基于荷载可靠性的配电线路杆塔档距规划方法技术

本发明专利技术公开了一种基于荷载可靠性的配电线路杆塔档距规划方法，考虑台风最大风速的随机性及台风登陆频率，基于台风最大风速极值I型分布建立了架空配电线路荷载可靠度计算模型，以配电系统全寿命周期成本为目标函数，电杆型号、档距长度为决策变量，提出了一种架空配电线路杆塔及档距规划模型。本发明专利技术考虑线路倒杆断杆故障造成的停电损失成本，结合杆塔投资成本、维护成本，构建以配电系统全寿命周期成本为目标函数、线路档距为约束条件的杆塔及档距规划模型。基于该规划方法，规划人员能直观的掌握架空配电线路荷载风险水平，获得兼顾经济性与可靠性的最优方案。

【技术实现步骤摘要】
基于荷载可靠性的配电线路杆塔档距规划方法
本专利技术属于电力系统规划
，具体涉及配电线路杆塔档距规划方法。
技术介绍
配电网位于电力系统末端，用户的利益与配网运行密切相关。然而由于主网抗风设计标准往往高于配网设计标准，台风或强台风天气下沿海配电线路倒杆、断杆故障层出不穷，造成“主网坚强，配网送电困难”现象。多次风灾造成的停电事故表明，配电网对台风等灾害性天气抵御能力较差。2008年，国务院文件《关于加强电力系统抗灾能力建设的若干意见》要求合理调整电网设计标准。目前我国线路规划中通常仅侧重线路设计标准的量化、统一提高设计标准，由于配电网覆盖面积广、涉及用户种类多，提高设计标准意味着投资成本大大增加，既不经济也无必要。随着国内外对电力系统抗灾能力越来越重视，配电线路规划中如何考虑风灾等自然灾害的影响、如何统筹经济性与可靠性、如何提高抗灾投资效率是目前亟待解决的问题。目前关于线路抗灾设计方面的研究还较为少见，大部分仅针对抗灾型电力系统框架结构进行了研究。期刊《电力系统自动化》2010年第34卷第3期“抗灾型电网规划模式与模型”一文中将抗灾能力指标并入配电网规划综合评估指标目标函数中，针对各地区对各项指标要求不同的特点，提出了一种记及配电网抗灾能力的规划方案综合评估方法；期刊《电网技术》2009年第33卷第3期“抗灾型电力系统的规划”一文基于传统电力系统规划模型提出了考虑自然灾害场景约束的电力系统规划模式，并对电网规划规程提出了优化建议。期刊《现代电力》2012年第29卷第4期“茂名市配电网抗灾规划研究”一文根据广东省电力公司文件《提高新建和改造配电线路抵御台风能力技术措施》，结合沿海地区风灾等级划分提出了一套防风抗灾型中压配电规划方案。上述研究成果对电力系统进行规划时，未涉及到线路元件的选取、线路档距的确定等具体线路规划方案，无法将现有研究成果很好的运用到工程实践中。台风天气下架空配电线路倒杆、断杆的主要原因是台风风荷载造成的杆根弯矩过大，超过混凝土电杆自身的强度，属于结构可靠性的范畴。
技术实现思路
沿海架空配电线路受影响严重，加强配电系统的抗风灾能力是目前急需解决的重大问题。本专利技术考虑台风最大风速的随机性及台风登陆频率，基于台风最大风速极值I型分布建立了架空配电线路荷载可靠度计算模型，以配电系统全寿命周期成本为目标函数，电杆型号、档距长度为决策变量，提出了一种架空配电线路杆塔及档距规划方法。实现本专利技术目的采用的技术方案是：一种基于荷载可靠性的配电线路杆塔档距规划方法，其特征在于：依据荷载可靠性原理，采用MonteCarlo法计算电杆荷载不可靠度；依据架空配电线路电杆的串并联方式，计算受台风影响的线路平均故障率；以配电系统全寿命周期成本为目标函数，建立基于荷载可靠性的配电线路杆塔档距规划模型。具体方法步骤如下：步骤1：电杆荷载不可靠度计算荷载可靠性原理说明，架空配电线路的结构可靠性主要由线路的混凝土直线杆决定。采用功能函数计算电杆在该外部荷载作用下的荷载可靠度，电杆状态可采用下式表示：Z＝g(X)＝g(X1,X2,X3,…Xn)(1)其中，X＝(X1,X2,X3,…,Xn)T是描述电杆状态的n个基本变量，Xi(i＝1,2,3,…n)为线路的力学参数、所承受的作用等。功能函数中描述电杆状态的基本变量可分为两类，即强度变量与荷载效应变量。功能函数可表示为：Z＝R-S(2)其中，R为电杆的强度，S在本文中为风荷载引起的荷载效应，即电杆杆身弯矩，通常为服从一定分布的随机变量。当Z>0时，电杆即处于可靠状态。1.1计算电杆抗弯强度由于电杆倒杆、断杆的主要原因是杆身弯矩超过其所能承受的强度，因此本专利技术中电杆强度与荷载效应分别为电杆抗弯强度与风荷载造成的杆身弯矩。抗弯强度符合正态分布，混凝土电杆抗弯强度Mp的概率密度函数为：其中，μp＝β·Mu，μp为混凝土电杆抗弯强度的均值，β值可通过实际运行经验或破坏性试验得到；Mu为混凝土电杆的承载能力校验弯矩，单位N·m；δp＝ν·Mu为混凝土电杆抗弯强度的标准差，ν为变差系数，可通过实际运行经验或破坏性试验得到。1.2计算风荷载引起的电杆荷载效应由台风引起的倒杆、断杆通常发生在电杆杆根，主要原因是杆根截面弯矩过大，因此对电杆承受的荷载及荷载在杆根引起的弯矩进行分析。考虑风向始终垂直于线路的极端情况，当风速一定时，有作用于电杆上的导线水平风荷载为：其中，V为风速，m/s；D为导线外径，m；α为风压不均匀系数；μsc为导线体型系数；μz为风压高度变化系数；L为线路平均档距。此外，电杆还承受风吹向电杆产生的杆身风荷载。杆身风荷载与风向在同一平面内，其计算表达式如下：其中，C为体型系数，D0、Dp为梢径与杆根的杆径，单位m；hp为电杆杆高，单位m。混凝土电杆在风荷载作用下，由导线风荷载引起的杆根弯矩大小为：其中，Ghk为第k根导线承受的风荷载，单位N/m；hk为第k根导线与杆根的垂直距离；n为电杆上悬挂的导线根数。由杆身风荷载引起的杆根弯矩大小可由下式计算：M2＝PpZ(7)其中，Z为杆身风压合力点至杆根的力臂，单位m。由于风向垂直于线路，导线风荷载引起的杆根弯矩与杆身风压造成的杆根弯矩在同一平面内，电杆杆根弯矩MT为二者的矢量合成：MT＝M1+M2(8)式中，M1为由导线风荷载引起的杆根弯矩矢量；M2为由杆身风荷载引起的杆根弯矩矢量。1.3计算电杆荷载不可靠度由于台风登陆过程中的风速由台风登陆位置、登陆路径、台风强度等决定，要确定其风速变化较为困难，在规划中考虑最为严重的情况，即该地在台风登陆过程中风速均为台风最大风速。台风最大风速服从极值I型分布，分布函数为：FV(v)＝exp[-exp(-a(x-u))](9)相应的概率密度函数为：式中，a为尺寸参数，a>0；u为位置参数，-∞<u<+∞，这些参数可根据历史风速数据估计得到。电杆荷载效应为风速的函数S，记为：S＝h(v)(11)台风风速满足极值I型分布Fv(v)，则有元件荷载效应S的分布函数为：Fs(s)＝P(s＜S)＝P(s＜h(v))(12)荷载效应S与风速v并非简单线性关系，因此本专利技术采用MonteCarlo法对电杆荷载可靠度进行计算，其具体步骤如下：①随机生成两个[0,1]区间上服从均匀分布的数yi1、yi2；②因最大风速服从极值I型分布，随机数yi1与风速vi的关系式为：yi1＝FV(vi)，通过逆变换得到③计算风速为vi时电杆杆根弯矩Mi；④电杆强度服从正态分布随机数yi2与电杆强度rpi满足关系式：yi2＝FRp(rpi)，通过逆变换得到电杆的一个强度值若rpi<Mi，则记电杆失效一次；⑤重复步骤①至④N次，电杆失效次数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于荷载可靠性的配电线路杆塔档距规划方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、电杆荷载不可靠度计算1.1计算电杆抗弯强度，电杆抗弯强度Mp的概率密度函数为：fR(Mp)=12πδpexp[-12(Mp-μpδp)2]]]>其中，μp＝β·Mu，μp为混凝土电杆抗弯强度的均值，β值可通过实际运行经验或破坏性试验得到；Mu为混凝土电杆的承载能力校验弯矩，单位N·m；δp＝ν·Mu为混凝土电杆抗弯强度的标准差，ν为变差系数，可通过实际运行经验或破坏性试验得到；1.2计算风荷载引起的电杆荷载效应当风速一定时，作用于电杆上的导线水平风荷载为：Gh=V21.6DαμscμzL]]>其中，V为风速，m/s；D为导线外径，m；α为风压不均匀系数；μsc为导线体型系数；μz为风压高度变化系数；L为线路平均档距；吹向电杆产生的杆身风荷载：Pp=CV21.6D0+Dp2hp]]>其中，C为体型系数，D0、Dp为梢径与杆根的杆径，单位m；hp为电杆杆高，单位m；电杆在风荷载作用下，由导线风荷载引起的杆根弯矩大小为：M1=Σk=1nGhkhk]]>其中，Ghk为第k根导线承受的风荷载，单位N/m；hk为第k根导线与杆根的垂直距离；n为电杆上悬挂的导线根数；由杆身风荷载引起的杆根弯矩大小可由下式计算：M2＝PpZ其中，Z为杆身风压合力点至杆根的力臂，单位m；电杆杆根弯矩MT为二者的矢量合成：MT＝M1+M2式中，M1为由导线风荷载引起的杆根弯矩矢量；M2为由杆身风荷载引起的杆根弯矩矢量；1.3计算电杆荷载不可靠度其中台风最大风速服从极值I型分布，分布函数为：FV(v)＝exp[‑exp(‑a(x‑u))]相应的概率密度函数为：fV(v)=ae{-a(x-u)-e[-a(x-u)]}]]>式中，a为尺寸参数，a>0；u为位置参数，‑∞<u<+∞，电杆荷载效应为风速的函数S，记为：S＝h(v)台风风速满足极值I型分布Fv(v)，则有元件荷载效应S的分布函数为：Fs(s)＝P(s＜S)＝P(s＜h(v))采用Monte Carlo法对电杆荷载不可靠度进行计算；步骤2、受台风影响的线路平均故障率计算根据元件串联模型可计算得到第j条馈线在风速分布下正常运行的概率为：Pj=Πi=1nj(1-Pfpi)]]>式中，nj为该段馈线上电杆个数，在台风天气下，该条馈线的倒杆故障率为：λtj=(1-Pj)μPj]]>式中，μ为修复率，考虑倒杆故障与一般故障的线路综合平均故障率可按下式计算：λcj=TnormalTyearλnj+TtyphoonTyear(λnj+λtj)]]>式中，Tnormal、Ttyphoon、Tyear分别为馈线处于正常天气、台风天气下的时间及总时间；λcj、λtj、λnj分别为第j条馈线综合平均故障率、台风天气下倒杆故障率、正常天气下的故障率；步骤3、杆塔及档距规划模型具体步骤为：3.1架空配电线路规划模型如下，Min F＝CI+CM+CFF为配电系统全寿命周期成本；CI、CM、CF分别为架空配电线路投资成本、维护成本和倒杆断线故障损失费用；Lmin≤L≤Lmax上式为档距约束，Lmin、L、Lmax分别为规范规定的最小档距、档距变量、规范规定的最大档距；3.2成本费用计算，包括架空配电线路投资成本、维护成本和故障损失费用；3.3根据约束规范调整配电线路杆塔档距。...

【技术特征摘要】
1.一种基于荷载可靠性的配电线路杆塔档距规划方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、电杆荷载不可靠度计算1.1计算电杆抗弯强度，电杆抗弯强度Mp的概率密度函数为：其中，μp＝β·Mu，μp为混凝土电杆抗弯强度的均值，β值可通过实际运行经验或破坏性试验得到；Mu为混凝土电杆的承载能力校验弯矩，单位N·m；δp＝ν·Mu为混凝土电杆抗弯强度的标准差，ν为变差系数，可通过实际运行经验或破坏性试验得到；1.2计算风荷载引起的电杆荷载效应当风速一定时，作用于电杆上的导线水平风荷载为：其中，V为风速，m/s；D为导线外径，m；α为风压不均匀系数；μsc为导线体型系数；μz为风压高度变化系数；L为线路平均档距；吹向电杆产生的杆身风荷载：其中，C为体型系数，D0、Dp为梢径与杆根的杆径，单位m；hp为电杆杆高，单位m；电杆在风荷载作用下，由导线风荷载引起的杆根弯矩大小为：其中，Ghk为第k根导线承受的风荷载，单位N/m；hk为第k根导线与杆根的垂直距离；n为电杆上悬挂的导线根数；由杆身风荷载引起的杆根弯矩大小可由下式计算：M2＝PpZ其中，Z为杆身风压合力点至杆根的力臂，单位m；电杆杆根弯矩MT为二者的矢量合成：MT＝M1+M2式中，M1为由导线风荷载引起的杆根弯矩矢量；M2为由杆身风荷载引起的杆根弯矩矢量；1.3计算电杆荷载不可靠度其中台风最大风速服从极值I型分布，分布函数为：FV(v)＝exp[-exp(-a(x-u))]相应的概率密度函数为：式中，a为尺寸参数，a>0；u为位置参数，-∞<u<+∞，电杆荷载效应为风速的函数S，记为：S＝h(v)台风风速满足极值I型分布Fv(v)，则有元件荷载效应S的分布函数为：Fs(s)＝P(s＜S)＝P(s＜h(v))采用MonteCarlo法对电杆荷载不可靠度Pfp进行计算；步骤2、受台风影响的线路平均故障率计算根据元件串联模型可计算得到第j条馈线在风速分布下正常运行的概率为：式中，nj为该段馈线上电杆个数，Pfp为电杆荷载不可靠度；在台风天气下，该条馈线的倒杆故障率为：式中，μ为修复率，考虑倒杆故障与一般故障的线路综合平均故障率可按下式计算：式中，Tnormal、Ttyphoon、Tyear分别为馈线处于正常天气、台风天气下的时间及总时间；λcj、λtj、λnj分别为第j条馈线综合平均故障率、台风天气下倒杆故障率、正常天气下的故障率；步骤3、杆塔及档距规划模型具体步骤为：3.1架空配电线路规划模型如下，MinF＝CI+CM+CFF为配电系统全寿命周期成本；CI、CM、CF分别为架空配电线路投资成本、维护成本和倒杆断线故障损失费用；Lmin≤L≤Lmax上式为档距约束，Lmin、L、Lmax分别为规范规定的最小档距、档距变量、规范规定的最大档距；3.2成本费用计算，包括架空配电线路投资成本、维护成本和故障损失费用；3.3根据约束规范调整配电线路...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡博，谢开贵，兰颖，余娟，任洲洋，李炎林，马英浩，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85