有的僅考慮雷電導致配電線路發(fā)生故障的情況，未考慮 線路本身老化效應的影響。
[0004] 因此實現(xiàn)對配電網(wǎng)雷電分區(qū)的預報、考慮雷電流強度、降雨強度以及線路本身老 化的多方面影響，進而預測雷電故障概率，對增強配電網(wǎng)抵抗雷電災害具有重要意義。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提出一種配電網(wǎng)雷電災害故障預測方法。
[0006] 本發(fā)明的技術方案是：
[0007] -種配電網(wǎng)雷電災害故障預測方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1:基于多時次雷電范圍預報確定待測區(qū)域的雷電分區(qū)，并確定下一時次各雷 電分區(qū)的位置及落雷概率；
[0009] 步驟1.1:根據(jù)雷電定位系統(tǒng)統(tǒng)計待測區(qū)域雷電發(fā)生時間和地點，根據(jù)其經(jīng)煒度進 行區(qū)域劃分，得到各落雷密集區(qū)域；
[0010] 步驟1.2:對落雷密集區(qū)域進行二值化處理，對二值化處理后的落雷密集區(qū)域采用 八鄰域邊界跟蹤算法進行整形，得到各雷電分區(qū)，確定t時次雷電分區(qū)的落雷概率；
[0011] 步驟1.3:通過對相鄰t-2、t_l、t時次的雷電分區(qū)的最優(yōu)匹配確定各個雷電分區(qū)t+ 1時次的發(fā)展軌跡，即t+1時次的雷電分區(qū)，根據(jù)t-2、t_l、t時次的雷電分區(qū)的落雷概率確定 t+Ι時次雷電分區(qū)的落雷概率；
[0012] 所述根據(jù)t-2、t-1、t時次的雷電分區(qū)的落雷概率確定t+Ι時次雷電分區(qū)的落雷概 率的公式如下：
[0014]其中，t 2 2，qt+1*t+l時次雷電分區(qū)的落雷概率，qt為t時次雷電分區(qū)的落雷概率。 [0015] 步驟2:建立電網(wǎng)配電線路雷電故障綜合分區(qū)模型，所述電網(wǎng)配電線路雷電故障綜 合分區(qū)模型為：
[0017]其中，為待測區(qū)域饋線段在t+1時次的雷電跳閘概率，h為待測區(qū)域饋線段的桿 塔數(shù)，為第i基桿塔所在線路t+Ι時次的直擊落雷概率，Pir為第i基桿塔所在線路的雷擊 跳閘概率，i^： 1為第i基桿塔所在線路t+Ι時次的雷電感應過電壓發(fā)生概率，Plg為第i基桿塔 所在線路t+Ι時次的雷電感應過電壓跳閘概率；
[0018]步驟3:以配電線路各桿塔為單位進行分區(qū)，確定各桿塔發(fā)生雷擊的有效區(qū)域和雷 電感應過電壓的有效區(qū)域，從而得到各桿塔所在線路t+Ι時次的直擊落雷概率和各桿塔所 在線路t+Ι時次的雷電感應過電壓發(fā)生概率；
[0019] 步驟3.1:確定待測區(qū)域各桿塔的雷擊導線的臨界距離7"1111和各桿塔感應電壓閃 絡的臨界距離ym axi;
[0020] 步驟3.2:根據(jù)桿塔電氣幾何模型確定各桿塔發(fā)生雷擊的有效區(qū)域和雷電感應過 電壓的有效區(qū)域；
[0021] 所述桿塔發(fā)生雷擊的有效區(qū)域為以桿塔為中心垂直配電線路方向距離桿塔ymini 和配電線路方向1/2檔距的范圍內；
[0022]所述雷電感應過電壓的有效區(qū)域為以桿塔為中心垂直配電線路方向距離桿塔 ymxi和配電線路方向1/2檔距的范圍內。
[0023] 步驟3.3:根據(jù)各桿塔發(fā)生雷擊的有效區(qū)域和雷電感應過電壓的有效區(qū)域確定各 桿塔所在線路t+Ι時次的直擊落雷概率和各桿塔所在線路t+Ι時次的雷電感應過電壓發(fā)生 概率。
[0024] 所述第i基桿塔所在線路t+Ι時次的直擊落雷概率的計算公式為：
[0026] 其中，a' t+1為t+Ι時次第i基桿塔發(fā)生雷擊的有效區(qū)域與該桿塔所在的t+Ι時次雷 電分區(qū)的重合面積，a t+1*t+l時次第i基桿塔所在雷電分區(qū)的面積；
[0027] 所述第i基桿塔所在線路t+Ι時次的雷電感應過電壓發(fā)生概率/?1的計算公式為：
[0029] 其中，V t+1為t+Ι時次第i基桿塔雷電感應過電壓的有效區(qū)域與該桿塔所在的t+1 時次雷電分區(qū)的重合面積。
[0030] 步驟4:根據(jù)桿塔電氣幾何模型得到桿塔所在線路的雷電繞擊跳閘概率，利用蒙特 卡洛方法確定桿塔所在線路反擊跳閘概率，根據(jù)桿塔所在線路的雷電繞擊跳閘概率和桿塔 所在線路的反擊跳閘概率確定各桿塔所在線路的雷擊跳閘概率；
[0031] 步驟4.1:根據(jù)桿塔電氣幾何模型，得到桿塔所在線路的雷電繞擊率；
[0032] 所述第i基桿塔所在線路的雷電繞擊率Ρια計算公式如下：
[0034]
為雷電入射角，lib為第i基桿塔所在線路的繞擊暴露 弧對應的水平距離，lla為第i基桿塔所在線路的避雷線保護弧對應的水平距離；
[0035] 步驟4.2:根據(jù)桿塔所在線路的雷電繞擊率得到桿塔所在線路的雷電繞擊跳閘概 率；
[0036] 所述第i基桿塔所在線路的雷電繞擊跳閘概率Pis計算公式如下：
[0037] Pis = nPia；
[0038] 其中，η為建弧率；
[0039] 步驟4.3:利用蒙特卡洛方法模擬統(tǒng)計出各桿塔所在線路的雷電反擊跳閘概率；
[0040] 步驟4.4:將桿塔所在線路的雷電繞擊跳閘概率和桿塔所在線路的桿塔反擊跳閘 概率之和作為該桿塔所在線路的雷擊跳閘概率，得到各桿塔所在線路的雷擊跳閘概率。
[0041] 步驟5:根據(jù)導線上感應過電壓最大值確定桿塔所在線路的雷電感應過電壓跳閘 概率，通過構建模糊數(shù)學模型得到桿塔所在線路的雷電感應過電壓故障率，從而得到考慮 雷電流強度的各桿塔所在線路的雷電感應過電壓跳閘概率；
[0042] 步驟5.1:根據(jù)導線上感應過電壓最大值確定桿塔所在線路的雷電感應過電壓跳 閘概率；
[0043] 所述桿塔所在線路的雷電感應過電壓跳閘概率P(Imin)計算公式如下：
[0045]
為放電概率為50 %時的絕緣子沖擊放電電壓，Im為雷擊大地的 雷電流幅值，hd為架空線路對地高度，S為雷擊點到架空線路的水平距離；
[0046] 步驟5.2:通過構建模糊數(shù)學模型，將雷電激勵參數(shù)和線路檔距參數(shù)作為模糊數(shù)學 模型的輸入，將雷電感應過電壓故障率作為模糊數(shù)學模型的輸出，將雷電激勵參數(shù)和線路 檔距參數(shù)進行組合，設立模糊控制規(guī)則，采用最大隸屬度法去模糊化，得到雷電感應過電壓 故障率；
[0047] 步驟5.3:根據(jù)桿塔所在線路的雷電感應過電壓跳閘概率和雷電感應過電壓故障 率計算考慮雷電流強度的各桿塔所在線路的雷電感應過電壓跳閘概率。
[0048] 步驟6:將各桿塔所在線路t+Ι時次的直擊落雷概率、各桿塔所在線路t+Ι時次的雷 電感應過電壓發(fā)生概率、各桿塔所在線路的雷擊跳閘概率和考慮雷電流強度的各桿塔所在 線路雷電感應過電壓跳閘概率輸入電網(wǎng)配電線路雷電故障綜合分區(qū)模型，得到待測區(qū)域饋 線段在t+1時次的雷電跳閘概率；
[0049] 步驟7:通過建立配電線路溫度模型，根據(jù)配電線路已服役時間確定下一時刻待測 區(qū)域饋線段發(fā)生瞬時故障概率；
[0050] 步驟8:建立考慮老化失效和修正配電線路雷電災害下配電線路發(fā)生故障概率模 型；
[0051 ]所述考慮老化失效和修正配電線路雷電災害下配電線路發(fā)生故障概率模型如下：
[0052] 產(chǎn)
[0053] 其中，Pt+1為待測區(qū)域饋線段在t+Ι時次的發(fā)生故障概率，#+1為待測區(qū)域饋線段下 一時刻發(fā)生瞬時故障概率；
[0054]步驟9:將待測區(qū)域饋線段在t+Ι時次的雷電跳閘概率和待測區(qū)域饋線段下一時刻 發(fā)生瞬時故障概率輸入考慮老化失效和修正配電線路雷電災害下配電線路發(fā)生故障概率 模型預測t+Ι時次待測區(qū)域饋線段發(fā)生故障的概率。
[0055]本發(fā)明的有益效果：
[0056] 本發(fā)明提出一種配電網(wǎng)雷電災害故障預測方法，本發(fā)明針對我國雷電活動具有很 強的地域性，首先對行政區(qū)域進行雷電區(qū)域的劃分，再對相應區(qū)域進行細致的經(jīng)煒度劃分， 減少了數(shù)據(jù)挖掘的工作量，同時也使雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)更清晰，準確;考慮到將雷電流強度大小 對配電網(wǎng)雷電感應過電壓故障概率的影響考慮進來，并構建模糊數(shù)學模型對雷電故障概率 進行分析，提高了配網(wǎng)線路故障概率運行的可靠性和準確度;雷電故障概率預測一般僅考 慮單一雷電災害，這里將降雨情況對絕緣子建弧率的影響考慮進來，進一步提高雷電跳閘 概率預測的精度;線路本身老化失效也是影響雷電災害故障概率不可忽視的重要因素，將 該影響綜合考慮到雷電災害故障概率的預測及計算方法中；將配電網(wǎng)中無論是直擊雷還是 感應雷引發(fā)的雷災跳閘現(xiàn)象進行綜合建模，提高了雷區(qū)預測和線路雷擊跳閘概率的準確 率。
【附圖說明】
[0057] 圖1為本發(fā)明【具體實施方式】中配電網(wǎng)雷電災害故障預測方法的流程圖；
[0058] 圖2為本發(fā)明【具體實施方式】中確定下一時次各雷電分區(qū)的位置及落雷概率的流程 圖；
[0059]圖3為本發(fā)明【具體實施方式】中圓形的落雷分區(qū)識別結果圖；
[0060] 圖4為本發(fā)明【具體實施方式】中確定各個雷電分區(qū)t+Ι時次雷電分區(qū)示意圖；
[0061] 圖5為本發(fā)明【具體實施方式】中計算各桿塔t+Ι時次的直擊落雷概率和各桿塔t+Ι時 次的雷電感應過電壓發(fā)生概率的流程圖；
[0062]圖6為本發(fā)明【具體實施方式】中由雷電導致線路絕緣閃絡分區(qū)圖；
[0063]圖7為本發(fā)明【具體實施方式】中桿塔發(fā)生雷擊的有效區(qū)域和雷電感應過電壓的有效 區(qū)不意圖；
[0064]圖8為本發(fā)明【具體實施方式】中根據(jù)桿塔雷電繞擊跳閘概率和桿塔反擊跳閘概率確 定各桿塔的雷擊跳閘概率的流程圖；
[0065] 圖9為本發(fā)明【具體實施方式】中桿塔的電氣幾何模型；
[0066] 圖10為本發(fā)明【具體實施方式】中確定考慮雷電流強度的各桿塔雷電感應過電壓跳 閘概率的流程圖；
[0067] 圖11為本發(fā)明【具體實施方式】中雷電激勵參數(shù)的隸屬度函數(shù)分布圖；
[0068] 圖12為本發(fā)明【具體實施方式】中線路檔距參數(shù)的隸屬度函數(shù)分布圖；
[0069] 圖13為本發(fā)明【具體實施方式】中雷電感應過電壓故障率的隸屬度函數(shù)分布圖；
[0070] 圖14為本發(fā)明【具體實施方式】中配電線路溫度模型圖；
[0071]圖15為本發(fā)明【具體實施方式】中雷電預報評估指標曲線。
【具體實施方式】
[0072] 下面結合附圖對本發(fā)明【具體實施方式】加以詳細的說明。
[0073] -種配電網(wǎng)雷電災害故障預測方法，如圖1所示，包括以下步驟：
[0074] 步驟1:基于多時次雷電范圍預報確定待測區(qū)域的雷電分區(qū)，并確定下一時次各雷 電分區(qū)的位置及落雷概率，如圖2所示。
[0075] 步驟1.1:根據(jù)雷電定位系統(tǒng)統(tǒng)計待測區(qū)域雷電發(fā)生時間和地點，根據(jù)其經(jīng)煒度進 行區(qū)域劃分，得到各落雷密集區(qū)域。
[0076] 本實施方式中，由于雷電自身的不確定性，所以在研究雷擊故障時首先進行雷電 范圍預報。目前我國雷電監(jiān)測網(wǎng)絡常采用經(jīng)煒度分區(qū)，但實際上我國雷電活動具有很強的 地域性，東南沿海地區(qū)雷電多發(fā)，西北地區(qū)相對較少。所以可根據(jù)氣象部門多年觀測的雷電 數(shù)據(jù)采取區(qū)域劃分，再對相應區(qū)域進行細致的經(jīng)煒度劃分，減少不必要的工作量。
[0077] 步驟1.2:對落雷密集區(qū)域進行二值化(0-1)處理，對二值化處理后的落雷密集區(qū) 域采用八鄰域邊界跟蹤算法進行整形，得到各雷電分區(qū)，確定t時次雷電分區(qū)的落雷概率。 [0078]本實施方式中，對落雷密集區(qū)域進行二值化處理，對二值化處理后的落雷密集區(qū) 域采用八鄰域邊界跟蹤算法進行整形，得到各雷電分區(qū)，最終得到圓形的落雷分區(qū)識別結 果圖，如圖3所示。由圖3可得到t時次各雷電分區(qū)中心點L的經(jīng)煒度坐標為(x，y)、半徑為r，t 時次雷電分區(qū)的落雷概率qt的計算公式如式(1)所示：
[0080] 其中，η'為t時次落雷分區(qū)內的落雷總數(shù)，Ν'為t時次待測行政區(qū)域的落雷總數(shù)。
[0081] 步驟1.3:通過對相鄰t-2、t_l、t時次的雷電分區(qū)的最優(yōu)匹配確定各個雷電分區(qū)t+ 1時次的發(fā)展軌跡，即t+1時次的雷電分區(qū)，根據(jù)t-2、t_l、t時次的雷電分區(qū)的落雷概率確定 t+Ι時次雷電分區(qū)的落雷概率。
[0082] 本實施方式中，為了取得最優(yōu)軌跡，通過對相鄰t-2、t-1、t時次的雷電分區(qū)的最優(yōu) 匹配，假設2個雷電分區(qū)之間較短的移動軌跡有更大的可能性，面積相似的2個雷電分區(qū)間 的移動軌跡具有更大的可能性，確定各個雷電分區(qū)t+Ι時次的發(fā)展軌跡，即t+Ι時次的雷電 分區(qū)如圖4所示。
[0083] 根據(jù)t-2、t_l、t時次的雷電分區(qū)的落雷概率確定t+Ι時次雷電分區(qū)的落雷概率的 公式如式(2)所示：
[0085]其中，t 2 2，qt+1*t+l時次雷電分區(qū)的落雷概率，qt為t時次雷電分區(qū)的落雷概率。
[0086] 步驟2:建立電網(wǎng)配電線路雷電故障綜合分區(qū)模型。
[0087] 本實施方式中，認為同一配電線路上的桿塔之間為串聯(lián)關系，則線路上的任一桿 塔出現(xiàn)故障則待測區(qū)域饋線段就會出現(xiàn)故障，則線路的故障概率等于該桿塔的故障概率。 設待測區(qū)域饋線段有h個桿塔。
[0088] 電網(wǎng)配電線路雷電故障綜合分區(qū)模型如式(3)所示：
[0090] 其中，6=1為待測區(qū)域饋線段在t+1時次的雷電跳閘概率，h為待測區(qū)域饋線段的桿 塔數(shù)，為第i基桿塔所在線路t+Ι時次的直擊落雷概率，Ρ"為第i基桿塔所在線路的雷擊 跳閘概率，為第i基桿塔所在線路t+Ι時次的雷電感應過電壓發(fā)生概率，P lg為第i基桿塔 所在線路t+Ι時次的雷電感應過電壓跳閘概率。
[0091] 步驟3:以配電線路各桿塔為單位進行分區(qū)，確定各桿塔發(fā)生雷擊的有效區(qū)域和雷 電感應過電壓的有效區(qū)域，從而得到各桿塔所在線路t+i時次的直擊落雷概率和各桿塔所 在線路t+Ι時次的雷電感應過電壓發(fā)生概率，如圖5所示。
[0092] 步驟3.1:確定待測區(qū)域各桿塔的雷擊導線的臨界距離7?1"1和各桿塔感應電壓閃 絡的臨界距離y maxi。
[0093] 本實施方式中，由雷電導致線路絕緣閃絡分區(qū)如圖6所示。
[0094]第i基桿塔的雷擊導線的臨界距離計算公式如式(4)所示：
[0096] 其中，& =[3·6 + 1.71η(43-/?)]/Γ為雷電對大地的擊距，為避雷線擊距，Im 為雷擊大地的雷電流幅值，hd為架空線路對地高度。
[0097] 第i基桿塔的感應電壓閃絡的臨界距離ymaxj^計算公式如式(5)所示：
[0099]其中，CF0為線路感應過電壓超過了 1.5倍臨界閃絡電壓。
[0100]步驟3.2:根據(jù)桿塔電氣幾何模型確定各桿塔發(fā)生雷擊的有效區(qū)域和雷電感應過 電壓的有效區(qū)域。
[0101] 本實施方式中，桿塔發(fā)生雷擊的有效區(qū)域和雷電感應過電壓的有效區(qū)域如圖7所 示。桿塔發(fā)生雷擊的有效區(qū)域為以桿塔為中心垂直配電線路方向距離桿塔y mini和配電線路 方向1/2檔距的范圍內。雷電感應過電壓的有效區(qū)域為以桿塔為中心垂直配電線路方向距 離桿塔ym Xi和配電線路方向1/2檔距的范圍內。
[0102] 步驟3.3:根據(jù)各桿塔發(fā)生雷擊的有效區(qū)域和雷電感應過電壓的有效區(qū)域確定各 桿塔所在線路t+Ι時次的直擊落雷概率和各桿塔所在線路t+Ι時次的雷電感應過電壓發(fā)生 概率。
[0103] 本實施方式中，第i基桿塔所在線路t+Ι時次的直擊落雷概率的計算公式如式(6) 所示：
[0105] 其中，a' t+1為t+Ι時次第i基桿塔發(fā)生雷擊的有效區(qū)域與該桿塔所在的t+Ι時次雷 電分區(qū)的重合面積，a t+1*t+l時次第i基桿塔所在雷電分區(qū)的面積。
[0106] 第i基桿塔所在線路t+Ι時次的雷電感應過電壓發(fā)生概率的計算公式如式（7)所 示：
[0108] 其中，V t+1為t+1時次第i基桿塔雷電感應過電壓的有效區(qū)域與該桿塔所在的t+1 時次雷電分區(qū)的重合面積。
[0109] 步驟4:根據(jù)桿塔電氣幾何模型得到桿塔所在線路的雷電繞擊跳閘概率，利用蒙特 卡洛方法確定桿塔所在線路反擊跳閘概率，根據(jù)桿塔所在線路的雷電繞擊跳閘概率和桿塔 所在線路的反擊跳閘概率確定各桿塔所在線路的雷擊跳閘概率，如圖8所示。
[0110] 步驟4.1:根據(jù)桿塔電氣幾何模型，得到桿塔所在線路的雷電繞擊率。
[0111] 本實施方式中，桿塔的電氣幾何模型如圖9所示，由圖9可知，為導線擊距，rs為避 雷線擊距，rg為地面擊距：
為雷電入射角，即雷電先導與地面垂直方向的夾角，考 慮了地形與雷電入射方向對配電線路繞擊率的影響，hs為避雷線的高度，h。為導線的高度， 0丄為繞擊暴露弧上臨界導線擊距r。與水平面的夾角，θ2為繞擊暴露弧下臨界導線擊距^$與 水平面的夾角，Θ為避雷線保護角。
[0112] 第i基桿塔所在線路的雷電繞擊率Ρια計算公式如式(8)所示：
[0114]
為雷電入射角，= C = rc(cos91-cos02)S 第1基桿塔所在線路的繞擊暴露弧對應的水平距離，113 = (^ = 1^〇8 01+2(]13-11。)七3110為第1 基桿塔所在線路的避雷線保護弧對應的水平距離。
[0115] 步驟4.2:根據(jù)桿塔所在線路的雷電繞擊率得到桿塔所在線路的雷電繞擊跳閘概 率。
[0116] 本實施方式中，第i基桿塔所在線路的雷電繞擊跳閘概率Pls計算公式如式(9)所 示：
[0117] Pis = nPia (9)
[0118] 其中，η為建弧率。
[0119] 步驟4.3:利用蒙特卡洛方法模擬統(tǒng)計出各桿塔所在線路的雷電反擊跳閘概率。
[0120] 步驟4.3.1:設定模擬次數(shù)為Ν，定義yk表示第k次模擬的結果，若反擊引起閃絡，貝1J yk=l，否則 yk = 0。
[0121 ]步驟4.3.2 :隨機產(chǎn)生一個[0，1 ]均勻分布的隨機數(shù)η，若n >Pia，則執(zhí)行步驟 4.3.3,否則執(zhí)行步驟4.3.4。
[0122] 步驟4.3.3:隨機產(chǎn)生一個[0，1 ]均勻分布的隨機數(shù)r2，若r2<g，g為擊桿率，則發(fā)生 反擊yk= 1，執(zhí)行步驟4 · 3 · 5，否則，yk = 0，執(zhí)行步驟4 · 3 · 5。
[0123] 步驟4.3.4:判斷當前模擬次數(shù)是否達到模擬次數(shù)N，若是，執(zhí)行步驟4.3.5,否則， 返回步驟4.3.2，
[0124] 步驟4.3.5:統(tǒng)計反擊跳閘率，得到反擊跳閘率的漸進統(tǒng)計估計值ξ，得到反擊跳閘 概率Pi。。
[0125] 本實施方式中，反擊跳閘率的漸進統(tǒng)計估計值ξ如式(10)所示：
[0127] 反擊跳閘概率Pi。如式（11)所示：
[0128] Pic = nC (11)
[0129] 其中，η為建弧率。根據(jù)試驗和運行經(jīng)驗，建弧率n = 4. % )，其中E為絕緣 子串的平均運行電壓(有效值)梯度，kv/m，雨滴會使空氣間隙場強增強并發(fā)生畸變，使Ε增 大，從而提尚了建弧率。
[0130] 雷電災害發(fā)生的同時一般都伴隨著降雨，而降雨會直接增加雷擊故障概率。首先 雨水介電常數(shù)遠大于空氣的介電常數(shù)，放電間隙中的雨滴會使空氣間隙場強增強并發(fā)生畸 變，這有利于初始電子崩和流注的發(fā)展和產(chǎn)生;而且水滴的聚集有效減小了空氣間隙的絕 緣距離，所以導致間隙閃絡電壓降低。
[0131] 另外，對于強度小的降雨，濕度占主要影響，隨著水分子增加，電子被水分子吸附 的概率也增大，空間間隙中的自由電子數(shù)減少，從而抑制放電的發(fā)展，所以濕度的增加會使 空氣間隙的工頻閃絡電壓上升。
[0132] 然而，雷電是一種云端放電現(xiàn)象，雷電災害常伴隨強陣雨，所以綜合起來看受濕度 的影響遠小于雨水使空氣間隙場強畸變的影響。
[0133] 步驟4.4:將桿塔所在線路的雷電繞擊跳閘概率和桿塔所在線路的桿塔反擊跳閘 概率之和作為該桿塔所在線路的雷擊跳閘概率，得到各桿塔所在線路的雷擊跳閘概率。
[0134] 本實施方式中，第i基桿塔所在線路的雷擊跳閘概率Pir的公式如式（12)所示：
[0135] Pir = Pic+Pis (12)
[0136] 步驟5:根據(jù)導線上感應過電壓最大值確定桿塔所在線路的雷電感應過電壓跳閘 概率，通過構建模糊數(shù)學模型得到桿塔所在線路的雷電感應過電壓故障率，從而得到考慮 雷電流強度的各桿塔所在線路的雷電感應過電壓跳閘概率，如圖10所示。
[0137] 步驟5.1:根據(jù)導線上感應過電壓最大值確定桿塔所在線路的雷電感應過電壓跳 閘概率。
[0138] 本實施方式中，雷電感應過電壓跳閘概率P(Imin)計算公式如式(13)所示：
[0140]
為放電概率為50 %時的絕緣子沖擊放電電壓，導線上的感應過 電壓，Im為雷擊大地的雷電流幅值，hd為架空線路對地高度，S為雷擊點到架空線路的水平距 離。
[0141] 本實施方式中，穿過城市的配電線路一般會受到附近高建筑物或樹的遮蔽，所以 配電線路雷電跳閘事故多是由于雷擊附近物體時產(chǎn)生的感應過電壓引起的。雷電感應過電 壓的主要成分是在雷電回擊過程中產(chǎn)生的，即下行先導發(fā)展的同時，地面突起物產(chǎn)生迎面 先導向上發(fā)展，二者發(fā)生強烈放電，其各自先導中的正負電荷進行中和。雷電感應過電壓包 括靜電感應和電磁感應兩個分量，由于主放電通道和導線垂直，互感小，電磁感應弱，所以 靜電分量起主要作用。所以根據(jù)相關的理論分析與實驗測量結果，當雷擊點與線路的距離 使導線上產(chǎn)生雷電感應過電壓時，放電概率為50 %時的絕緣子沖擊放電電壓U5Q%等于導線 上的感應過電壓最大值Umax如式(14)所示：
[0143] 步驟5.2:通過構建模糊數(shù)學模型，將雷電激勵參數(shù)和線路檔距參數(shù)作為模糊數(shù)學 模型的輸入，將雷電感應過電壓故障率作為模糊數(shù)學模型的輸出，將雷電激勵參數(shù)和線路 檔距參數(shù)進行組合，設立模糊控制規(guī)則，采用最大隸屬度法去模糊化，得到雷電感應過電壓 故障率。
[0144] 本實施方式中，配電線路上感應過電壓故障概率除了與線路高度、線路與雷擊點 間距離有關外，還與雷電流幅值有關。而影響雷電流幅值的因素又涉及多方面因素，而雷電 流幅值與線路故障率之間又缺乏可用的模型。通過構建模糊數(shù)學模型，將雷電激勵參數(shù)Ei = avatasa。和線路檔距參數(shù)1^作為模糊數(shù)學模型的輸入。
[0145] 其中，av為雷電流回波速度系數(shù)，即雷電流波形參數(shù)，可通過安裝在高山或高塔的 雷電流波形監(jiān)測裝置測得。以雷電流回波速度1.3 X 10%/s為基準（系數(shù)為1)，回波傳播速 率越大，離雷擊點最近處電壓越快達到峰值，且雷電流幅值越大，回波速度較大的調高雷電 流回波速度系數(shù)(1~1.2)，回波速度較小的降低雷電流回波速度系數(shù)(0.8~1)。
[0146] at為雷電流波前時間系數(shù)，通過雷電流波形監(jiān)測裝置可測得。以雷電流波前時間 0.5ys為基準(系數(shù)為1)，波前時間較長的削減波前時間系數(shù)(0.6~1)，當波前時間小于0.5 ys時，雷電流幅值較大，系數(shù)均為1。波前時間越短，離雷擊點最近處電壓越快達到峰值，且 雷電流幅值越大。
[0147] a。為大地電導率系數(shù)，as為周邊環(huán)境屏蔽系數(shù)。以平原地區(qū)、大地為理想導體和無 屏蔽物的環(huán)境為基準(系數(shù)為1)，對大地電導率小的、對雷電下行先導發(fā)展具有明顯誘導作 用的地形調高大地電導率系數(shù)（1~1.3)，對大地電導率大的、對雷電下行先導有明顯阻礙 作用的地形減小大地電導率系數(shù)(0.8~1);對開闊的、無屏蔽物、有利于雷電感應過電壓形 成的環(huán)境調高系數(shù)(1~2)，對有樹和建筑物等不利于雷電感應過電壓形成的環(huán)境調低系數(shù) (0.5~1)〇
[0148] 對雷電激勵參數(shù)采用6個模糊子集覆蓋參數(shù)范圍：雷電激勵很小(Evs)、雷電激勵小 (Es)、雷電激勵中等(Em)、雷電激勵大(Ebl)、雷電激勵很大(Evl)、雷電激勵非常大(Eel)，其隸 屬度函數(shù)的分布如圖11所示。
[0149] 對線路檔距參數(shù)用4個模糊子集涵蓋線路檔距系數(shù)的范圍：線路參數(shù)小(Ls)、線路 參數(shù)中等(Lm)、線路參數(shù)大(LO、線路參數(shù)很大(L vl)，其隸屬度函數(shù)的分布如圖12所示。
[0150] 對雷電感應過電壓故障率用7個模糊子集覆蓋其值域[0，1]:非常?。‥S)、很小 (VS)、小(S)、中(M)、大(L)、很大(VL)，非常大(EL)。其隸屬度函數(shù)的分布如圖13所示。
[0151]根據(jù)關于不同因素對雷電感應過電壓故障概率影響的分析，將雷電激勵參數(shù)和線 路檔距參數(shù)進行組合，設立24條模糊控制規(guī)則，可以設立24條模糊控制規(guī)則，如表1所示： [0152]表1模糊控制規(guī)則
[0154] 采用最大隸屬度法去模糊化，得到雷電感應過電壓故障率μ，模糊隸屬度函數(shù)的劃 分需要在以后的實踐應用中不斷檢驗和完善。
[0155] 步驟5.3:根據(jù)桿塔所在線路的雷電感應過電壓跳閘概率和雷電感應過電壓故障 率計算考慮雷電流強度的各桿塔所在線路的雷電感應過電壓跳閘概率。
[0156] 本實施方式中，考慮雷電流強度后桿塔所在線路的雷電感應過電壓故障概率Plg如 式(15)所示：
[0157] Pig = yP(Imin) (15)
[0158] 步驟6:將各桿塔所在線路t+1時次的直擊落雷概率、各桿塔所在線路t+1時次的雷 電感應過電壓發(fā)生概率、各桿塔所在線路的雷擊跳閘概率和考慮雷電流強度的各桿塔所在 線路雷電感應過電壓跳閘概率輸入電網(wǎng)配電線路雷電故障綜合分區(qū)模型，得到待測區(qū)域饋 線段在t+1時次的雷電跳閘概率。
[0159] 步驟7:通過建立配電線路溫度模型，根據(jù)配電線路已服役時間確定下一時刻待測 區(qū)域饋線段發(fā)生瞬時故障概率。
[0160] 本實施方式中，配電線路隨著服役時間的長短，其老化失效情況也不同，高溫退火 是其壽命損失的主要原因。可見，導線溫度直接影響導線服役時間。而線路本身的符合電流 產(chǎn)生的熱量和外界環(huán)境溫度變化對線路本身的影響最為顯著，所以建立如圖14所示的配電 線路溫度模型。
[0161] 圖14中：η為導線質量，Cp為導線比熱容，J/kg · °C;I為導線電流，AA為線路運行 溫度，°C ; θ〇為導線初始溫度，°C ; 0a為環(huán)境溫度，°C ;Q為配電線路服役過程中熱量的總和;Qr 為輻射傳遞的熱量，W/m;t為線路已服役時間。
[0162] 因此經(jīng)過大量的實驗和數(shù)據(jù)分析，可知配電線路的期望壽命U與線路服役過程中 的熱量交換和線路運行溫度關系如式(16)所示：
[0163] Li = Qe-λθ (16)
[0164] 其中，λ為與導體質量和材料屬性相關的常數(shù)。
[0165] 經(jīng)導線加速壽命測試或失效數(shù)據(jù)記錄估計得到:配電線路老化過程符合威布爾分 布，僅與形狀參數(shù)β有關;m為尺度參數(shù)(特征壽命參數(shù)），這里令ηι=!^，則得到配電線路累 積概率分布函數(shù)F la(11 Θi)如式(17)所示：
[0167]根據(jù)條件概率的定義，配電線路在Θ:溫度下服役了 t時間后，在t+Ι時刻發(fā)生瞬時 故障的概率/f1如式(18)所示：
[0169] 步驟8:建立考慮老化失效和修正配電線路雷電災害下配電線路發(fā)生故障概率模 型。
[0170] 本實施方式中，考慮老化失效和修正配電線路雷電災害下配電線路發(fā)生故障概率 模型如式(19)所示：
[0172] 其中，Pt+1為待測區(qū)域饋線段在t+Ι時次的發(fā)生故障概率，If1為待測區(qū)域饋線段下 一時刻發(fā)生瞬時故障概率。
[0173] 本實施方式中，由于雷電監(jiān)測信息是分時次獲取，所以考慮老化失效和修正配電 線路雷電災害下發(fā)生故障概率為t+Ι時次發(fā)生故障概率。
[0174] 步驟9:將待測區(qū)域饋線段在t+Ι時次的雷電跳閘概率和待測區(qū)域饋線段下一時刻 發(fā)生瞬時故障概率輸入考慮老化失效和修正配電線路雷電災害下配電線路發(fā)生故障概率 模型預測t+Ι時次待測區(qū)域饋線段發(fā)生故障的概率。
[0175] 本實施方式中，為了評估雷電分區(qū)預報的準確性，采用雷區(qū)面積檢出率指標RP0D、 雷區(qū)面積虛警率指標Rfar與落雷數(shù)檢出率指標R_，如式(20)-(22)所示：
[0179] 其中，E為預報的待測區(qū)域面積，為實際雷電區(qū)域面積，忑為實際的非雷電區(qū)域 面積;ΕΠΑ$為預報準確雷電區(qū)域面積，為誤預報雷電區(qū)域面積，P t+1為預報落雷概率， P為實際落雷概率，（EnA$)min{Pt+1，P}為預報成功的落雷數(shù)，AP為實際雷電區(qū)域的落雷數(shù)。
[0180] 本實施方式中，采用本發(fā)明方法每lmin預報一次雷電發(fā)生范圍，并計算其相應的 指標，各指標隨時間變化的曲線如圖15所示。從曲線變化中可以看出，在整個預報過程中， 雷區(qū)面積檢出率Rpqd達到70%以上，雷區(qū)面積虛警率Rfar低于30%，落雷數(shù)檢出率R LDP基本上 均大于75%，從而證明了本發(fā)明方法所提出的雷區(qū)預報方法具有較高的準確率。
【主權項】
1. 一種配電網(wǎng)雷電災害故障預測方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1:基于多時次雷電范圍預報確定待測區(qū)域的雷電分區(qū)，并確定下一時次各雷電分 區(qū)的位置及落雷概率； 步驟2:建立電網(wǎng)配電線路雷電故障綜合分區(qū)模型，所述電網(wǎng)配電線路雷電故障綜合分 區(qū)模型為：其中，/=1為待測區(qū)域饋線段在t+Ι時次的雷電跳閘概率，h為待測區(qū)域饋線段的桿塔 數(shù)，為第i基桿塔所在線路t+Ι時次的直擊落雷概率，Pir為第i基桿塔所在線路的雷擊跳 閘概率，/^； 1為第i基桿塔所在線路t+Ι時次的雷電感應過電壓發(fā)生概率，Plg為第i基桿塔所 在線路t+Ι時次的雷電感應過電壓跳閘概率； 步驟3:以配電線路各桿塔為單位進行分區(qū)，確定各桿塔發(fā)生雷擊的有效區(qū)域和雷電感 應過電壓的有效區(qū)域，從而得到各桿塔所在線路t+Ι時次的直擊落雷概率和各桿塔所在線 路t+Ι時次的雷電感應過電壓發(fā)生概率； 步驟4:根據(jù)桿塔電氣幾何模型得到桿塔所在線路的雷電繞擊跳閘概率，利用蒙特卡洛 方法確定桿塔所在線路反擊跳閘概率，根據(jù)桿塔所在線路的雷電繞擊跳閘概率和桿塔所在 線路的反擊跳閘概率確定各桿塔所在線路的雷擊跳閘概率； 步驟5:根據(jù)導線上感應過電壓最大值確定桿塔所在線路的雷電感應過電壓跳閘概率， 通過構建模糊數(shù)學模型得到桿塔所在線路的雷電感應過電壓故障率，從而得到考慮雷電流 強度的各桿塔所在線路的雷電感應過電壓跳閘概率； 步驟6:將各桿塔所在線路t+Ι時次的直擊落雷概率、各桿塔所在線路t+Ι時次的雷電感 應過電壓發(fā)生概率、各桿塔所在線路的雷擊跳閘概率和考慮雷電流強度的各桿塔所在線路 雷電感應過電壓跳閘概率輸入電網(wǎng)配電線路雷電故障綜合分區(qū)模型，得到待測區(qū)域饋線段 在t+Ι時次的雷電跳閘概率； 步驟7:通過建立配電線路溫度模型，根據(jù)配電線路已服役時間確定下一時刻待測區(qū)域 饋線段發(fā)生瞬時故障概率； 步驟8:建立考慮老化失效和修正配電線路雷電災害下配電線路發(fā)生故障概率模型； 所述考慮老化失效和修正配電線路雷電災害下配電線路發(fā)生故障概率模型如下：其中，Pt+1為待測區(qū)域饋線段在t+Ι時次的發(fā)生故障概率，/f1為待測區(qū)域饋線段下一時 刻發(fā)生瞬時故障概率； 步驟9:將待測區(qū)域饋線段在t+Ι時次的雷電跳閘概率和待測區(qū)域饋線段下一時刻發(fā)生 瞬時故障概率輸入考慮老化失效和修正配電線路雷電災害下配電線路發(fā)生故障概率模型 預測t+Ι時次待測區(qū)域饋線段發(fā)生故障的概率。2. 根據(jù)權利要求1所述的配電網(wǎng)雷電災害故障預測方法，其特征在于，所述的步驟1包 括以下步驟： 步驟1.1:根據(jù)雷電定位系統(tǒng)統(tǒng)計待測區(qū)域雷電發(fā)生時間和地點，根據(jù)其經(jīng)煒度進行區(qū) 域劃分，得到各落雷密集區(qū)域； 步驟1.2:對落雷密集區(qū)域進行二值化處理，對二值化處理后的落雷密集區(qū)域采用八鄰 域邊界跟蹤算法進行整形，得到各雷電分區(qū)，確定t時次雷電分區(qū)的落雷概率； 步驟1.3:通過對相鄰t-2、t-l、t時次的雷電分區(qū)的最優(yōu)匹配確定各個雷電分區(qū)t+Ι時 次的發(fā)展軌跡，即t+Ι時次的雷電分區(qū)，根據(jù)t-2、t-1、t時次的雷電分區(qū)的落雷概率確定t+1 時次雷電分區(qū)的落雷概率； 所述根據(jù)t-2、t-l、t時次的雷電分區(qū)的落雷概率確定t+Ι時次雷電分區(qū)的落雷概率的 公式如下：其中，t 2 2，qt+1*t+l時次雷電分區(qū)的落雷概率，qt為t時次雷電分區(qū)的落雷概率。3. 根據(jù)權利要求1所述的配電網(wǎng)雷電災害故障預測方法，其特征在于，所述的步驟3包 括以下步驟： 步驟3.1:確定待測區(qū)域各桿塔的雷擊導線的臨界距離7"1" i和各桿塔感應電壓閃絡的 臨界距l(xiāng)^ymax i; 步驟3.2:根據(jù)桿塔電氣幾何模型確定各桿塔發(fā)生雷擊的有效區(qū)域和雷電感應過電壓 的有效區(qū)域； 步驟3.3:根據(jù)各桿塔發(fā)生雷擊的有效區(qū)域和雷電感應過電壓的有效區(qū)域確定各桿塔 所在線路t+Ι時次的直擊落雷概率和各桿塔所在線路t+Ι時次的雷電感應過電壓發(fā)生概率。4. 根據(jù)權利要求1所述的配電網(wǎng)雷電災害故障預測方法，其特征在于，所述的步驟4包 括以下步驟： 步驟4.1:根據(jù)桿塔電氣幾何模型，得到桿塔所在線路的雷電繞擊率； 所述第i基桿塔所在線路的雷電繞擊率Ρια計算公式如下：其中，圪(# = ^，Μ衫f為雷電入射角，llb為第i基桿塔所在線路的繞擊暴露弧對 ι?? 二' 應的水平距離，lla為第i基桿塔所在線路的避雷線保護弧對應的水平距離； 步驟4.2:根據(jù)桿塔所在線路的雷電繞擊率得到桿塔所在線路的雷電繞擊跳閘概率； 所述第i基桿塔所在線路的雷電繞擊跳閘概率Pls計算公式如下： Pis = ΠΡ?α ; 其中，η為建弧率； 步驟4.3:利用蒙特卡洛方法模擬統(tǒng)計出各桿塔所在線路的雷電反擊跳閘概率； 步驟4.4:將桿塔所在線路的雷電繞擊跳閘概率和桿塔所在線路的桿塔反擊跳閘概率 之和作為該桿塔所在線路的雷擊跳閘概率，得到各桿塔所在線路的雷擊跳閘概率。5. 根據(jù)權利要求1所述的配電網(wǎng)雷電災害故障預測方法，其特征在于，所述的步驟5包 括以下步驟： 步驟5.1:根據(jù)導線上感應過電壓最大值確定桿塔所在線路的雷電感應過電壓跳閘概 率； 所述桿塔所在線路的雷電感應過電壓跳閘概率P(Imin)計算公式如下：其中，= 25為放電概率為50 %時的絕緣子沖擊放電電壓，Im為雷擊大地的雷電 流幅值，hd為架空線路對地高度，S為雷擊點到架空線路的水平距離； 步驟5.2:通過構建模糊數(shù)學模型，將雷電激勵參數(shù)和線路檔距參數(shù)作為模糊數(shù)學模型 的輸入，將雷電感應過電壓故障率作為模糊數(shù)學模型的輸出，將雷電激勵參數(shù)和線路檔距 參數(shù)進行組合，設立模糊控制規(guī)則，采用最大隸屬度法去模糊化，得到雷電感應過電壓故障 率； 步驟5.3:根據(jù)桿塔所在線路的雷電感應過電壓跳閘概率和雷電感應過電壓故障率計 算考慮雷電流強度的各桿塔所在線路的雷電感應過電壓跳閘概率。6. 根據(jù)權利要求3所述的配電網(wǎng)雷電災害故障預測方法，其特征在于，所述桿塔發(fā)生雷 擊的有效區(qū)域為以桿塔為中心垂直配電線路方向距離桿塔y min4P配電線路方向1/2檔距的 范圍內； 所述雷電感應過電壓的有效區(qū)域為以桿塔為中心垂直配電線路方向距離桿塔ymax :和 配電線路方向1 /2檔距的范圍內。7. 根據(jù)權利要求3所述的配電網(wǎng)雷電災害故障預測方法，其特征在于，所述第i基桿塔 所在線路t+Ι時次的直擊落雷概率的計算公式為：其中，a' t+1為t+Ι時次第i基桿塔發(fā)生雷擊的有效區(qū)域與該桿塔所在的t+Ι時次雷電分 區(qū)的重合面積，at+1*t+l時次第i基桿塔所在雷電分區(qū)的面積； 所述第i基桿塔所在線路t+Ι時次的雷電感應過電壓發(fā)生概率的計算公式為：其中，b' t+1為t+Ι時次第i基桿塔雷電感應過電壓的有效區(qū)域與該桿塔所在的t+Ι時次 雷電分區(qū)的重合面積。
【文檔編號】G06Q50/06GK105868872SQ201610365532
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】張化光, 劉鑫蕊, 孫秋野, 何雅楠, 楊珺, 王智良, 李亞東, 劉爽
【申請人】東北大學