本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)風險評估方法，具體涉及一種考慮降雨型滑坡地質災害的電力系統(tǒng)風險評估方法。

背景技術：

輸電桿塔作為電網(wǎng)高壓輸電線路的支撐體，輸電桿塔的完整性直接關系著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行和供電可靠性。隨著“西電東送”、、“川藏電力聯(lián)網(wǎng)工程”等戰(zhàn)略的實施，越來越多的高壓輸電網(wǎng)絡建設在丘陵、山區(qū)以及河流等危險地勢，降雨災害氣象極易誘發(fā)地質災害，不僅威脅著降雨災害區(qū)域內人員生命財產(chǎn)安全，而且也威脅著輸電桿塔的完整性，對輸電線路的正常運行造成嚴重的影響。根據(jù)我國西南地區(qū)某電力公司統(tǒng)計資料，暴雨和持續(xù)性強降雨天氣下已經(jīng)發(fā)生多起輸電桿塔損毀事故，包括滑坡地質災害滑坡體沖撞輸電桿塔而變形、輸電桿塔地基下沉后傾斜等事故。因此，降雨型滑坡地質災害引起輸電線路斷線事故已經(jīng)受到了電力部門的重點關注，提前預防此類事故的發(fā)生顯得極其重要。

一般而言，輸電桿塔的選址是經(jīng)過嚴格規(guī)劃和帥選后制定的，桿塔具有較高的抗干擾能力。但是，降雨氣象下雨水不斷入滲到土壤中，土壤趨于飽和狀態(tài)，最終導致邊坡失穩(wěn)進而引發(fā)滑坡地質災害，威脅著輸電桿塔的安全。當輸電桿塔處于滑坡體上方時，桿塔下方土體被慢慢掏空易導致桿塔地基下沉；當輸電桿塔處于滑坡體下方時，滑坡體從高勢能下滑沖撞桿塔易導致桿塔變形甚至傾覆。因此，對輸電桿塔周圍降雨氣象和地質環(huán)境的監(jiān)測是預防此類事故發(fā)生的基礎。

考慮降雨型滑坡地質災害的電力系統(tǒng)風險評估方法是潛在滑坡地質災害威脅輸電系統(tǒng)帶來系統(tǒng)風險的量化方法，為電網(wǎng)運行人員保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行和供電可靠性提供決策依據(jù)。為科學實施輸電線路因桿塔損壞而斷線的預防措施，首先需建立輸電桿塔損壞概率模型，進而建立輸電線路斷線失效概率模型，然后建立系統(tǒng)風險評估模型，最后根據(jù)評估結果制定應急決策，從而避免或減輕降雨型滑坡地質災害對電網(wǎng)造成的損失。

目前，針對降雨災害氣象誘發(fā)地質災害對輸電系統(tǒng)影響的風險評估方法鮮有研究。因此，結合降雨氣象模型和滑坡致災模型進行電網(wǎng)風險評估顯得意義重大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提出一種考慮降雨型滑坡地質災害的電力系統(tǒng)風險評估方法，針對降雨氣象誘發(fā)地質災害的特點，分析處于丘陵、山區(qū)和河流等位置的輸電桿塔損壞情況，為科學合理地防范降雨型地質災害對電力系統(tǒng)安全運行造成的威脅提供決策依據(jù)。

本發(fā)明提出的一種考慮降雨型滑坡地質災害的電力系統(tǒng)風險評估方法，包括以下步驟：

step1獲取輸電桿塔所處位置的降雨氣象數(shù)據(jù)信息、地理環(huán)境數(shù)據(jù)信息、滑坡體下滑關聯(lián)參數(shù)和電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息；

step2估算累積降雨量、滑坡體沖撞輸電桿塔等效沖擊力和沖撞后輸電桿塔撓曲度；

step3采用曲線擬合法獲得降雨誘發(fā)巖土滑坡災害的概率密度函數(shù)和滑坡體下滑導致輸電桿塔變形的概率密度函數(shù)；

step4建立降雨型滑坡災害導致輸電桿塔損壞的聯(lián)合概率分布模型，基于網(wǎng)格化技術統(tǒng)計降雨區(qū)域內輸電桿塔的數(shù)量并計算輸電線路失效概率；

step5采用蒙特卡洛法對輸電線路狀態(tài)進行抽樣獲得系統(tǒng)失負荷概率；

step6計算系統(tǒng)失負荷狀態(tài)下的最小切負荷量；

step7統(tǒng)計系統(tǒng)風險指標。

其中，step1中所述輸電桿塔所處位置的降雨氣象數(shù)據(jù)信息包括滑坡災害發(fā)生時前期降雨的日降雨量和滑坡災害當日實時降雨量；所述輸電桿塔所處位置的地理環(huán)境數(shù)據(jù)信息包括巖體組成、坡體傾斜角度和滑坡體密度；所述滑坡體下滑關聯(lián)參數(shù)包括滑坡體下滑時滑體平均厚度、滑面摩擦系數(shù)和滑體沖撞輸電桿塔時距離地面的平均高度；所述電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息包括輸電線路位置、輸電線路長度、輸電線路檔距、輸電桿塔高度、輸電桿塔彈性模量、輸電桿塔平均截面積和輸電桿塔平均寬度。

其中，step2中所述累積降雨量r(t)的計算公式如式(1)所示：

r(t)＝qr1+q²r2+…+q^trt(1)

式(1)中rt表示滑坡地質災害發(fā)生前第t天的降雨量，mm；q為衰減系數(shù)，由桿塔所處區(qū)域內滑坡體組成性質和降雨蒸騰作用等因素決定。

其中，step2中所述滑坡體沖撞桿塔等效沖擊力f(x)的計算公式如式(2)所示：

式(2)中x表示等效沖擊力f作用于桿塔時距離地面的高度，m；m表示滑坡體總質量，kg；g表示重力加速度，為常數(shù)；h表示滑坡體質心距離桿塔塔基的垂直高度，m；e表示輸電桿塔主材的彈性模量，kn/mm²；s表示桿塔水平平均截面積，m²；a表示滑坡體作用與輸電桿塔塔身時對應的寬度，m；μ表示滑面摩擦系數(shù)，根據(jù)歷史統(tǒng)計取值；θ表示坡體傾斜角度，°。

其中，step2中所述輸電桿塔撓曲度w(x)的計算公式如式(3)所示：

其中，step3所述降雨誘發(fā)巖土滑坡災害的概率密度函數(shù)是根據(jù)降雨引發(fā)滑坡的歷史數(shù)據(jù)，采用皮爾遜ⅲ型概率密度曲線擬合得到，計算公式如式(4)所示：

式(4)中r表示年降雨極值；rinit表示變量r所能取得的最小值；α表示形狀參數(shù)；β表示尺度參數(shù)；γ(α)表示α的伽馬函數(shù)。

其中，step3中所述滑坡體下滑導致輸電桿塔變形的概率密度函數(shù)是利用有限元分析軟件ansys建立滑坡致災模型進行仿真分析，采用威布爾概率密度曲線擬合得到，計算公式如式(5)所示：

式(5)中λ、γ分別表示尺度參數(shù)和形狀參數(shù)。

其中，step4中所述降雨型滑坡災害導致輸電桿塔損壞聯(lián)合概率分布模型的計算公式如式(6)所示：

f(r,w)＝∫∫f(r)f(w)drdw(6)

其中，step4中所述網(wǎng)格化技術是將降雨氣象圖層疊加到電網(wǎng)地理信息圖層，并形成一個疊加總圖層，然后將按比例縮小的網(wǎng)格圖層疊加到疊加總圖層上，最終形成“氣象-電網(wǎng)-網(wǎng)格”一體化圖層，網(wǎng)格圖層中最小網(wǎng)格單元為：1km×1km。

其中，step4中所述降雨區(qū)域內有效輸電桿塔數(shù)量n的計算公式如式(7)所示：

式(7)中nr表示一體化圖層中降雨覆蓋輸電線路的最小網(wǎng)格單元個數(shù)；nt表示一體化圖層中輸電線路的最小網(wǎng)格單元總數(shù)；lt表示輸電線路的實際長度，km；ld表示輸電線路的單位檔距，km。

其中，step4中所述輸電線路失效概率的計算公式如式(8)所示：

式(8)中fl(r,w)表示第l座桿塔損壞的概率。

其中，step5中所述蒙特卡洛抽樣法獲得系統(tǒng)失負荷狀態(tài)是采用非序貫蒙特卡洛法對輸電線路進行抽樣分析獲得系統(tǒng)失負荷狀態(tài)，系統(tǒng)失負荷概率的計算公式如式(9)所示：

式(9)中n表示系統(tǒng)失負荷狀態(tài)數(shù)；m表示抽樣總次數(shù)；m(z)表示系統(tǒng)在狀態(tài)z出現(xiàn)的次數(shù)。

其中，step6中所述系統(tǒng)失負荷狀態(tài)下最小切負荷量是采用基于交流潮流的最優(yōu)削減負荷模型，該模型不僅考慮了負荷有功功率和無功功率的切除，而且采用恒定功率因數(shù)法，從而得到系統(tǒng)失負荷狀態(tài)下最小切負荷量，計算公式如式(10)～(17)所示：

0≤pci≤pli(13)

pgimin≤pgi≤pgimax(14)

qgimin≤qgi≤qgimax(15)

plimin≤pli≤plimax(16)

uimin≤ui≤uimax(17)

式(10)～(17)中i和il分別表示系統(tǒng)節(jié)點和負荷節(jié)點數(shù)；表示節(jié)點i的功率因數(shù)角；pli表示節(jié)點i負荷的有功功率；pgi和qgi分別表示節(jié)點i的發(fā)電機有功功率和無功功率；pci表示節(jié)點i負荷被切除的有功功率；ui和uj分別表示節(jié)點i和節(jié)點j的電壓幅值；gij和bij分別表示節(jié)點i和節(jié)點j之間線路的電導和電納；θij表示節(jié)點i和節(jié)點j之間的電壓相角差；pgimax和qgimax分別表示節(jié)點i上發(fā)電機有功功率和無功功率上限值；pgimin和qgimin分別表示節(jié)點i上發(fā)電機有功功率和無功功率下限值；plmax和plimin分別節(jié)點i上負荷有功功率上限值和下限值；uimax和uimin分別表示節(jié)點i的電壓上限值和下限值。

其中，step7中所述系統(tǒng)供電負荷損失期望值的計算公式如式(18)所示：

式(18)中eloss表示系統(tǒng)供電負荷損失期望值，mw；pc(z)表示系統(tǒng)在狀態(tài)z的削減負荷量，mw。

其中，step7中所述系統(tǒng)供電負荷損失風險的計算公式如式(19)所示：

式(19)中rrisk表示系統(tǒng)供電負荷損失風險；p表示系統(tǒng)總負荷，mw。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提出的考慮降雨型滑坡地質災害的電力系統(tǒng)風險評估方法的優(yōu)點是：本發(fā)明充分考慮了前期降雨對滑坡地質災害的影響，經(jīng)過反復仿真校驗并對滑坡體下滑沖撞輸電桿塔導致變形的過程進行了精細化建模，求得的輸電線路失效概率更加符合實際情況，綜合降雨氣象誘發(fā)滑坡地質災害過程和滑坡體導致輸電桿塔變形過程，針對輸電桿塔損壞引發(fā)輸電線路失效導致系統(tǒng)損失負荷過程建立了風險評估模型。該風險評估模型評估結果在一定程度上科學且合理地量化了降雨氣象誘發(fā)的地質災害對系統(tǒng)造成風險大小，為電網(wǎng)運行人員在災害天氣下進行調度操作提供理論依據(jù)，為提高電力系統(tǒng)抗災性能而采取更有針對性的預防控制措施。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的風險評估流程圖；

圖2為滑坡體下滑沖撞輸電桿塔示意圖；

圖3為“氣象-電網(wǎng)-網(wǎng)格”一體化圖層示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明提出的一種考慮降雨型滑坡地質災害的電力系統(tǒng)風險評估方法，具體包括以下步驟：

(1)獲取輸電桿塔所處位置的降雨氣象數(shù)據(jù)信息、地理環(huán)境數(shù)據(jù)信息、滑坡體下滑關聯(lián)參數(shù)和電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息；

從國家氣象中心或地方氣象中心獲取輸電桿塔所處位置的降雨氣象信息、從國家地質調查局或地方地質調查局獲取輸電桿塔所處位置的地理環(huán)境信息、從國家電網(wǎng)公司或地方電網(wǎng)公司獲取電網(wǎng)信息是進行降雨型滑坡地質災害的電力系統(tǒng)風險評估的基礎。

(2)估算累積降雨量、滑坡體沖撞輸電桿塔等效沖擊力和沖撞后輸電桿塔撓曲度；

結合前期降雨指數(shù)方法(api)估算累積降雨量，累積降雨量r(t)可按如下方程計算：

r(t)＝qr1+q²r2+…+q^trt

方程中rt表示滑坡地質災害發(fā)生前第t天的降雨量，mm；q為衰減系數(shù)，由桿塔所處區(qū)域內滑坡體組成性質和降雨蒸騰作用等因素決定。

根據(jù)滑坡體下滑能量守恒定律估算滑坡體沖撞輸電桿塔等效沖擊力，等效沖擊力f(x)可按如下方程計算：

方程中x表示等效沖擊力f作用于桿塔時距離地面的高度，m；m表示滑坡體總質量，kg；g表示重力加速度，為常數(shù)；h表示滑坡體在最初位置時其質心距離桿塔塔基的垂直高度，m；e表示輸電桿塔主材的彈性模量，kn/mm²；s表示桿塔水平平均截面積，m²；a表示滑坡體作用與輸電桿塔塔身時對應的寬度，m；μ表示滑面摩擦系數(shù)，根據(jù)歷史統(tǒng)計取值；θ表示坡體傾斜角度，°。

根據(jù)鋼體懸臂梁簡化方法估算滑坡體沖撞輸電桿塔的撓曲度，撓曲度w(x)用來衡量輸電桿塔變形程度，可按如下方程計算：

(3)采用曲線擬合法獲得降雨誘發(fā)巖土滑坡災害的概率密度函數(shù)和滑坡體下滑導致輸電桿塔變形的概率密度函數(shù)；

根據(jù)歷史降雨氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用曲線擬合法獲得降雨氣象引發(fā)滑坡地質災害概率 密度函數(shù)，f(r)可按如下方程計算：

方程中r表示年降雨極值；rinit表示變量r所能取得的最小值；α表示形狀參數(shù)；β表示尺度參數(shù)；γ(α)表示α的伽馬函數(shù)。

在有限元分析軟件ansys中建立滑坡致災模型，并采用曲線擬合法獲得滑坡體致使輸電桿塔變形的概率密度函數(shù)，f(w)可按如下方程計算：

方程中λ、γ分別表示尺度參數(shù)和形狀參數(shù)。

(4)建立降雨型滑坡災害導致輸電桿塔損壞的聯(lián)合概率分布模型，基于網(wǎng)格化技術統(tǒng)計降雨區(qū)域內輸電桿塔的數(shù)量并計算輸電線路失效概率；

降雨災害氣象條件下輸電線路失效是降雨氣象先誘發(fā)滑坡地質災害，然后滑坡體沖撞輸電桿塔而導致的。因此，輸電線路失效概率模型是條件概率模型，輸電線路失效概率f(r,w)可按如下方程計算：

f(r,w)＝∫∫f(r)f(w)drdw

一條完整的輸電線路是由多座輸電桿塔組成，一座輸電桿塔損壞即可造成輸電線路斷線失效。因此，搜尋降雨氣象區(qū)域內輸電桿塔損壞情況是分析線路失效的基礎。為此，采用網(wǎng)格化技術將降雨氣象圖、電網(wǎng)拓撲圖和網(wǎng)格圖疊加為“氣象-電網(wǎng)-網(wǎng)格”一體化圖層，一體化圖層中最小網(wǎng)格單元代表1km×1km。則降雨區(qū)域內有效輸電桿塔數(shù)量n可按如下方程計算：

方程中nr表示一體化圖層中降雨覆蓋輸電線路的最小網(wǎng)格單元個數(shù)；nt表示一體化圖層中輸電線路的最小網(wǎng)格單元總數(shù)；lt表示輸電線路的實際長度，km；ld表示輸電線路的單位檔距，km。

輸電線路失效的概率是任一輸電桿塔損壞的概率，失效概率pk可按如下方程計算：

方程中fl(r,w)表示第l座桿塔損壞的概率。

(5)采用蒙特卡洛法對輸電線路狀態(tài)進行抽樣獲得系統(tǒng)失負荷概率；

首先計算輸電線路失效概率，然后采用非序貫蒙特卡洛法對輸電線路狀態(tài)進行抽樣，最后獲得輸電系統(tǒng)失負荷概率，失負荷概率ploss可按如下方程計算：

方程中n表示系統(tǒng)失負荷狀態(tài)數(shù)；m表示抽樣總數(shù)；m(z)表示系統(tǒng)在狀態(tài)z出現(xiàn)的次數(shù)。

(6)計算系統(tǒng)失負荷狀態(tài)下的最小切負荷量；

為了量化降雨型滑坡地質災害對電力系統(tǒng)造成的風險水平，采用基于交流潮流的最優(yōu)削減負荷模型計算系統(tǒng)失負荷狀態(tài)下負荷削減量，為風險指標的計算提供數(shù)據(jù)基礎。系統(tǒng)失負荷狀態(tài)下負荷削減大小可按如下方程計算：

0≤pci≤pli

pgimin≤pgi≤pgimax

qgimin≤qgi≤qgimax

plimin≤pli≤plimax

uimin≤ui≤uimax

方程中i和il分別表示系統(tǒng)節(jié)點和負荷節(jié)點數(shù)；表示節(jié)點i的功率因數(shù)角；pli表示節(jié)點i負荷的有功功率；pgi和qgi分別表示節(jié)點i的發(fā)電機有功功率和無功功率；pci表示節(jié)點i負荷被切除的有功功率；ui和uj分別表示節(jié)點i和節(jié)點j的電壓幅值；gij和bij分別表示節(jié)點i和節(jié)點j之間線路的電導和電納；θij表示節(jié)點i和節(jié)點j之間的電壓相角差；pgimax和qgimax分別表示節(jié)點i上發(fā)電機有功功率和無功功率上限值；pgimin和qgimin分別表示節(jié)點i上發(fā)電機有功功率和無功功率下限值；plmax和plimin分別節(jié)點i上負荷有功功率上限值和下限值；uimax和uimin分別表示節(jié)點i的電壓上限值和下限值。

(7)統(tǒng)計系統(tǒng)風險指標。

根據(jù)風險理論可知，降雨型地質災害對電力系統(tǒng)造成的風險指標就是系統(tǒng)失負荷概率與系統(tǒng)失負荷量的乘積，則系統(tǒng)供電負荷損失期望值可按如下方程計算：

方程中pc(z)表示表示系統(tǒng)在狀態(tài)z的削減負荷量，mw。

系統(tǒng)供電負荷損失風險值可按如下方程計算：

方程中p表示系統(tǒng)總負荷，mw。