基于相邻时段参数的配电线路雷击跳闸概率计算方法及系统

1.本发明涉及配电网雷电防护的技术领域，更具体地，涉及一种基于相邻时段参数的配电线路雷击跳闸概率计算方法。


背景技术：

2.随着雷电天气的不断增多，配电网的防雷越来越重要。配电网防雷的首要前提就是对线路雷击跳闸概率进行预测，精确的预测有利于后续采取针对性的调控手段。若能采取较为简便的方法对雷击跳闸概率进行预测和计算，可以使调度人员及时发现配电线路在雷电天气下的薄弱点，针对具体线路采取相应措施，达到降低雷电危害的目的。
3.目前，在配电网防雷方面，多基于以往的长时间数据研究雷击跳闸率，并且研究多针对输电网，主要基于线路遭受雷击的可能性及雷击后跳闸的可能性，而忽略了感应雷对线路跳闸的影响，且对配电线路的短时雷击跳闸概率预测的研究尚少。随着智能配电网的发展和动态防雷概念的提出，对配电网雷击跳闸概率的预测越发有意义。配电网作为连接用户的最后的一个环节，一旦遭受雷击跳闸，必然使负荷遭受影响，尤其是工业、企业用户，停电后带来大量经济损失，降低了配电网供电可靠性。
4.因此，现有技术对于雷击跳闸率的计算只能用于评估一个长时间的雷击风险，无法对下一时刻做到雷击跳闸概率的短时预报，并且现阶段对于雷击跳闸概率的研究多聚焦于输电网，对配电网的雷击概率预测涉及不多，而现有输电线路的雷击跳闸概率的计算方法不能完全用于配电线路的雷击跳闸概率的计算。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于相邻时段参数的配电线路雷击跳闸概率计算方法，能够结合雷电相邻时间段内参数和感应雷击的影响，对下一时刻配电线路的雷击跳闸概率进行短时预测。
6.本发明采用如下的技术方案。
7.本发明提供了一种基于相邻时段参数的配电线路雷击跳闸概率计算方法，包括以下步骤：步骤1，获取目标区域内在过去时间段内的历史雷电活动强度和历史雷电活动频率，并根据历史雷电活动强度和历史雷电活动频率获取下一时段内预测的雷电活动强度和雷电活动频率；步骤2，根据预测的雷电活动强度计算目标区域内的总受雷宽度和引雷区面积；步骤3，计算目标区域内配电线路的雷击概率和被雷击中后的跳闸概率；步骤4，根据配电线路内的雷击概率和被雷击中后的跳闸概率计算未来时段内引雷区面积内配电线路雷击跳闸的概率。
8.优选地，所述步骤1还包括：
步骤1-1，获取当前时刻之前时段内的历史雷电活动强度，并根据历史雷电活动强度得到此后时间段内的雷电活动强度；步骤1-2，获取当前时刻之前时段内的历史雷电活动频率，并根据历史雷电活动频率得到此后时间段内的雷电活动频率。
9.优选地，所述步骤1-1还包括：通过目标区域内雷电流的幅值来表示雷电活动的强度，在过去时间段内，获取雷电监测系统监测到目标区域的最大、最小雷电流的幅值分别是，则自当前时刻t起预测目标区域下一时间段的雷电流幅值i范围应当满足：优选地，所述步骤1-2还包括：通过目标区域内落雷次数表示雷电活动的频率，在过去时间段内，雷电监测系统监测到目标区域发生的落雷次数为，单位时间的落雷次数为，则自当前时刻t起的预测下一时间段的落雷次数满足：优选地，所述步骤2还包括：步骤2-1，计算目标区域内配电线路的直击雷受雷宽度；步骤2-2，计算目标区域内配电线路的感应雷等效受雷宽度；步骤2-3，根据配电线路的直击雷受雷宽度和感应雷等效受雷宽度计算总雷受雷宽度；步骤2-4，根据总雷受雷宽度计算引雷区面积。
10.优选地，所述步骤2-1中，配电线路的直击雷受雷宽度的计算还包括：计算雷电对导线的击距，计算式为：式中，为雷电对导线的击距，为杆塔的高度，其度量单位均为m，为雷电流幅值，即步骤1中预测的雷电活动强度，单位为ka；根据雷电对导线的击距，计算雷电对大地的击距，计算式为：式中，为雷电对大地的击距，其单位为m；
根据雷电对导线的击距和雷电对大地的击距计算配电线路的直击雷受雷宽度，计算式为：度，计算式为：式中，为k点为直击雷的宽度，为直击雷受雷宽度。
11.优选地，所述步骤2-2还包括：步骤2-2-1，计算雷电对导线的击距大小的分界点m的临界电流；分界点m临界电流的计算公式如下：步骤2-2-2，计算感应雷击的最近和最远落雷位置、，判断是否存在感应雷击受雷宽度；其中，对于感应雷击的最近落雷位置：当感应雷电流满足时，；当感应雷电流满足时，；对于感应雷击的最远落雷位置，其计算式为：式中，为绝缘子雷电冲击50%放电电压，单位为kv；步骤2-2-3，若存在感应雷击受雷宽度则计算感应雷击受雷宽度大小，否则设置感应雷击受雷宽度为0；其中，当》时，计算线路的感应雷等效受雷宽度，计算式如下：优选地，所述步骤2-3中，总雷受雷宽度的计算式为：其中，为直击雷受雷宽度，为感应雷等效受雷宽度。
12.优选地，所述步骤2-4中，引雷区面积的计算式如下：
式中，为配电线路的长度，单位为km，为该线路的引雷区面积，单位为km2。
13.优选地，所述步骤3还包括：步骤3-1，计算目标区域内配电线路的雷击概率；步骤3-2，计算目标区域内配电线路被雷击中后的跳闸概率。
14.优选地，所述步骤3-1中，雷击概率的计算式如下：式中，为该线路的引雷区面积，为目标区域的总面积，单位为。
15.优选地，所述步骤3-2中，被雷击中后的跳闸概率的计算式为：式中，、、分别为雷直击率、击杆率和感应雷击率，、和分别表示雷击杆塔造成的雷电反击、雷电直击线路和感应雷过电压所对应的闪络率，为建弧率。
16.优选地，所述步骤4还包括：计算某一次落雷引起线路雷击跳闸的概率，计算式如下：其中，表示目标区域内配电线路的雷击概率，表示目标区域内配电线路被雷击中后的跳闸概率；在未来时段内线路雷击跳闸的概率为：其中，为过去时间段内，雷电监测系统监测到目标区域发生的落雷次数，为过去时间段长度，为所计算的未来时间段长度。
17.本发明还提供了一种基于相邻时段参数的配电线路雷击跳闸概率计算系统，包括：数据获取模块、雷电强度计算模块、雷击区域计算模块和雷击跳闸概率计算模块；其中，数据获取模块用于获取目标区域在当前时刻的前一时间段内的雷电活动强度和雷电活动频率数据；雷电强度计算模块用于计算目标区域在当前时刻的下一时段雷电活动的强度和雷电活动频率；雷击区域计算模块用于计算目标区域在当前时刻的下一时段的总受雷宽度和引雷区面积；
雷击跳闸概率计算模块用于计算目标区域在当前时刻的下一时段的配电线路雷击跳闸概率。
18.本发明还提供了一种终端，包括处理器及存储介质；所述存储介质用于存储指令；所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行所述基于相邻时段参数的配电线路雷击跳闸概率计算方法的步骤。
19.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述基于相邻时段参数的配电线路雷击跳闸概率计算方法的步骤。
20.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明根据雷电相邻时间段内参数存在相关性的前提，采用前一段相邻时间的雷电参数来对下一时刻配电线路的雷击跳闸概率进行计算，以达到短时预测的目的，提高预测的准确性；同时，在雷击种类中考虑了感应雷击的带来的影响，使其更适合用于配电线路雷击跳闸概率的计算。
附图说明
21.图1是本发明中考虑相邻时段雷电参数相似性的配电线路雷击跳闸概率计算方法的整体流程示意图；图2是本发明中雷击配电线路电气几何模型的示意图；图3是本发明中受雷区域示意图；图4是本发明中考虑相邻时段雷电参数相似性的配电线路雷击跳闸概率计算系统的整体结构示意图。
具体实施方式
22.下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
23.如图1所示，本发明提供了一种考虑相邻时段雷电参数相似性的配电线路雷击跳闸概率计算方法，该方法具体包括以下步骤：步骤1，设当前时间点为，获取目标区域内在过去时间段内的历史雷电活动强度和历史雷电活动频率，并根据历史雷电活动强度和历史雷电活动频率获取下一时段内预测的雷电活动强度和雷电活动频率；具体的，步骤1还包括：步骤1-1，获取当前时刻之前时段内的历史雷电活动强度，并根据历史雷电活动强度得到此后时间段内的雷电活动强度；其中，本实施例中用目标区域内雷电流的幅值来表示雷电活动的强度。考虑到短时间内雷电活动存在相似性，用当前时刻t的上一时段内雷电流幅值的最大值和最小值来表征下一时段内雷电流幅值的最大值最小值。
24.可以理解的是，时间跨度越短，预测的结果越准确，本发明中下一时段的长度可以为15min、30min、60min。
25.具体的，在过去时间段内，雷电监测系统监测到目标区域的最大、最小雷电流幅值分别是，那么自当前时刻t起预测目标区域下一时间段的雷电流幅值i范围应当满足：获取的下一时段内预测的雷电活动强度为目标区域下一时间段的雷电流幅值i范围值。
26.步骤1-2，获取当前时刻之前时段内的历史雷电活动频率，并根据历史雷电活动频率得到此后时间段内的雷电活动频率；其中，本实施例中用目标区域内落雷次数来表示雷电活动的频率。用当前时刻t的上一时段内的落雷次数来表征下一时段内的落雷次数。
27.具体的，在过去时间段内，雷电监测系统监测到目标区域发生的落雷次数为，那么单位时间的落雷次数为，则自当前时刻t起的预测下一时间段的落雷次数应当满足：此外，本发明根据相邻的前一时间段历史雷电活动数据对目标区间内雷击跳闸概率进行计算，即需要获取目标区间存在雷电活动在前一时间段存在雷电活动，若目标区域的前一时间段内不存在雷电活动，则此时可以取临近区域的雷电活动频率相关参数，若临近区域也不存在雷电活动，则无法进行后续计算。
28.步骤2，根据预测的雷电活动强度计算目标区域内的总受雷宽度，基于受雷宽度计算引雷区面积；如图2所示，为雷击配电线路电气几何模型示意图，配电网通常不沿全线架设避雷线，因此目标区域内的配电线路雷击电气几何模型需同时考虑直击雷和感应雷；感应雷是造成配电网雷击故障的重要雷击类型，因此，目标区域内的总受雷宽度包括直击雷和感应雷的受雷宽度。
29.具体的，步骤2还包括：步骤2-1，计算目标区域内配电线路的直击雷受雷宽度；直击雷受雷宽度内为直击雷引雷区，一旦雷落入直击雷引雷区，由于配电线路的引雷作用，可认为此次落雷击中配电线路。
30.配电线路的直击雷受雷宽度的计算还包括：计算雷电对导线的击距，计算式为：
式中，为雷电对导线的击距，为杆塔的高度，其度量单位均为m，为步骤1中预测的雷电活动强度，单位为ka。
31.根据雷电对导线的击距，计算雷电对大地的击距，计算式为：式中，为雷电对大地的击距，其单位为m。
32.优选的，由于为杆塔的高度，因此本发明中。
33.可以理解的是，由于步骤1中预测的雷电活动强度为一个数值范围，因此得到的雷电对导线的击距和雷电对大地的击距也为数值范围。
34.根据雷电对导线的击距和雷电对大地的击距计算配电线路的直击雷受雷宽度，计算式为：度，计算式为：式中，为直击雷受雷宽度的一半，结合图2中k点的横坐标，k点为直击雷和感应雷的分界点，为直击雷受雷宽度。
35.本发明中得到的、值为具体数值，将根据雷电对导线的击距和雷电对大地的击距的范围值计算得到的最大值作为、的值。
36.步骤2-2，计算目标区域内配电线路的感应雷等效受雷宽度；其中，步骤2-2还包括：步骤2-2-1，计算雷电对导线的击距大小的分界点m的临界电流；对于感应雷受雷宽度，如图2所示，、分别为过去时间段内感应雷击的最近和最远落雷位置，m点为雷电对直击雷受雷宽度等于雷电对导线击距的分界点，直击雷的受雷宽度按在分界点m点之前为雷电对导线的击距，分界点m点之后直击雷的受雷宽度小于雷电对导线的击距。
37.分界点m临界电流的计算公式如下：步骤2-2-2，计算感应雷击的最近落雷位置和最远落雷位置，判断是否存在感应雷击受雷宽度；
对于最近落雷位置：根据绝缘子相关参数得到感应雷电流，根据感应雷电流判断最近落雷位置：当感应雷电流满足时，；当感应雷电流满足时，。最远落雷位置可由下式计算：式中，为绝缘子雷电冲击50%放电电压，单位为kv。
38.步骤2-2-3，若存在感应雷击受雷宽度则计算感应雷击受雷宽度大小，否则设置感应雷击受雷宽度为0；其中，根据最近落雷位置和最远落雷位置判断是否存在感应雷击受雷宽度：当》时，才存在感应雷击受雷宽度，若存在则进一步计算线路的感应雷等效受雷宽度，否则将感应雷等效受雷宽度设置为0。
39.当》时，计算线路的感应雷等效受雷宽度，计算式如下：步骤2-3，根据配电线路的直击雷受雷宽度和感应雷等效受雷宽度计算总雷受雷宽度；总雷受雷宽度的计算式为：步骤2-4，根据总雷受雷宽度计算引雷区面积；具体的，引雷区即为总受雷区域，对于长度为的配电线路，的单位为km，其引雷区面积的计算式如下：式中，为该线路的引雷区面积，单位为km2。
40.步骤3，基于引雷区面积计算目标区域内配电线路的雷击概率，同时计算被雷击中后的跳闸概率；具体的，步骤3还包括：步骤3-1，计算目标区域内配电线路的雷击概率；其中，目标区域内的配电线路是否受雷击影响，取决于落雷位置是否在线路的受雷范围内。因此，某次落雷是否影响线路可由线路引雷区的占比表示，则雷击概率的计算式如下：
式中，为目标区域的总面积，单位为。
41.步骤3-2，计算目标区域内配电线路被雷击中后的跳闸概率；配电网主要受到直击雷及感应雷击的影响，其中直击雷包括雷直接击中线路和雷击杆塔造成反击。引起线路跳闸的过程包括三个阶段，分别为：是否产生直击雷或者产生感应过电压、是否引起闪络、是否产生稳定电弧。线路受雷击影响时，被雷击中后的跳闸概率的计算式为：式中，、、分别为雷直击率、击杆率和感应雷击率，、和分别表示雷击杆塔造成的雷电反击、雷电直击线路和感应雷过电压所对应的闪络率，为建弧率。
42.雷击类型包括雷击杆塔造成的雷电反击、雷电直击线路和感应雷过电压。雷直击率、击杆率和感应雷击率分别表示直击雷占雷击次数的比重、雷击杆塔的次数占直击雷次数的比重、感应雷击占雷击次数的比重，以上三个参数均是通过对该目标区域获取的长期范围内历史统计数据得到，例如根据过去一年的数据进行统计得到，为了计算方便，可将上述统计数据分别表示某次雷击是直击雷的概率、直击的情况下击中杆塔的概率、感应雷击的概率。
43.进一步的，建弧率的计算式为：式中，为绝缘子串的平均运行电压梯度，由于配电网一般采用中性点不接地，所以绝缘子串的平均运行电压梯度采用下式进行计算：式中，为绝缘子串的额定电压，为绝缘子串的放电距离，绝缘子串的横担为木横担、铁横担或钢筋混凝土横担，为木横担的线间距离，对于铁横担和钢筋混凝土横担线路。
44.工程中在计算雷击跳闸率时，考虑的是线路长期雷击风险，因此、和的计算是以整个雷电流幅值的分布作为计算基础，但是对于某一雷电极端天气下，持续时间可能仅几小时，因此不宜采用整个雷电流幅值的分布作为计算基础。
45.ieee推荐采用下式作为雷电流幅值累积概率分布：
式中，为给定的雷电流幅值，给定电流赋值取决于绝缘子或者线路的绝缘水平，为一固定值，单位为ka；表示雷电流幅值大于给定雷电流幅值的概率。
46.因此，可以根据下式计算不同雷击类型对应的雷电流超过耐雷水平的概率、和，计算式如下所示：式中，的取值范围为，分别表示雷击杆塔造成的雷电反击、雷电直击线路和感应雷过电压分别对应的耐雷水平，可以通过线路绝缘水平获取，和分别为在过去时间段内，雷电监测系统监测到目标区域的最大、最小雷电流幅值。
47.步骤4，根据配电线路内的雷击概率、被雷击中后的跳闸概率以及预测的雷电活动频率计算未来时段内引雷区面积内配电线路雷击跳闸的概率；其中，某一次落雷引起线路雷击跳闸的概率可以表述如下：进一步的，考虑到从当前时刻t开始的未来时段内内的落雷次数为，则在未来时段内线路雷击跳闸的概率为：其中，为步骤1中预测下一时间段的落雷次数。
48.如图4所示，本发明还提供了一种考虑相邻时段雷电参数相似性的配电线路雷击跳闸概率计算系统，上述方法能够基于该系统实现，具体的，该系统包括：数据获取模块、雷电强度计算模块、雷击区域计算模块和雷击跳闸概率计算模块；其中，数据获取模块用于获取目标区域在当前时刻的前一时间段内的雷电活动强度和雷电活动频率数据；雷电强度计算模块用于计算目标区域在当前时刻的下一时段雷电活动的强度和
雷电活动频率；雷击区域计算模块用于计算目标区域在当前时刻的下一时段的总受雷宽度和引雷区面积；雷击跳闸概率计算模块用于计算目标区域在当前时刻的下一时段的配电线路雷击跳闸概率。
49.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，从雷电发生的的时间间隔来说，时间间隔越短，雷电的强度和频率越接近，预测的可靠性越高，因此本发明考虑相邻时间段雷电参数相似性进行雷击预测，提高了预测的可靠性和准确度；本发明还考虑了线路遭受的感应雷击，并基于此计算了配电线路的受雷宽度，可以用于对配电线路的雷击跳闸概率进行预测，同时在知道接下来雷电影响时段的请情况下，有利于计算评估周期的雷击跳闸概率，便于后续进行风险评估与主动防护策略的制定。
50.本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。