段 杰 王秀麗 侯雨伸

（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 西安 710049）

基于模糊專家系統(tǒng)的輸電線路分段冰風(fēng)荷載等效停運(yùn)率模型

段 杰 王秀麗 侯雨伸

（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 西安 710049）

輸電線路通?？缍容^大，針對(duì)一條輸電線路在同一時(shí)間不同區(qū)段可能處于不同冰凍風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的狀況，引入串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型，先對(duì)線路分段，考慮外界條件對(duì)停運(yùn)率的影響，然后再整合，得到整條線路的等效停運(yùn)率?？紤]到氣象預(yù)測(cè)誤差和電力系統(tǒng)運(yùn)行的不確定性對(duì)線路停運(yùn)率計(jì)算的影響，建立基于模糊專家系統(tǒng)的線路非解析可靠性模型，將分段等效模型中停運(yùn)率與主要外界影響因素之間的確定性關(guān)系模糊化，選擇合適的模糊集、隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則來(lái)彌補(bǔ)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確帶來(lái)的缺陷。以IEEE RBTS系統(tǒng)為例，預(yù)先設(shè)定線路各段所處的天氣狀況、地形狀況和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，求解特定工況下線路條件相依的綜合停運(yùn)率。計(jì)算結(jié)果表明，分段等效模型能夠更加準(zhǔn)確、合理地反映天氣狀況和系統(tǒng)狀態(tài)的變化對(duì)線路綜合停運(yùn)率的影響，為評(píng)估線路運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性提供了基礎(chǔ)。

線路停運(yùn)率 分段模型 模糊專家系統(tǒng) 風(fēng)力荷載 冰力荷載

0 引言

2008年發(fā)生在我國(guó)南方大范圍的低溫雨雪冰凍災(zāi)害使我國(guó)南方多個(gè)地區(qū)的電力設(shè)施損壞嚴(yán)重，電力供應(yīng)遭到嚴(yán)重破壞，電力線路冰閃跳閘，電力桿塔斷線倒塔等，對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)活動(dòng)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到 1 500億元，電網(wǎng)在這次極端天氣條件下的脆弱情況令人大為震驚。事實(shí)上，由于過(guò)去冰災(zāi)的出現(xiàn)次數(shù)和影響范圍較小，加之以往電力設(shè)施建設(shè)遠(yuǎn)沒(méi)有現(xiàn)在密集，冰凍災(zāi)害造成的損失并沒(méi)有引起人們的足夠重視。近年來(lái)隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大和延伸，冰凍和暴（雨）雪等災(zāi)害性天氣對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響也越來(lái)越大，因此積極開(kāi)展極端冰凍災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行影響的可靠性評(píng)估顯得非常迫切和重要[1-3]。

從以往事故的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，在惡劣天氣條件下，空氣溫度、風(fēng)速和濕度等環(huán)境條件及負(fù)荷電流等運(yùn)行條件以及電力設(shè)備的服役時(shí)間等不斷變化使得電力系統(tǒng)元件的短期可靠性不斷改變，繼而影響了系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性水平。其中，覆冰引起的冰力荷載和風(fēng)向、風(fēng)速引起的風(fēng)力荷載對(duì)線路故障的影響非常顯著，當(dāng)氣溫＜0℃持續(xù)時(shí)，電氣設(shè)備產(chǎn)生覆冰并持續(xù)增長(zhǎng)，與此同時(shí)，受線路覆冰的影響，線路等效半徑明顯增大，對(duì)線路承受的風(fēng)力荷載影響顯著，兩者共同作用導(dǎo)致大量的線路故障停運(yùn)。另外，輸電線路上的潮流變化對(duì)停運(yùn)率的影響同樣是一個(gè)重要因素，因?yàn)槌绷髟较抟鸬臏厣蛊錂C(jī)械強(qiáng)度缺失，導(dǎo)線被拉長(zhǎng)。而導(dǎo)線被拉長(zhǎng)后不可避免地引起下垂，接頭處融化，從而增加閃絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)[4]。

建立條件相依的線路短期停運(yùn)率模型是運(yùn)行可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)。如果電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估過(guò)程中不考慮惡劣天氣條件對(duì)電力系統(tǒng)的影響，評(píng)估結(jié)果會(huì)偏樂(lè)觀，這將影響電力系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。目前已有較多文獻(xiàn)對(duì)極端天氣條件下電力系統(tǒng)的運(yùn)行和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究，但是主要集中在研究覆冰機(jī)理和增長(zhǎng)模型、線路監(jiān)測(cè)以及融冰技術(shù)策略[5,6]等。文獻(xiàn)[7]基于瞬時(shí)狀態(tài)概率采用快速排序算法評(píng)估了發(fā)輸電系統(tǒng)的短期可靠性。這些研究都采用恒定的元件故障率，沒(méi)有考慮天氣環(huán)境和電氣量等運(yùn)行條件對(duì)元件停運(yùn)的影響，難以反映運(yùn)行條件的變化對(duì)系統(tǒng)短期可靠性的影響。文獻(xiàn)[8-10]介紹了與天氣條件相依的電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法，但都以同一線路受到單一氣象條件影響為前提，并沒(méi)有考慮到同一線路不同地段氣象條件的差異性所導(dǎo)致的電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)差異。文獻(xiàn)[11]分析故障率對(duì)電網(wǎng)設(shè)計(jì)的危險(xiǎn)性時(shí)主要基于元件故障率的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)值，并未考慮某些地區(qū)缺少原始數(shù)據(jù)記錄的問(wèn)題，因此即使建立了線路可靠性的模型也很難確定相應(yīng)的參數(shù)。文獻(xiàn)[12]通過(guò)模糊規(guī)則系統(tǒng)建立了元件停運(yùn)模型，是一種較合理的處理方法，但其仍是按照整條線路受單一天氣條件作用的思路來(lái)考慮三種不同影響因素對(duì)停運(yùn)率的綜合作用，而且其不同因素對(duì)停運(yùn)率的影響簡(jiǎn)單取最大值來(lái)計(jì)算，也忽視了冰力和風(fēng)力荷載的聯(lián)合作用。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文研究了分段冰風(fēng)荷載等效停運(yùn)率模型。針對(duì)一條輸電線路在同一時(shí)間不同區(qū)段可能處于不同冰凍風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的狀況，引入串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)線路分段考慮外界條件對(duì)停運(yùn)率的影響，然后再整合得到整條線路的等效停運(yùn)率?？紤]到氣象預(yù)測(cè)誤差和電力系統(tǒng)運(yùn)行的不確定性對(duì)線路停運(yùn)率計(jì)算的影響，建立了基于模糊專家系統(tǒng)的線路非解析可靠性模型，將分段等效模型中停運(yùn)率與影響因素之間的確定性關(guān)系模糊化，選擇合適的模糊集、隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則來(lái)彌補(bǔ)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確帶來(lái)的缺陷。此方法建立的線路短期停運(yùn)率模型是運(yùn)行可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)，可以為運(yùn)行決策和線路設(shè)計(jì)提供參考。

1 停運(yùn)率影響因素?cái)?shù)學(xué)模型

冰力荷載、風(fēng)力荷載和線路的潮流水平是影響輸電線路停運(yùn)率最重要的因素[13]。線路荷載和停運(yùn)率之間的關(guān)系，可以用表達(dá)式λ=f (loadice)和λ= f (loadwind)表示，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此都沒(méi)有確定的數(shù)學(xué)表達(dá)式。瑞典研究人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)得到了線路停運(yùn)率與風(fēng)力荷載和冰力荷載的離散表達(dá)式[5]。鑒于國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有針對(duì)荷載值的停運(yùn)率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，故本文引用瑞典統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并在此基礎(chǔ)上修改后進(jìn)行分析。

1.1冰力荷載

線路上的冰力荷載是一個(gè)積累的過(guò)程，影響覆冰的因素包括溫度、濕度和風(fēng)速等，這里簡(jiǎn)單給出在滿足溫度和濕度條件下冰力荷載的計(jì)算，即覆冰現(xiàn)象已經(jīng)出現(xiàn)的冰力荷載計(jì)算方法。詳細(xì)計(jì)算步驟見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。

撞擊到線路上的雨雪總質(zhì)量為式中，p為降雨速率（mm/h）；δ 為水密度（g/cm3）；ωβ(t)為夾角因子, ωβ(t)=sinβ(t)，β (t)為風(fēng)向和導(dǎo)線之間的夾角，是銳角；k為地形對(duì)風(fēng)速的影響因子；Vmax為氣象局發(fā)布的地區(qū)最大風(fēng)速（m/s）。

設(shè)冰凍天氣持續(xù)時(shí)間為t，單位是h。第i小時(shí)的降雨率和風(fēng)速預(yù)測(cè)風(fēng)別為pi和Vi，則第t小時(shí)導(dǎo)線冰力荷載為

將冰力荷載對(duì)線路破壞作用的嚴(yán)重程度分為三個(gè)等級(jí)：極端惡劣、惡劣和正常狀態(tài)。由瑞典統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)加以改造得到冰力荷載三個(gè)等級(jí)與線路停運(yùn)率之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1　冰力荷載與線路停運(yùn)率關(guān)系Tab.1 Relationship between failure rate and ice load

1.2風(fēng)力荷載

線路上的風(fēng)力荷載大小與距風(fēng)場(chǎng)中心的距離和風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，風(fēng)力可以由風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度系數(shù)AF、到風(fēng)場(chǎng)中心點(diǎn)的距離r以及氣候影響因子表示。在冰凍天氣中，導(dǎo)線上的覆冰隨時(shí)間的推移而加劇，導(dǎo)線的等效半徑會(huì)發(fā)生變化，風(fēng)對(duì)導(dǎo)線的作用力也發(fā)生變化，因此在風(fēng)力荷載的計(jì)算中應(yīng)該考慮覆冰引起導(dǎo)線半徑增大對(duì)風(fēng)力荷載的影響。輸電線路上的風(fēng)力荷載為

式中，D為導(dǎo)線直徑（mm）；T為覆冰厚度（mm）。VF計(jì)算式為

式中，k和ωβ與冰力荷載計(jì)算式公用，V(r)計(jì)算式為

式中，r(t)≤R，R為風(fēng)場(chǎng)影響半徑（km）；AF為風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度系數(shù)（m/s），對(duì)應(yīng)風(fēng)速指標(biāo)；σ1、σ2為氣候影響因子，其值與氣候半徑有關(guān)。

與冰力荷載對(duì)輸電線路的影響作用相似，將風(fēng)力荷載對(duì)線路破壞作用的嚴(yán)重程度分為三個(gè)等級(jí)。由瑞典統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)加以整理得到風(fēng)力荷載三個(gè)等級(jí)與線路停運(yùn)率之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系見(jiàn)表2，其中為風(fēng)力荷載的設(shè)計(jì)值。

表2　風(fēng)力荷載與線路停運(yùn)率關(guān)系Tab.2 Relationship between wind load and failure rate

1.3線路潮流

輸電線路過(guò)載會(huì)導(dǎo)致線路的停運(yùn)，本文將線路潮流水平對(duì)線路破壞作用的嚴(yán)重程度分為兩個(gè)等級(jí)：正常和惡劣狀態(tài)。假設(shè)線路潮流水平的額定值為 ID，線路潮流水平在 110%ID以下時(shí)，其停運(yùn)率較低，為正常狀態(tài)；當(dāng)過(guò)載水平超過(guò)110%ID時(shí)，其停運(yùn)率迅速增大，為惡劣狀態(tài)。潮流水平與線路停運(yùn)率之間的關(guān)系見(jiàn)表3。

表3　潮流水平與線路停運(yùn)率關(guān)系Tab.3 Relationship betwwen power flow and failure rate

2 線路分段等效模型

當(dāng)采用均一的氣象模型時(shí)，一條輸電線路只有一個(gè)修復(fù)率和一個(gè)停運(yùn)率。而對(duì)于跨度較大的輸電線路，可能遇到不同級(jí)別的冰凍災(zāi)害，造成一條輸電線路不同區(qū)段覆冰嚴(yán)重程度差異很大。本文采用分段模擬反映輸電線路各區(qū)段處于不同的氣候條件時(shí)，其停運(yùn)率、修復(fù)率以及故障概率均不同。假設(shè)冰凍災(zāi)害嚴(yán)重程度近似認(rèn)為一條線路跨越了N個(gè)不同的氣候區(qū)，從邏輯上看，輸電線路可模擬成由 N個(gè)不同故障率元件串聯(lián)的等效元件[4,15]，如圖1所示。

圖1　線路分段等效模型Fig.1 The segmented equivalent model of transmission line

將一條輸電線路分為N段，每一段占線路總長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)為 ki，其自身停運(yùn)率為λi，則每一段等效停運(yùn)率為kiλi。串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等效停運(yùn)率為

串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等值可用率為

式中，Ueq為網(wǎng)絡(luò)等效不可用率；Ui為元件不可用率；μi為元件修復(fù)率。

冰凍災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)的影響主要是通過(guò)覆冰和風(fēng)力兩因素的綜合作用完成的。當(dāng)冰力荷載和風(fēng)力荷載共同影響線路停運(yùn)率時(shí)，其內(nèi)部聯(lián)系可通過(guò)兩者的可靠性模型表示[13]，表現(xiàn)在停運(yùn)率上可以表示為

式中，λice、λwind分別為風(fēng)力、覆冰導(dǎo)致的設(shè)備停運(yùn)率；εice、εwind分別為對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，一般通過(guò)經(jīng)驗(yàn)獲取，在本文中取εice=0.7、εwind=0.3。

3 線路分段等效模型模糊化

采用上述分段模型求線路的綜合停運(yùn)率并不準(zhǔn)確，主要原因有兩個(gè)：①氣象預(yù)測(cè)的不確定性和微地形對(duì)區(qū)域覆冰的影響導(dǎo)致冰凍災(zāi)害的實(shí)際影響范圍判定具有模糊性；②在實(shí)際運(yùn)行中沒(méi)有充分的數(shù)據(jù)確定線路過(guò)載水平與停運(yùn)率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即與潮流水平相對(duì)應(yīng)的線路停運(yùn)率沒(méi)有精確值。在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)缺失的情況下，這兩個(gè)問(wèn)題可以利用模糊建模較好地解決。模糊理論已經(jīng)在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，其通過(guò)將專家經(jīng)驗(yàn)和模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合，把隸屬度函數(shù)的概念引入專家系統(tǒng)的模糊知識(shí)中，能夠克服傳統(tǒng)專家系統(tǒng)處理問(wèn)題過(guò)程中出現(xiàn)的許多概括性的、籠統(tǒng)的自然語(yǔ)言以及具有不完善之處的專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)模型，從而實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的模糊推理[16,17]。

由上述可知，輸電線路停運(yùn)率模糊建模的三個(gè)影響因素為冰力荷載、風(fēng)力荷載和線路潮流水平。冰力荷載和風(fēng)力荷載的綜合作用通過(guò)式（8）加以整合。在模糊建模上，冰力荷載影響和風(fēng)力荷載影響相似，由于篇幅限制，本文僅通過(guò)將受冰力荷載影響的線路分段等效模型模糊化加以闡釋。

3.1模糊輸入變量隸屬度函數(shù)

定義模糊語(yǔ)言變量 Xice-worst表示極端惡劣氣象條件在線路上的影響范圍，取值范圍為[0,1]，最嚴(yán)重的情況下整條線路處于極端惡劣氣候條件，取值為 1；最好的情況下整條線路處于正常氣候條件，取值為 0。其模糊詞集為{≤A1；約 A2；約 A3；約A4；≥A5}，本文取{≤0.2；約0.35；約0.5；約0.65；≥0.8}，是電網(wǎng)運(yùn)行人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出的典型影響范圍數(shù)值。SA1、SA2、SA3、SA4、SA5和 SA6為各停運(yùn)率值對(duì)應(yīng)的極端惡劣氣象條件影響范圍的輸入隸屬度函數(shù)，如圖2所示。

圖2　Xice-worst隸屬度函數(shù)Fig.2 Membership function of Xice-worst

其中影響范圍SA4的三角形模糊輸入函數(shù)為

采用同樣的方法可以建立惡劣氣象條件影響范圍Xice-medium的三角形模糊輸入函數(shù)。其模糊詞集為{≤B1；約B2；約B3；約B4；≥B5}。本文為了簡(jiǎn)單，同樣取詞集為{≤0.2；約0.35；約0.5；約0.65；≥0.8}。SB1、SB2、SB3、SB4、SB5和 SB6為各停運(yùn)率值對(duì)應(yīng)的惡劣氣象條件影響范圍的輸入隸屬度函數(shù)。

由于極端惡劣氣象條件、惡劣氣象條件和正常氣象條件的影響范圍相加之和應(yīng)為線路總長(zhǎng)度 1，因此正常氣象條件的影響范圍不作為一個(gè)輸入變量，在計(jì)算過(guò)程中只要前兩者確定下來(lái)，正常等級(jí)氣象條件的影響范圍也隨之確定。

定義模糊語(yǔ)言XFlow表征輸電線路的過(guò)載水平，其隸屬度函數(shù)如圖3所示，模糊詞集中只有一個(gè)元素 I。本文取 ID為線路潮流額定值，假設(shè)線路潮流水平在1.1ID以下時(shí)，其停運(yùn)率為正常停運(yùn)率；當(dāng)過(guò)載水平超過(guò)1.1ID時(shí)，其停運(yùn)率增加為原停運(yùn)率的2倍。SC1和SC2為各停運(yùn)率對(duì)應(yīng)的線路潮流水平輸入隸屬度函數(shù)。

圖3　XFlow隸屬度函數(shù)Fig.3 Membership function of XFlow

3.2模糊輸出隸屬函數(shù)

根據(jù)三角形模糊輸入變量的隸屬度函數(shù)，定義三角形模糊輸出變量隸屬度函數(shù)。如由 SA4、SB2和SC2三個(gè)輸入狀態(tài)決定的模糊輸出隸屬度函數(shù)，其區(qū)域?yàn)閇fmin, fmax]，上、下限分別是當(dāng)線路有A5、A3長(zhǎng)度處于極端惡劣氣候區(qū)域、B2、B3長(zhǎng)度處于惡劣氣候區(qū)域且線路潮流水平超過(guò)1.1ID時(shí)，由分段模型計(jì)算得到的線路綜合停運(yùn)率。最大隸屬度停運(yùn)率 fmid為當(dāng)線路A4范圍處于極端惡劣氣候區(qū)域、B2范圍處于惡劣氣候區(qū)域且線路潮流水平超過(guò)額定值時(shí)，由分段模型計(jì)算得到的線路綜合停運(yùn)率。其他各模糊輸出隸屬度函數(shù)可類似求得。

3.3if-then模糊推理規(guī)則

根據(jù)線路冰力荷載輸入變量狀態(tài)的劃分，按影響范圍建立極端惡劣等級(jí)六個(gè)隸屬函數(shù)、惡劣等級(jí)六個(gè)隸屬函數(shù)和潮流水平兩個(gè)隸屬函數(shù)，共 72個(gè)if-then模糊推理規(guī)則。

規(guī)則 1：當(dāng)線路處于極端惡劣氣候條件的部分為0，處于惡劣氣候條件的部分為0，線路潮流水平為“≤額定值的 110%”，整條線路停運(yùn)率約為4.5×10?3次/(h·50km)

…

規(guī)則24：當(dāng)線路處于極端惡劣氣候條件的部分為50%，處于惡劣氣候條件的部分為35%，線路潮流水平為“＞額定值的110%”，整條線路停運(yùn)率約為(0.07×0.5+0.03×0.35+4.5×10?3×0.15)×2次/ (h·50km)=0.092次/(h·50km)

…

規(guī)則72：當(dāng)線路處于極端惡劣氣候條件的部分為100%，處于惡劣氣候條件的部分為0，線路潮流水平為“＞額定值的110%”，整條線路停運(yùn)率約為0.07×2次/(h·50km)=0.14次/(h·50km)

3.4模糊推理算法

采用多規(guī)則、多輸入和單輸出if-then模糊推理模型，規(guī)則數(shù)為72，三個(gè)模糊輸入變量分別為極端惡劣等級(jí)影響范圍、惡劣等級(jí)影響范圍和線路潮流水平，模糊輸出變量為線路停運(yùn)率。模糊推理算法采用 Mandani算法，推理合成規(guī)則為極大-極小運(yùn)算。輸入變量權(quán)重系數(shù)為 1，合成方法為求和，解模糊方法采用中心平均加權(quán)解模糊化方法[18]。

4 算例分析

本文以IEEE RBTS為算例，選取其中線路L2（120km）處于冰凍災(zāi)害天氣。設(shè)冰凍天氣持續(xù)時(shí)間為7h，風(fēng)力影響半徑R為60km，冰力影響半徑也為 50km，風(fēng)力氣候的移動(dòng)速度為 90km/h，線路與風(fēng)力移動(dòng)方向的夾角為 45°，線路冰力荷載設(shè)計(jì)值為15mm，風(fēng)力荷載設(shè)計(jì)值為1.2kg/m，σ1=0.4R，σ2= 0.05R。值得指明的是，在一般情況下，風(fēng)力氣象中心和冰雪氣象中心并不在同一點(diǎn)上，因此對(duì)線路的影響范圍有所不同?？紤]冰力荷載作用時(shí)，外界環(huán)境對(duì)線路 L3的影響使 L3形成三個(gè)不同的氣象區(qū)。其中，a段線路降雪率為p1，b段線路降雪率為p2，兩地降雪率見(jiàn)表4，c段線路受冰凍災(zāi)害非常輕，設(shè)其冰力荷載一直處于額定荷載范圍內(nèi)。

表4　不同區(qū)域降雪率預(yù)測(cè)Tab.4 Snowfall forecast in different regions

考慮風(fēng)力荷載作用時(shí)，外界環(huán)境對(duì)線路L3的影響也使L3形成三個(gè)不同的氣象區(qū)。其中，d段線路途經(jīng)山谷地區(qū)，并且距離風(fēng)力氣象中心的距離較近，風(fēng)力荷載對(duì)線路的影響最大；e段線路途經(jīng)山谷地區(qū)，但是距離風(fēng)力氣象中心的距離較遠(yuǎn)，因此風(fēng)力荷載的影響作用較d段有減弱，但仍然處于惡劣等級(jí)下；f段線路離風(fēng)力中心的距離過(guò)遠(yuǎn)，風(fēng)力作用對(duì)其影響很小，設(shè)其風(fēng)力荷載一直處于額定荷載的范圍內(nèi)。

通過(guò)風(fēng)力荷載和冰力荷載模型可以計(jì)算出各地段各時(shí)段的線路風(fēng)力和冰力荷載值。因?yàn)槠?，具體計(jì)算過(guò)程略去。線路各區(qū)間段冰力荷載和風(fēng)力荷載隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示。

圖4　冰力荷載和風(fēng)力荷載隨時(shí)間變化Fig.4 The ice load and wind load changing with time

從圖4可以看出，線路所受的冰力荷載和風(fēng)力荷載隨氣象中心的移動(dòng)而發(fā)生變化，其中線路上的冰力荷載是一個(gè)隨時(shí)間累積的積分過(guò)程，隨時(shí)間推移其值不斷增大；風(fēng)力荷載與風(fēng)力氣象中心的移動(dòng)方向有較大關(guān)系，風(fēng)力方向與線路段的夾角越小，風(fēng)力荷載越小，距離風(fēng)力氣象中心的距離越近，線路風(fēng)力荷載越大；隨著風(fēng)力氣象中心的不斷移近再移遠(yuǎn)，風(fēng)力荷載值呈先增大后減小趨勢(shì)。

當(dāng)t=5h時(shí)，線路地理布局與所處氣候條件的示意圖如圖 5所示。a、b、c三段冰力荷載的預(yù)測(cè)值分別為27mm、16.5mm和5mm，所占整條輸電線路的長(zhǎng)度比分別為0.46、0.28和0.26。通過(guò)把冰力荷載計(jì)算值與設(shè)計(jì)值擬合對(duì)比，得到線路該時(shí)段的分段停運(yùn)率。a、b、c三段線路所對(duì)應(yīng)的線路停運(yùn)率分別為 0.04次/(h·50km)、0.03次/(h·50km)、4.5×10?3次/(h·50km)。由于風(fēng)力氣象中心和冰雪氣象中心不在同一點(diǎn)，用 d、e、f三段線路表示同一時(shí)刻風(fēng)力荷載對(duì)線路停運(yùn)率的影響。此時(shí)三段線路風(fēng)力荷載的預(yù)測(cè)值分別為 1.7kg/m、1.2kg/m 和0.4kg/m，所占整條輸電線路長(zhǎng)度比分別為0.4、0.4 和0.2，把風(fēng)力荷載計(jì)算值與設(shè)計(jì)值對(duì)比，得到對(duì)應(yīng)的線路停運(yùn)率分別為4×10?2次/(h·50km)、5×10?3次/ (h·50km)、8×10?4次/(h·50km)。

設(shè)定線路潮流水平為額定值的 102%。將線路分段模型模糊化，針對(duì)風(fēng)力荷載對(duì)線路停運(yùn)率的影響，模糊輸入變量為極端惡劣氣象條件影響范圍、惡劣氣象條件影響范圍和線路潮流水平，三者輸入值分別為0.46、0.28和1.02時(shí)，真正起作用的模糊規(guī)則有八項(xiàng)，見(jiàn)表5。輸入變量權(quán)重系數(shù)為1，合成方法為求和。采用Mandani模糊推理算法，推理合成規(guī)則為極大-極小運(yùn)算。

圖5　冰力、風(fēng)力荷載單獨(dú)影響時(shí)的線路地理布局Fig.5 The transmission line geographic distribution influenced by ice and wind respectively

表5　if-then模糊推理規(guī)則Tab.5 Fuzzy rule of if-then

采用中心平均加權(quán)解模糊化方法，在冰力荷載單獨(dú)作用下，線路綜合停運(yùn)率λice的模糊推理過(guò)程如圖6所示。可以得到只考慮冰力荷載作用下，當(dāng)線路 46%的長(zhǎng)度處于極端惡劣氣候條件，28%的長(zhǎng)度處于惡劣氣候條件，剩下26%的長(zhǎng)度處于正常氣候條件，線路潮流水平為 102%，線路此時(shí)綜合停運(yùn)率為0.059次/(h·50km)。

圖6　只考慮冰力荷載作用時(shí)的Mamdani推理過(guò)程Fig.6 Analysis of the effect of ice on outage rate using Mamdani inference method

如果不采用模糊專家系統(tǒng)求解線路的分段模型，而是運(yùn)用傳統(tǒng)的解析法求解，代入式（6）得到受冰力荷載影響下線路停運(yùn)率λice為

同理，可以將風(fēng)力荷載作用條件下線路分段模糊化。模糊輸入變量為在此條件下極端惡劣氣象條件影響范圍、惡劣氣象條件影響范圍和線路潮流水平，輸入值分別為 0.4、0.4和 0.2。模糊推理過(guò)程如圖7所示。只考慮風(fēng)力荷載作用時(shí)，采用中心平均加權(quán)解模糊化方法得到線路此時(shí)的綜合停運(yùn)率λwind=0.025次/(h·50km)。

圖7　只考慮風(fēng)力荷載作用時(shí)Mamdani推理過(guò)程Fig.7 Analysis of the effect of wind on outage rate using Mamdani inference method

如果不采用模糊專家系統(tǒng)求解線路的分段模型，而是運(yùn)用傳統(tǒng)的解析法求解，代入式（6）得到受風(fēng)力荷載影響下線路停運(yùn)率λwind為

當(dāng)冰力荷載和風(fēng)力荷載共同影響線路停運(yùn)率時(shí)，其綜合影響可由式（8）加以整合。本文取εice=0.7、εwind=0.3。線路受冰、風(fēng)災(zāi)害影響下的綜合線路停運(yùn)率λ為

如果采用傳統(tǒng)的解析法求解線路的綜合停運(yùn)率，將用解析法求得的冰力荷載和風(fēng)力荷載作用下的線路停運(yùn)率代入式（8）得到線路受冰風(fēng)災(zāi)害影響下的綜合停運(yùn)率λ為

將用模糊專家系統(tǒng)和解析法得到的停運(yùn)率結(jié)果相比較，見(jiàn)表6。

表6　兩種方法得到的停運(yùn)率比較Tab.6 Comparation of outage rates using two different approaches

可以看到，采用上述模糊規(guī)則和模糊推理系統(tǒng)將線路分段模型模糊化后，計(jì)算得到的線路綜合停運(yùn)率與線路受不同氣象等級(jí)影響范圍有很大關(guān)系，惡劣氣象條件影響范圍較大時(shí)線路停運(yùn)率遠(yuǎn)高于正常氣象條件影響范圍較大時(shí)的停運(yùn)率，僅憑統(tǒng)計(jì)平均值計(jì)算的線路停運(yùn)率不能正確反映冰凍災(zāi)害天氣對(duì)長(zhǎng)距離輸電線路可靠性的綜合影響，應(yīng)采用分段模擬再整合的方法。

比較傳統(tǒng)解析法和模糊專家系統(tǒng)求出的同樣氣象條件下的線路綜合停運(yùn)率，可以看出基于解析法建立的模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際差異較大。原因在于采用傳統(tǒng)解析法，某點(diǎn)所處的氣象條件有極端惡劣、惡劣和正常。在這三個(gè)元素組成的集合中必居其一，且僅居其一。然而，這種方法不能反映外沿不分明的“模糊概念”。對(duì)于冰風(fēng)暴災(zāi)害，其氣候條件的惡劣程度用模糊語(yǔ)言可以更好地表達(dá)，在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)缺失的情況下利用輸電線路停運(yùn)率建模是優(yōu)選方案。

5 結(jié)論

本文較詳細(xì)分析了冰凍天氣下輸電線路停運(yùn)率建模問(wèn)題。首先建立計(jì)及地形因素影響的冰力荷載模型和計(jì)及覆冰影響的風(fēng)力荷載模型。由于同一線路不同地段氣象條件的差異性，采取對(duì)線路進(jìn)行分段模擬再綜合求出線路在冰、風(fēng)暴災(zāi)害中的實(shí)時(shí)停運(yùn)率。針對(duì)歷史數(shù)據(jù)不完善的問(wèn)題，基于模糊專家系統(tǒng)構(gòu)建線路元件的非解析可靠性模型。結(jié)合專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，采用Mamdani型推理，提出專家系統(tǒng)中模糊集、隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則的確定方式。通過(guò)分析IEEE RBTS系統(tǒng)的線路綜合故障率，說(shuō)明了所提出的線路非解析元件可靠性模型比原來(lái)的解析法更加合理、準(zhǔn)確。該方法可幫助調(diào)度人員在短期運(yùn)行規(guī)劃和在線運(yùn)行中作出合理的決策。

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Piecewise Equivalent Model of Ice Disaster Impact on Outage Rate of Transmission Lines Using Fuzzy Expert System

Duan Jie Wang Xiuli Hou Yushen
（Department of Electrical Engineering Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

Transmission lines always cross long distance. As different parts of a transmission line may confront different weather conditions at the same time, a piecewise equivalent model is introduced to calculate the outage rate. The transmission line is divided into segments in series according to their particular external environment and their corresponding outage rates. Then these segments are combined to form an integrated outage rate for the entire transmission line. Taken the uncertainty of weather forecast and system operating status into account, the analytical model between load and outage is converted into a fuzzy one. It contains fuzzy sets, membership functions and fuzzy “if-then”rules, to effectively solve the problems caused by inaccurate data. The new model is applied to IEEE RBTS system. Assuming that a specified transmission line confronts three types of external load pressure in different parts, the outrage rates of the transmission lines are calculated and compared. With the deterioration of the weather condition and system operating state, the outrage rates of the transmission lines increase. The proposed model provides of the foundation for operational risk assessments of transmission lines and power system reliability.

Transmission line outage rate, piecewise model, fuzzy expert system, wind load, ice load

TM734

段 杰 男，1989年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)可靠性和電力系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃。

E-mail: schzdj@163.com

侯雨伸 男，1988年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃。

E-mail: houyushen20039@126.com（通信作者）

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51277140）。

2014-05-05 改稿日期 2014-08-12