浙江電網(wǎng)雷害風(fēng)險預(yù)警方法研究

趙 偉，周象賢，張 祎

（1.浙江省氣象科學(xué)研究所，杭州 310008；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；3.浙江省氣象安全技術(shù)中心，杭州 310008）

0 引言

電網(wǎng)防雷一直是電網(wǎng)運維的重點工作。現(xiàn)階段，除了增加輸電線路的防雷技術(shù)措施以外，實現(xiàn)輸電線路雷擊實時預(yù)警，對避免和減少電網(wǎng)雷害（本文指雷擊跳閘故障）造成的損失也很有意義。

目前，對電網(wǎng)雷害風(fēng)險的研究主要分為災(zāi)后評估和災(zāi)前預(yù)警。文獻[1-4]基于歷史雷害故障數(shù)據(jù)挖掘輸電線路雷害風(fēng)險的評估指標(biāo)，提出了一種融合多種評估因子的電網(wǎng)雷害風(fēng)險評估方法。文獻[5]針對±800 kV 直流輸電線提出了一種雷害風(fēng)險評估方法。文獻[6]基于雷擊在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取比雷電定位系統(tǒng)更直接、準(zhǔn)確的雷擊參數(shù)，進行雷擊跳閘率計算并逐基評估桿塔雷擊閃絡(luò)風(fēng)險。

總體上看，災(zāi)后評估的相關(guān)研究比較多，災(zāi)前預(yù)警的相關(guān)研究則相對較少。文獻[7]利用氣象雷達數(shù)據(jù)，建立了雷電流幅值預(yù)測模型，提出了一種基于兩者的輸電線路繞擊跳閘預(yù)警方法。文獻[8]根據(jù)當(dāng)前時次及之前的連續(xù)2 個時次的雷區(qū)信息及發(fā)展軌跡，進行下個時次雷區(qū)相關(guān)信息的預(yù)報，進而計算位于雷擊預(yù)報范圍內(nèi)的輸電線路跳閘概率。文獻[9]根據(jù)雷電定位實時數(shù)據(jù)的時空演變，預(yù)報未來時段可能遭受雷擊的各分區(qū)范圍，并動態(tài)評估各輸電線路的雷擊故障概率。文獻[10]綜合運用大氣電場、雷達和衛(wèi)星數(shù)據(jù)等雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)提出了一種架空輸電線路雷擊閃絡(luò)預(yù)警方法。這些輸電線路雷害預(yù)警方法總體上偏主觀，且預(yù)警過程較為繁瑣，缺少量化的預(yù)警指標(biāo)，有些未考慮孕災(zāi)環(huán)境等因素且雷電流幅值預(yù)測準(zhǔn)確度有待商榷。

本文以氣象部門運行多年的雷電概率預(yù)報數(shù)據(jù)為作為電網(wǎng)雷害風(fēng)險預(yù)警的致災(zāi)因子評估指標(biāo)；選取海拔高度、坡度、坡向、土地利用類型和河網(wǎng)密度，構(gòu)建電網(wǎng)雷害孕災(zāi)環(huán)境敏感性評估模型。將桿塔所在區(qū)域危險地閃的出現(xiàn)頻率作為電網(wǎng)雷害風(fēng)險預(yù)警的承災(zāi)體易損性評估指標(biāo)。基于災(zāi)害學(xué)理論，利用層次分析法提出一種浙江電網(wǎng)雷害風(fēng)險預(yù)警方法。在保證電網(wǎng)雷害風(fēng)險預(yù)警準(zhǔn)確率的前提下，減少了預(yù)警的空報率，為電網(wǎng)雷害風(fēng)險預(yù)警業(yè)務(wù)化應(yīng)用提供參考。

1 致災(zāi)因子評估

電網(wǎng)雷害事故的主要致災(zāi)因子是地閃密度和地閃強度[11]。但由于目前對閃電強度的預(yù)測還存在困難，且電網(wǎng)雷擊跳閘與否還與線路本身的耐雷水平有關(guān)，所以地閃強度與耐雷水平將在承災(zāi)體評估中加以考慮。

將氣象部門運行多年的雷電概率預(yù)報數(shù)據(jù)作為電網(wǎng)雷害風(fēng)險預(yù)警的致災(zāi)因子評估指標(biāo)。雷電概率預(yù)報數(shù)據(jù)以雷電發(fā)生概率為表征，分為4 個等級即75%，50%，25%和0%，預(yù)報時效為60 min，每10 min 更新一次，分辨率為1 km×1 km。

2 孕災(zāi)環(huán)境敏感性評估

根據(jù)文獻[12]的研究結(jié)果，構(gòu)建浙江電網(wǎng)雷電災(zāi)害的孕災(zāi)環(huán)境敏感性分布。依據(jù)桿塔位置，利用GIS 技術(shù)提取每基桿塔的孕災(zāi)環(huán)境敏感度（見圖1）。

圖1 浙江電網(wǎng)雷害事故孕災(zāi)環(huán)境敏感度分布

3 承災(zāi)體脆弱性評估

由于現(xiàn)階段還無法預(yù)測地閃強度值，因此承災(zāi)體脆弱性評估以歷史值代替。計算每基桿塔的反擊和繞擊耐雷水平，然后統(tǒng)計桿塔周邊1 km范圍近10 年內(nèi)出現(xiàn)的地閃可能使該線路發(fā)生反擊或繞擊的地閃數(shù)量與該區(qū)域內(nèi)所有的地閃數(shù)量的比值，即桿塔所在區(qū)域危險地閃出現(xiàn)頻率，以此作為該桿塔承災(zāi)體脆弱性的評估指標(biāo)。

由于缺乏每基桿塔的詳細(xì)參數(shù)，無法計算每基桿塔的危險電流。綜合文獻研究結(jié)果和歷史運行經(jīng)驗[13-16]，設(shè)定浙江電網(wǎng)220 kV 和500 kV 的反擊危險電流分別為大于70 kA 和大于130 kA，繞擊危險電流為15～30 kA 和20～40 kA。

計算每基桿塔1 km 范圍內(nèi)近10 年的危險地閃出現(xiàn)頻率，如圖2 所示。從圖2 可以分析得出，沿海地區(qū)的危險地閃出現(xiàn)頻率明顯高于其他地區(qū)，主要位于舟山、寧波、臺州和溫州地區(qū)。

4 雷害預(yù)警模型及預(yù)警閾值確定

基于災(zāi)害學(xué)原理，選取孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體和致災(zāi)因子為雷害風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)，根據(jù)層次分析法構(gòu)建雷害風(fēng)險預(yù)警模型為：

式中：R 為風(fēng)險值；H 為歸一化后致災(zāi)因子；D為歸一化后承災(zāi)體脆弱性評估指標(biāo)（危險電流）；E為歸一化后孕災(zāi)環(huán)境敏感性評估指標(biāo)。

圖2 浙江電網(wǎng)雷害事故承災(zāi)體脆弱性分布

本文研究的預(yù)警分為雷電是否擊中桿塔的預(yù)警和桿塔所在線路是否雷擊跳閘的預(yù)警，即桿塔的雷擊風(fēng)險預(yù)警和桿塔的雷害風(fēng)險預(yù)警兩部分。以雷電概率預(yù)報數(shù)據(jù)作為電網(wǎng)雷擊風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)，桿塔所在處的雷擊概率預(yù)報0%和25%為低風(fēng)險，50%為中風(fēng)險，75%為高風(fēng)險。雷害風(fēng)險預(yù)警需要根據(jù)設(shè)置預(yù)警閾值，確定是否發(fā)布雷害風(fēng)險預(yù)警。

本文中2016—2018 年浙江省雷電概率預(yù)報數(shù)據(jù)來自浙江省氣象臺，2016—2018 年浙江電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和歷史雷害數(shù)據(jù)來自國網(wǎng)浙江省電力有限公司科學(xué)研究院。將2016—2017 年浙江電網(wǎng)雷害個例，用于電網(wǎng)雷害風(fēng)險預(yù)警閾值的確定。圖3 是2016—2017 年發(fā)生過雷害桿塔基于模型計算得到雷擊跳閘風(fēng)險預(yù)警值分布。為了減少因雷電概率預(yù)報不準(zhǔn)確對雷害風(fēng)險預(yù)警模型的影響，只選擇雷電概率預(yù)報為50%和75%雷害個例（即雷電概率預(yù)報準(zhǔn)確的個例）。

雷擊跳閘故障引起的電網(wǎng)停電事故，嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)安全和穩(wěn)定。因此電網(wǎng)雷害風(fēng)險預(yù)警盡可能不發(fā)生漏報，在此基礎(chǔ)上再考慮降低空報數(shù)。基于要將歷史雷擊跳閘桿塔盡可能都預(yù)警準(zhǔn)確和空報率降低的原則，將閾值定為一個區(qū)間值，風(fēng)險值位于區(qū)間內(nèi)則代表發(fā)布桿塔雷擊跳閘預(yù)警。根據(jù)圖3 風(fēng)險預(yù)警值的分布，確定不同雷電概率預(yù)報等級的桿塔雷擊跳閘風(fēng)險預(yù)警的閾值，如表1 所示。

圖3 2016—2017 年雷擊跳閘桿塔基于模型計算的雷害風(fēng)險預(yù)警值

表1 不同雷電概率預(yù)報等級的桿塔雷擊跳閘風(fēng)險預(yù)警的閾值確定

以往的雷害預(yù)警只根據(jù)雷電位置預(yù)報，認(rèn)為雷擊點落在桿塔附近，就發(fā)布雷擊跳閘預(yù)警，未考慮孕災(zāi)環(huán)境和桿塔的耐雷水平等因素，這樣會大大增加雷擊跳閘預(yù)警的空報率。對2018 年浙江電網(wǎng)雷害個例進行分析，經(jīng)過設(shè)定的閾值篩選，雷擊概率預(yù)報等級為2 級（中風(fēng)險）的桿塔的空報數(shù)減少了22.0%，雷擊概率預(yù)報等級為3 級（高風(fēng)險）的桿塔的空報數(shù)減少了25.4%，總體平均減少了24.0%。2018 年浙江電網(wǎng)一共有86 個雷擊跳閘事故案例，其中雷擊預(yù)警準(zhǔn)確有32 個；32 個雷擊預(yù)警準(zhǔn)確的案例中，雷擊跳閘風(fēng)險預(yù)警準(zhǔn)確的有31 個。

以2018 年9 月21 日為例，根據(jù)雷電概率預(yù)報數(shù)據(jù)每10 min 發(fā)布一次桿塔雷擊風(fēng)險預(yù)警，如圖4 所示。根據(jù)雷害風(fēng)險預(yù)警模型計算結(jié)果和預(yù)警閾值，對于風(fēng)險預(yù)警值在預(yù)警閾值內(nèi)的桿塔發(fā)布基于桿塔的雷擊跳閘風(fēng)險預(yù)警，如圖5 所示。

5 結(jié)論

本文基于災(zāi)害學(xué)理論，提出一種涵蓋致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體的浙江電網(wǎng)雷害風(fēng)險預(yù)警方法。得出具體結(jié)論如下：

（1）該預(yù)警方法改變了以往僅僅依靠雷電位置預(yù)報發(fā)布雷害預(yù)警的做法，融入孕災(zāi)環(huán)境和桿塔本身耐雷水平等因素，使得雷害風(fēng)險預(yù)警方法更具科學(xué)性和可操作性。

圖4 2018 年5 月18 日16:00 未來60 min 浙江電網(wǎng)雷擊風(fēng)險預(yù)警

圖5 2018 年5 月18 日16:00 未來60 min 浙江電網(wǎng)雷害風(fēng)險預(yù)警

（2）通過2018 年電網(wǎng)雷害個例的檢驗，在保證預(yù)警準(zhǔn)確率的情況下，該預(yù)警方法降低了雷害風(fēng)險預(yù)警的空報率。在保證預(yù)警準(zhǔn)確率的情況下，相比僅用雷電概率預(yù)報數(shù)據(jù)直接預(yù)警，該預(yù)警法的空報數(shù)減少了24.0%。其中，雷擊概率預(yù)報等級為2 級的桿塔雷害預(yù)警空報數(shù)減少了22.0%，雷擊概率預(yù)報等級為3 級的桿塔雷害預(yù)警空報數(shù)減少了25.4%。

（3）氣象部門的雷電概率預(yù)報數(shù)據(jù)主要基于雷達數(shù)據(jù)，其預(yù)報準(zhǔn)確度欠佳。今后在雷電概率數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以嘗試融合閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)和大氣電場數(shù)據(jù)等地面監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高雷電概率預(yù)報數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，從而提高電網(wǎng)雷害風(fēng)險預(yù)警的準(zhǔn)確度。