摘 要

全球性极端气候日益严重，受极端天气影响，近年来国内外电网事故频发，引起多起大停电事故。同时随着电网规模不断扩大，架空输电线路通过复杂地形的情况不断增多，微地形对局部大风的影响导致架空输电线路风偏放电现象更加频繁，严重威胁发输电系统可靠运行。

本文在总结前人研究的基础上对两个方面展开研究，首先，寻找两山之间垭口型微地形导致架空输电线风偏放电最严重的情况，通过仿真可知，垭口微地形线路风荷载是平坦地形时的20%~30%左右，在谷口和山顶处，在相对高度时影响较严重，最严重时风速变化约为30%，在此基础上研究了风速变化后架空输电线的风偏角变化，其次针对处于垭口型微地形的发输电系统典型局部网络预测，不同运行接线时发生风偏放电引起的期望缺供电量情况。进而说明通过合理的运行接线可以降低垭口地形处电力系统大风灾害下的风险，给用户提供充足、可靠、高质量、经济的电能。

关键字：架空输电线；微地形；期望缺供电量；大风灾害；运行风险

Abstract

The global extreme climate is increasingly serious and affected by extreme weather. In recent years, frequent domestic and foreign power grid accidents have caused many blackouts. At the same time, with the continuous expansion of power grids, the situation of overhead power transmission lines passing through complex terrain is increasing. The influence of micro-topography on local winds leads to more frequent wind deflection discharges on overhead power transmission lines, which seriously threatens the reliable operation of transmission systems.

Based on previous researches, this article studies two aspects. First, the search for the most severe wind bias discharge of overhead power transmission lines is based on the micro-topography between two mountains. Through simulation, it can be seen that the wind load on the micro-topography line of the mouth is About 20% to 30% of flat terrain, in the valley and the top of the mountain, when the relative height is more serious, the wind speed change is about 30% in the most serious, the risk of wind bias discharge of overhead power transmission lines increases greatly, followed by The typical local network of transmission and transmission systems of micro-topography predicts that the expected lack of power supply caused by wind-biased discharge occurs during different operation wiring. It is further illustrated that by reasonably operating the wiring, it is possible to reduce the risk of wind disasters at the electric power system and provide users with sufficient, reliable, high-quality and economical electric energy.

Key Words: overhead power lines; micro-topography; expected lack of supply; operational risk.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 本文研究的目的与意义 1

1.2 大风灾害对电网影响研究现状综述 2

1.2.1 电力系统大风灾害预测性研究 2

1.2.2 架空输电线路微风振动和大风舞动研究 4

1.2.3 架空输电线路风偏放电研究 5

1.3 本文研究内容及章节安排 7

第2章 微地形影响下架空输电线风偏放电研究 8

2.1 架空输电线物理模型-刚体直棒法 8

2.2 架空输电线物理模型-弦多边形法 9

2.3 架空输电线风荷载计算 10

2.4 垭口型微地形对输电线路风载荷影响 11

2.4.1 垭口型微地形建模 11

2.4.2 垭口微地形影响分析 12

2.4.2 垭口微地形风速修正系数研究 14

2.4.3 哑口型微地形影响风速条件下风偏角的改变 15

2.5 本章小结 16

第3章 垭口型微地形发输电系统风偏放电风险评估 17

3.1 元件失效模型 17

3.2 负荷曲线模型 18

3.3 发输电系统期望缺供电量预测 19

3.4 本章小结 20

第4章 预测风偏放电后发输电系统典型局部网络的EENS 21

4.1 发输电局部网络建立 21

4.2 发输电局部网络分析 22

4.3 研究情况和元件参数 24

4.4 发输电局部网络风险评估计算 25

4.4.1 计算风偏失效状态概率 25

4.4.2 输电线L2检修24小时条件下局部网络风险评估 25

4.4.3 架空输电线L2检修时间为48小时期望缺供电量情况 29

4.5 本章小结 31

第5章 结论与展望 32

5.1 研究结论 32

5.2 研究展望 32

致 谢 33

参考文献 34

附 录 37

第1章 绪论

1.1 本文研究的目的与意义

随着全球气候变化，洪涝、干旱、台风、雨雪冰冻等极端气候日益加剧^[1-3]。2012年联合国政府间气候变化委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change IPCC）发布了题为《适应气候变化的极端事件和气象灾害风险管理》的报告，指出极端气候发生的频率和强度都有增强的趋势，特别是极端风灾。且我国东南部受东亚季风影响，是全世界受气象灾害影响最严重的地区之一。中国气象灾害的特点有灾害强度大、灾害类型多、发生频率高、危害程度重，并且群发性极端天气不断加剧。

受极端天气的影响，近年来国内外电网事故频发，引起多起大停电事故^[4-8]。国外事故，如表1.1所示

表1.1 国外近年发生的大停电事故表

国内事故，如表1.2所示

表1.2 国内近年发生的大停电事故表

电力行业是关系国家社会个人的基础性行业^[10-11]，对社会秩序的稳定和经济社会的和谐发展有直接影响，每发生一次停电事故，都会引起巨大的损失。

架空输电线路是电力系统的生命线，具有分布点多、涉及面积广、全线跨度大的特点，且长期工作在野外极端恶劣条件下，所以要保证电力系统可靠运行，关键是对架空输电线路稳定运行的研究。特别是近年来，在“一带一路”、“能源互联网”背景下国家社会用电需求不断提高，输配电网正快速发展建设，通过复杂地形和恶劣气候地区的架空输电线路不断增加，严重威胁发输电系统可靠运行。在导致电力系统事故的自然因素中，大风是最严重的一种^[12-13]。大风，主要指风力达到8级及以上的风。大风灾害的特点是突发性强，导致的事故较严重，影响范围广等。架空输电线路一旦故障，将影响用户用电，改变电力系统运行方式，导致系统振荡甚至解列，造成大停电事故。不但给电网安全运行带来较大危害，还会对国民经济产生严重影响。所以，为了有效防止大风灾害对电力系统造成的危害，合理的调节电力系统运行，保证电力系统安全可靠运行，众多学者对大风对电网造成的影响进行了研究。

1.2 大风灾害对电网影响研究现状综述

1.2.1 电力系统大风灾害预测性研究

引起电力系统事故的主要自然因素是极端气候变化，由于气候变化具有不确定性和强破坏性，所以难以避免。近年来国内外对自然灾害的统计表明，极端天气将会发生的更加频繁、剧烈、多样。为了应对极端大风引发的电网事故，做好预防工作非常重要[14-21]。研究人员需要在大风发生时，对气象条件、故障信息的全方面状况进行科学的预测，从而尽可能地减少由大风灾害带来的损失。在现在的一些研究中，统计学方法，如回归模型方法、贝叶斯网络模型被用来进行大风灾害下电网故障预测，通过利用过去发生大风灾害时架空输电线路的故障信息来预测未来发生相似大风灾害时可能引起的故障概率；气象条件是实时变化，风速参数具有一定的随机性，为了提高该方法的科学性和准确度，一些人工智能方法也被应用于大风灾害下的输电线路失效概率的计算中，有模糊理论、灰色预测技术、人工神经网络等；随着电网对预测精确性的进一步要求，一种计及微地形修正的架空输电线路高分辨率大风灾害风险预警方法被提出。

统计学方法收集过去统计的灾害参数，以及大风灾害发生时的架空输电线路故障等数据，找出内部的映射关系，再应用到现在或未来发生的情况中，预测相似大风灾害下的架空输电线故障情况。目前的研究中通常使用统计学方法中的回归模型和贝叶斯网络。文献[14]用来代表大风灾害下的线路停运率，认为解释变量是线性关系，然后代入广义线性关系，最后通过回归模型，得到大风灾害下的架空线路故障计算模型，计算出大风灾害下的架空输电线路停电概率。文献[15]利用负二项回归方法建立，通过使用北卡罗来那州的几次大风数据作为历史灾害故障数据，计算大风灾害下线路停运率。

贝叶斯网络模型是回归方法外，可以运用到计算恶劣条件下架空输电线路的事故的方法之一。贝叶斯网络模型可以解决复杂问题由随机因素引起的故障，是目前随机因素表达和研究领域最有效的理论模型。贝叶斯网络模型用概率的重要性来描述数据之间的相关性，从而化解了数据之间的差异，甚至是完全独立的情况，可以方便地解决信息不全面的问题。文献[16]提出基于贝叶斯建模的分段方法，提供了概率图形表示的电力和数据通信网络。通过考虑数据通信和电力网络的可靠性，改进整个电力系统传输线路故障诊断。在处理数据不完备方面，通过智能数据仿真算法初始化网络及实时更新网络的机制来进行处理，明显减少了计算量，提高了算法的准确度。

回归模型和贝叶斯网络模型，均利用统计学概念，对历史数据进行分析，得到大风灾害天气条件与架空输电线路故障统计数据之间的关系。利用历史统计数据的分析方法的优点是，计算过程简易，并且可以忽略部分复杂推理过程，快速预测架空输电线故障情况。但如果要求精准预测，其一要有丰富的历史数据做基础，其二预测结果严重依赖于统计数据的准确度。所以在目前大风灾害历史数据不足的情况下，统计学方法不能满足预测要求。

由于目前气象预测水平和数据处理技术的影响，很难得到准确气象数据，且具有随机性。为了解决遇到的随机性问题，以实现更精确地预测，一些研究中引入了模糊理论。文献[17]利用模糊理论，分别建立的模糊函数，将架空输电线路状况分成正常、报警、紧急、故障等情况，得出线路的运行状况。模糊理论可以表达气象数据的随机性，但根据实际天气条件制定统一的模糊规则，选择适当的隶属函数，使结果科学有效，还需要继续深入研究。

除了模糊理论，人工神经网络、灰色预测技术等也被用于映射大风灾害条件与架空输电线路故障之间的非线性关系。文献[18]通过利用极端学习机(Extrem e Learning Machine，ELM)，达到计算不同大风灾害情况下的架空输电线路故障分布情况的目的。优点是神经网络对模型的适应过程简单快速，并且可以解决数据误差等问题，但是与统计法相同，神经网络需要丰富的历史统计数据进行训练，在大风灾害引起的故障数据不足的情况下，预测效果不是非常理想。文献[19]运用了灰色预测方法和支持向量机回归计算方法。第一种方法，假定架空输电线路通过地区的外部环境数据为已知条件，但是天气状况和潮流等条件无法获得，并认为架空输电线路的风险符合指数变化规律，通过进行灰色建模，计算架空输电线路停运概率的大小。灰色预测理论的缺点是需要历史故障统计信息建立模型，所以对于大风等随时间改变的情况，灰色预测理论并不适用。第二种方法，支持向量机方法可以回避架空输电线路运行状况与架空输电线路所在环境条件间的复杂关系。所以在输出与输入结果之间的逻辑关系未知的情况下，人工智能方法可以有效地减少复杂的分析过程，也不需要对问题的详细机理进行分析。但是在故障样本不足，且故障过程对结果有重要影响时，需要结合实际情景进行分析，才能得到准确有效的结果。

文献[20]将统计学降尺度技术引入到预测大风灾害下线路故障，建立复杂微地形区域大风的数值计算模型，进一步得出可以表达大风叠加效应的复杂微地形模型，设计出反应风场分布和变化的预警信息系统。最终实现多层次、高分辨率的电力系统风灾计算模型。文献[21]构建了高精度的架空输电线路大风灾害风险分析和预警体系，为达到缩小大风灾害风险分析的时间和空间的目的，设计出架空输电线路大风灾害风险高精度分析的重要指标和模型。为达到考虑架空输电线路大风致灾的特点和统计学特征的目的，设计出典型大风灾害的在线预测方法。

由于预测性研究对历史统计数据的依赖性较高，且要得到可靠的预测结果需要准确的数据。所以，部分研究人员也对大风造成输电线路故障的具体原因进行了研究，如微风振动、大风舞动和风偏放电等。

1.2.2 架空输电线路微风振动和大风舞动研究

架空输电线路微风振动是风横向流过输电线时，在其后引起稳定脱落的卡门旋涡而发生的一种微幅的流体动力学现象。在风作用下，架空输电线最频繁发生的现象是输电线微风振动现象。微风振动的持续时间可以长达数小时，甚至可长达数天不止。严重威胁电线、金具、杆塔元件的可靠运。目前研究架空输电线的微风振动的方法有能量平衡原理、有限元方法、半解析解等。文献[22]通过研究架空输电线微风振动传统预测方法，得出能量平衡法预测误差较大的不足，分别从考虑架空输电线自阻尼、大风输入功率、防振锤影响微风振动等方面，对传统能量平衡法进行优化，达到可以考虑更多的影响因素的架空输电线路微风振动预测模型的目的。文献[23]运用有限元分析方法，对没有防振锤措施影响下架空输电线，微风振动计算的过程和数据进行了研究。通过进行微风激励与架空输电线自阻尼的有限元问题的分析和研究，得出大风下架空输电线受力的分布规律。文献[24]利用半解析法来研究架空输电线微风振动问题，推导出架空输电线的微风振动特点，设计出一种微风激励预测模型，根据振幅和曲率的关系，研究了架空输电线受力的分布规律，得到输电线微风振动的半解析解。文献[25]从流体动力学的角度出发，对特高压输电线路微风振动的后果以及关键影响因素进行了详细分析，得出特高压输电线路微风振动的特点。

架空输电线舞动相对常见的架空输电线微风振动，发生的可能性较小，但架空输电线舞动发生时，舞动较微风振动的持续时间更长、振动幅值更大而且振动的过程中出现摆动现象。舞动对于架空输电线的可靠运行的影响远大于微风振动现象，极易导致线路频繁跳闸，导线、金具等设备的损坏，造成倒塔、断线等严重后果，威胁供电线路的寿命和正常功能。覆冰、风激励、线路结构参数等是影响架空输电线的舞动主要因素，Nigol扭转舞动理论和Hartog垂直舞动理论是目前研究舞动应用较广泛的2种舞动理论。文献[26-28]的研究表明，Hartog垂直理论认为，风吹过覆冰导线的非圆截面时，会产生升力和阻力，当出现升力大于阻力的情况时，线路受力平衡出现问题，引发线路舞动。但是Hartog垂直舞动理论仅考虑了覆冰导线，在风作用下的受力平衡，忽略了导线自身扭转对舞动产生的作用。所以，该理论不能解释导线舞动现象发生在升力曲线正、负斜率的情况。Nigol扭转舞动理论认为导线自激扭转是导致导线舞动的重要影响因素。当覆冰导线在大风作用下扭转阻尼大于导线的固有扭转阻尼时，导线扭转成为自激振动，其振动主要由覆冰导线的扭转刚度和惯性质量矩大小决定，导线舞动横向运动受到耦合产生的交变力的作用，导致覆冰导线发生大幅度的舞动。Nigol扭转舞动理论主要考虑了覆冰导线在大风作用下的受力特点和导线自身扭转因素，是对导线舞动理论的丰富和发展，但该理论仍不适用于导线在薄冰和无覆冰情况下的舞动分析。

1.2.3 架空输电线路风偏放电研究

架空输电线风偏放电指强风作用下，绝缘子串带着导线靠近杆塔方向，导致导线与杆塔的空气间隙减小，当距离小于最小空气间隙时出现的放电现象。风偏放电是大风灾害下电力线路停运的主要原因之一，当前的研究主要有风偏角计算建模、风偏最小间隙距离计算分析等方面。文献[29-30]指出，风的作用时间一般大于自动重合闸动作时限，导致自动重合闸动作后放电间隙仍较小。且自动重合闸动作过程中，会导致系统操作过电压，引起空气间隙再次被击穿，2次放电可以在较大的空气间隙发生。所以，风偏放电发生时重合闸成功率往往较低，严重影响居民用电，威胁供电可靠性。文献[31-32]介绍了用于计算悬垂绝缘子串风偏角的经验方法主要有两种：刚体直棒法和弦多边形法，刚体直棒法是将悬垂绝缘子串看成是一个不会形变的刚体直棒，根据受力平衡计算出刚体直棒的空间位置，这种计算方法虽然简单，但精度往往不能满足要求；弦多边形法将绝缘子串中的绝缘子假设为两端铰接的刚体，所以整个绝缘子串被等效为刚体长链，这种模型能够较精确计算出绝缘子串风偏后的空间位置，但计算过程较复杂。

然而刚体直棒法和弦多边形法均未能考虑架空输电线的耦合作用，且主要分析平均风作用下的风偏过程，没有考虑自然风的动力效应的影响。随着计算机软硬件能力的不断增强，数值模拟技术被引入到风偏过程的计算中。文献[[33]运用ANSYS软件的建立包括高压输电铁塔、绝缘子串和导线的组合模型，并且施加脉动风计算该模型下的绝缘子串和导线的空间位置。文献[34]主要考虑了大风的动态特性，对悬垂绝缘子串的空间位置进行多刚体动力学分析，在ABAQUS有限元软件中构建绝缘子串、导线组合模型。文献[35]对大风作用下的高压架空输电线路的风偏过程进行了分析，利用有限元软件计算了不同档距的输电线路在脉动风作用下的风偏角，预测风偏放电概率。文献[36]利用ABAQUS软件对在脉动风作用下的架空输电线绝缘子串摇摆特点进行分析，给出架空输电线设计规程修改意见。文献[37]利用有限元分析软件对在不同风速的不确定风场的作用下，不同档距和离地高度的架空输电线路，风偏过程进行仿真，得到了架空输电线路悬垂绝缘子串端部的风偏曲线，进一步预测风偏放电概率。文献[38-39]提出了计及动力效应的风作用调整系数

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