一种基于雷击数据空间自相关分析的配电网雷害风险评估方法

技术领域

本发明涉及电力系统防雷技术领域，具体是一种基于雷击数据空间自相关分析的配电网雷害风险评估方法。

背景技术

配电网绝缘水平较低，容易遭受雷击过电压影响。同时，中低压架空配电线路具有长度短、杆塔跨距小的基本特点，雷电定位系统数据精度不足，难以准确定位遭受雷击的配网杆塔。另外，现有配电线路雷电参数、杆塔结构和耐雷水平等参数同质化严重，因此采用现有输电线路差异化防雷方法，对配电线路每基杆塔进行雷害差异化风险评估的误差较大，使得配网防雷措施的针对性不强。

参考专利如下：

国家电网公司,辽宁省电力有限公司丹东供电公司.输电线路差异化防雷方法:CN201310112586.6[P].2013-08-07.

广东电网公司电力科学研究院.一种输配电线路差异化防雷方法及其系统:CN201310060830.9[P].2013-06-05.

国网江苏省电力有限公司苏州供电分公司,东南大学.一种基于配网雷击数据的输电线雷击风险评估方法及系统:CN202210777805.1[P].2022-08-05.

国网江西省电力公司电力科学研究院,国家电网公司.一种配电线路雷害风险评估方法:CN201710304501.2[P].2017-08-18.

现有相关专利的技术方案主要有两大类：第一类为输电线路差异化防雷技术，是通过对每基线路杆塔的雷电参数、杆塔结构和耐雷水平进行精细分析，评估输电线路杆塔雷害风险差异，并据此实施针对性防雷改造的技术。但受现有雷电定位精度所限，配电线路杆塔的雷电参数、杆塔结构和耐雷水平参数同质化严重，难以套用输电线路差异化防雷技术开展有效的雷害风险评估。

第二类专利为配电线路雷害风险评估方法，是考虑了配电线路的雷害特点和主要影响因素的雷害风险评估方法。但其不足在于对于每种影响因素，没有提出量化的计算方法，缺乏统一的评价模型。上述方法，虽然可评估某条配电线路的高雷害风险区段，但不能比较配电网中不同线路的雷害风险，也无法进行电网线路雷害风险的有效排序，不利于电网雷害综合治理的目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于雷击数据空间自相关分析的配电网雷害风险评估方法，通过分析配电线路附近地闪密度与历史雷害故障等多种影响因素，预测配电线路的雷害风险等级，并通过多年地闪密度的空间自相关分析，提取配网雷害的空间重复聚集特征，为针对性的差异化防雷措施提供指导。

一种基于雷击数据空间自相关分析的配电网雷害风险评估方法，包括如下步骤：

步骤一、统计持续的雷电地闪热点区域；

步骤二、统计雷害热点区域；

步骤三、计算线路平均耐雷水平；

步骤四、判断待评估线路是否与步骤一所得持续的雷电地闪热点区域相交，判断待评估线路是否与步骤二所得雷害热点区域相交，以及对步骤三所得所有待评估线路的平均耐雷水平进行排序，使用标准偏差筛选法，判断线路平均耐雷水平是否低于一个负标准偏差；

步骤五、根据步骤四所得判断结果判定电力线路雷害风险等级。

进一步的，所述步骤一具体包括：首先通过雷电定位系统数据，统计待评估电力线路所在地区的年地闪密度分布，对每一年的地闪密度分布数据，采用Getis-Ord Gi*空间统计算法进行热点分析，得到每年的地闪热点数据，对特定地理位置的地闪热点数据，采用Mann-Kendall趋势检验法进行地闪热点的变化趋势预测，得到历史地闪热点的空间重复聚集特征及其区域范围，即得到持续的雷电地闪热点区域。

进一步的，其中对每一年的地闪密度分布数据，采用Getis-Ord Gi*空间统计算法进行热点分析，得到每年的地闪热点数据，具体为：Getis-Ord局部统计表示为：

其中x

计算地闪密度空间分布矩阵中各元素的热点指数Gi*，筛选Gi*≥1的地闪热点区域，得到每年的地闪热点数据。

进一步的，其中采用Mann-Kendall趋势检验法进行地闪热点的变化趋势预测，得到历史地闪热点的空间重复聚集特征及其区域范围，即得到持续的雷电地闪热点区域，具体为：

对于时间序列X，Mann-Kendall趋势检验的统计量如下：

其中，x

当n≥8时，统计量S大致地服从正态分布，其均值为0；

衡量趋势大小的指标为：

式中，1

进一步的，所述步骤二具体包括：通过待评估电力线路的历史雷害点位置数据，统计雷害密度值，采用Getis-Ord Gi*空间统计算法进行热点分析，得到历史雷害热点区域范围。

进一步的，其中采用Getis-Ord Gi*空间统计算法进行热点分析，得到历史雷害热点区域范围，具体为：计算雷害密度空间分布矩阵中各元素的热点指数Gi*，筛选Gi*≥1的雷害热点区域，得到历史雷害热点数据。

进一步的，所述步骤三具体包括：对于未装设避雷器的杆塔，采用线路绝缘强度计算此杆塔耐雷水平；对于已装设避雷器的杆塔，采用避雷器通流容量计算此杆塔耐雷水平；最后，对同一线路所有杆塔的耐雷水平值进行算数平均，得到待评估线路的平均耐雷水平。

进一步的，其中对于未装设避雷器的杆塔，采用线路绝缘强度计算杆塔耐雷水平，具体计算公式为：

式中，I为杆塔耐雷水平(kA)；U为绝缘子绝缘强度(kV)；Z为线路波阻抗(Ω)；

对于已装设避雷器的杆塔，采用避雷器通流容量计算杆塔耐雷水平，具体计算公式为：

I＝I

式中，I为杆塔耐雷水平(kA)；I

进一步的，所述步骤四具体包括：判断待评估线路是否与持续的地闪热点区域相交，如有空间交集记A＝1，否则记A＝0；判断待评估线路是否与雷害热点区域相交，如有空间交集记B＝1，否则记B＝0；对所有待评估线路的平均耐雷水平从高至低进行排序，使用标准偏差筛选法，对平均耐雷水平低于一个负标准偏差的线路记C＝1，其余80％线路记C＝0。

进一步的，所述步骤五具体包括：通过步骤四判断所得A、B、C值判定电力线路雷害风险等级：当A+B+C＝3，线路具有高雷害风险，其高风险区域位于上述交集区域，差异化防雷改造应针对地闪热点区域和雷害热点区域提高线路耐雷水平；当A+B+C＝2，线路具有中雷害风险，上述交集区域仍具有较高雷害风险，差异化防雷改造应针对位于热点区域内的杆塔，提高线路耐雷水平；当A+B+C＝1，线路具有低雷害风险，可暂时不做防雷改造，等待下一周期重新评估其雷害风险。

本发明主要基于雷击数据空间自相关分析提出了一种配电网雷害风险评估方法：首先，利用雷电定位系统监测数据提取地闪频发热点区域，由图4可知，地闪密度与线路雷害点具有较强相关性，因此位于地闪热点区域内的线路具有较高的雷害风险。其次，利用配电网雷害数据提取线路雷害热点区域，由图3可知，线路雷害呈现一定空间聚集趋势，在雷害热点区域内的线路雷害风险更大。最后，线路耐雷水平决定了线路遭受雷击后的跳闸率，因此，在相同区域内耐雷水平低的线路雷害风险更大。

综上所述，此方法不需要对每基线路杆塔的雷电参数、杆塔结构和耐雷水平进行精细分析，即可对配电线路的雷害风险高低进行排序，并针对雷害风险最大的线路实施防雷改造，可有效降低配电网雷击跳闸率。

附图说明

图1是本发明实施例基于雷击数据空间自相关分析的配电网雷害风险评估方法的流程图；

图2是本发明实施例配电网雷害风险等级判定规则；

图3是2012年线路上发生的雷害故障点；

图4是2012年线路雷害故障点与地闪密度热点区域的空间自相关性。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

雷击线路造成的破坏机理主要有两类：第一种雷电直接击中线路杆塔或导线，产生直击雷过电压；第二种当雷击线路附近地面时，由雷电流产生的强烈电磁脉冲，也会在架空线路上产生有害的感应雷过电压，危害电气设备安全。

线路雷击跳闸率是衡量输电线路防雷性能优劣的主要指标，参考GB/T 50064-2014等标准，当配电线路未装设避雷线时，线路雷击跳闸率计算公式为：

n＝NPη (1)

式中，n为线路雷击跳闸率，单位为次/(百公里·年)；N为线路地闪次数；P为雷电流幅值超过耐雷水平I时，引起冲击闪络的概率；η为绝缘闪络后的建弧率；

IEEE标准综合世界各地的雷击电流实测数据，推荐雷电首次回击电流幅值的累积概率分布服从公式：

本发明通过对架空配电线路雷害分析，总结出3个主要特点：①雷害风险与线路耐雷水平负相关，公式(1)中线路耐雷水平越低、雷击跳闸率就越高。②配电线路遭雷电直击概率较小，主要受线路附近雷击的感应过电压影响，因此对周边雷击频率较敏感(线路地闪次数N越大、雷电活动越频繁、线路雷击跳闸率就越高)；由图4可知，地闪密度与线路雷害点具有较强相关性，因此位于地闪热点区域内的线路具有较高的雷害风险。③雷害严重的配电线路及其受灾区域分布较固定(其他雷害影响因素，可通过线路雷害历史统计数据进行考虑)，比如山区或丘陵地带的线路段；由图3可知，线路雷害呈现一定空间聚集趋势，在雷害热点区域内的线路雷害风险更大。因此通过统计这3个指标，可高效开展配电网雷害的风险评估工作。

请参阅图1，本发明实施例提供一种基于雷击数据空间自相关分析的配电网雷害风险评估方法，包括如下步骤：

①雷电地闪热点区域统计：

首先，收集待评估电力线路所在地区的雷电定位系统数据，筛选雷电地闪发生的时间和位置信息，使用网格法(5km×5km)统计线路区域每年的地闪密度分布，得到年地闪密度空间分布矩阵。

对每一年的地闪密度分布数据，采用Getis-Ord Gi*空间统计算法进行热点分析，Getis-Ord局部统计可表示为：

其中x

计算地闪密度空间分布矩阵中各元素的热点指数Gi*，筛选Gi*≥1的地闪热点区域，得到每年的地闪热点数据。

对特定地理位置的地闪热点数据，采用Mann-Kendall趋势检验法进行地闪热点的变化趋势预测。对于时间序列X，Mann-Kendall趋势检验的统计量如下：

其中，x

n为数据样本的长度；

sgn是符号函数，其定义如下：

当n≥8时，统计量S大致地服从正态分布，其均值为0。

衡量趋势大小的指标为：

式中，1

判断待评估线路是否与持续的地闪热点区域相交，如有空间交集记A＝1，否则记A＝0。

②雷害热点区域统计方法：

首先，收集待评估电力线路的历史雷害点位置数据，使用网格法(5km×5km)统计(全部)雷害密度分布，得到线路雷害密度空间分布矩阵。

对雷害密度分布数据，采用Getis-Ord Gi*空间统计算法进行热点分析。计算雷害密度空间分布矩阵中各元素的热点指数Gi*，筛选Gi*≥1的雷害热点区域，得到历史雷害热点数据。

判断待评估线路是否与历史雷害热点区域相交，如有空间交集记B＝1，否则记B＝0。

③线路平均耐雷水平计算方法：

对于未装设避雷器的杆塔，采用线路绝缘强度计算杆塔耐雷水平：

式中，I为杆塔耐雷水平(kA)；U为绝缘子绝缘强度(kV)；Z为线路波阻抗(Ω)。

对于已装设避雷器的杆塔，采用避雷器通流容量计算杆塔耐雷水平：

I＝I

式中，I为杆塔耐雷水平(kA)；I

最后，对同一线路所有杆塔的耐雷水平值进行算数平均，得到线路平均耐雷水平。对所有待评估线路的平均耐雷水平进行排序(从高至低)，使用标准偏差筛选法，对平均耐雷水平低与一个负标准差的线路记C＝1，其余线路记C＝0。

④通过A、B、C值判定电力线路雷害风险等级：

如图2所示，当A+B+C＝3，线路具有高雷害风险，其高风险区域位于上述交集区域，差异化防雷改造应针对地闪热点区域和雷害热点区域提高线路耐雷水平；当A+B+C＝2，线路具有中雷害风险，上述交集区域仍具有较高雷害风险，差异化防雷改造应针对位于热点区域内的杆塔，提高线路耐雷水平；当A+B+C＝1，线路具有低雷害风险，可暂时不做防雷改造，等待下一周期重新评估其雷害风险。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。