層次分析法在風力發(fā)電機雷電災害風險評估中的應用

林英鑒,陳星宇,王婷婷

（1.煙臺市氣象局，山東 煙臺264003；

2.煙臺經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)氣象局，山東 煙臺264006）

1 引言

雷電災害是一種巨大的自然災害， 它危害人身安全及生命財產(chǎn)損失，雷電災害是“聯(lián)合國國際減災十年” 公布的十種最嚴重的自然災害之一， 被稱為“電子時代的一大公害”。 在電力系統(tǒng)中，雷電災害是造成電力供應中斷的主要自然災害之一。 風力發(fā)電作為一種清潔的可再生資源，對環(huán)境污染小，節(jié)省煤炭、石油等常規(guī)能源，技術成熟，在可再生能源中成本相對較低，有著廣闊的發(fā)展前景。 風力發(fā)電技術可以靈活應用， 既可以并網(wǎng)運行， 也可以離網(wǎng)獨立運行，還可以與其它能源技術組成互補發(fā)電系統(tǒng)。 這些優(yōu)點使得風力發(fā)電在近些年得到長足發(fā)展。

隨著風力發(fā)電機在世界各地的廣泛應用， 對于風力發(fā)電機遭受雷擊時的危害以及所應采取防護措施的研究逐漸成為雷電研究的新內(nèi)容， 李丹等對風力發(fā)電機葉片姿態(tài)與雷擊概率關系進行了模擬分析， 得出下行梯級先導相對于風力發(fā)電機水平偏右300 m 以及偏左300 m 以內(nèi)時， 槳葉處于15°-45°之間遭受的雷擊概率略高， 而偏右500 m時其雷擊概率明顯偏高。 Romero 等建立了一個考慮接地系統(tǒng)以及閃電多次回擊因素的風力發(fā)電機模型， 探討了接地阻抗大小以及地電流特點。 但是由于風力發(fā)電機自身特性，例如槳葉在工作中時旋轉(zhuǎn)，導致雷擊截收面積周期性變化，風機高度越來越高，加上風力發(fā)電機組一般安裝在山頂，戈壁，海灘上等空闊地帶，使其更容易遭受雷擊， 雷電對風力發(fā)電機造成的損失也在逐年增加。 目前國內(nèi)風力發(fā)電機的雷電防護還處于起步階段， 對于風力發(fā)電機組的雷電災害風險評估研究的更少， 風險評估能夠為風機在防雷設計階段起到指導作用，并做好前期規(guī)劃，避免盲目施工中發(fā)揮作用。

2 評估方法介紹

層次分析法 （Analytic Hierarchy Process， 簡稱AHP）是將與決策總是有關的元素分解成目標、準則、方案等層次， 在此基礎之上進行定性和定量分析的決策方法。 該方法是美國運籌學家匹茨堡大學教授薩蒂于20 世紀70年代初，在為美國國防部研究“根據(jù)各個工業(yè)部門對國家福利的貢獻大小而進行電力分配”課題時，應用網(wǎng)絡系統(tǒng)理論和多目標綜合評價方法，提出的一種層次權(quán)重決策分析方法。 層次分析法的主要步驟為建立層次模型、給出判斷矩陣、對矩陣進行一致性檢驗，具體步驟如下。

(1)建立層次結(jié)構(gòu)。 在對系統(tǒng)深刻認識的基礎上，根據(jù)目標和主要問題的性質(zhì)， 確定主要目標要素和主要判斷要素，建立層次模型。 最上層為目標層，通常只有1 個因素，最下層通常為方案或?qū)ο髮樱虚g可以有一個或幾個層次，通常為準則或指標層。

（2）構(gòu)建判斷矩陣。 根據(jù)對事物的認識給出判斷的數(shù)值。 一般采用1-9 標度法，含義如表1 所示。

（3）判斷矩陣的一致性檢驗。 當階數(shù)大于2時，判斷矩陣的一致性指標與隨機一致性指標之比成為

表1 1-9 標度法含義

隨機一致性比率，記為CR。 當時CR= <0.10時，即認為判斷具有滿意的一致性， 否則需要調(diào)整判斷矩陣，使之具有滿意的一致性。

（4）層次單排序。 計算出某層次因素相對于上一層次中某一因素的相對重要性， 這種排序方式稱為層次單排序。 層次單層次計算問題可歸結(jié)為計算判斷矩陣的最大特征根與特征向量問題。

（5）總層次排序。 最底層因素相對于最高層的相對重要性或相對優(yōu)勢的排序值，即層次總排序。 也就是說層次總排序是針對最高層目標而言的。

3 風力發(fā)電機雷電災害風險因素確定

風力發(fā)電機的雷電災害有其自身的特征， 旋轉(zhuǎn)的槳葉使得風機的截收面積周期性變化， 直接雷擊點可能發(fā)生在槳葉上，也可能擊到塔筒上，風機接閃后雷電流沿自身塔筒泄放入地， 此時塔筒內(nèi)的控制設備的電磁環(huán)境就會很差， 可能會引起控制設備的損壞。 但總體來說，風機的雷電損壞和風機所處環(huán)境地理位置、地形特點、土壤條件、氣象條件、塔筒的結(jié)構(gòu)等是相關的。 根據(jù)防雷工程的經(jīng)驗本文選取五個參數(shù)來確定風機遭受雷電災害的風險， 分別為風機所在位置的地閃密度、所在地的平均土壤電阻率、海拔高度、塔基本身的接地電阻、風塔的塔身高度。

3.1 雷擊大地的平均密度

地閃密度是引起風機雷電災害損失的最主要的因素，它的確定直接影響評估的準確性。 地閃密度的分布明顯的具有季節(jié)性， 在中國的絕大多數(shù)地區(qū)閃電的發(fā)生主要集中每年的6-9月， 這4 個月的雷擊大地密度較其他月份的雷擊密度要高許多。 以往對于地閃密度的確定是依據(jù)經(jīng)驗公式， 根據(jù)每年的雷暴日數(shù)推斷出年平均雷擊大地密度。 如今隨著觀測設備的改進， 應用閃電定位系統(tǒng)可以準確的確定出年平均雷擊大地密度，月平均雷擊大地密度。

3.2 風機所在地的土壤電阻率

不同區(qū)域的土壤電阻率有著顯著的不同， 它和閃電電流的幅值分布概率是相關的， 高幅值的閃電電流能夠使土壤產(chǎn)生電離，使得土壤電阻率變小。 同時土壤電阻率越高雷電流越不容易泄放， 高電位的存在時間就越長，弱電設備更容易受到損害，雷電災害更容易發(fā)生在土壤電阻率高的區(qū)域。

3.3 海拔高度

風機的雷電災害在不同的地形也有著明顯的不同。海拔高度是另一個影響閃電電流分布的因素。在山區(qū)的雷云高度要低于平原處的高度， 它們在達到大量的電荷積累前就能達到空氣的擊穿強度， 換句話說雷電電流的幅值一般情況下會隨著海拔高度的增加而減小，但是發(fā)生的頻率會更高，Peesapati 等采用有限元法對雷暴云下的風力發(fā)電機進行整體三維數(shù)值模擬，得出隨著雷暴云高度降低，風力發(fā)電機遭受雷擊概率增大。 因此在進行雷電災害評估時海拔高度也應該是必須考慮的因素。

3.4 塔基本身的接地電阻

塔基的接地電阻對雷電流的泄放起到至關重要的作用， 較小的接地電阻值能夠有效的減小布置在槳葉上的接閃器和塔筒本身以及塔基接地網(wǎng)的過電壓，從而減小槳葉以及電氣設備受損害的幾率，同時也能降低由于跨步電壓和接觸電壓對人身的傷害。如果塔基已經(jīng)安裝到位， 在進行風險分析時應該用實際的測量值替代設計時的理論值。

3.5 風電機組的高度

風力發(fā)電機槳葉上易激發(fā)上行先導，Bedja 等提出了一種軸對稱的先導模式， 模擬結(jié)果顯示增加避雷針的高度或是減小避雷針的半徑均可增加產(chǎn)生上行先導時下行先導的高度， 而風力發(fā)電機的避雷針一般都安裝在槳葉內(nèi)部， 即風機的高度影響電場的畸變，高度越高越容易遭受雷擊。

4 實例研究

4.1 構(gòu)建層次模型

以風力發(fā)電機為例進行研究， 首先要構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。 其中第一層為目標層，第二層為準則層，第三次為方案層。 假設有3 臺風機，圖中標記為P1,P2，P3，5 個準則層的影響因素設為C1 、C2 、C3 、C4、 C5 分別對應雷擊大地的平均密度、 風機所在地的土壤電阻率、海拔高度、塔基本身的接地電阻、風電機組的高度。 建立的層次結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 風機雷電災害風險等級的層次結(jié)構(gòu)模型

4.2 構(gòu)建判斷矩陣并進行一致性檢驗

由圖1 可知，準則層包含5 個準則，相對于目標層，進行兩兩比較，建立比較矩陣A 如下:然后求出滿足該矩陣的最大特征根和對應的正規(guī)化特增向量， 在處理過程中對數(shù)據(jù)進行歸一化處理， 則可以得到A 的最大特征根λmax和歸一化的特征向量W(2),分別為λmax=5.158,W(2)=(0.4126 0.1736 0.0859 0.2627 0.0652)T。 此外對矩陣 A 進行一致性比率檢驗， 一致性指標 CI==0.0395， 查 表 知 平 均 隨 機 一 致 性 指 標 RI=1.12,則 一 致 性 比 率 CR= =0.03530＜.1，矩 陣 A 的不一致性程度在容許范圍內(nèi)， 此時可用 A 的特征向量作為權(quán)向量。

4.3 計算最大特征值及權(quán)向量

假設風機P1，P2，P3 相對于準則層的參數(shù)如表2所示，C1 地閃密度可由閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)確定風機所在地的月平均雷擊大地密度，土壤電阻率C2、接地電阻C4 可由接地電阻測量儀直接測出。

表2 各風機相對于準則層的參數(shù)

其中C1 的單位為次/月·平方千米。

構(gòu)造所有相對于不同準則的方案層判斷矩陣

分別求出B1 至B5 的最大特征值和對應的特征向量，具體數(shù)值如下：

λ1max=3.0889，W1(3)=(0.5364 0.1931 0.2705)T,λ2max=3.0183，W2(3)= (0.1365 0.6205 0.2385)T，

λ3max=3.0143，W3(3)=(0.3332 0.5917 0.0751)T，

λ4max=3.0092，W4(3)= (0.1634 0.2970 0.5396)T，

λ5max=3.0000， W5(3)= (0.4000 0.4000 0.2000)T，

矩陣的一致性檢驗CR1=0.0766，CR2=0.0158，CR3=0.0122，CR4=0.0079 ，CR5=0.0000 均小于0.1， 通過了一致性檢驗。

以W(3)為列向量構(gòu)成矩陣

4.4 層次總排序

按照各個層次的權(quán)重， 量化3 臺風機的風險值則有W＝W（3）W（2）＝從W 的最終結(jié)果可以得到，3 臺風機P1 的風險等級最高，P3 的風險等級最低。 在工程設計階段應對P1給予更多的關注。

5 結(jié)論

科學的風險評估方法能夠為減小或者避免雷電災害事故提供技術支持， 層次分析法中每一層的權(quán)重設置最后都會直接或間接影響到結(jié)果， 而且在每層次中的每個因素對結(jié)果的影響程度都是量化的，非常清晰、明確。 應用層次分析法對雷擊大地的平均密度、風機所在地的土壤電阻率、海拔高度、塔基本身的接地電阻、風電機組的高度5 個要素進行分析，能夠比較出每臺風機的風險值的高低， 從而為工程設計提供指導意見。

這種方法也存在著不足之處，當目標過多時，數(shù)據(jù)統(tǒng)計量大，且權(quán)重比較難確定，更好的評估方法還有待研究。