2016, Vol. 49文章信息
- 黄文武, 杨旭, 刘玉, 王玮, 姚森敬, 鲁海亮, 文习山
- HUANG Wenwu, YANG Xu, LIU Yu, WANG Wei, YAO Senjing, LU Hailiang, WEN Xishan
- 一种基于VC++平台的输电线路防雷措施层次分析方法
- AHP for selecting transmission line lightning protection based on VC++
- 武汉大学学报(工学版), 2016, 49(4): 585-590
- Engineering Journal of Wuhan University, 2016, 49(4): 585-590
- http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2016-04-017
-
文章历史
- 收稿日期: 2015-08-12
2. 武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072
2. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China
国内外多年的线路运行经验表明，雷击架空输电线路引起的线路跳闸或其他故障严重威胁着输电线路安全可靠运行[1-3].广东地区为雷电活动频繁地区，据资料显示：2001-2003年，广东省≥110 kV电压等级线路雷击跳闸占总跳闸数的62.4%[4].因此深入研究分析输电线路的耐雷性能并提出合理的防雷措施具有重要的工程意义.
目前经常采用的提高输电线路耐雷水平的措施有降低杆塔接地电阻、架设避雷线、架设耦合地线、增加绝缘子片数、安装线路型避雷器、减小保护角、安装避雷针等[5-11].如何综合考虑技术经济效益，选取最优的防雷措施，目前还没有明确的标准和原则.
文献[12]提出将改进层次分析法应用于输电线路综合防雷措施的评估中，并对220 kV的典型线路进行改造措施评估.但是研究并未充分考虑线路杆塔的差异性.文献[13]将改进层次分析法和模糊综合评估法结合在一起提出了针对500 kV输电线路的防雷改造评估方案.在以上研究的基础上，提出一种基于VC++平台的自动推荐输电线路防雷措施的方法，根据层次分析法，综合考虑各种防雷措施对跳闸率降低效果、改造成本、施工难易度、后期维护以及运行寿命等指标的影响，定量计算其相对重要程度，以此来确定防雷改造措施.同时还选取了广东地区典型的220 kV和110 kV线路进行防雷措施改造设计，并对改造的效果进行反馈，验证设计程序的有效性.
1 输电线路跳闸率计算 1.1 反击跳闸率计算利用VC++编程[14]实现ATP计算内核的调用，可以求得线路耐雷水平，然后利用规程法计算反击跳闸率.
反击跳闸率Nc计算公式:
式中：N为每100 km线路，每年(40雷日)遭受雷击的次数；g为击杆率；η为建弧率；P为雷电流超过耐雷水平的概率[9].
计算反击跳闸率的流程如图 1所示.
|
| 图 1 反击跳闸率计算流程图 Figure 1 Flowchart of calculating counterattack tripping rate |
利用EGM(Electro Geometric Model)法计算线路绕击跳闸率[9]，绕击跳闸率Ns的计算公式为
式中：Ng为地面落雷密度，次/km2/a；η为建弧率；W为最终平均暴露投影宽度，m.
利用VC++编程计算绕击跳闸率的流程如图 2所示.
|
| 图 2 绕击跳闸率计算流程图 Figure 2 Flowchart of calculating shielding failure rate |
层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是Saaty提出的一种多目标评价决策方法，它将一个复杂问题中的各种因素划分为相互联系的有序层次，根据对客观现实的判断，用数学方法表示各层次因素相对重要性次序的数值，得到排序结果[15-18].
将层次分析法运用到推荐防雷改造措施中，流程图如图 3所示.
|
| 图 3 基于层次分析法推荐防雷措施流程图 Figure 3 Flowchart of recommending lightning protection measures based on AHP |
常见的防雷改造措施有：降低接地电阻、加强绝缘水平、架设旁路或耦合地线、减小保护角、加装保护间隙、安装可控避雷针、安装线路型避雷器、采用不平衡绝缘、采用消弧线圈接地方式以及装设自动重合闸等等[19].
考虑到每基杆塔的差异性，从杆塔所在地形地貌特征、杆塔结构、已有的绝缘配置、已采取的防雷措施、反击绕击跳闸率超标百分比等指标出发，初步确定备选的防雷改造措施.
初步确定备选防雷改造措施的具体流程如图 4所示.
|
| 图 4 防雷措施备选方案初选流程图 Figure 4 Flowchart of screening comprehensive lightning protection measures |
将目标问题所包含的因素按不同属性进行分层，以同一层次因素作为准则，对下一层次的某些因素起支配作用，同时又受上一层次因素的支配，构成递阶层次.
具体的防雷措施评估层次结构模型如图 5所示.
|
| 图 5 防雷措施评估层次结构模型 Figure 5 Hierarchy model for evaluation of lightning protection measures |
假设要比较n个因素X={x1，x2，…，xn}对目标Z的影响，即确定它们在Z中所占的比重.每次取2个因素xi和xj，以aij表示xi和xj对Z的影响程度的比值，从而得到两两比较判断矩阵：A=(aij)n×n[20].
2.4 层次单排序及其一致性检验层次单排序：首先求解出判断矩阵A的最大特征值λmax，再利用AW=λmaxW，求解出λmax所对应的特征矢量W，标准化的W即为该层次各因素对应于上一层次中某个因素相对重要性的排序权值.
一致性检验：为检验判断矩阵A的一致性，首先计算它的一致性指标CI，定义CI=(λmax-n)/(n-1)，式中n为判断矩阵A的阶数.为判断A是否有满意的一致性，还需将CI与平均随机一致性指标RI进行比较，对于1~6阶判断矩阵，文献[12]给出了RI相应的值，如表 1所示[21].
令CR=CI/RI为随机性一致性比率，CR<0.10时A具有满意的一致性，否则要重新调整A，直到具有满意的一致性.这时计算得出的λmax所对应的特征矢量W经标准化处理后，就可以作为层次单排序的权值.
2.5 层次总排序及其一致性检验层次总排序就是利用同一层次因素的所有层次单排序的结果，计算针对上一层而言，本层次所有因素重要性的权值.
假定总目标为W，准则层A的m个因素A1，A2，…，Aj…，Am对于总目标W的排序为a1，a2，…，aj，…，am.
措施层B的n个因素对上层准则层A中因素Aj的层次单排序为b1j，b2j，…，bnj (j=1，2，…，m).
则B层对总目标W的层次总排序为b1，b2，…，bj，…，bn，其中，B
同样，层次总排序也需要进行一致性检验，满足CR<0.1，否则应对前面建立的判断矩阵进行调整.AHP的最终结果是得到相对于总目标的各决策方案的优先顺序权重，据此作出决策[22].
3 自动推荐防雷改造措施程序结合以上分析，利用VC++作为编程语言，实现输电线路自动推荐防雷改造措施的工作，通过输入输电线路及各基杆塔的参数，就可以自动给出最优的防雷改造方案.
自动推荐防雷改造措施程序的流程图如图 6所示.
|
| 图 6 VC++编程流程图 Figure 6 Flowchart of VC++ programming |
针对广东某地区3条示范线路，利用上述编制的程序开展防雷改造设计工作，并对方案实施效果进行反馈.
4.1 220 kV线路Ⅰ据统计，该220 kV线路25~287号共有24基杆塔曾受雷击，其中1基杆塔雷击跳闸记录为3次，8基为2次，15基为1次.
根据程序推荐,采用如下改造措施：对所有曾受雷击的杆塔每基安装2组线路型避雷器，同时对143、164、165、110、132、192、213、233号杆塔进行接地改造，如表 2所示.
防雷改造方案根据层次结构模型中准则层的各因素确定，结合每条线路具体情况，各因素被赋予不同的权重，所有因素加权共同作用决定最终的改造措施.考虑到改造前该线路部分杆塔接地不合理，对接地进行改造能明显提高线路跳闸率，且实施具有可行性，能保证经济效益，采取了接地改造的措施；对曾受雷击的杆塔有针对性地安装线路型避雷器.
| 塔头避雷针/基 | 线路避雷器/基 | 预估跳闸率f/(100 km·a) | 优于标准的百分比/% |
| 66 | 24 | 0.533 | 8.42 |
改造方案实施效果反馈：该220 kV线路于2013年4月29日完成输电线路的防雷改造.反馈的调研数据显示：截止到2013年8月20日，该条线路未发生过跳闸事故，线路雷击跳闸率明显降低.可见防雷改造的效果是令人满意的.
4.2 110 kV线路I据统计，110 kV线路I共7基杆塔曾受雷击却未装避雷器；12基杆塔雷击跳闸率高却未装避雷器且未发生事故.
根据程序推荐,采用如下措施.
1) 采取降阻措施：17、61、18、35、60号.
2) 安装线路型避雷器：5、14、16、18、21、29、30、35、36、42、51、52、55、60、62、63、65、66、67号均装设2组避雷器.
由于曾有杆塔遭受雷击，所以安装了线路型避雷器直接保护，这是针对直击雷降低雷击跳闸率最简单有效的措施；对于部分杆塔所处地区接地电阻过高的情况，考虑到经济性和施工可行性，采取了降阻措施，如表 3所示.
| 塔头避雷针/基 | 线路避雷器/基 | 预估跳闸率f/(100 km·a) | 优于标准的百分比/% |
| 0 | 19 | 0.816 | 16.0 |
改造方案实施效果反馈：110 kV线路I于2013年5月26日完成输电线路的防雷改造.反馈的调研数据显示：截止到2013年8月20日，110 kV线路I只发生过1次跳闸事故.即2013年6月25日110 kV线路I号36塔B相绝缘子均压环雷击闪络，且重合闸成功，不影响送电.可见防雷改造以降低线路雷击跳闸率的效果是理想的.
4.3 110 kV线路Ⅱ110kV线路Ⅱ共有6基杆塔曾受雷击却未装避雷器；有5基杆塔雷击跳闸率高却未装避雷器且未发生事故
根据程序推荐,采用如下措施.
1) 采取降阻措施：51、56、77、85号.
2) 安装线路型避雷器：34、46、49、56、82、85、89号，边相安装2支线路避雷器.
与线路I类似，对曾受雷击的杆塔有针对性地安装线路型避雷器进行直接保护，对土壤接地电阻高的杆塔采取降阻措施,如表 4所示.
| 塔头避雷针/基 | 线路避雷器/基 | 预估跳闸率f/(100 km·a) | 优于标准的百分比/% |
| 0 | 7 | 0.423 | 56.3 |
改造方案实施效果反馈：2013年5月至2013年8月20日，110 kV线路Ⅱ只发生过1次跳闸事故.2013年6月9日110 kV线路Ⅱ号77塔C相绝缘子整串有雷击闪络痕迹，且重合闸成功暂不影响运行.可见防雷改造以降低线路雷击跳闸率的效果是理想的.
5 结论基于层次分析法理论，利用VC++语言编写程序自动推荐输电线路防雷改造措施.
1) 利用层次分析法理论构建的输电线路综合防雷措施评估模型，可以不用进行复杂的矩阵计算而直接求出各层次的因素排序权值，大大降低实际工作中的计算量，且其具有完全的一致性，从而可以大大简化VC++编程算法.
2) 针对选取的3条输电线路的历史跳闸情况，通过提出的层次分析法计算分析，提出了合适的改造措施.这些措施能够有效提高输电线路的耐雷水平，显著降低雷击跳闸率，化解线路防雷运行风险.所以基于该程序提出的防雷改造措施的效果是理想的.
| [1] |
王春杰, 祝令瑜, 汲胜昌, 等. 高压输电线路和变电站雷电防护的现状与发展[J].
电瓷避雷器, 2010, 235(3): 35–46.
Wang Chunjie, Zhu Lingyu, Ji Shengchang, et al. Status quo and development of lightning protection in HV transmission line and substation[J]. Insulators and Surge Arresters, 2010, 235(3): 35–46. |
| [2] |
维列夏金, 吴维韩. 俄罗斯超高压和特高压输电线路防雷运行经验分析[J].
高电压技术, 1998, 24(2): 76–79.
Weilie Xiajin, Wu Weihan. Lightning protection analysis of EHV and UHV transmission lines in Russia[J]. High Voltage Engineering, 1998, 24(2): 76–79. |
| [3] | IEEE standards PAR 1243.Design guide for improving the lightning performance of transmission lines[S]．IEEE Power and Energy Society,2008. https://standards.ieee.org/develop/project/1243.html |
| [4] |
王志勇, 余占清, 李雨, 等. 减小地线保护角对改善线路防雷性能的效果[J].
高电压技术, 2011, 37(3): 622–628.
Wang Zhiyong, Yu Zhanqing, Li Yu, et al. The effect of reducing ground wire’s protection angle on improving the line’s lightning protection performance[J]. High Voltage Engineering, 2011, 37(3): 622–628. |
| [5] |
朱芸, 王剑, 潘劲东, 等. 输电线路防雷性能评价和综合优化的研究[J].
华北电力技术, 2008(2): 18–20.
Zhu Yun, WangJian, Pan Jindong, et al. Research on lightning protection performance evaluation and comprehensive optimization of transmission lines[J]. North China Power Technology, 2008(2): 18–20. |
| [6] |
王剑. 超高压电网输电线路防雷特性分析[J].
华北电力技术, 2008(10): 11–13.
Wang Jian. Lightning protection performance analysis of EHV transmission lines[J]. North China Power Technology, 2008(10): 11–13. |
| [7] |
李瑞芳, 吴广宁, 马御棠, 等. 特高压交流输电线路耐雷水平相关因素研究[J].
电瓷避雷器, 2009(3): 14–17.
Li Ruifang, Wu Guangning, Ma Yutang, et al. Study on the related factors of the lightning withstand level of UHV AC transmission line[J]. Insulators and Surge Arresters, 2009(3): 14–17. |
| [8] |
蒋圜交, 吴亮, 安莉, 等. 超高压输电线路雷击事故分析及保护措施[J].
电瓷避雷器, 2008(3): 34–37.
Jiang Huanjiao, Wu Liang, An Li, et al. Lightning accident analysis and protective measures for EHV transmission line[J]. Insulators and Surge Arresters, 2008(3): 34–37. |
| [9] |
李景禄.
高电压技术[M]. 北京: 中国水利电力出版社, 2008.
Li Jinglu. High Voltage Technology[M]. Beijing: China Water Power Press, 2008. |
| [10] |
陈家斌.
接地技术与接地装置[M]. 北京: 中国电力出版社, 2003.
Chen Jiabin. Grounding Technology and Grounding Device[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2003. |
| [11] |
林福昌.
高电压工程[M]. 北京: 中国电力出版社, 2006.
Ling Fuchang. High Voltage Engineering[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2006. |
| [12] |
赵淳, 阮江军, 李晓岚. 输电线路综合防雷措施技术经济性评估[J].
高电压技术, 2007, 37(2): 290–294.
Zhao Chun, Ruan Jiangjun, Li Xiaolan. Technical and economic assessment of comprehensive lightning protection for transmission line[J]. High Voltage Engineering, 2007, 37(2): 290–294. |
| [13] |
段若晨, 王丰华, 顾承昱, 等. 采用改进层次分析法综合评估500 kV输电线路防雷改造效果[J].
高电压技术, 2014, 40(1): 131–137.
Duan Ruochen, Wang Fenghua, Gu Chenyu, et al. Comprehensive assessment of lightning protection effect of 500 kV transmission line by the improved analytic hierarchy process[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(1): 131–137. |
| [14] |
孙鑫.
VC++深入详解[M]. 北京: 电子工业出版社, 2012.
Sun Xin. Further Explanation of VC++[M]. Beijing: Electronics Industry Press, 2012. |
| [15] |
张志劲, 孙才新, 蒋兴良. 层次分析法在输电线路综合防雷措施评估中的应用[J].
电网技术, 2005, 29(14): 68–71.
Zhang Zhijin, Sun Caixin, Jiang Xingliang. Application of AHP in lightning protection measures assessment for transmission line[J]. Power System Technology, 2005, 29(14): 68–71. |
| [16] | Saaty T L. The Analytic Hierarchy Process[M]. New York: McGraw-HiIl,Inc, 1980. |
| [17] | Momoh J A, Zhu Jizhong. Optimal generation scheduling based on AHP/ANP[J]. IEEE Trans on System, Man and Cybernetics, 2003, 33(3): 531–535. DOI:10.1109/TSMCB.2003.811122 |
| [18] |
李佩, 杨伟. 改进层次分析法和模糊灰色理论的管道土壤腐蚀评价[J].
油气储运, 2006, 25(4): 27–33.
Li Pei, Yang Wei. Evaluation of pipeline soil corrosion by the improved AHP and fuzzy gray theory[J]. Oil Gas Storage and Transportation, 2006, 25(4): 27–33. |
| [19] |
梁义明, 付浩, 邵涛. 吉林省66 kV及220 kV输电线路防雷措施及应用效果分析[J].
电瓷避雷器, 2009(5): 36–40.
Liang Yiming, Fu Hao, Shao Tao. Analysis of lightning protection measures and application effect of 66 kV and 220kV transmission lines in Jilin Province[J]. Insulators and Surge Arresters, 2009(5): 36–40. |
| [20] |
赵焕臣, 许树柏, 和金生.
层次分析法[M]. 北京: 科学出版社, 1986.
Zhao Huancheng, Xu Shubai, He Jinsheng. Analytic Hierarchy Process[M]. Beijing: Science Press, 1986. |
| [21] |
杨超, 吴健, 傅金安, 等. 基于AHP法的雷电灾害损失综合评估[J].
安徽农业科学, 2010, 38(8): 4358–4360.
Yang Chao, WuJian, Fu Jinan, et al. Comprehensive assessment of lightning disaster loss based on AHP[J]. Anhui Agricultural Sciences, 2010, 38(8): 4358–4360. |
| [22] |
刘万里, 雷治军. 关于AHP中判断矩阵校正方法的研究[J].
系统工程理论与实践, 1997, 17(6): 30–34.
Liu Wanli, Lei Zhijun. Research on the method of revising judgment matrix in AHP[J]. System Engineering Theory and Practice, 1997, 17(6): 30–34. |