摘 要

台风灾害威胁着电力系统运行的经济性和安全性。配电网由于设计标准不及主网，往往面临着大规模的严重设备损坏。台风灾害时的配电系统故障主要为倒杆断线，对其进行故障概率分析能提升系统的灾害预警能力和风险评估精度。本文建立了台风灾害下架空配电线路故障概率模型，分析了对故障概率有影响的线路参数，旨在从这些因素入手为系统防风措施提出建议。同时建立了考虑荷载效应随机性的架空配电线路故障概率模型，其基础是台风最大风速服从极值I型分布，该模型修正了确定荷载效应下的故障概率。

本文根据工程结构可靠性理论，基于气象部门获取的台风登陆信息，利用风场模型预测线路处具体的风向和合成风速，计算导线和电杆承受的综合荷载，再分别与二者的强度随机变量进行比较，构造以荷载和强度为变量的功能函数，通过强度密度函数积分和串联系统可靠性理论建立架空配电线路故障概率模型。算例分别测试了线路走向、导线型号、电杆强度等级和线路档距对线路故障概率的影响，说明电杆倒杆对故障概率起主导作用。

本文考虑台风最大风速服从极值I型分布，利用元件荷载效应与风速随机变量的关系推导出考虑荷载效应随机性的架空配电线路故障概率模型。算例表明该模型能够修正确定荷载效应下算得的故障概率，能够更充分的考虑荷载效应分布和配电线路的长期风险评估水平。

关键词：台风，配电系统，荷载效应，故障概率，极值I型分布

Abstract

Typhoon disasters threaten the economics and safety of power system, because the design standard of distribution network is usually lower than the main network, the distribution equipment is seriously damaged. The failure of distribution system under typhoon disasters is mainly featured with the collapsed poles and broken wires. Failure probability analysis can improve early warning ability for disasters and risk assessment accuracy in power system. Aimed at making recommendations for wind protection measures in distribution system, this paper established a failure probability model of overhead distribution lines under typhoon disasters and analyzed line parameters that have an influence on failure probability. At the same time, considering that the maximum wind speed obeyed Gumbel distribution, this paper built a failure probability model of overhead distribution lines relevant to the randomness of the load effect, which modifies failure probability under certain load effects.

According to the reliability theory of engineering structure and the typhoon landing information obtained from the meteorological department, this paper used wind field model to predict specific wind direction and combined wind speed on certain line, calculated the combined wind load of wires and poles, then compared the random variables of the strength of wires and poles, the strength-stress function is established. Finally, the integral transformation and series system reliability theory is used to establish the failure probability model of overhead distribution lines. The example tested the influence of line direction, wire type, pole strength level and line span on failure probability, indicating that the failure probability of distribution lines is mainly determined by pole collapse.

This paper considers that the maximum wind speed follows Gumbel distribution, and uses the relationship between component load effects and wind speed random variables to derive a failure probability model for overhead distribution lines that considers the randomness of load effect. The example shows that the model can correct the failure probability calculated under the determined load effect, and can more fully consider the load effect distribution and the long-term risk assessment level of distribution lines.

Key Words：typhoon；distribution system；load effect；failure probability；Gumbel distribution

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

1.2.1 台风风场研究现状 2

1.2.2 基于致灾机理的故障概率模型研究现状 3

1.3 本文主要研究内容 4

第2章 台风天气下配电线路故障概率模型 5

2.1 基于Batts模型的台风风速计算 5

2.1.1 最大风速半径与梯度风速的计算 5

2.1.2 风场范围内各点风速计算 6

2.2 线路单元件荷载效应计算 6

2.2.1 导线荷载效应计算 6

2.2.2 电杆荷载效应计算 9

2.3 线路单元件强度随机变量 11

2.3.1 导线强度随机变量 11

2.3.2 电杆强度随机变量 12

2.4 配电线路故障概率模型 13

2.4.1 基于功能函数求积分的单元件故障概率计算 13

2.4.2 架空配电线路故障概率计算 15

2.5 算例分析 15

2.5.1 配电线路故障概率仿真结果 17

2.5.2 导线型号对故障概率的影响 18

2.5.3 电杆型号对线路故障概率的影响 19

2.5.4 线路档距对故障概率的影响 20

2.6 本章小结 20

第3章 考虑荷载效应随机性的配电线路故障概率模型 22

3.1 台风风速极值分布 22

3.1.1 极值I型分布参数估计 22

3.1.2 参数估计方法的选取 24

3.2 配电线路故障概率模型 25

3.2.1 杆根弯矩分布函数的求解 25

3.2.2 考虑杆根弯矩随机性的线路故障概率模型 25

3.3 算例分析 26

3.4 本章小结 28

第4章 结论与展望 29

4.1 本文研究工作总结 29

4.2 进一步研究工作展望 29

致 谢 31

参考文献 32

附录A 35

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

台风是发生在热带海洋上的一种具有暖中心结构的强烈气旋性涡旋，通常以台风中心地面最大平均风速和台风中心海平面最低气压为依据判断台风的强度大小^[1]。参照国标《热带气旋等级》^[2]，中心附近最大平均风速在32.7~41.4m/s的热带气旋称为台风，中心附近最大平均风速在41.5~50.9m/s的热带气旋为强台风，而当中心附近最大平均风速超过50.9m/s的则为超强台风。我国位于西太平洋沿岸，是受台风侵袭最多的国家，平均每年有7~9个台风登陆我国^[3]。我国台风灾害的特征表现在：登陆台风多、影响范围广、危害程度高、4)灾害损失重^[4]。

政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change , IPCC）第一工作组第五次评估报告指出了全球变暖的事实是毋庸置疑的^[5]，全球暖化导致极端天气的频率和强度增长。极端天气事件就是从概率分布的角度来看，发生概率极小的事件，通常为10%或更低^[6]，但由其导致的故障占电网故障相当大比例，对电力系统的危害不容忽视，一旦发生往往会导致巨大的社会经济损失^[7]。台风是中小时空尺度的极端天气事件^[8]，全球变暖将导致更大的台风强度并伴随着更大的风速和更强的降水^[9]，相应地台风自然灾害的频率和损失将显著增加，台风对电力系统设备造成更大的破坏风险和经济损失，风灾已成为危害电网安全性的重要因素之一。2005年9月25日，强台风“达维”袭击海南岛，台风强度超过了电力线路设计标准，配电线路抵御强台风的能力弱，造成海南省电网大批35kV及以下配电设备受损和主网110kV，220kV线路大量发生永久性跳闸故障，进而导致海南电网全网崩溃^[10]。2014年7月18日第9号超强台风“威马逊”在广东省湛江市第二次登陆，中心最大风力有17级，共造成广东电网10kV及以上线路跳闸758次，10kV及以上倒杆6530基，低压倒杆12191根，线路受损1986km，215.6万用户受到影响，其中湛江地区受灾最为严重，徐闻县供电全部中断^[11]。表1.1是2017年台风“天鸽”“帕卡”导致广东电网35kV~500kV线路跳闸情况的统计数据。