電力工程輸電線路可靠性設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

摘 要：傳統(tǒng)故障率評(píng)估方法在客觀反映設(shè)備可靠性水平隨時(shí)間或外部環(huán)境變化方面存在局限。因此，本文提出了可靠性導(dǎo)向的線路路徑設(shè)計(jì)策略。通過運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，深入挖掘選定路徑覆蓋區(qū)域的歷史故障數(shù)據(jù)，并借助數(shù)學(xué)模型揭示其隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。將故障率與電源輸出變化的函數(shù)模型相結(jié)合，計(jì)算該路徑全年的預(yù)期電力輸送損失，并將其作為衡量可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)。這種創(chuàng)新方法為不同路徑之間的比較和優(yōu)化選擇提供了有力數(shù)據(jù)支持，顯著提高了路徑設(shè)計(jì)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：電力工程；輸電線路；可靠性設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM 726" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

目前，我國電力工程事業(yè)取得了顯著的成就，輸電線路建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。然而，在電力工程輸電線路建設(shè)和運(yùn)行過程中，可靠性問題一直困擾著電力行業(yè)。輸電線路可靠性直接關(guān)系到電網(wǎng)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行、供電質(zhì)量和投資效益。因此，針對(duì)新形勢(shì)背景下電力工程輸電線路可靠性設(shè)計(jì)與施工技術(shù)進(jìn)行研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)這些問題，本研究引入了一套全新的電力輸送線路路徑規(guī)劃方法，著重考慮了系統(tǒng)的可靠性維度。本文采納了一種獨(dú)特的策略，即對(duì)鄰近線路先前發(fā)生的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行密集挖掘和深度分析，從而推算每個(gè)月份潛在的故障風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，利用數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了一個(gè)動(dòng)態(tài)的故障率月度變化函數(shù)，以精準(zhǔn)預(yù)測(cè)年度內(nèi)的故障頻率。同時(shí)，根據(jù)選定路徑所連接的電源種類在規(guī)劃中的功率輸出特性，設(shè)計(jì)了一套精細(xì)的月度性能建模系統(tǒng)，利用精密的函數(shù)擬合技術(shù)，能夠準(zhǔn)確捕捉這些電源輸出的季節(jié)性波動(dòng)，從而精確預(yù)估全年電力傳輸?shù)膿p耗預(yù)期。將這個(gè)關(guān)鍵的預(yù)測(cè)結(jié)果納入決策支持體系中，會(huì)對(duì)路徑選擇的決策過程有極大影響。

1 待選路徑區(qū)域線路歷史數(shù)據(jù)

電網(wǎng)設(shè)備可靠性評(píng)估與相關(guān)參數(shù)計(jì)算通常依賴于電網(wǎng)設(shè)備的歷史運(yùn)行記錄。然而，當(dāng)選取輸電線路路徑時(shí)，新路線往往缺乏此類歷史數(shù)據(jù)[3]。為了深入理解輸電線路在特定地理區(qū)域內(nèi)的一致性特征，本研究提出了一種方法，即借助候選路徑附近已運(yùn)營線路的歷史性能數(shù)據(jù)來預(yù)估其潛在的穩(wěn)定性，如圖1所示。將一個(gè)潛在輸電線路路徑設(shè)置為L，可以以一個(gè)距離參數(shù)d為基礎(chǔ)，勾畫出兩個(gè)邊界線La和Ld，它們圍繞著L構(gòu)建一個(gè)明確的帶狀區(qū)域。這個(gè)區(qū)域的重點(diǎn)是對(duì)L的可靠性進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)。將這個(gè)區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有的線路段（例如圖1中線路l1的AB部分和l2的全部）的歷史故障信息作為評(píng)估L路徑可靠性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，用于預(yù)測(cè)其運(yùn)行可靠性。值得注意的是，d值選取應(yīng)結(jié)合實(shí)際線路分布，保證選定的條形區(qū)域能涵蓋足夠數(shù)量的線路，以保證數(shù)據(jù)的充足性。

2 待選路徑故障逐月變化率與模擬

2.1 待選路徑故障率及月變化特征

故障率是電力系統(tǒng)可靠性的核心衡量標(biāo)準(zhǔn)，廣泛用于評(píng)估如輸電線路等組件的故障頻度。當(dāng)利用傳統(tǒng)方法評(píng)估電力系統(tǒng)可靠性時(shí)，以設(shè)備故障的多年平均發(fā)生率為依據(jù)。例如，如果一條線路在連續(xù)的3個(gè)年頭里共發(fā)生9次故障，那么它的平均年故障率為“9÷3”，等于每年3次。但這種方法可能忽視了設(shè)備可靠性的即時(shí)變動(dòng)情況，或者電網(wǎng)潛在風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)際演變，它可能導(dǎo)致在故障頻繁時(shí)期對(duì)可靠性估計(jì)過高，而在故障稀少時(shí)期估計(jì)過低，從而產(chǎn)生“平滑”效應(yīng)，不能準(zhǔn)確地反映可靠性狀態(tài)。

考慮氣象條件是電力系統(tǒng)故障的主要驅(qū)動(dòng)因素，電網(wǎng)受氣象災(zāi)害影響的時(shí)間模式往往展現(xiàn)出顯著的周期性模式。例如夏季是雷電和強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致的輸電線路雷擊及風(fēng)偏放電的高發(fā)期，冬季常見線路覆冰和舞動(dòng)問題；輸電線路因鳥類遷徙引發(fā)的故障大多發(fā)生在春秋兩季[4]。由此可知，以月份為時(shí)間單位能有效地揭示這些災(zāi)害的周期性特征，基于月份的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)能更準(zhǔn)確地反映電網(wǎng)可靠性的季節(jié)性變化，計(jì)算過程如公式（1）所示[1]。

（1）

式中：λ（m）為待選路徑在第m月份（其中m=1，2，…，12）的故障率，次/月；y為統(tǒng)計(jì)年數(shù)或已有故障數(shù)據(jù)年數(shù)，年；N是圖1所示待選路徑區(qū)域內(nèi)已有線路在第i年第m月發(fā)生的故障次數(shù)；Tim是第i年第m月的持續(xù)時(shí)間（均取值為1），月。

2.2 待選路徑故障率逐月變化特性擬合

為揭示路徑風(fēng)險(xiǎn)隨時(shí)間演變的精確模式，可以在公式（1）的計(jì)算基礎(chǔ)上，描繪λ（m）與月份m的關(guān)系曲線，并進(jìn)行擬合，鑒于氣候因素是造成電力線路故障的關(guān)鍵，特別是閃電、強(qiáng)風(fēng)和冰災(zāi)影響最大。這些氣象災(zāi)害在時(shí)間上展現(xiàn)出明顯的周期性模式，例如閃電和強(qiáng)風(fēng)常常與劇烈的對(duì)流天氣相伴，集中發(fā)生在夏季的6月—8月；而線路結(jié)冰和擺動(dòng)等冰災(zāi)事件多發(fā)于冬季和早春的12月—2月，因此夏季和冬季成為線路故障的高峰期。故障率的時(shí)間變化趨勢(shì)通常呈現(xiàn)雙峰特征。鑒于匹配具有多個(gè)峰值的曲線時(shí)，傅里葉級(jí)數(shù)表現(xiàn)出色，且調(diào)整曲線形狀相對(duì)簡便，因此本文選擇應(yīng)用一次傅里葉級(jí)數(shù)來擬合候選路徑的月度故障率變化特性。其表達(dá)方式如公式（2）所示[2]。

fλ（x）=a0+a1cos（ωx）+b1sin（ωx） " " "（2）

式中：x為將月份作為單位的時(shí)間變量；α0、b1、ω為待擬合系數(shù)。

2.3 待選路徑故障率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

在電力工程的設(shè)計(jì)與施工中，對(duì)輸電線路進(jìn)行可靠性分析是至關(guān)重要的。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，必須對(duì)待選路徑的故障率進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。故障率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目的是識(shí)別和量化可能導(dǎo)致輸電線路故障的各種因素。這涉及對(duì)過去故障數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與分析以及對(duì)影響系統(tǒng)可靠性的環(huán)境、操作和設(shè)備相關(guān)因素進(jìn)行考察。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以估計(jì)不同故障模式的發(fā)生概率，從而為設(shè)計(jì)施工提供決策支持。故障率模擬是一個(gè)關(guān)鍵步驟，它允許使用統(tǒng)計(jì)模型和計(jì)算方法來預(yù)測(cè)未來可能出現(xiàn)的故障率。這通常涉及時(shí)間序列分析、蒙特卡洛模擬等方法，以生成可能的故障率情景。通過模擬不同的故障率場(chǎng)景，可以更好地理解在特定條件下系統(tǒng)的響應(yīng)，并據(jù)此制定應(yīng)對(duì)策略。此外，逐月變化率分析幫助了解故障率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。這種分析能夠揭示可能存在的季節(jié)性模式或周期性變化，它們可能與天氣條件、維護(hù)周期或其他周期性事件有關(guān)。通過識(shí)別這些模式，可以調(diào)整維護(hù)計(jì)劃，優(yōu)化資源分配，從而降低故障發(fā)生的概率。當(dāng)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，計(jì)算逐月故障率變化率，其月度故障率變化率等于當(dāng)前月份故障率減去上一個(gè)月份故障率的差值，再除于上一個(gè)月份故障率的值的百分比。

結(jié)合上述方法，能夠建立一個(gè)全面的故障率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。該模型不僅考慮歷史數(shù)據(jù)和潛在的故障模式，還結(jié)合了逐月變化率的分析結(jié)果，以預(yù)測(cè)未來的故障率走勢(shì)，這可以幫助決策者了解系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，制定相應(yīng)的預(yù)防措施，并在必要時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以提高輸電線路的整體可靠性。

3 電源出力的逐月變化特性

在現(xiàn)代電力體系中，多元化的發(fā)電方式并存，主要包括傳統(tǒng)的火電、水電以及新興的清潔能源，例如風(fēng)能、太陽能光伏和核能發(fā)電?；痣娭饕没剂希貏e是煤炭，其資源供應(yīng)具有一定的穩(wěn)定性；而核能則利用穩(wěn)定的核燃料儲(chǔ)備，保證了電力生產(chǎn)的連續(xù)性。相反，水電利用水力資源，風(fēng)能和太陽能光伏發(fā)電受天氣和季節(jié)條件的強(qiáng)烈制約，導(dǎo)致其發(fā)電量的波動(dòng)性較大?？梢詫⒒痣姾秃四茏鳛榭煽康摹盎呻娫础?，其發(fā)電性能非常穩(wěn)定，不受氣候等外界因素的影響。因此，可以用長期平均功率的恒定特性來概括月度發(fā)電量變化，即每月的功率輸出變化可以視為一個(gè)平滑的線性或常數(shù)模式[5]。然而，“不穩(wěn)定電源”，例如水電、風(fēng)電和光伏發(fā)電，它們的產(chǎn)量波動(dòng)主要源于氣候因素，特別是水電，豐水期（通常為6月—9月）的發(fā)電量達(dá)到峰值，而在枯水期（通常為12月—2月）則降至低谷。風(fēng)電的產(chǎn)量與其所在地區(qū)的風(fēng)資源變化密切關(guān)聯(lián)，類似呈現(xiàn)“波峰”和“波谷”，一般11月—次年1月為高峰期，5月—9月是低風(fēng)期，產(chǎn)量相應(yīng)下降。光伏發(fā)電的輸出與太陽能輻射強(qiáng)度同步變化，春夏季節(jié)的產(chǎn)量通常高于其他時(shí)段，冬季通常為全年最低。因此，水電、風(fēng)電和光伏發(fā)電的月度產(chǎn)量變化同樣可以用傅里葉級(jí)數(shù)（公式（2））來擬合。

4 輸電線路可靠性分析

4.1 輸電線路可靠性參數(shù)處理

假設(shè)電源至負(fù)荷之間有L1與L2兩條待選路徑，其主要目標(biāo)是在二者之間選擇最優(yōu)路徑，如圖2所示。

在評(píng)估不同路徑選擇及其最適宜路線的過程中，關(guān)鍵的決策支持源自可靠性參數(shù)。本文特別選擇了年度輸電能量損耗期望值EEL（Expected Energy Loss）作為衡量路徑可靠性的核心標(biāo)準(zhǔn)。假設(shè)當(dāng)這條理想路徑無故障時(shí)，其輸電能量損耗為零，一旦該路徑發(fā)生故障，其輸電能力降至零，就意味著喪失的能量恰好等于發(fā)電源原本輸出的電力總量[6]。

以設(shè)備不可用率與故障率為基礎(chǔ)，可轉(zhuǎn)化為擬合函數(shù)定積分形式，在經(jīng)過改寫后，得出公式（3）。

（3）

式中：MTTR為線路平均修復(fù)實(shí)踐月份；fλ（x）為待選路徑所對(duì)應(yīng)故障逐月變化擬合函數(shù)；fG（x）為對(duì)電源出力逐月變化擬合函數(shù)。線路平均修復(fù)時(shí)間MTTR通常取常數(shù)，可通過上述統(tǒng)計(jì)方法獲得已有線路歷史數(shù)據(jù)來決定取值。

4.2 輸電線路故障模式及其影響分析

如果要深入探討輸電線路的故障模式及其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，那么首先會(huì)涉及故障模式識(shí)別，其中需要識(shí)別和分類輸電線路可能出現(xiàn)的各種故障模式，例如導(dǎo)線斷裂、絕緣子損壞、鐵塔倒塌等。其次分析故障原因，對(duì)每一種故障模式來說，分析可能導(dǎo)致該故障的原因，可能包括自然環(huán)境因素，例如風(fēng)暴、地震，材料老化，設(shè)備缺陷或人為操作錯(cuò)誤等。最后，須評(píng)估不同故障模式對(duì)輸電系統(tǒng)運(yùn)行的具體影響，包括電力供應(yīng)中斷的范圍、持續(xù)時(shí)間以及對(duì)用戶和電網(wǎng)公司經(jīng)濟(jì)的影響。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果來估計(jì)每種故障模式發(fā)生的概率，故障率為故障次數(shù)與試驗(yàn)總時(shí)間的比值，通常定義為單位時(shí)間內(nèi)某組件故障次數(shù)的期望值，可預(yù)測(cè)多重故障同時(shí)發(fā)生的可能性，能計(jì)算故障概率。敏感性分析則旨在確定對(duì)輸電線路的可靠性有影響的因素，以便在設(shè)計(jì)和施工過程中對(duì)這些關(guān)鍵因素給予更多的關(guān)注。基于故障模式的分析結(jié)果，進(jìn)一步提出相應(yīng)的預(yù)防措施和改進(jìn)策略，以減少故障發(fā)生的概率和影響。

5 算例分析

5.1 待選路徑故障率逐月變化

當(dāng)選擇圖2中的路徑L1和L2作為最佳選項(xiàng)時(shí)，采取圖1所示的方式，分別分析這兩條路徑覆蓋區(qū)域內(nèi)的既有線路在過去3年的故障歷史數(shù)據(jù)。在此期間，L1區(qū)域內(nèi)的線路經(jīng)歷了49次故障，而L2區(qū)域內(nèi)的線路故障次數(shù)為47次。傳統(tǒng)可靠性評(píng)估方法得出的多年平均故障率分別是16.3次/年和15.7次/年，兩者的差異微小，無法為決策提供有力依據(jù)。然而，運(yùn)用本文提出的新方法，參照故障率月度變化趨勢(shì)，使用MATLAB軟件及公式（2）的一次傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)L1和L2的故障率進(jìn)行擬合，得到逐月變化特性的擬合曲線fλ1（x）和fλ1（x），分別為0.5155x與0.8983x。

5.2 電源出力逐月變化特性

在圖2中，假定電源類型為水力發(fā)電，其出力的季節(jié)波動(dòng)明顯，豐水期（6月—9月）表現(xiàn)為高輸出，而枯水期（12月—次年2月）相對(duì)較低。為了描繪這種月度變化趨勢(shì)，利用MATLAB的強(qiáng)大功能，運(yùn)用一次傅里葉級(jí)數(shù)模型來擬合這種月度波動(dòng)模式，設(shè)定平均修復(fù)時(shí)間MTTR為20h，折合成月單位為0.0274個(gè)月。分別計(jì)算了候選路徑L1和L2全年的電能輸送損失預(yù)期，即EEL2為12857.83MW·h，EEL2為11529.64MW·h。對(duì)比兩者的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)路徑L2的全年電能損失預(yù)期EEL2明顯小于EEL，說明如果選擇L2作為輸電線路建設(shè)方案，那么它在長期運(yùn)營中預(yù)計(jì)產(chǎn)生的電能損耗最少，與L1相比，每年大約節(jié)省了1300 MW·h的電能損失。因此，基于以上分析，確定L2為最優(yōu)化的線路選擇。

6 結(jié)論

在輸電線路路徑設(shè)計(jì)的深度考量中，后期運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)及可靠性評(píng)估不可或缺。傳統(tǒng)的評(píng)估方法通常依賴于靜態(tài)的長期平均故障率指標(biāo)，未能深入揭示設(shè)備性能隨時(shí)間演變和環(huán)境因素影響的動(dòng)態(tài)特性。本文在此基礎(chǔ)上，提出了以下突破性的路徑規(guī)劃策略。1）本文詳盡分析了現(xiàn)有線路在候選路徑覆蓋區(qū)域的歷史故障數(shù)據(jù)，從而對(duì)每月潛在故障風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行精細(xì)化估算。運(yùn)用傅里葉級(jí)數(shù)，成功揭示了故障率在月度周期內(nèi)的精細(xì)波動(dòng)模式，捕捉到了那些常規(guī)方法難以察覺的細(xì)微變化。2）對(duì)與候選路徑相連的電力來源來說，同樣區(qū)分對(duì)待?？刹捎镁€性模型簡化處理穩(wěn)定的能源輸出，而波動(dòng)較大的能源則采用傅里葉級(jí)數(shù)進(jìn)行擬合，以準(zhǔn)確反映其月度變異性。3）綜合考慮候選路徑的故障率月度波動(dòng)和能源供應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性，通過計(jì)算并比較全年預(yù)期的電能輸送損失EEL，以此來優(yōu)化路徑選擇。這種方法使風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估更具時(shí)效性和準(zhǔn)確性。利用本文提出的路徑設(shè)計(jì)方法，能夠更準(zhǔn)確地把握候選路徑隨時(shí)間演變的風(fēng)險(xiǎn)狀況，為輸電線路規(guī)劃工作提供更為科學(xué)、精準(zhǔn)的決策依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]慕澤田.高比例可再生能源接入下的發(fā)電、輸電、變電、配電系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃[J].家電維修，2024（3）：71-73.

[2]楊丹，倪江，楊迎昕，等.輸電線路規(guī)劃方法和壽命周期成本綜述[J].四川電力技術(shù)，2024，47（1）：65-71.

[3]蓋斌，賈華，張騰，等.柔性直流輸電用干式直流電容器工況驗(yàn)證試驗(yàn)回路研制[J].電力電容器與無功補(bǔ)償，2024，45（1）：169-174.

[4]黃平.基于智能理論的高壓輸電線路故障分析[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2024，46（1）：51-55.

[5]繆惠全，高思遠(yuǎn)，劉如山，等.生命線工程的可靠性研究進(jìn)展分析（Ⅱ）—國內(nèi)電力系統(tǒng)的抗震可靠性[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2024，50（3）：362-384.

[6]唐冬來，李擎宇，龔奕宇，等.基于層次分析的輸電智能終端運(yùn)行控制策略[J].江西科學(xué)，2023，41（6）：1147-1152.