一种极端冰雪灾害下输电线路检修顺序优化决策方法

1.本发明涉及输电网领域，尤其涉及一种极端冰雪灾害下输电线路检修顺序优化决策方法。


背景技术：

2.近年来，本领域技术人员针对极端天气事件下电力系统韧性开展了一系列的研究。所谓电力系统韧性是指系统抵御极端事件破坏，吸收、适应并于事后快速恢复的能力。注重强调系统抵御各类危害、承受故障后果并恢复负荷供电的能力。
3.由于近年严寒地区受极端冰雪灾害事件影响较大，输电线路极易受到此类灾害影响，对电力系统整体运行造成极大威胁，而对系统韧性进行合理评估并结合实际情况提升恢复效率，能够大大提高系统韧性，大幅降低经济损失及灾害带来的社会负面影响。但目前在研究极端冰雪灾害对电力系统的影响时，部分研究没有联合考虑不同气象因素叠加对输电线路持续运行能力的威胁，普遍不考虑风的影响或仅以平均风速进行模拟，忽略了冰灾下瞬时风速作用在线路上的风力过大可能造成的严重影响，并且由于输电线路所处位置一般较为复杂，在必须依靠人工检修的同时路线制定多依靠检修人员主观判断，缺乏科学性及客观性，存在检修不到位或浪费人力及资源等情况。而现有的输电线路检修方法，存在着检修流程不合理，满足不了极端冰雪灾害下输电线路检修的需要。因此构建完善的极端冰雪灾害气象模型并合理规划输电线路检修顺序仍是现阶段严寒地区韧性研究的重点。


技术实现要素：

4.本发明的目的是，克服现有技术的不足，提供了科学合理，适用性强，效果佳的一种极端冰雪灾害下输电线路检修顺序优化决策方法。本发明的方法在考虑线路覆冰影响的同时计及瞬时风力对线路造成的巨大冲击，可充分模拟极端冰雪灾害对系统可能造成的巨大影响，并通过优化检修顺序，在高效恢复系统的同时减少路程上的时间损耗，并避免线路检修不到位或重复检修等问题，大幅提升系统韧性。
5.本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种极端冰雪灾害下输电线路检修顺序优化决策方法，其特征是，所述方法包括：
6.1)根据极端冰雪灾害气象特性，构建从时间及空间双层角度下的综合考虑线路承受瞬时风力及覆冰重力的极端冰雪灾害气象模型，并结合输电网计算线路受到影响情况，模拟线路断线停运概率；
7.2)基于蒙特卡洛状态抽样法，结合线路停运概率，确定故障场景集，根据系统响应及恢复情况，利用韧性评估指标实现系统韧性评估；
8.3)对极端冰雪灾害下输电线路检修顺序进行优化决策，并与按断线顺序检修的效果进行对比分析，通过对比电力系统韧性的评估结果，分析利用输电线路检修顺序优化决策方法对系统韧性的影响。
9.进一步地，步骤1)所述的根据极端冰雪灾害气象特性，构建从时间及空间双层角
度下的综合考虑线路承受瞬时风力及覆冰重力的极端冰雪灾害气象模型，并结合输电网计算线路受到影响情况，模拟线路断线停运概率包括：
10.①
通过对极端冰雪灾害事件场景的分析，对极端冰雪灾害事件进行气象建模，具体为建立线路覆冰厚度模型、线路承受瞬时风速模型，并考虑对线路的综合影响下，建立线路总载荷量模型为：
[0011][0012][0013][0014]
式(1)为线路覆冰厚度模型，其中，vr为降雨速率，mm/h；vw为平均风速，m/s；ρw为水的密度取值，1.0g/cm3；ρi为冰的密度取值0.9g/cm3；tn为截至观测时间极端冰雪灾害已持续小时数；
[0015]
式(2)为线路承受瞬时风速模型，其中，点(x
l
，y
l
)为输电线路上的一个观察点；点h
t
(xh，yh)为风暴中心点即极端冰雪灾害中心点；v
max
为最大风速；v
σ
为一个极小的风速偏差量；α(t)为被研究输电线路上一点到灾害中心的方向及该条线路走向之间的夹角；β(t)为风向与输电线路走向之间的夹角，当α(t)≤90
°
时，β(t)＝90
°‑
α(t)，反之β(t)＝α(t)-90
°
；a为衰减系数；
[0016]
式(3)为线路总载荷量模型，其中，r
l
为线路未覆冰时直径，mm；g为重力加速度；a为常系数，取0.006964；λ为跨度因子；
[0017]
②
对输电线路断线故障概率建模，通过式(4)对线路因承受总载荷过重导致线路断线的概率进行预测，由于输电线路长，将线路进行分段，通过式(4)计算各单元故障率后，采用式(5)计算整条线路综合故障率，具体模型为：
[0018][0019][0020]
其中，d
h1
及d
h2
分别为总载荷量的两个门限值，n为线路分段总数；
[0021]
进一步地，步骤2)所述的基于蒙特卡洛状态抽样法，结合线路停运概率，确定故障场景集，根据系统响应及恢复情况，利用韧性评估指标实现系统韧性评估包括：
[0022]
i.首先生成灾害故障场景集的流程，构建故障场景集，利用直流开断最优削负荷模型计算系统状态；
[0023]
利用式(6)所示的韧性评估指标，结合系统韧性评估流程图及系统韧性曲线，对故障场景下系统进行韧性评估；
[0024][0025]
其中，b为负荷情况基准值，即系统正常运行时系统总负荷量，实际情况中该阶段电网的性能函数可能为斜率不一的分段函数，c为分段函数总数，k为每段函数的斜率，ts为极端冰雪灾害发生时刻，t
d1
为系统开始出现失负荷现象时刻，t
d2
为系统处于降级状态运行的初始时刻，t
r1
为系统结束降级状态且开始恢复的时刻，te为极端冰雪灾害停止时刻，t
r2
为系统恢复到正常状态的时刻，实折线lr为系统在极端冰雪灾害影响下系统实际运行状态曲线；
[0026]
ii.从首要考虑线路恢复成效，尽可能缓解系统负荷削减情况角度出发，进而关注路程损耗时间，进一步提高检修方案的实际效率，寻求适用于极端冰雪灾害下输电线路检修顺序优化决策方法：
[0027]
将系统图简化为只保留因灾断线的无向散线，取线路中点构成检修点集合e，并将集合e分为两个子集ws和w
t
，其中ws为已筛选出的最优路径检修点集合，w
t
为待筛选检修点集合，再将检修站位置视为起点v0，遍历检修每条故障线路对系统状态整体影响，根据其影响效果距离远近，通过式(9)对路径赋权值，筛选出对系统负荷恢复效果好同时路程近的检修点放入集合ws中，最后，将起点更新为ws中最新加入的节点，重复上一步骤，直到w
t
为空，在此过程中，设检修队伍由检修站出发，同一时间仅检修一条线路，且一条线路仅需检修一次，当被检修线路完成检修任务后，检修队伍再前往下一受损线路，整个过程务必完成所有受损线路修复，检修队伍才可返回检修中心；
[0028]
wc＝(0.1px+k
l1
)+0.1w
l
ꢀꢀꢀ
(7)
[0029]
其中，px为模拟线路c检修后系统总负荷削减情况；k
l1
为检修线路操作代价，由于每条线路开合闸方式基本相同，忽略特殊情况，k
l1
值认为各条线路相同；w
l
为上一检修点到检修点c的路程等效值，最短路径其值为1，路径距离越远值越大。
[0030]
本发明提供的一种极端冰雪灾害下输电线路检修顺序优化决策方法的有益效果体现在：
[0031]
1.本发明在考虑线路覆冰影响的同时，计及线路所受瞬时风力的影响，可保证气象模型更贴合实际，进而提高线路运行状态预测的准确性；
[0032]
2.本发明充分考虑系统受灾害影响下的各阶段系统状态，结合各阶段特性建立可对系统韧性进行全面评估的评估指标，进一步提高韧性评估的合理性；
[0033]
3.本发明基于dijkstra算法的思想，发明了一种极端冰雪灾害下输电线路检修顺序优化决策方法，可有效提升检修效率，进一步加强系统韧性；
[0034]
4.其科学合理，适用性强，效果佳。
附图说明
[0035]
图1是极端冰雪灾害事件下电力系统韧性评估的流程图；
[0036]
图2是图1中生成灾害故障场景集的流程图；
[0037]
图3是极端冰雪灾害下输电线路检修顺序优化决策方法的流程图；
[0038]
图4是电力系统韧性曲线的示意图；
[0039]
图5是严寒地区输电系统地理位置及灾害路径示意图；
[0040]
图6是极端冰雪灾害下部分节点所处线路单元受灾害影响情况对比的示意图；
[0041]
图7是极端冰雪灾害下部分线路故障概率对比结果的示意图；
[0042]
图8是两种检修方法下灾害全过程电力系统负荷曲线的示意图。
具体实施方式
[0043]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0044]
如图1-图4所示，本发明的一种极端冰雪灾害下输电线路检修顺序优化决策方法，所述方法包括以下步骤：
[0045]
1)根据极端冰雪灾害气象特性，构建从时间及空间双层角度下的综合考虑线路承受瞬时风力及覆冰重力的极端冰雪灾害气象模型，并结合输电网计算线路受到影响情况，模拟线路断线停运概率；
[0046]
2)基于蒙特卡洛状态抽样法，结合线路停运概率，确定故障场景集，根据系统响应及恢复情况，利用韧性评估指标实现系统韧性评估；
[0047]
3)对极端冰雪灾害下输电线路检修顺序进行优化决策，并与按断线顺序检修的效果进行对比分析，通过对比电力系统韧性的评估结果，分析利用输电线路检修顺序优化决策方法对系统韧性的影响。
[0048]
进一步地，步骤1)所述的根据极端冰雪灾害气象特性，构建从时间及空间双层角度下的综合考虑线路承受瞬时风力及覆冰重力的极端冰雪灾害气象模型，并结合输电网计算线路受到影响情况，模拟线路断线停运概率包括：
[0049]
①
通过对极端冰雪灾害事件场景的分析，对极端冰雪灾害事件进行气象建模，其包括线路覆冰厚度模型
[4]
，线路承受瞬时风速模型，考虑对线路的综合影响下，线路总载荷量模型，模型如下所示：
[0050][0051][0052][0053]
式(1)为线路覆冰厚度模型，其中，vr为降雨速率，mm/h；vw为平均风速，m/s；ρw为水的密度取值，1.0g/cm3；ρi为冰的密度取值0.9g/cm3；tn为截至观测时间极端冰雪灾害已持续小时数。
[0054]
式(2)为线路承受瞬时风速模型，其中，点(x
l
，y
l
)为输电线路上的一个观察点；点h
t
(xh，yh)为风暴中心点即极端冰雪灾害中心点；v
max
为最大风速；v
σ
为一个极小的风速偏差量；α(t)为被研究输电线路上一点到灾害中心的方向及该条线路走向之间的夹角；β(t)为风向与输电线路走向之间的夹角，当α(t)≤90
°
时，β(t)＝90
°‑
α(t)，反之β(t)＝α(t)-90
°
；
a为衰减系数。
[0055]
式(3)为线路总载荷量模型，其中，r
l
为线路未覆冰时直径，mm；g为重力加速度；a为常系数，取0.006964；λ为跨度因子。
[0056]
②
对输电线路断线故障概率建模，通过式(4)对线路因承受总载荷过重导致线路断线的概率进行预测，由于输电线路长，将线路进行分段，通过式(4)计算各单元故障率后，采用式(5)计算整条线路综合故障率，具体模型如下：
[0057][0058][0059]
其中，d
h1
及d
h2
分别为总载荷量的两个门限值，n为线路分段总数。
[0060]
进一步地，步骤2)所述的基于蒙特卡洛状态抽样法，结合线路停运概率，确定故障场景集，根据系统响应及恢复情况，利用韧性评估指标实现系统韧性评估包括：
[0061]
i.首先通过图2中生成灾害故障场景集的流程，构建故障场景集，利用直流开断最优削负荷模型
[7]
计算系统状态；
[0062]
利用式(6)所示的韧性评估指标，结合图1所示系统韧性评估流程，图4所示系统韧性曲线，对故障场景下系统进行韧性评估；
[0063][0064]
其中，b为负荷情况基准值，即系统正常运行时系统总负荷量。实际情况中该阶段电网的性能函数可能为斜率不一的分段函数，c为分段函数总数，k为每段函数的斜率，ts为极端冰雪灾害发生时刻，t
d1
为系统开始出现失负荷现象时刻，t
d2
为系统处于降级状态运行的初始时刻，t
r1
为系统结束降级状态且开始恢复的时刻，te为极端冰雪灾害停止时刻，t
r2
为系统恢复到正常状态的时刻，图4中虚直线li为系统不受任何影响处于正常运行状态下系统的理想状态，实折线lr为系统在极端冰雪灾害影响下系统实际运行状态曲线。
[0065]
ii.从首要考虑线路恢复成效，尽可能缓解系统负荷削减情况角度出发，进而关注路程损耗时间，进一步提高检修方案的实际效率，寻求适用于极端冰雪灾害下输电线路检修顺序优化决策方法：
[0066]
将系统图简化为只保留因灾断线的无向散线。取线路中点构成检修点集合e，并将集合e分为两个子集ws和w
t
，其中ws为已筛选出的最优路径检修点集合，w
t
为待筛选检修点集合；再将检修站位置视为起点v0，遍历检修每条故障线路对系统状态整体影响，根据其影响效果距离远近，通过式(9)对路径赋权值，筛选出对系统负荷恢复效果好同时路程近的检修点放入集合ws中；最后将起点更新为ws中最新加入的节点，重复上一步骤，直到w
t
为空。在此过程中，设检修队伍由检修站出发，同一时间仅检修一条线路，且一条线路仅需检修一次，当被检修线路完成检修任务后，检修队伍再前往下一受损线路，整个过程务必完成所有受损线路修复，检修队伍才可返回检修中心。
[0067]
wc＝(0.1px+k
l1
)+0.1w
l
ꢀꢀꢀ
(7)
[0068]
其中，px为模拟线路c检修后系统总负荷削减情况；k
l1
为检修线路操作代价，由于每条线路开合闸方式基本相同，忽略特殊情况，k
l1
值可认为各条线路相同
[8]
；w
l
为上一检修点到检修点c的路程等效值，最短路径其值为1，路径距离越远值越大。
[0069]
下面参照图5、图6、图7、图8以及表1、表2，结合具体实例验证本发明一种极端冰雪灾害下输电线路检修顺序优化决策方法的可行性和有效性。
[0070]
本实例是以我国东北部地区为例，该系统的地理位置及灾害路径如图5所示，
[0071]
为便于分析将每条线路以20km为平均距离分段，灾害模拟数据参考2021年11月中国东北地区雪灾部分数据，其雨雪过程伴有11级瞬时大风，24小时内新增冰厚为8～15厘米，局部可达到20厘米以上，根据国家规定划分标准可转化为平均降水量为5～14.9毫米，阵风7级左右，本算例中设定最大风速为30m/s，平均风速14m/s，线路积雪厚度最后可达20厘米左右。
[0072]
所采用测试系统为ieee-30节点系统，其为110kv输电系统，根据我国架空输电线路现行设计规范gb50545-2010的要求，导线最小外径为9.6mm，基本风速不应该低于23.5m/s，重冰区宜按20mm、30mm、40m或50mm覆冰厚度等设计。所以，在本文模拟电网中，可设定输电线路的导线外径取10mm，设计风速为24m/s，设计冰厚取30mm。
[0073]
在派遣检修队伍日常行进速度为60km/h，受极端冰雪灾害影响系数取1.85，单条线路平均修复时间为3小时。
[0074]
通过模拟一个对研究区域影响时间约为18小时左右的极端冰雪灾害，利用极端冰雪灾害气象模型对输电线路所受影响进行预测，取线路5中节点2所处单元、线路20中节点14所处单元、线路24中节点19所处单元、线路38中节点27所处单元进行对比分析，其受到灾害影响示意图如图6所示。其表明：灾害对输电系统的影响具有时序性，受到灾害影响越早，线路覆冰起始时间越早，线路受到载荷力影响时间越早，而根据观测节点距离灾害中心路径垂直距离不同，线路长度不同，受到影响不同，垂直距离越近线路覆冰程度越严重，长度越长，线路持续受到覆冰时间影响越久，覆冰量越大。而在灾害范围外线路不受灾害影响。
[0075]
对整个系统进行预测后结合线路断线故障率模型，对系统全部线路进行各时刻线路故障概率计算，除去故障概率为0的线路后，剩余线路故障概率结果如图7展示。采用蒙特卡洛状态抽样法对全部线路进行可持续运行时间抽样，抽样次数取167000次，得到故障集，取各线路运行时间的数学期望建立后续分析的基础故障场景。各线路可持续运行时间及断线时刻线路总负荷削减情况如表1所示。
[0076]
表1各线路可持续运行时间及断线时刻线路总负荷削减情况
[0077]
[0078][0079]
假设最后一条线路断线后，检修队伍出发按照断线顺序进行检修，得到一个常规检修结果，并计算此时系统韧性指标。再通过本发明中韧性提升方法，得到一种新的检修方案，两种方法下电力系统整体运行状态曲线如图8所示，其韧性指标计算结果如表2所示。
[0080]
表2两种不同维修方法下系统韧性指标
[0081][0082]
根据结果可充分看出，极端冰雪灾害下输电线路检修顺序优化决策方法能够起到较好的韧性提升效果。
[0083]
综上所述，极端冰雪灾害下输电线路检修顺序优化决策方法优势体现为：在考虑线路覆冰影响的同时计及瞬时风力对线路造成的巨大冲击，可充分模拟极端冰雪灾害对系统可能造成的巨大影响，并通过优化输电线路检修顺序，在高效恢复系统的同时减少路程上的时间损耗，并避免线路检修不到位或重复检修等问题，大幅提升系统韧性。
[0084]
本发明具体实施方式并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。