本文關(guān)鍵詞：計(jì)及多因素的電網(wǎng)冰災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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現(xiàn)代社會(huì)要求電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)可靠的電力供應(yīng)，而近年來(lái)頻繁出現(xiàn)的極端氣候給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行帶來(lái)了巨大威脅，特別是2008年初的冰雨凝凍氣候使我國(guó)南方多個(gè)地區(qū)的電力設(shè)施損壞嚴(yán)重，電力供應(yīng)遭到嚴(yán)重破壞，國(guó)民經(jīng)濟(jì)蒙受巨大損失【l J。2011年初我國(guó)南方地區(qū)又一次遭受大范圍的冰雪災(zāi)害天氣的襲擊，部分地區(qū)其嚴(yán)重程度甚至超過(guò)2008年，但由于完善的應(yīng)急管理措施特別是融冰機(jī)的投入和使用，因而未出現(xiàn)如2008年初的大面積停電和穩(wěn)定破壞等事故。

電力系統(tǒng)中的元件特別是輸電線路長(zhǎng)期暴露于戶外，受氣候環(huán)境等因素影響較大，惡劣天氣雖然持續(xù)時(shí)間較短，但電網(wǎng)的故障多數(shù)發(fā)生在惡劣天氣，因而需考慮其對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的影響，已有較多文獻(xiàn)對(duì)惡劣氣候條件下電力系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了研究p J，但專門針對(duì)冰災(zāi)氣候下電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估和研究的文獻(xiàn)較少，多數(shù)文獻(xiàn)專注于研究覆冰發(fā)生機(jī)理和增長(zhǎng)模型、覆冰監(jiān)測(cè)以及融冰技術(shù)[6-7]等，冰災(zāi)氣候下，電力元件的運(yùn)行與正常氣候下將有較大不同，文獻(xiàn)【8】設(shè)計(jì)了一種可以考慮冰雪災(zāi)害影響的張勇軍，等 計(jì)及多因素的電網(wǎng)冰災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型研究 ．13．電網(wǎng)安全評(píng)估框架，但其所建實(shí)際為一確定性模型，沒(méi)有考慮災(zāi)害天氣下元件故障的概率特性，文獻(xiàn)[9]分析了冰災(zāi)氣候條件下影響線路停運(yùn)率的各種因素，并通過(guò)模糊規(guī)則系統(tǒng)建立了元件停運(yùn)模型，是一種較合理的處理方法，但其沒(méi)有考慮災(zāi)害天下應(yīng)急措施對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的影響。

本文從2008年電網(wǎng)冰災(zāi)實(shí)際情況著手，結(jié)合2011年初各地成功抗擊冰災(zāi)的經(jīng)驗(yàn)，深入研究了影響冰災(zāi)氣候下影響電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的各種相關(guān)因素，包括年最大冰厚、線路的設(shè)計(jì)冰厚、災(zāi)害天氣下的應(yīng)急措施(如融冰機(jī)的投入)等，建立起電網(wǎng)冰災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估模型，并定量分析了各種因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的影響。

1 冰災(zāi)氣候建模

冰災(zāi)主要體現(xiàn)在某地覆冰的嚴(yán)重程度。英國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家皮爾森研究發(fā)現(xiàn)的偏態(tài)曲線皮爾森曲線，其III型分布曲線廣泛應(yīng)用于氣象統(tǒng)計(jì)中，適用于描述某段時(shí)間的最大降水、最大風(fēng)速、極值冰厚等極端天氣事件的概率推算。文獻(xiàn)[10】用P．II1分布擬合導(dǎo)線覆冰的最大標(biāo)準(zhǔn)冰厚，取得了較好的效果。由于P—II1分布彈性大，適用性強(qiáng)，電力工程氣象勘測(cè)技術(shù)規(guī)程DL／T5158．2002中對(duì)最大風(fēng)速，導(dǎo)線覆冰等均采用P．II1分布作頻率分析計(jì)算并作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。本文亦采用年最大冰厚的P．II1分布來(lái)描述冰災(zāi)氣候。P．II1分布的概率函數(shù)為

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式中： 表示年冰厚極值；xo為變量所能取得的最小值； 稱為形狀系數(shù)； 稱為尺度參數(shù)； 是 的伽馬函數(shù)。皮爾森II1分布中的參數(shù)估計(jì)方法可參考文獻(xiàn)i11】。圖1為某地通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得的最大冰厚的皮爾森分布圖。

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其中： 為高度訂正系數(shù)； 為重現(xiàn)期換算系數(shù)；為線徑訂正系數(shù)； 。為標(biāo)準(zhǔn)冰厚，即按設(shè)計(jì)重現(xiàn)期由P—II1分布計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)冰厚。本文中將B。表示該地區(qū)線路的實(shí)際覆冰厚度，則高度訂正系數(shù)和線徑訂正系數(shù)均為1，若缺乏統(tǒng)計(jì)的覆冰重現(xiàn)期數(shù)據(jù)，則重現(xiàn)期換算系數(shù)亦取1。圖1所示為某重冰區(qū)最大冰厚P．II1分布圖，由于 (jc≥25)=0．02，故如果該重冰區(qū)的線路按重現(xiàn)期50年確定線路的設(shè)計(jì)冰厚，則線路的設(shè)計(jì)冰厚為25 nllI1。

2 線路的停運(yùn)模型

2．1故障率

惡劣氣候下線路故障率明顯高于正常氣候下的故障率，文獻(xiàn)[5]將天氣分別等效為兩狀態(tài)和三狀態(tài)模型；對(duì)于“氣候影響的不均勻性”，文獻(xiàn)【5】通過(guò)對(duì)線路分段的模擬得到線路的停運(yùn)模型；文獻(xiàn)[9】通過(guò)模糊建模，將不確定性的氣候條件和電力系統(tǒng)運(yùn)行工況模糊化作為輸入，并從模糊推理系統(tǒng)的結(jié)果解模糊化后得到線路的停運(yùn)率。

2．1．1覆冰厚度對(duì)故障率的影響

由于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的缺失以及其他不確定因素的影響，不可能準(zhǔn)確得到所有冰厚情況下線路的故障率，因而本文通過(guò)模糊語(yǔ)言描述覆冰對(duì)線路的故障率的影響，所制定的模糊規(guī)則是根據(jù)2008年電網(wǎng)遭受冰災(zāi)的工程實(shí)際以及電網(wǎng)運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)得出的，下同。定義模糊語(yǔ)言變量 表示線路的覆冰厚度并作為輸入變量。其模糊詞集定義為Te=f 0．3B； 約0．5 ； 約1．1B； 約1．5B；約2．0B；約2．5B；約3．0B； 4．0B，其中， 為線路的設(shè)計(jì)冰厚，該輸入變量共有8個(gè)語(yǔ)言值。其隸屬度函數(shù)如圖2所示。

同時(shí)定義模糊輸出變量 表示故障率倍數(shù)(相對(duì)于正常氣候下的故障率)，其模糊詞集為乃={約1；約6x10 ；約4x10。；約8x10 ；約2x10 ；約4x10 ；約8x10 ；~lxlO )其隸屬度函數(shù)如圖3所示。

2．1．2融冰機(jī)對(duì)故障率的影響

應(yīng)急措施是指為降低突發(fā)事件發(fā)生的可能性以及突發(fā)事件發(fā)生后為盡可能減小損失所采取的措施，包括故障前應(yīng)急措施和故障后應(yīng)急措施 。線路覆冰時(shí)的電網(wǎng)加固，融冰機(jī)的使用以及各種除冰措施實(shí)施等都屬于故障前應(yīng)急措施，可以不同程度地提高電網(wǎng)的抗冰災(zāi)能力。

由于直流融冰不受線路交流電抗影響，所需電源容量較小因而常用于500 kV以及220 kV線路的融冰【1 。其工作原理是通過(guò)對(duì)線路覆冰的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)冰厚達(dá)到一定值時(shí)(通常小于線路的設(shè)計(jì)冰厚如10 mm)，啟動(dòng)融冰機(jī)，通常線路的覆冰未達(dá)到設(shè)計(jì)冰厚前已全部融化，然而這一過(guò)程中存在較多不確定性，主要體現(xiàn)在：1)覆冰實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和靈敏度；2)路所處的實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境(包括溫度，風(fēng)速等因素)與融冰機(jī)額定參數(shù)的差異性；3)多條線路同時(shí)覆冰時(shí)電力運(yùn)行人員的決策。另外由于融冰機(jī)裝置投資較大，在電網(wǎng)中未能大范圍使用，因而在少數(shù)大面積極端惡劣的冰災(zāi)氣候下，由于融冰機(jī)配置不足，多條線路覆冰迅速增長(zhǎng)到較大的冰厚，此時(shí)線路的最小融冰電流大于其最大容許融冰電流時(shí)，將無(wú)法對(duì)線路進(jìn)行融冰，從而出現(xiàn)某些線路冰閃或斷線的情況。由以上分析可以看出融冰機(jī)的工作過(guò)程存在較大不確定性，因而可定義融冰機(jī)融冰范圍為冰厚論域上的，集，可采用梯形隸屬度函數(shù)描述融冰范圍的F分布。其隸屬度函數(shù)如圖4所示。

圖4中：b為起始融冰冰厚；C為最大融冰冰厚。當(dāng)冰厚達(dá)到C時(shí)，融冰機(jī)將無(wú)法發(fā)揮作用，和C的取值反映了融冰范圍的不確定性。

2．2線路的多點(diǎn)停運(yùn)模型

在調(diào)查和分析2008年電網(wǎng)在冰災(zāi)氣候下的受損情況時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，覆冰嚴(yán)重超過(guò)電網(wǎng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)線路不止一處故障，嚴(yán)重的甚至有幾十處故障，并且由于覆冰導(dǎo)致桿塔受損，同塔雙回或多回線路同時(shí)停運(yùn)，即共因停運(yùn)。為方便地模擬惡劣氣候下線路可能發(fā)生多點(diǎn)故障的情形，可將線路可以看成按照檔距分為的n段線路的串聯(lián)。

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若設(shè)線路故障為事件 ，分段線路i故障為事件 p則有P(B)=Q，P(A滬Of，P(B f)=1。則由貝葉斯公式可得

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若假設(shè)各分段的故障率和修復(fù)率都相同，則每分段的可用率和不可用率也相同，從而其后驗(yàn)概率也相同，即在已知線路故障情況下，每分段發(fā)生故障的概率也相同。若定義隨機(jī)變量表示線路故障點(diǎn)數(shù)，，則 服從二項(xiàng)分布，該線路故障點(diǎn)數(shù)按式(5)進(jìn)行計(jì)算。

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跨越多個(gè)氣候區(qū)域的線路也可以類似分析，通過(guò)故障點(diǎn)數(shù)可以方便地描述惡劣氣候下線路的多點(diǎn)故障情況。

2．3修復(fù)率和修復(fù)時(shí)間

運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中修復(fù)率一般假設(shè)為一常數(shù)，然而在惡劣氣候下，元件的修復(fù)率較正常氣候下有較大的差異。文獻(xiàn)【6]指出冰災(zāi)期間，導(dǎo)線結(jié)冰不僅對(duì)線路的故障率，同時(shí)對(duì)于線路在覆冰情況下是否可以修復(fù)以及修復(fù)率有較大影響，并定義了不利氣候下的修復(fù)強(qiáng)度，即該氣候下的修復(fù)率與正常氣候的修復(fù)率比值。本文采用模糊建模，定義模糊變量表示線路的覆冰厚度。其模糊詞集為

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電網(wǎng)修復(fù)率(或修復(fù)時(shí)間)與故障后應(yīng)急措施有關(guān)，本文選擇“資源保障率”來(lái)體現(xiàn)應(yīng)急措施對(duì)修復(fù)率的影響。資源保障率的定義為，在時(shí)間內(nèi)，若某突發(fā)事件修復(fù)需要某種資源數(shù)目為若時(shí)間內(nèi)，應(yīng)急措施只能提供0．6M,則稱此種資源的資源保障率為0．6。資源保障率反映地是故障發(fā)生后為盡快消除故障所需的物資的充裕情況可用模糊語(yǔ)言較好地表述，定義邏輯變量表征冰災(zāi)期間資源保障率，其模糊詞集 為

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3 故障后果和風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

將冰災(zāi)期劃分為np個(gè)區(qū)間，則可認(rèn)為每個(gè)時(shí)間段內(nèi)冰厚、電網(wǎng)的負(fù)荷水平以及潮流分布近似不變。使用以下幾個(gè)公式計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。

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式中： 為風(fēng)險(xiǎn)損失電價(jià)； 為單次維修費(fèi)用；為冰災(zāi)期間維修次數(shù)。本文只考慮處于重冰區(qū)線路的多重故障，設(shè)f0為重冰區(qū)的線路集合，可按式(9)計(jì)算冰災(zāi)期間的維修次數(shù) (式(9)求取的是期間線路維修的次數(shù))。

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4 算例

4．1簡(jiǎn)單系統(tǒng)算例

線路上為重冰區(qū)連接電源點(diǎn)與負(fù)荷區(qū)域的單條輸電線路，負(fù)荷區(qū)無(wú)其他供電線路。線路長(zhǎng)20 km，假設(shè)該輸電線路檔距均為200 m，線路的故障率為0．4次／年·100 kmm，負(fù)荷為5O MW，對(duì)該供電系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，線路的設(shè)計(jì)冰厚按5O年一遇取值為25 mm，冰災(zāi)持續(xù)時(shí)間為20天，其他均為正常氣候，資源保障率為I，冰災(zāi)氣候下單次故障平均維修費(fèi)用為50萬(wàn)元，考慮到冰災(zāi)氣候下線路的覆冰發(fā)展較快，可假設(shè)冰災(zāi)期間，線路的覆冰均為該年最大冰厚，對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表1。

可以看出，雖然惡劣天氣持續(xù)時(shí)間短(20天)，但其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)影響遠(yuǎn)較大，系統(tǒng)在冰災(zāi)期間的風(fēng)險(xiǎn)損失費(fèi)用甚至是其在正常氣候下運(yùn)行全年的風(fēng)險(xiǎn)損失費(fèi)用的3倍，而投入融冰機(jī)后可以大大降低系統(tǒng)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，表中所列風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)是在該線路初始融冰冰厚為15 mill的時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)情況，圖6給出了風(fēng)險(xiǎn)損失費(fèi)用與初始融冰冰厚的關(guān)系圖，可以看出，初始融冰冰厚與風(fēng)險(xiǎn)損失費(fèi)用基本成線性關(guān)系，初始融冰冰厚越小即越早投入融冰機(jī)，可有效降低風(fēng)險(xiǎn)值。

圖7給出了未投入融冰機(jī)時(shí)其風(fēng)險(xiǎn)損失費(fèi)用隨資源保障率變化曲線。

可以看出，惡劣氣候下，維修資源的不足特別是維修資源匱乏較大程度上加劇系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。這也是在極端惡劣氣候條件下電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)損失巨大的一個(gè)重要原因。

4．2實(shí)際電網(wǎng)研究

圖8為廣東某地區(qū)220 kV主網(wǎng)接線圖，該地區(qū)電網(wǎng)在2008年遭受嚴(yán)重冰雪災(zāi)害襲擊，尤其是北部線路(GH、HJ、CJ、CI)覆冰嚴(yán)重，因而可以考慮在該地區(qū)J變電站裝設(shè)一臺(tái)站間移動(dòng)式直流融冰機(jī)，主要用于線路的HJ，IJ，CJ的除冰，其他線路覆冰嚴(yán)重時(shí)亦可使用其進(jìn)行除冰�？刹捎梅菚r(shí)序蒙特卡洛對(duì)該地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

對(duì)該地區(qū)電網(wǎng)冰災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表2。

可以看出，投入融冰機(jī)可以有效地降低電網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，減小風(fēng)險(xiǎn)損失費(fèi)用，每年由冰災(zāi)引起的風(fēng)險(xiǎn)損失費(fèi)用由635．08萬(wàn)元減少到165．23萬(wàn)元，減少幅度達(dá)469．85萬(wàn)元。值得注意的是，表2中所列的指標(biāo)為系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的平均指標(biāo)，而非針對(duì)特定的冰厚場(chǎng)景下的風(fēng)險(xiǎn)值。表3分別列出了電網(wǎng)在遭受2O年、50年、80年和100年一遇冰災(zāi)下的風(fēng)險(xiǎn)損失費(fèi)用。

由于融冰裝置及其維護(hù)費(fèi)用較高，若從電網(wǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行的平均風(fēng)險(xiǎn)來(lái)看，需要較長(zhǎng)的投資回收期，但由上述分析可以看出，在惡劣氣候尤其是極端惡劣氣候下，融冰機(jī)的投入可以在很大程度上降低電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，其減小的風(fēng)險(xiǎn)損失費(fèi)用遠(yuǎn)大于融冰機(jī)的配置及維護(hù)費(fèi)用，從這個(gè)角度看，有必要為該地區(qū)電網(wǎng)配置至少一臺(tái)融冰機(jī)，同時(shí)在惡劣氣候到來(lái)之前，應(yīng)充分做好電網(wǎng)應(yīng)對(duì)災(zāi)害天氣的應(yīng)急準(zhǔn)備，在電網(wǎng)故障時(shí)能夠及時(shí)搶修并迅速恢復(fù)供電，完善應(yīng)急機(jī)制，可以有效地降低電網(wǎng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所提方法可以較全面地定量評(píng)價(jià)電網(wǎng)遭受冰災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)，并為電力部門運(yùn)行和管理提供有益的參考和建議。該方法具有如下特點(diǎn)：P．II1分布從概率上描述冰災(zāi)發(fā)生的可能性和嚴(yán)重程度，具有合理性；通過(guò)模糊推理系統(tǒng)建立了元件的停運(yùn)模型，具有客觀性；建立了線路的多點(diǎn)故障模型，適用于描述惡劣氣候下線路的停運(yùn)情況；建立的模型可以綜合考慮多種因素對(duì)電網(wǎng)冰災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的影響，并提出降低風(fēng)險(xiǎn)損失的措施；另外本文模型也適用于其他自然災(zāi)害下電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

  本文關(guān)鍵詞：計(jì)及多因素的電網(wǎng)冰災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。