美国国家电网通过数据采集改进配电系统避雷性能提高供电可靠性

刘根东译

雷电引起设备故障被认为是许多配电系统停电的起因，美国国家电网（为纽约部分地区、马萨诸塞州、新罕布什尔州及罗得岛州供电）已经开发出新的方法检查可靠性特性曲线并与地理信息系统（GIS）及雷电特性数据一起共同减少未来雷电断电事故，因此将使电网可靠性得到大大提高。美国国家电网也在采集现有数据作为新的信息以便在重大雷电引起冲击发生之前找到可以改进标准或建设安装操作规程的区域。

1 度量标准

系统平均断电持续指数（SAIDI）是累计用户断电持续时间除以总用户供电时间。通常，系统设计、安装规程或维护可影响“平均”用户可靠性的度量。另一个有助于雷电引发事件分析的度量标准是年馈线雷电断电次数。该度量标准因系统抗雷破坏能力以及馈线服务区遭受雷电机会多少而变化。由于每次雷击以及自然界变化的地理信息可被最小化，使得系统环境趋于可见。

美国国家电网为其系统收集了历史断电数据。近年来，通过自动化、智能电子装置（IED）改进了处理与生成数据并更加重视报告过程。另外，系统中用户位置、电厂类型与位置、保护装置等一直受到关注。通过GIS接入与使用该数据提高了效益，公司可以用此来进行更多的分析。

美国雷电探测网的数据及GIS可以绘制具体雷击多年比密度。通过把这些数据涂到小面积的多边形上，如运行区或代码，工程师可通过精细的度量方便地确定出雷击概率大的区域。另外，位置、有关每次雷击的电流与极性的雷电数据也是分析的主要因素。

2 模拟试验

美国国家电网开始下载断电数据库只是为了提取编码的雷电断电数据。为了避免因单个年的特殊性而歪曲结果，采用5年的数据导出典型年值。模拟中设计四种分级法。根据从高到低的原则排列用户供电的数目。该数据帮助模拟未来避免断电数值。服务的用户越多，未来发生的断电中用户断电时间（CMI）可能越长。

由高到低排列每一停电事故的CMI。该分级说明停电事件的历史严重性。当供电用户数量大并且相当稳定时，CMI与SAIDI成正比。

另一个分级法是每英里停电事故，也是从高到低排列，提供一个停电事故比密度指标。

第四个分级是每一CMI时长减少的调节成本，从高到低排列，度量预期调节的有效性。

假设通过改造努力而使设计的馈线的预期CMI改善的还不够完美。基于先前的研究以及与运行工程师的一致讨论，美国国家电网假设有70%的成功率。通过现场调查估算、安装订单抽样及与现场操作人员的讨论可估算出减少停电调节所需要的工作小时。

避雷调节措施通常包括固有接地、屏蔽接地、避雷器的应用与绝缘配合。消除雷击引起的暂态电压波感应的最重要的方法是避雷器的使用。固有接地与屏蔽接地有助于降低设备损坏的可能性。

提到的四种分级采用相等的权重合并为一种分级。这可生成成本/效益曲线。曲线上每一点表示系统中的具体馈线。可以根据成本、工日与预期的CMI改善选择出最小成本与最大改善的馈线。因此，对于馈线与区域的预算开支及劳动力要求，高效、全面的优化排列是可能的。本案例与其它可靠性案例相比较可得到最佳可靠性改进计划。

3 标准化

采用分析方法可追踪调节引起的特性改变。年复一年地观察调节前后的馈线特性可以说明特性改变的每一步。由于一个地区每年自然的雷电特性都在变化，因此观察的结果不是很明显。雷电的随机性在一定程度上可以预见，通过本阶段雷电合计的标准化结果可计算出一定的成本收益。

为了规范雷电的变化性，用单个年的雷击次数除以研究期的最大年雷击次数计算出单位雷电暴发因子。该因子用来校正年CMI值。

区域研究的最近五年的ZIP码表示的雷电密度被用来标准化来自雷电调节程序的可靠性结果，并且用相同方法把该程序与所有标准馈线相比较。

如果没有标准化，在调节完成后，损害特性值将滞后几年，并且没有明显大的改进。这些馈线服务区的雷电活动性大大增加，掩盖了调节带来的任何获益。

通过雷电调节方案的实施，使得可靠性特性获得标志性改进。改进是相对于正在损坏的未调节馈线的系统趋势。美国国家电网继续实施该方案直到其能够获得与记录可靠性特性的重大改进。

4 应用

先前的分析对于运行不良的目标电网做了很好的工作，追踪目标确保了调节的有效性。如一个有效的方法忽视了在分析期对雷击不严重区域的确定，并且不够重视标准、安装操作、低质避雷器或接地；当比较所有区域时，难以辨别出运行良好的低雷密区，并且在与其它低雷区比较时，目标电网仍然运行不良。因此，在经受大量雷击停电之前，应启动预测程序进行避雷调节。

通过当地具体的雷电密度数据的规范化提取出停电数据，然后显示该新测量的地理信息，很容易看到系统中那里的雷电引起停电的频率比已知的雷暴信息高或低。相对于其它地区，系统的雷电严重程度的信息非常有用。知道系统一个部分的雷击程度，可以帮助预测未来系统不良运行的概率。

一些经常遭受雷击地区比其它雷击稀少地区运行良好；是因为雷击稀少地区没有遵守安装、操作标准，或标准不足以提供良好性能与设备（如避雷器已经损害）。对于少数馈线的快速现场检查将避免这种情况。

劳动力再教育、工作中的现场检查与完工后的巡视将提高未来运行水平。补救措施使馈线达到良好的运行水平。

如果需要改进标准，雷电历史数据将提供有价值的信息如：雷电密度、线路距雷击点的距离、以及采用在考评标准中的电流值与极性。同时，这些信息有助于确定是否在整个系统还是具体部分进行改进。如果损坏的设备是根本原因，系统加强程序可很方便地从信息中识别。

5 达到目标

优化与商业开发建模考虑了目标控制（调节），优化了成本与效益。使用GIS工具及停电与雷击数据一起使得美国国家电网在标准或实施未达到要求结果的地区及设备已经损坏的地区观测与找出重点的能力加强。观测一对馈线将验证那一条馈线是这种情况。因此，在凝缩雷电模拟试验之前进行正确的校正，可以避免更大的停电。

分级模拟与GIS分析构成确定在那里需要加强系统以提高系统防雷性能的良好基础。在性能出问题之前，分析仪器将向后观察以确保得到要求的结果，向前观察以进行改进。

刘根东译