能源互联网专题研讨会--苏盛--电力系统相关气候大数据分析.pdf

电力系统网络安全防护电力系统大数据应用（气候变化相关大数据分析）1个人简介个人简介苏盛长沙理工大学 副教授主要研究兴趣主要研究兴趣（1 1）电器设备最低环境温度风险评估）电器设备最低环境温度风险评估（2 2）雷电风速联合分布）雷电风速联合分布南宁 2019.1长沙理工大学苏盛电气科学与工程学科第六届青年学者学科前沿研讨会电力系统相关气候大数据分析电力系统相关气候大数据分析研研 究究 背背 景景电力系统运行在开放的环境下，各种气象因素对故障跳闸率和电气设备可靠性均有突出影响电力系统不掌握翔实的高密度气象数据，电网规程中大量气象相关参数为经验参数，不见得合理，如：电器设备选型最低气温规范 输电线路风偏设计标准4最最 低低 环环 境境 温温 度度 研研 究究 背背 景景高/低温环境下材料性质发生变化，不同设备部件热胀冷缩特性不同，环境温度是电力设备选型的重要依据最低气温选取年最低气温的多年均值最最 低低 环环 境境 温温 度度 研研 究究 背背 景景5 密封、加压类设备(如GIS设备)低温下容易发生泄漏事故 2016年1月20日，山东出现极寒天气，济南周边GIS设备大面积泄露 猜测为设备选型标准有问题超超 设设 计计 低低 温温 风风 险险 评评 估估6站点历年的最低气温波动幅度较大 1970年代的年最低气温相对较低 1980、1990年代和新世纪前10年的年最低气温整体走高 2016年最低-16.8，明显低于平均最低温威胁电器设备安全运行济南7超超 设设 计计 低低 温温 风风 险险 评评 估估从气象站逐时数据中选出每年最低气温，计算多年平均最低气温197320178超超 设设 计计 低低 温温 风风 险险 评评 估估(a)成山头(d)日照(g)济南(b)海阳(c)青岛(e)潍坊(f)沂源(h)泰山(i)兖州9超超 设设 计计 低低 温温 风风 险险 评评 估估广义极值分布（GEV）计算超阈值风险()()()-1/,x+G=1-exp-1-,1-x+/0 x 济南超设计温度尾部估计概率()-1/1x-=exp-1-vFxn-15.0-16.0-17.0-18.0-204-203-202-201-200重现水平对数轮廓似然50年一遇重现水平-15.78695%置信区间10超超 设设 计计 低低 温温 风风 险险 评评 估估不同设计标准下超设计低温概率站点站点多年平均多年平均最低气温最低气温超设计低温超设计低温概率概率50年一遇重年一遇重现水平现水平历史观测历史观测最低气温最低气温超设计低温超设计低温概率概率成山头-8.4825.973-12.530-13.00.0000海阳-11.0615.041-14.995-16.00.0000青岛-10.8915.459-15.521-16.00.0000日照-9.4076.361-12.753-13.00.0432潍坊-13.5026.402-16.996-17.20.0544沂源-13.9465.286-18.746-19.00.0000济南-11.1685.466-15.786-16.80.0000泰山-20.3454.875-25.471-27.00.0000兖州-12.4504.755-16.891-19.00.0000现行标准超设计低温概率在5.5左右，按50年一遇为0.055，按当地最低气温可基本杜绝超设计低温结结论论11导体和电器选择设计技术规定在设备选型的最低气温设置上有缺陷，按多年平均最低气温设置时，超设计低温风险突出GIS等密封、压力元件易受影响改用变电站当地历史最低观测气温作为低温设计标准，可显著降低相关风险12雷雷 电电 风风 速速 联联 合合 分分 布布 研研 究究 背背 景景 需考虑雷电过电压、操作过电压及工频电压下的绝缘子串风偏 按沿海15m/s、内地10m/s风速，确定雷电过电压时的风偏设计 实为经验参数，无气象与雷电数据支持 雷电时风速超标，雷击闪络风险大j1 j2 j3 j2 j1 j3 L1L1R1+d1 R2+d2 R3+d3 R1+d1 R2+d2 R3+d3 输电杆塔的风偏闪络模型输电杆塔的风偏闪络模型1、2、3及R1、R2、R3为雷电过电压、操作过电压及工频电压下的绝缘子串风偏角及间隙距离13雷雷 电电 风风 速速 联联 合合 分分 布布 香港天文台20052013年间历史雷电和风速数据 调查的1148个雷电日中，雷电总数199.4万次，其中地闪138.6万次 10米高度记录的10分钟间隔平均风速数据来源数据来源14雷雷 电电 风风 速速 联联 合合 分分 布布日地闪次数时域分布x6055504540353025201510500.640.560.480.40.320.240.160.080Burr分布经验分布概率密度分布函数 f(x)日雷电次数103图图1 日地闪次数时域分布日地闪次数时域分布日地闪次数服从日地闪次数服从Burr分布分布，是一种高是一种高度不均匀的厚尾分布度不均匀的厚尾分布大量雷电地闪集中在极少数强雷电日大量雷电地闪集中在极少数强雷电日00.020.040.060.080.10.120102030405060Weibull分布经验分布风速(m/s)概率密度分布函数 f(x)图图2 日最大风速统计分布日最大风速统计分布风速风速服从服从威布尔分布威布尔分布，集中在集中在312m/s区间区间，15m/s以上风速以上风速区间累积概率为区间累积概率为2.97%日最大风速统计分布15雷雷 电电 风风 速速 联联 合合 分分 布布最多雷暴日雷电数序序号号日期日期雷电数雷电数序序号号日期日期雷电数雷电数序号序号日期日期雷电数雷电数1 110-09-0978108812-05-04295141512-07-21225852 207-06-1059818910-05-07290301613-05-21218063 313-05-22460791005-08-12278951712-04-16211884 406-06-09436841105-05-27266731810-08-05192655 510-09-08426371205-08-13259491908-06-07191446 610-09-10336411305-07-20251892010-09-11191347 709-09-13297071412-04-29249852106-08-1918714 最多雷电的21天中，雷电次数66.5万次，占总数的33.3%44天单日万次以上雷电日雷电数量97万，占总数的48.7%1187个雷电日雷雷 电电 风风 速速 联联 合合 分分 布布年月4567891011121314151617192005456789102006456789101120074568920085678910200934567892010567892011456789201267892013451,00062,495日雷电次数日最大风速(m/s)10,0001,00040,00020,00062,49516日雷电1000次以上的雷电风速联合分布雷电与风速有较明显的正相关性 1148个雷电日总地闪138.6万次 1000次以上地闪239天 万次以上雷电日多在右侧15m/s以上风速区 19个雷暴大风日的风速达到/超过风偏设计风速，地闪总数达21.6万次，占日地闪1000次以上总数的20.66%。大圈、红圈有强雷暴雷雷 电电 风风 速速 联联 合合 分分 布布17当年最多雷暴日日期日期风速风速(m/s)地闪数地闪数日期日期风速风速(m/s)地闪数地闪数2010/9/92010/9/919.419.462495624952006/7/1615.620442008/10/52008/10/518.511472005/8/132005/8/1315.215.217193171932010/8/52010/8/517.217.214818148182011/7/2815.254282012/8/162012/8/1617.233722008/5/515.125472005/9/272005/9/2716.916332010/7/2215.123972008/6/72008/6/716.916.913797137972006/7/1515.020142007/6/102007/6/1016.616.644407444072006/6/92006/6/914.914.930097300972005/8/202005/8/2016.011602005/5/614.819382013/5/82013/5/815.927172008/6/1314.761092005/8/282005/8/2815.61343按风速降序排列的雷暴大风并发日列表当年最多雷暴日雷雷 电电 风风 速速 联联 合合 分分 布布18雷电风速Copula联合理论分布()()()=nivyGuxFnininIInvuC11,32.521.510.5100.20.40.60.810.80.60.40.2000.211.522.53.53u（日最大风速）v（日雷电次数）c(u,v)1 大风强雷暴处概率密度呈明显翘起态势，大风强雷暴并发概率明显较高 地闪1000次以上雷暴日超设计风速的概率为19.81%，与经验分布的20.66%相去不远强风强雷暴雷雷 电电 风风 速速 联联 合合 分分 布布 机机 理理 解解 释释19 飑线是小范围、气压和风发生突变的狭窄强对流天气带。飑线时会出现风向突变、风力急增、气温骤降等强天气现象，并伴有雷暴、强风和冰雹 香港并发强雷大风日多在飑线多发的初夏、初秋时段，推测雷暴大风强并发性由飑线引发 因飑线天气现象具有普遍性，雷暴大风强并发也应普遍存在飑线：红色云带机理解释结结论论20香港地区雷暴时超设计风偏风速概率高达20%，输电线路风偏设计风速标准明显偏低强雷大风主要由飑线引起，强雷大风高并发性可能和飑线一样具有普遍性，其他地域线路风偏参数可能同样偏低天气现象具有地域性差异，需要根据当地实际气象参数计算确定风偏设计风速