基于蒙特卡羅抽樣的配電網(wǎng)雷害風險評估

嚴宇平,楊秋勇,蘇華權(quán)

(廣東電網(wǎng)有限責任公司，廣東 廣州510000)

1 引言

我國南方地區(qū)春夏兩季雷雨天氣較多，配電網(wǎng)長期受到雷害影響，發(fā)生停電事故的概率相對較高。許多電力企業(yè)開始從應(yīng)急管理的角度根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對雷害風險進行評估，在此基礎(chǔ)上判斷預(yù)警等級并采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。然而，這種應(yīng)對方式過于依賴歷史數(shù)據(jù)資料，缺乏對于配電網(wǎng)設(shè)施的動態(tài)化管理[1-3]。因此，本次研究將蒙特卡羅模擬應(yīng)用于配電網(wǎng)雷害風險評估工作中，通過數(shù)學(xué)模型來分析配電網(wǎng)雷擊風險。

2 雷擊風險基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析

通常情況下，配電網(wǎng)所受到的雷災(zāi)可分為感應(yīng)雷擊和雷電直擊兩種，由于配電網(wǎng)系統(tǒng)中主要的避雷器和設(shè)備開關(guān)都以串聯(lián)的方式與導(dǎo)線連接，因此本次研究認為導(dǎo)線上的過電壓即為直擊雷過電壓，繞擊、反擊過電壓分別如公式(1)和公式(2)所示，出于配網(wǎng)引雷的影響，在配電網(wǎng)與雷擊點之間的距離S不超過65 m的情況下，配電網(wǎng)將受到雷電的直擊，在二者距離超過65 m 的情況下，配電網(wǎng)感應(yīng)雷過電壓如公式(3)所示[4-6]。

公式(1)將導(dǎo)線反擊過電壓記為uc1；將計及電暈現(xiàn)象的耦合系數(shù)記為k；將避雷線高度記為hg；將導(dǎo)線與避雷線之間的剛體耦合系數(shù)記為k0；將設(shè)備或?qū)Ь€高度計為hc；將等值電感記為Lt；將接地電阻記為Ri；將分流系數(shù)記為β。

公式(2)將繞擊過電壓記為uc2；避雷線波阻抗記為Zc；將雷電通道波阻抗記為Z0；將雷電流幅值記為I。

公式(3)將感應(yīng)雷過電壓記為ucg；將配電網(wǎng)設(shè)備與雷擊點之間的距離記為S。

結(jié)合設(shè)備自身耐雷水平和公式(1)、公式(2)和公式(3)能夠推導(dǎo)出配電網(wǎng)設(shè)備過電壓概率密度函數(shù)Pui，其表達方式如下：

公式(4)將感應(yīng)雷擊概率記為ξ；將繞擊率記為μ；直擊雷概率記為。

在雷擊產(chǎn)生過電壓的情況下，設(shè)備耐雷水平達到極限，配電網(wǎng)設(shè)備會自動停運，然而雷電沖擊往往十分迅速，保護動作時間有限，為了應(yīng)對設(shè)備絕緣擊穿問題需要建立短路工頻電弧，線路建弧率表達方式如下[7-9]：

公式5將弧道中平均電場強度記為E，將建弧率記為η。

變壓器一般會隨帶有避雷器，變壓器在配電網(wǎng)中的安裝高度通常位于避雷線和導(dǎo)線下方，因此不會受到雷電直擊，因此本次研究只分析變壓器在避雷器失效情況下的停運風險。由于光伏、風電面積較大并且安裝位置較高，因此除了雷電流外還需要考慮線路所受到的雷電直接干擾，其表達方式如下：

公式(6)將地等效面積記為Ae；線路受雷擊損壞概率記為P1；將線路受雷擊的概率記為P2；將雷擊停運概率記為P。

3 配電網(wǎng)雷電災(zāi)害預(yù)警等級劃分

本次研究根據(jù)國家對于電力突發(fā)事件的有關(guān)規(guī)定，將配電網(wǎng)雷電災(zāi)害嚴重程度劃分為四個等級：將普通(I)、較大(II)、重大(III)、特別重大(IV)，判斷依據(jù)如下：

公式(7)將塊區(qū)域Sj的設(shè)備i雷擊過電壓超過其耐雷水平的概率記為Pui；將屬于塊區(qū)域的Sj設(shè)備i建弧率記為ηi；將塊區(qū)域等效面積記為Ae。

設(shè)φ為平均雷電災(zāi)害風險，配電網(wǎng)雷電災(zāi)害風險分級方案表1所示。

表1 配電網(wǎng)雷電災(zāi)害風險分級

配電網(wǎng)雷電災(zāi)害預(yù)警等級劃分有助于電力企業(yè)對于配電網(wǎng)雷災(zāi)進行定性處理，提高應(yīng)急效率。

4 雷電災(zāi)害停電風險計算原理

本次研究將雷電災(zāi)害停電風險定義為雷災(zāi)所造成損失與配電網(wǎng)塊區(qū)域因雷擊而失去負荷的概率之積。設(shè)配電網(wǎng)中塊區(qū)域總數(shù)為n，因此有功負荷可表示為{Ps1，Ps2，Ps3，…，Psn}。設(shè)與有功負荷相對應(yīng)的神經(jīng)經(jīng)濟價值系數(shù)為{c1，c2，c3，…，cn}，那么塊區(qū)域Sj中i元件因雷災(zāi)而出現(xiàn)故障的概率可表示為[10-11]：

雷災(zāi)對塊區(qū)域sj造成的影響所表示為：

公式(9)表達了某塊區(qū)域在雷災(zāi)影響下所受到的影響，而在實際工作中，電力企業(yè)無法對配電網(wǎng)中所有塊區(qū)域的雷災(zāi)影響進行計算，因此需要通過抽樣分析的方式來計算整個配電網(wǎng)所受到的雷災(zāi)影響。

5 蒙特卡羅抽樣風險計算流程

本次研究以雷電災(zāi)害停電風險計算原理為基礎(chǔ)，通過蒙特卡羅狀態(tài)抽樣法來分析配電網(wǎng)在雷災(zāi)環(huán)境下的運行狀態(tài)，根據(jù)抽樣結(jié)果判斷配電網(wǎng)是否存在故障，處理方法具體如下：

在公式(10)中，LLR代表蒙特卡羅狀態(tài)抽樣預(yù)測結(jié)果，N代表蒙特卡羅抽樣次數(shù)。

通過蒙特卡羅狀態(tài)抽樣法來分析配電網(wǎng)在雷災(zāi)影響下的運行狀態(tài)，首先需要明確抽樣結(jié)果是否處于故障狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上針對存在故障的抽樣結(jié)果進行風險分析，若抽樣結(jié)果不存在故障則開始下一次抽樣，直到計算出各塊區(qū)域雷災(zāi)風險之和，具體流程如圖1所示[12-13]。

6 案例計算

6.1 項目概況

本次研究以某供電單位的RTBS 母線6 系統(tǒng)為例對配電網(wǎng)雷害風險進行評估，該配電系統(tǒng)的接線方案如圖2所示，負荷分析水平及概率如表2所示。

表2 配電網(wǎng)內(nèi)負荷分級水平及概率

6.2 雷電預(yù)測模擬

本次研究對未來24小時的雷災(zāi)發(fā)生位置進行預(yù)警分析，通過蒙特卡洛法對雷電幅值和位置進行模擬，得到如圖3所示的模擬結(jié)果。雷電災(zāi)害風險等級和停電風險的配電網(wǎng)塊區(qū)域圖形表示如圖4所示。

7 結(jié)束語

本文對配電網(wǎng)雷災(zāi)風險的分析思路進行了系統(tǒng)性的梳理，提出了配電網(wǎng)雷電災(zāi)害預(yù)警等級的劃分方案豐富電力企業(yè)的應(yīng)急管理策略。最后通過蒙特卡羅抽樣分析的方式提出了配電網(wǎng)雷災(zāi)風險計算方案。在未來的研究工作中，還需要進一步加強該分析方式在臺風風險分析中的應(yīng)用，電力企業(yè)在配電網(wǎng)風險管理工作中的分析策略。