输电线路气象灾害风险分析与预警方法研究

输电线路气象灾害风险分析与预警方法研究电力系统中大量的架空输电线路等输变电设备长期暴露于大气环境之中,其运行的安全性直接关系到电力系统的运行安全。长期运行经验表明,外部气象环境导致的输变电设备失效是影响电力系统安全的主要原因之一。在气候变化的大背景下,恶劣天气、极端气候事件的强度和发生频率有增强的趋势,如何应对气象灾害是电力系统亟需解决的关键问题之一,气象灾害预警、风险防控相关理论及技术已成为电气工程领域的长期研究热点。在电力系统发展过程中已经积累了丰富的气象安全保障技术。

利用多年观测数据及气象致灾机理分析,在输电线路结构及绝缘设计等方面已考虑了较为完善的抵御措施。然而,气象导致的输电线路故障及线路跳闸事件仍时常发生,系统大停电风险仍然存在。这表明人们对电力系统气象风险的认识还不够,基于静态、设备级的安全防护理论与技术还不能完全满足电力系统安全运行的需要。在线、动态风险辨识及防控手段是完善电力系统整体风险防控的重要手段。

随着气象监测和天气预报技术的发展,预测气象事件发生的空间尺度和时间尺度均大大下降,精细化气象预报已成为推动电力系统气象风险精细化管控的重要动力和保障。目前,在气象对电网的影响分析中,时间尺度多利用“多年平均”方法,空间尺度多利用地域经验积累,量化气象风险缺乏精细的指标参数;在气象风险的管控中,由于缺少较为准确的设备气象风险预警方法和数学模型,仅能针对大尺度气象趋势采取一定的预案,尚不能针对具体的气象过程及时调整运行方式或采取相应的应急处置准备。为此,论文以构建精细化的输电线路气象风险分析和预警理论体系为目标,从缩小气象风险分析的时间和空间尺度出发,研究建立输电线路气象风险精细化分析的特征指标和模型;从输电线路气象致灾的机理特征和统计特征出发,研究典型气象灾害的在线预警方法。论文主要工作如下:(1)归纳了气象对输电线路作用的方式,分析了气象相关的输电线路故障事件的统计特征,提出输电线路气象风险描述的思路,给出了输电线路气象风险的表征方式,指出了基于气象信息的电网风险防控的路径,据此提出了输电线路气象风险预警体系构建思路和方法。

(2)为了建立完善的气象对输电线路故障的作用规律描述方法,提出了基于

故障时空特征的输电线路气象风险刻画方法。通过提出“气象敏感度”、“高风险区段”、“故障时间间隔”、“不同气象灾害停运时间”等指标参数,将气象灾害对输电线路的影响归纳到线路的地理位置、时间阶段、主要成分三个要素,构建了输电线路气象风险的统计描述方法。可精细反映输电线路气象风险的时间特征及敏感性气象因素,可为规划设计、调度运行、运维检修等提供实用的决策信息。以某省电网的故障样本进行的实例分析,验证了所提风险分析方法和指标的适用性和优势。

(3)针对缺乏输电线路时变故障特征数学模型的问题,提出了气象相关的输电线路连续时间故障率模型。以历史同期故障率为样本,分别用傅立叶、高斯、威布尔函数模拟故障率时间函数,构建了反映不同气象灾害特征的输电线路时间相依故障率模型及线路强迫停运时间概率分布模型,为实施输电线路气象风险预警和防控创造了条件。以中国中部地区和南方沿海地区典型气象影响下电网的实际故障样本进行了函数拟合对比,并将输电线路时变故障模拟函数用于电网时变风险评估,验证了所提模拟方法的有效性。(4)针对强风引起的输电线路风偏放电预警问题,将其处理成不确定性输入下的预测与比较问题,提出了一种风偏放电概率预测与风险预警方法。

分析了风预报准确性对预测风偏角的影响,基于风预报准确率检验的先验分布,构建了预报风向角和风速的概率分布模型。根据用于计算风偏角的刚体直杆模型,在预报风向和风力等级下通过蒙特卡罗抽样计算风偏角,并与允许的最大风偏角比较,实现短期风预报下的输电线路风偏放电概率预警。通过实际案例分析,验证了所提风偏放电概率预警方法的有效性。(5)针对覆冰区域输电线路舞动预警问题,将其归结为有监督学习下的分类预测问题,提出了一种基于SVM和AdaBoost双层分类器的输电线路舞动预警方法。

通过挖掘历史上容易发生舞动区域的气象参数,构建了基于SVM分类器的区域易舞气象条件预报模型。当预判到某区域满足易舞气象条件时,结合当地输电线路的导线结构、导线截面、档距等线路结构参数,通过构建的AdaBoost分类器实现线路舞动预警。使用河南电网的历史舞动样本进行了算例测试,验证了所提方法的有效性。鉴于气象过程的随机性特点及在线故障防御的确定性要求二者之间的矛盾,本文既建立了反映随机过程的指标性风险描述方法,又建立了连续时

间故障风险模型,可分别满足系统性风险评估和过程性风险防范的需要。

探索建立的气象灾害预警方法及模型,将促进电力系统在线气象风险防控理论和技术的发展。