基于动态参数估计算法的雷电入侵波危害判断
2022-10-18牛元锋
牛元锋,亚 娅
(1.郑州科锐同源电力设计有限公司济南分公司,山东 济南 250100;2.山东天祥电力设计院有限公司,山东 济南 250101)
0 引 言
变电站是电力系统稳定运行的核心,也是电能向终端转化的重要基础,对输电线路的稳定运行发挥着至关重要的作用。变电站一旦遭受雷电入侵波,轻则会出现设备受损,重则会出现电力系统瘫痪。因此,加强变电站的雷电入侵波防范十分重要。输电线路遭受雷击后会产生入侵波,造成输电线路不稳定[1]。通常来说,变电站会在电气设备旁边设置避雷针组或者在输电线路上设置雷电入侵波防护装置,雷电入侵波防护装置的安装位置以及避雷针组的防雷等级选择仍是目前亟待解决的问题[2]。针对上述问题,利用动态参数估计算法构建雷电入侵波防护的数学模型,具体内容如下。
1 变电站的雷电入侵波防护问题的数学描述
动态参数估计属于一种统计推断算法,分为广义参数估计和动态参数估计。广义参数估计适合模糊数据分析,而动态参数估计适合综合数据分析。变电站的雷电入侵波防护问题主要是对随机数据进行分析,适合应用动态参数估计算法。随机抽取样本后按照特征参数的要求进行样本分类,得到输电线路中电压、电流的状态数据,并通过计算得到雷电入侵波的危害结果。假设变电站中的设备个数为n,线路i两端的电压为Ui、电流为Ii,设备电压为
式中:ξ为参数估计的随机系数,符合正态分布要求。为了减少雷电入侵波危害判断的数据量,需要剔除冗余数据,构建以特征数据为主的数据集合。对电压、电流方程进行求导,得到“拐点”的特征值,具体公式为
式中:aest为安装避雷针组、避雷设备的输电线路集合;D1为避雷针组的集合,D1=0代表避雷针组运行,D1=1代表避雷针组未运行;Si为输电线路的电压变化集合,Si=1代表电压发生大幅改变,Si=0代表电压未发生大幅改变[3]。如果电压变化用ΔU表示,其计算公式为
2 入侵波危害程度判断模型
入侵波危害程度R是依据输电线路两端的潮流进行判断,具体过程为
式中:PD1为输电线路两点的潮流;Pi为输电线路中设备的潮流;Gi为设备功率的横向变化系数;Bi为设备功率的纵向变化系数;θi为功率变化的角度;∑为功率的总和[4]。
3 基于动态参数估计的入侵波模型构建
由式(3)可知,ΔU与任意电压Ui之间存在相关性。实际上,不同设备所处的位置、线路不同,遭受雷电入侵波后电压的变化幅度也不同[5]。因此,动态参数估计算法要对不同线路增设调节系数,以达到对雷击位置准确判断的目的[6-8]。
3.1 确定调节系数的量
对ΔU求偏导,取其极值得到调节系数,具体计算公式为
3.2 调节系数的动态估计
基于动态参数估计算法,需要明确调节系数,让调节系数更加符合实际的雷电入侵波防范[9]。具体计算步骤如图1所示。
图1 参数估计的计算步骤
输入变电站的基础性数据,然后录入避雷针组的数量、避雷设备的类型。构建变电站的线路矩阵,计算各线路中的潮流、电压变化情况,利用式(5)判断雷电入侵后电压的调节系数,计算线路中入侵波危害的程度[10,11]。
动态参数估计属于一种动态的参数估计算法,具有动态性的优势,广泛应用变电站的雷电入侵波防护方面[12]。利用动态参数估计算法对雷电防护装置的选择、避雷针组安装位置进行优化,旨在提高变电站中雷电入侵波的防护效果,减少雷电入侵波对变电站的危害。
4 实际算例解析
为了验证本文提出动态参数估计算法的有效性,进行实际算例分析[13]。本案例选择IEEE33节点作为雷电入侵对象,用动态参数估计模型进行入侵波危害分析。IEEE33的节点框架如图2所示。
图2 IEEE33节点模型框架
在对IEEE33节点进行分析前,要对电压、功率进行约束,即Ui<Umax、Pi<Pmax。
4.1 动态参数估计算法的适用性分析
动态估计算法的计算效果较好,在雷电入侵波危害判断过程中单次计算量比较稳定,未出现计算量下降的态势。同时,计算精准度在90%以上,符合变电站对输电线路的分析要求。具体结果如图3所示。
图3 动态参数估计的计算效果
为了进一步验证动态参数估计算法的效果,与静态参数估计进行比较,结果如图4所示。
图4 两种算法对于雷电入侵波危害的判断
由图4可知,动态参数估计的计算精准度在96%~99%,静态参数估计的准确率在90%~95%,动态参数估计模型对雷电入侵波危害的判断更加准确。由于动态参数估计对雷电入侵波危害进行综合分析,不仅比较单条输电线路电流、电压变化和避雷针组的变化,而且对整体输电线路的电流、电压也进行比较,因此计算结果更加准确[14]。
4.2 避雷针组、避雷设备对雷电入侵波防护的准确性
在避雷针组、保护设备混合情况下,为了验证动态估计算法的优越性,可以对以下4种场景进行分析,并判断雷电入侵波的危害程度。场景一是存在配置保护设备、避雷组的线路;场景二是存在避雷组、做功设备的线路;场景三是存在配置保护设备、做功设备的线路;场景四是存在保护设备、避雷组、做功设备的线路[15]。不同算法下的防护指标如表1所示。
表1 不同算法下的防护指标
根据表1,动态参数估计算法下各节点平均防范率、单次雷击防范率、侵入波防范率以及整体防范准确率均大于90%,显著优于静态参数估计防范,说明动态参数估计算法的判断准确性较高,具有一定的优越性[16]。
5 结 论
针对变电站雷电入侵波危害问题,提出一种改进的动态参数估计算法。将参数估计算法与动态分析相结合,并充分考虑不同线路、保护设备、避雷组间的电压因素影响问题。为了验证本文所构建分析算法的有效性,进行实际案例分析。结果显示,动态参数估计的计算精准度为96%~99%,对雷电入侵波危害的判断更加准确。此外,通过动态参数估计算法的应用,雷电防范效果更好,值得借鉴。