摘 要

台风是一种恶劣的自然灾害。世界上每年都会有关于台风灾害的报道。中国南方沿海的省份几乎每年都会遭受台风的侵袭。近年来，台风不仅发生得更频繁，而且破坏性也越来越强。台风灾害会对电网的相关设施造成危害，比如断线、倒塔、变电站一次设备的损坏等。风灾造成电网设备的损坏，对电网运行的稳定性和安全性造成威胁，从而有可能发生大停电事故，对社会、经济、人民生活造成巨大损失和影响。

本文首先阐述了台风灾害下电力系统的风险辨识的研究目的和意义，然后综述了当前关于台风灾害下电力系统风险辨识的国内外研究现状，总结了台风灾害对电力系统的影响、电网应对台风的基本策略。再提出可用于辨识电网关键线路的关键线路指标，并提出将其应用于台风场景下的关键线路辨识的思路。最后在IEEE9节点系统中对关键线路辨识模型进行验算并对结果进行分析。

关键词：台风；电力系统；风险辨识；关键线路；IEEE9节点系统

Abstract

Typhoon is a harsh natural disaster. There are reports of typhoon disasters every year in the world. The provinces along the southern coast of China are suffering from typhoons almost every year. In recent years, typhoons have not only occurred more frequently, but also become more destructive. Typhoon disasters may cause damage to the relevant facilities of the power grid, such as disconnection, tower collapse, and damage to the primary equipment of the substation. Wind damage caused damage to power grid equipment, posing a threat to the stability and safety of power grid operation, which may result in a blackout accident, causing huge losses and impacts on society, economy, and people's lives.

This paper first expounds the research purpose and significance of the risk identification of power system under typhoon disaster, then summarizes the current domestic and international research status of power system risk identification under typhoon disaster, summarizes the impact of typhoon disaster on power system, and the grid responds to typhoon. Basic strategy. Then it proposes the key line indicators that can be used to identify the key lines of the power grid, and proposes the idea of applying it to the key line identification under the typhoon scene. Finally, the critical line identification model is checked and analyzed in the IEEE9 node system.

Keywords: Typhoon; power system; risk identification; critical line; IEEE9 node system

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本文研究内容及章节安排 4

第2章 设备灾损机理、对电网的影响、应对策略 6

2.1台风灾害造成设备损毁的机理 6

2.2对电网运行方式的影响 6

2.3电网应对台风基本策略 7

2.3.1台风来临前的准备 7

2.3.2台风期间的应急策略 7

2.4本章小结 8

第3章 电网关键线路指标 9

3.1小世界网络简介 9

3.1.1小世界网络模型 9

3.1.2电力网络模型 9

3.2关键线路指标及辨识 11

3.2.1介数值指标 11

3.2.2关键线路的辨识 11

3.3台风灾害下的关键线路辨识思路 13

3.3.1台风灾害下的线路故障率 13

3.3.2台风灾害下关键线路辨识综合指标 14

3.4本章小结 14

第4章 关键线路辨识模型算例分析 16

4.1算例分析 16

4.2本章小结 22

第5章 结论与展望 24

5.1结论 24

5.2研究展望 24

致谢 26

参考文献 27

绪论

研究背景及意义

一直以来，台风灾害的发生往往伴随着沿海地区电网受到重大影响。在台风灾害下往往会发生大面积的停电故障。中国沿海地区各省市电网相关数据显示，由台风灾害引发的线路故障跳闸超过线路跳闸的20%，电力系统的安全稳定运行在台风灾害下受到了严重的威胁。2014年，台风“威马逊”在海南登陆。本次台风风力达到了17级，另外其还具有范围广、成灾快等特点，对广东、广西、海南三省电网造成了巨大的破坏。广东电网10kV及以上的线路发生跳闸达700多次，6500多基10kV及以上的杆塔发生倒塌，有1200多根的低压的电杆发生倒塌。正常用电受到风灾影响的用户超过200万户。湛江市在本次台风灾害中受到的损失和影响最大，其中，徐闻县的供电在台风灾害下发生中断，全县停电。在建国以来的关于台风的记录中，2015年10月份登陆的“彩虹”是威力最大的一次。本次的超强台风具有威力大、移动快的特点，同时伴随强大的降雨。该台风风力17级，最大风速达到17m/s，湛江地区电网遭受重创，造成港城变电站因发生变电设备损坏导致全站停运。其中，110kV及以上主网的设备严重受损。广东电网110kV及以上变电站有80座停运，数量上是2014年“威马逊”的5.3倍之多。此外，110kV及以上线路跳闸数量是“威马逊”的4.1倍，110kV及以上杆塔倒塌数量是“威马逊”的5.3倍。2016年9月中旬，“莫兰蒂”在厦门登陆。其登陆时中心风速已经达到了15级之大，同时伴随有强度为17级的阵风。漳州、厦门、泉州地区的电网遭到严重破坏。其中，厦门500kV变电站受台风影响，有很多杆塔在此次灾害中遭到破坏。2017年8月23日，初始登陆时中心风速就有14级之大的台风“天鸽”在广东省登陆。台风“天鸽”造成广东电网77座35kV及以上变电站发生停运事故，另外还有100多条110kV以及以上的线路发生跳闸。以上的电网设备故障导致广东正常供电受影响的用户多达200多万户。

国家电网“十三五规划”指出，“要有效防范大面积停电事故的发生，确保电力系统安全稳定运行，适应全球气候变化的形式，加强电网防灾、抗灾、减灾能力建设，推广先进应用技术，努力降低雨雪冰冻等极端恶劣天气对电网安全稳定运行的影响”^[1]。从以上关于台风对电力系统造成的破坏的统计数据，可以看出当前台风仍然是对电力系统的安全稳定运行影响最大的自然灾害之一，台风的降临往往伴随着电力系统巨大损失。

综上所述，为了减少台风灾害下电网遭受的损失，对电力系统在台风灾害下的风险进行辨识尤为重要。同时，该研究也对电网的防灾减灾，抢修恢复，建设规划等工作都有重要意义。

国内外研究现状

目前，关于台风灾害下电力系统风险辨识的研究主要有两方面：（1）台风气象的相关研究；（2）台风对电力系统的影响研究。而目前台风对电力系统的影响研究主要分为三个方面：台风灾前预测、台风灾中评估、台风灾后修复等。

风灾是电力系统遇到的最常见的自然灾害之一，同时对电力系统的破坏程度较大。每年世界各地特别是沿海地区的国家遭受台风（国外称之为飓风）灾害的事件更是常见。台风灾害下电力系统的稳定运行受到威胁，对台风灾害下电力系统的风险辨识评估显得越来越重要。目前对台风气象的研究主要集中在台风风场表面建模以及风场数值特性研究这两方面。文献[2]中，E. F. Thompson等人对一个离散数值风场模型进行了描述，讨论模型局限性的同时，讨论了模型的升级之后的特性，对改进后的模型在提高小型、强烈飓风建模的准确性方面提出了展望。文献[3]中，P. J. Vickery研究了飓风模拟的风场模型对飓风运动的方程完整非线性解进行了求解并进行了参数化然后可用于仿真，该模型考虑了10分钟平均风速和最大阵风风速，能够很好的用于当飓风的风速超过概率或者限度时的估计。文献[3-6]都对台风的相关预测进行了研究。在文献[4-5]中，Yan Meng等人从风场边界数值研究的角度出发，都分别给出了对台风参数进行预测的方法。文献[6]中P. J. Vickery等人根据相关调查结果提出可用风场和飓风填充模型来推导飓风风速。文献[7]中M. E. Batts等人则描述了飓风气候特征的概率模型和飓风风速场的物理模型。这些对台风气象的相关研究特别是风场建模和台风特性预测为研究台风对电力系统的影响提供了很大的帮助。

台风对电力系统造成的影响的处置应对方面的研究包括三个方面：台风灾前预警、台风灾中评估、台风灾后修复。其中，灾前预警目前主要研究的是台风灾害下输电线路预警方法；对灾中评估的研究，主要包括对电力系统脆弱环节进行识别研究、系统脆弱性评估研究等；灾后修复的主要研究内容是总结台风造成电力系统影响的原因分析，应对措施总结等。

关于输电线路台风灾害损毁预警方面的研究，主要有台风灾害下输电线路停运概率建模和台风灾害下输电线路预警机制建模两方面。文献[8-9]都研究了如何在大风情景下计算输电线路的停运的概率。两者之间的不同在于，前者是综合考虑风参数和线路的风荷载设计水平，建立了恶劣环境条件下的输电线路停运模型，动态地分析线路实时停运概率。后者从绝缘子风偏的角度出发，结合绝缘子风偏模型以及g-h分布函数模型，研究出了一种在台风场景下的对电网停运概率进行计算的新方法。文献[10-13]都是对输电线路的预警方法进行研究。其中，文献10、11、12都是结合了地理信息对预警区域进行网格化，来进行台风灾害预警工作的研究。文献[10]提出结合微地形的方法来开展灾害预警，即结合天气大风预警预报信息，用经纬网对输电线路的地理位置进行标示，然后结合不同地形对台风的影响进行输电线路损毁预警。文献[11]提出将预警区域进行网格划分，然后结合正态分布函数和极值分布函数计算输电线路损毁概率。两个方法的共同点就是将要预警的区域进行网格化，数据化。文献[12]在将预警区域网格化划分的同时，把预警区域中的电网线路也考虑在内，再结合得到的台风气象的信息，把网格中心到台风中心的距离和台风风圈这两者进行比较，最终得到有效的决策界。风险线路的停运概率可在此基础上进行计算得到，最后以计算得到的概率作为依据进行判断。而与以上文献思想不同的是，文献[13]认为，台风造成电力线路出现运行故障的原因主要在于线路在台风下的风荷载。作者利用分布式的光纤测风技术，提出了一种能够在台风灾害下对电网进行实时的预警的方法。应用这种方法的好处在于，能够有效指导电网的工作人员巡检时能够首先选择大风险线路，提高工作效率的同时减少电网在台风灾害下的损失。

电力系统的风险辨识一个方面就是从系统脆弱性辨识和薄弱环节出发来研究系统的稳定性。文献[14]从数据驱动的角度出发，运用随机矩阵理论和熵理论的知识，提出了一种辨识电网关键节点和关键线路的方法。在对电网的关键节点和关键线路进行辨识了的条件下，文献[15]导出了失负荷概率（loss of load probability, LOLP），失负荷频率（loss of load frequency，LOLF）和电力不足期望（expected demand not supplied，EDNS）对元件可靠性参数的解析表达式。并在这些表达式的基础上，建立了一套完整的大电力系统可靠性指标。这些指标可以用来对元件可靠性参数的灵敏度进行计算。应用可靠性指标的灵敏度公式，能有效地找到制约系统可靠性的薄弱环节。文献[16]在根据高维随机矩阵理论进行了高维随机矩阵数据模型的构建，推导出了异常数据检测理论和方法，该方法可用于电力系统运行中的异常情况检测。此外，文献[17]中，Ajendra Dwivedi等人提出一种基于复杂网络最大流量分析法，同时根据Max-Flow Min-Cuf定理能够用于求连杆的承载力的特性，提出了一种电力系统脆弱性进行评估的方法。而Xi Zhang等人基于基尔霍夫定律、网络元件性质、网络的复杂结构等，从网络的角度来考虑系统的鲁棒性。并提出大型停电事故是由于特定关键部件故障引发的，在设计上合理改进电力系统的构造，使得关键组件部分减少，那么电力系统将会更稳定^[18]。

另外，在系统层面对电力系统进行评估方面，文献[19]中，Billinton. R提出了一种将天气效应纳入综合系统充分性评估的新方法，可以识别不同区域的天气状况，因此该方法能够很好地应用于恶劣天气情况下的电力系统风险评估，且适用于于大型输电系统。但是该方法很依赖恶劣天气数据的收集来为评估提供依据。文献[20]中，H. Liu等人在大型地理信息数据系统的条件下，提出了一种负二项回归模型，能够用于预测飓风过境后地区设备运行可能的中断次数。而文献[21]的He X等人利用电网大数据结构，第一次将随机矩阵理论应用于智能化方向，介绍了一种利用随机矩阵理论，提出了一种详细的方案体系结构,然后再在算法方面运用高维分析将结果与随机矩阵理论进行对比。同时还探讨了智能电网运行的集团化工作模式，但是结果表明，该体系仅仅适用于区域小型数据库的块计算。

电力系统风险辨识的另一方面是灾害下输电线路运行风险，目前已有大量方法。文献[22]中，冯永青在模糊性与随机性相结合的可信性理论的基础，对电力系统中的不确定因素，提出了一种用可信性理论去对系统的风险进行评估的方法。文献[23]则是运用了现代量化风险评估原理，同时考虑故障发生的概率和后果作为输电线路安全风险的指标，对输电线路的安全风险进行量化评估和等级划分。但是这种方法只从电力设备故障概率和停电影响而没有考虑电力用户的不同用电特性。文献[24]将定性与定量相结合，对层次分析法进行改进，建立风险评估的层次结构的模型，再对影响的因素的权重进行计算，最后确定风险的等级。但是实际上这种方法主观性比较强，误差较大。

台风灾害造成电网系统故障停运或者输电线路瘫痪的事故时有发生。架空输电线路是输配电系统的主要组成部分，自然环境因素对其影响很大，暴露在大风灾害时更是容易受到损毁。而台风灾害下电网停运和输电线路瘫痪事故的主要原因是输电线路的断杆、倒塔。文献[25]针对该问题进行分析并提出应对措施，指出输电线路杆塔的抗风能力和输电线路防风标准是电力系统稳定性和脆弱性的重要指标。在台风发生前和发生后如何进行电力系统的防范和恢复同样是电力系统台风灾害风险评估的重要内容。文献[26-27]介绍了电网应对台风的措施及经验的分析总结。文献[26]对停电事故进行总结分析，对强台风下停电的原因进行分析并介绍并分析了“黑启动”在电网故障紧急情况下的重要性以及实施方法。文献[27]介绍了在台风前、台风中、台风后采取的相应措施，并提出台风前对台风即将登陆的路径进行准确研判是很重要的以及对重要用户的部署实施“一张图”的方法重要性。

从以上在这方面的国内外研究现状可以看出，当前关于台风的研究除了研究其本身的特性之外，还有就是电力系统与台风场景进行结合的研究。然而后者更多的只是从设备层面来进行故障概率计算、预测，而从系统层面对台风灾害下的风险进行辨识的研究还是很少。

本文研究内容及章节安排

本文研究台风灾害下电力系统的风险辨识，主要聚焦在电力网络中的关键线路的辨识以及将其置于台风灾害场景下的关键线路的辨识。关键线路的辨识能够为电网公司的应急处置提供指导，能够在灾害来临时对那些于系统来说至关重要的线路进行重点保护，有效提高防灾工作的效率，减少电力系统在灾害下的损失。本文的行文结构和主要研究内容如下：

第一章是绪论，主要从文献调查研究的基础上，阐述分析了研究的背景、研究的目的意义，同时在文献阅读的基础上，归纳总结了当前国内外在该研究领域的现状。

第二章，分析了当前台风灾害对电网设备造成破坏的机理，总结了台风对电网造成的影响以及电网应对台风灾害的一些灾前灾中的措施。

第三章是本文的重点章节，主要在台风灾害下的电力系统的风险辨识研究这个大方向下，聚焦于研究系统中的关键线路辨识。基于小世界网络建立电力网络模型，利用线路的介数值，作为电网关键线路的指标，构建辨识关键线路的模型。然后提出将其与台风下线路失效率结合的可用于台风灾害下的关键线路指标的思路。

第四章主要是将上一章介绍的介数值的辨识方法置于一个9节点系统中进行验算，并对得出的结果的进行分析。

第五章对本文研究的内容进行了总结并给出了一些结论，分析了所介绍的关键线路辨识的方法的不足之处，然后结合该不足之处，对本研究的问题的未来方向进行展望。

设备灾损机理、对电网的影响、应对策略

台风灾害造成设备损毁的机理

台风灾害下导致配电线路断电停运的主要原因是台风导致的断线和风偏闪络。

（1）配电线路在台风灾害下发生断线损毁的原因除了台风本身的破坏性大的原因外还主要有设计标准、设备质量、设备环境、施工质量、台风引发的次生灾害等原因。

1）台风风力的强度超过配电线路的抗风设计标准导致断线。中国电力行业标准文件DL/T5220—2005《10kV及以下架空配电线路设计技术规程》^[28]，对10kV及以下架空配电线路的抗风设计标准进行了规定：10kV配电线路的防风最大设计风速标准，目前我国配电网的线路设计风速普遍在25~35m/s。而强台风的风速值往往高于该风速值，因而产生断线。

2）早期的配电线路设计标准偏低且设计不规范。早期的线路由于历史原因，一些老旧运行年限较长的配电线路设计标准偏低，或者是线路的抗风设计不规范，不合理，不能满足现代配电线路的防风设计要求。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：