极端气象灾害下设备与系统可靠性评估诊断方法与流程

1.本发明属于电力系统技术领域，特别涉及一种极端气象灾害下设备与系统可靠性评估诊断方法。


背景技术：

2.近年来，辽宁电网建设高速发展，设备运维压力日趋加剧，复杂极端的气象情况对设备运行、用电信息、作业安全等各方面产生极大影响，设备运行管理必须依赖更多高科技手段，电网管理智能化水平必须进一步提高，运检决策内涵也必须进一步扩展和完善，高精度传感设备的应用和空天地一体化监测的要求也越来越高。随着数值气象预报技术进步，探测手段日臻完善和丰富，高性能计算快速发展和应用，气象预报预警技术取得了显著的进步，其中快速同化分析预报、集合预报、概率预报以及数字化预报等新技术的应用，促进了气象预报业务水平的提高，同时也带动了电网气象环境预警技术的提高，在电网防灾减灾中发挥了重要作用。目前尚不能完全依据电网业务及辽宁电网现状进行包括覆冰、台风、暴雨、雷电、低温、寒潮等极端天气对电网运行安全、本体安全、作业安全等方面的分析、预测、预警。
3.通过本课题的研究，实现各类灾害数据的汇聚融合与综合分析，对各类电网设备在遭受自然灾害的风险时进行预警和评估，试验建立自然灾害的致灾机理-趋势感知-损失预测-预警发布-应急处置一体化闭环管理模式，支撑电网设备运行的可靠性和安全性。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种极端气象灾害下设备与系统可靠性评估诊断方法，，以解决电网发展过快，极端气象灾害频发，必要开展应对极端气象灾害的极端气象灾害下设备与系统可靠性评估和诊断技术研究系统安全预警平台建设工作，在省级电网视角下，从设备可靠性和系统可靠性两个维度提升新型电力系统在极端气象灾害条件下的预防、抵御、应急、恢复能力。
5.为解决上述技术问题，本发明创造技术方案为：极端气象灾害下设备与系统可靠性评估诊断方法，
6.1)采集信息，生成实时气象预警范围：
7.1.1)采集监测范围内的基础信息；
8.具体包括：中国电科院采集的覆冰、大风、高温、低温、暴雨、寒潮9*9功里的气象网格数据、中国台风网的实时台风动态数据、雷电定位系统的落雷点位分布数据、pms2.0中的山火电网数据杆塔、变电站地理位置分布数据、大数据气象中心温度、湿度、风速、风向、降雨量等气象环境要素数据、d5000系统的电网负荷数据；1.2)信息预处理：将步骤1)中的信息进行预处理，剔除无需报警的信息，保留判定影响的预警数据，剔除依据为：
9.暴雨：1、2级区域判定影响，25～50mm为一级、50～100为二级；
10.大风：6～12级区域判定影响，10.8～13.9m/s为六级、13.9～17.2m/s为七级、17.2
～20.8m/s为八级、20.8～24.5m/s为九级、24.5～28.5m/s为十级、28.5～32.7m/s为十一级、32.7～37m/s为十二级；
11.低温：1～5级区域判定影响，-10～-15℃为一级、-15～-20℃为2级、-20～-25℃为三级、-25～-30℃为四级、《＝-30℃为五级；
12.高温：1～3级区域判定影响，35～37℃为一级、37～40℃二级、》＝40℃为三级；
13.寒潮：5～6级区域判定影响，-16～-14℃为五级、《＝-16℃为六级；
14.落雷：强度需高于50ka，落雷点位需在变电站或线路的1公里以内判定影响；
15.覆冰：2、3级区域判定影响，10～20为2级、》＝20为三级；
16.山火：山火火点需在线路杆塔或变电站一公里以内判定为影响；
17.台风：台风登陆后7级风圈以内的设备判定为影响，10级风圈以内判定为严重影响。
18.1.3)对步骤1.2)中得到的数据进行处理，得到时气象预警范围，具体的：
19.针对山火信息和落雷信息：均得到一个坐标定位点，以定位点为圆心，一公里范围内为时气象预警范围；
20.针对覆冰、大风、高温、低温、暴雨、寒潮、台风信息：均会得到几个坐标点，将坐标点连接，得到时气象预警范围；
21.2)确定气象预警范围内所有的变电站和线路；
22.3)将步骤2)中的线路及变电站信息以及对应的预警数据，与根据历史数据与电网数字化七图总结电网易损性分析表进行对比；当设备名称与气象类型同时关联，说明此变电站或线路此时容易发生损坏，则保留此预警信息，生成气象关联的设备列表，进入步骤4)；当设备名称与气象类型未进行关联时，说明此变电站或线路此时处于的预警情况，并不止于发生损坏，则忽略此预警信息；
23.所述的电网历史数据包括中国电科院采集的覆冰、大风、高温、低温、暴雨、寒潮9*9功里的气象网格数据、中国台风网的实时台风动态数据、雷电定位系统的落雷点位分布数据、pms2.0中的山火电网数据杆塔、变电站地理位置分布数据。
24.4)评价：获取气象关联的设备列表从pms里调取其最近一次的状态评价结果，然后以状态评价结果为初始分，串联电网内部运行数据、外部感知数据、气象预警数据和地理空间数据，以时空范围叠加，通过不同气象的扣分准则，计算出最后的设备可靠性得分；
25.初始分设定标准为：最近一次状态为正常则初始分值为100、状态为注意默认初始为80、为异常初始为70、状态为严重初始为60分；
26.扣分准则为：
27.暴雨：一级扣5分、二级扣10分；
28.大风：六级扣5分、七级扣5分、八级扣10分、九级扣10分、十级扣15分、十一级扣15分、十二级扣20分；
29.低温：一级扣5分、二级扣10分、三级扣10分、四级扣15分、五级扣20分；
30.高温：一级扣3分、二级扣5分、三级扣8分；
31.寒潮：五级扣15分、六级扣20分；
32.落雷：50ka《电流《100ka扣5分，100ka《电流扣10分；
33.覆冰：2级扣10分、三级扣20分；
34.山火：火点距离设备500m以内扣40分、火点距离设备在1000m与500m之间扣30分台风：台风7级风圈以内扣10分，10级风圈以内扣20分、12级风圈以内扣40分。
35.5)根据建议决策库针对不同气象自动生成本设备运维关注度建议。
36.本发明创造的有益效果是：本发明以电力系统风险概率性评估为目标，融合电力系统实时运行数据、一二次设备信息、气象测量及预测信息等多源异构数据，构建电力系统风险概率评估数据集，通过建立电网运行充裕性评估模型和基于运行信息融合的电力系统动态安全评估模型，实现电力系统静态和动态安全在线实时评估与预警功能。同时，针对系统有功及无功功率充裕性、关键断面阻塞风险、暂态电压、功角稳定和频率稳定失稳风险，提出风险运行优化调控策略、预防控制、紧急控制等辅助决策方法，为调度部门提供指导决策建议，可有效减少极端气象与自然灾害对电力运行设备、环境的损坏。
附图说明
37.图1为本发明流程图；
38.图2实施例1实时气象影响设备图；
39.图3实施例1气象影响设备分布图；
40.图4实施例1极端气象下设备易损性筛选图；
41.图5实施例1基于极端气象下设备可靠性建议图；
42.图6实施例1极端气象下的电网故障集；
43.图7实施例1风电场出力预测图；
44.图8实施例1光伏发电厂出力预测图；
45.图9实施例1极端气象下的电网负荷走向预测图；
46.图10实施例1电网安全稳定运行区域图；
47.图11实施例1系统可靠性辅助决策建议图。
具体实施方式
48.下面将结合本发明创造实施例中的附图，对本发明创造实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明创造中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明创造保护的范围。
49.极端气象灾害下设备与系统可靠性评估诊断方法，
50.1)采集信息，生成实时气象预警范围：
51.1.1)采集监测范围内的基础信息；
52.具体包括：中国电科院采集的覆冰、大风、高温、低温、暴雨、寒潮9*9功里的气象网格数据、中国台风网的实时台风动态数据、雷电定位系统的落雷点位分布数据、pms2.0中的山火电网数据杆塔、变电站地理位置分布数据、大数据气象中心温度、湿度、风速、风向、降雨量等气象环境要素数据、d5000系统的电网负荷数据；1.2)信息预处理：将步骤1)中的信息进行预处理，剔除无需报警的信息，保留判定影响的预警数据，剔除依据为：
53.暴雨：1、2级区域判定影响，25～50mm为一级、50～100为二级；
54.大风：6～12级区域判定影响，10.8～13.9m/s为六级、13.9～17.2m/s为七级、17.2
～20.8m/s为八级、20.8～24.5m/s为九级、24.5～28.5m/s为十级、28.5～32.7m/s为十一级、32.7～37m/s为十二级；
55.低温：1～5级区域判定影响，-10～-15℃为一级、-15～-20℃为2级、-20～-25℃为三级、-25～-30℃为四级、《＝-30℃为五级；
56.高温：1～3级区域判定影响，35～37℃为一级、37～40℃二级、》＝40℃为三级；
57.寒潮：5～6级区域判定影响，-16～-14℃为五级、《＝-16℃为六级；
58.落雷：强度需高于50ka，落雷点位需在变电站或线路的1公里以内判定影响；
59.覆冰：2、3级区域判定影响，10～20为2级、》＝20为三级；
60.山火：山火火点需在线路杆塔或变电站一公里以内判定为影响；
61.台风：台风登陆后7级风圈以内的设备判定为影响，10级风圈以内判定为严重影响。
62.1.3)对步骤1.2)中得到的数据进行处理，得到时气象预警范围，具体的：
63.针对山火信息和落雷信息：均得到一个坐标定位点，以定位点为圆心，一公里范围内为时气象预警范围；
64.针对覆冰、大风、高温、低温、暴雨、寒潮、台风信息：均会得到几个坐标点，将坐标点连接，得到时气象预警范围；
65.2)确定气象预警范围内所有的变电站和线路；
66.3)将步骤2)中的线路及变电站信息以及对应的预警数据，与根据历史数据与电网数字化七图总结电网易损性分析表进行对比；当设备名称与气象类型同时关联，说明此变电站或线路此时容易发生损坏，则保留此预警信息，生成气象关联的设备列表，进入步骤4)；当设备名称与气象类型未进行关联时，说明此变电站或线路此时处于的预警情况，并不止于发生损坏，则忽略此预警信息；
67.所述的电网历史数据包括中国电科院采集的覆冰、大风、高温、低温、暴雨、寒潮9*9功里的气象网格数据、中国台风网的实时台风动态数据、雷电定位系统的落雷点位分布数据、pms2.0中的山火电网数据杆塔、变电站地理位置分布数据。
68.4)评价：获取气象关联的设备列表从pms里调取其最近一次的状态评价结果，然后以状态评价结果为初始分，串联电网内部运行数据、外部感知数据、气象预警数据和地理空间数据，以时空范围叠加，通过不同气象的扣分准则，计算出最后的设备可靠性得分；
69.初始分设定标准为：最近一次状态为正常则初始分值为100、状态为注意默认初始为80、为异常初始为70、状态为严重初始为60分；
70.扣分准则为：
71.暴雨：一级扣5分、二级扣10分；
72.大风：六级扣5分、七级扣5分、八级扣10分、九级扣10分、十级扣15分、十一级扣15分、十二级扣20分；
73.低温：一级扣5分、二级扣10分、三级扣10分、四级扣15分、五级扣20分；
74.高温：一级扣3分、二级扣5分、三级扣8分；
75.寒潮：五级扣15分、六级扣20分；
76.落雷：50ka《电流《100ka扣5分，100ka《电流扣10分；
77.覆冰：2级扣10分、三级扣20分；
78.山火：火点距离设备500m以内扣40分、火点距离设备在1000m与500m之间扣30分台风：台风7级风圈以内扣10分，10级风圈以内扣20分、12级风圈以内扣40分。
79.5)根据建议决策库针对不同气象自动生成本设备运维关注度建议。
80.实施例1：
81.2021年11月寒潮
82.1、气象简介
83.2021年11月6日至10日，受东北冷涡及地面气旋强烈发展影响，辽宁迎来大范围雨雪冰冻天气。伴随雨雪而来的，还有寒潮大风。降雪过程中，全省各地均出现6级以上大风，本溪、锦州、阜新、辽阳、铁岭、朝阳、盘锦、葫芦岛等地区均出现8级以上瞬时大风。
84.11月10日11时，全省降雪逐步停止，降雪持续时间长达80小时以上，为辽宁省历史罕见。最大降雪量80.4毫米出现在鞍山站，最大小时降雪量10.6毫米出现在鞍山站。
85.本轮雨雪天气对辽宁电网造成的影响已突破传统辽南区域，从辽西的阜新、锦州、葫芦岛到辽宁中部鞍山、辽阳再到辽宁南部大连直至辽宁东部本溪，横贯整个辽宁省。
86.受恶劣天气影响，造成辽宁电网部分66～500千伏输电线路发生了不同程度的覆冰、舞动。
87.2、气象预警分析情况
88.通过大数据气象中心以及9*9公里的气象网格数据我们计算出58条线路与17座变电站受本次寒潮影响。
89.根据调度数据发现最终寒潮导致49条输电线路发生因覆冰、舞动导致的故障跳闸。
90.表1：极端气象影响设备总览表
91.地区500千伏220千伏66千伏合计大连2条7次1条1次26条34次29条42次辽阳1条2次01条1次2条3次阜新02条3次5条11次7条14次本溪02条3次2条5次4条8次葫芦岛005条7次5条7次鞍山001条2次1条2次锦州001条1次1条1次小计3条9次5条7次41条61次49条77次
92.在发生故障的49条线路中45条发生了停运，其中500千伏线路3条、220千伏线路5条、66千伏线路37条。
93.经过对43条自维线路故障巡视排查，造成停运原因主要为持续舞动造成重合不良28条占比65％、导地线断线引发永久接地12条占比28％、覆冰引起导地线弧垂增大导致导线与地线(耦合地线)间距离不满足绝缘空气要求引起放电导致重合不良3条占比7％。具体停运原因如下
94.表2：极端气象故障分类表
95.电压等级过载断线持续舞动弧垂增大合计500千伏1条1条1条3条
220千伏1条2条2条5条66千伏10条25条0条35条小计12条28条3条43条
96.结合灾后特巡，本次雨雪冰冻灾害除造成43条自维故障线路的导地线、保护金具、附属设备等发生不同程度损伤外，另有2条非故障线路因持续舞动造成相间间隔棒损坏。其中500千伏线路5条、220千伏线路5条、66千伏线路35条。
97.如图2-3所示，受损设备分布与故障分布一致，主要集中在本轮雨雪天气显著增加的辽宁南部大连和辽宁中东部山区的鞍山、本溪，造成线路覆冰厚度较大。
98.注：地图上红色线路为受影响的500kv线路。
99.3、气象关联设备筛选
100.如图4所示，通过大数据气象中心以及9*9公里的气象网格数据与设备易损表我们将58条线路与17座变电站进行筛选计算出7座变电站以及5回线路受本次寒潮影响。
101.表3：实时气象告警设备表
[0102][0103][0104]
4、运维建议以及关注度
[0105]
如图5所示，将7座变电站以及5回线路进行状态评价获取以及气象扣分最后行程设备运维建议关注表。
[0106]
表4：极端气象下设备可靠性建议排序表
[0107][0108][0109]
5、电网故障集构建
[0110]
电网动态分析系统基于设备健康指数、密集输电通道、重点交叉跨越、同塔架设线路和设备运维关注度设备台账等列表以及实时滚动的气象预警范围、缺陷、故障、跳闸、异常、在线监测等数据并结合设备可靠性运维关注度建议表对单体设备进行分析。
[0111]
500千伏黄金一线断线分析：500千伏黄金一线与黄金二线同塔架设，线路整体呈东北-西南走向，故障区段为平原，导线型号4*lgj-400/35。由于此次雨雪冰冻天气导致黄金一线产生覆冰，现场测量导线脱落覆冰的厚度达到了21mm，通过称重法换算，等值覆冰厚度约18.5mm，超过线路设计冰厚(10mm)。
[0112]
表5：黄金一、二线覆冰详情表
[0113][0114]
线路在覆冰、风向近垂直于线路方向的6级西北风激励下发生舞动，导线在线夹出口处局部弯曲应力变大，造成180号上相4号子导线出现金属疲劳最终断线。
[0115]
500千伏黄金二线地线断股分析：500千伏黄金二线地线型号gj-80，黄金二线与黄金一线同塔架设位于迎风侧，线路整体呈东北-西南走向，线路的故障区段为平原，受11月7日降雨、降雪和气温下降影响，黄金二线故障的区段产生了严重覆冰，现场测量导线脱落覆冰的厚度达到了21mm，通过称重法换算，等值覆冰厚度约18.5mm，超过线路设计冰厚(10mm)。在线路覆冰、非主导风向且近垂直于线路方向的6级西北大风激励下，导线存在舞动现象。同时观测到因黄金二线地线因严重覆冰，导致弧垂增大较多，而同期的导线因覆冰逐渐融化弧垂逐渐减小，导致导地线间空气间隙不足，造成线路故障跳闸，受持续风力影响和覆冰逐渐严重的情况下，黄金二线先后在不同时段舞动跳闸，造成5处导地线不同程度烧伤断股。
[0116]
500千伏红瓦二线、红登二线相间间隔棒损伤分析：灾后特巡发现，发生故障的500千伏红登二线、红瓦二线14支相间间隔棒损坏。损坏相间间隔棒为2020年2月安装，由此可以判断500千伏红登二线、红瓦二线在本轮雨雪冰冻期间发生了严重舞动，长时间舞动造成相间间隔棒断裂、均压环脱落。正是由于相间间隔棒的存在能较好的抑制舞动幅值，避免了500千伏红登二线、红瓦二线两条核电送出线路故障跳闸，确保了保暖保供时期核电送出安全。
[0117]
220千伏园宝线地线断线分析：对该线路故障后巡视发现故障塔附近多处覆冰，现场收集脱落覆冰通过称重法计算等值覆冰厚度约为14.26mm，超过设计冰厚(10mm)。根据以上情况判定架空地线在过载覆冰及大风作用下，产生的应力导致架空地线断线，掉落在a、c两项导线上，永久性短路故障。
[0118]
表6：园宝线覆冰详情表
[0119]
[0120]
输电在线监测系统评估：在线监测系统可查到全省安装输电在线监测装置36台套，接入主站36台套，实时在线28台套，包含图像监测、导线温度监测、微气象监测和覆冰监测四类装置。本次220kv及以上8条故障线路区域中，仅500kv黄金二线在故障点3公里外安装了北斗舞动监测装置，其余为卡片机图像监测，可以看到在线监测设备密度低，针对覆冰舞动的监测装置存在盲区。
[0121]
表7：在线监测装置监测信息表
[0122][0123][0124]
通过调取11月6日-10日其它区域监测数据发现，部分图像监测和导线温度监测类装置数据正常，但可反馈覆冰舞动数据的微气象监测和覆冰监测装置出现了运行故障，无实时数据反馈。
[0125]
如图6-9所示，基于分析结果生成电网极端故障集与滚动故障集，
[0126]
表8：极端气象下电网故障集合表
[0127][0128]
6、电网安全稳定运行域，如图10所示：
[0129]
基于电网故障集与相关调度数据生成本次极端气象的电网安全稳定运行区域。
[0130]
频率偏移(限值范围49.8hz-50.2hz)：
[0131]
50.013、50.029、50.015、49.957
[0132]
电压偏移(限值范围500kv-550kv)：
[0133]
220kv：保国变236、凌河变238、大成变221、黄沙变223
[0134]
500kv：唐家变521、历林变536、瓦房店变531、黄海变531
[0135]
重载元件/(负载率限值范围0-100％)：
[0136]
220kv：营滨线63％、历营线55％、甘革线39％、环滨线42％
[0137]
500kv：红瓦一线54％、红瓦二线53％、红瓦三线54％、瓦海一线52％
[0138]
断面潮流/(负载率限值范围0-100％)：
[0139]
大连外送断面：75％、83％、79％
[0140]
红沿河外送断面：86％、83％、85％
[0141]
7、系统可靠性结论
[0142]
结合电网故障集、光伏、风电出力预测、调度数据评估出本次寒潮的系统可靠性结论建议。
[0143]
电力供应形势，代替原来风险预警：
[0144]
受寒潮影响，预计大连地区新能源出力降低至8％，造成900mw功率缺额，全网旋转备用容量为2000mw，旋转备用容量大于新能源功率缺额，不会产生电力供应能力不足问题。
[0145]
频率偏移：
[0146]
受寒潮影响，预计大连地区新能源瞬时功率波动700mw-1000mw，全网一次调频容量约为3000mw，仍处于系统可调节范围内，不会引起系统频率大范围偏移。
[0147]
电压波动：
[0148]
预计南海变、花园口变存在低电压问题
[0149]
重载断面：
[0150]
500kv大连外送断面(渤海1、2号线)存在过载风险
[0151]
综合决策建议：
[0152]
事故前：控制大连外送断面潮流不大于4000mw，控制红沿河核电厂整体出力不大于4200mw
[0153]
事故中：实时监测大连外送断面潮流、红沿河核电厂出力，若发生断面过载，则控制大连外送断面潮流不大于4000mw，红沿河核电厂整体出力不大于4200mw
[0154]
事故后：优先恢复处于大连外送断面中的黄金1号线、黄金2号线，如图11所示。