随着新型电力系统的发展, 部分大型风电光伏基地建设在沙漠、戈壁和荒漠(沙戈荒)地区。而沙戈荒地区的恶劣环境如极端气温、冰灾、大风、沙尘暴、地震、雷击和山火等, 严重威胁电工装备的安全运行。该文首先研究了过往极端气象条件和地质灾害引发的电力系统事故, 分析了极端环境对电工装备的致灾机理; 其次, 综述了现有防灾减灾技术的发展情况, 提出了极端环境下电工装备防灾减灾面临的技术挑战; 最后, 从监测预警、应急处置和防灾减灾能力提升3个方面研究了电工装备应对极端环境的防灾减灾需求, 并展望了未来电网系统标准化、数字化和智能化的发展趋势。该文研究结果可为电力系统在极端环境下的防灾减灾提供参考。
极端降雨对城市电力和交通系统均有严重影响, 该影响在电力-交通耦合网络中呈双向传播特征。具体而言, 内涝会导致变电站水淹失效, 影响充电站的服务能力, 进而导致交通流和充电负荷再分布, 在耦合网络中产生复杂的交互作用。该文考虑极端降雨场景, 提出一种耦合交通网络影响的电网节点脆弱性评估方法。首先, 基于天气和地理数据搭建城市暴雨内涝模型, 实现了极端降雨预报数据到多时段城市网格化积水深度的解析映射, 并进一步研究了不同积水深度的电网节点失效机理, 评估了电网运行状态; 其次, 采用起讫点分析法和Floyd法模拟城市交通流和充电负荷的再分布过程, 提出了道路饱和风险和节点饱和风险指标, 并考虑电力-交通耦合网络运行影响, 采用改进层次分析法评估了电网节点的综合脆弱性; 最后, 结合改进IEEE-33节点和32交通节点耦合网络进行了算例分析。结果表明: 该文所提方法能够精准辨识电力-交通耦合网络的关键节点。该文研究结果可为防灾物资调配, 制定灾前、灾中和灾后决策方案提供参考。
阀厅系统是换流站的核心, 为保证地震下电力系统的稳定运行, 需分析阀厅系统可靠度。传统的可靠度分析通常假设各设备响应状态彼此独立, 忽视了设备间的失效相关性。该文首先提出了一种考虑设备失效相关性的可靠度分析框架, 建立了某±800 kV换流站阀厅系统的有限元模型, 通过数值仿真获得各设备在不同地震动输入下的地震响应; 其次, 基于该响应, 利用Gaussian Copula函数建立了各设备地震响应的相关性结构; 最后, 在考虑设备失效相关性的基础上, 分析了阀厅系统可靠度。研究结果表明: 假设设备状态完全独立, 会低估阀厅系统在地震状况下的可靠度, 高估换流站的经济损失。本文研究结果可为换流站阀厅系统在地震状况下的性能评估提供参考。
架空输电线路是电力系统应对自然灾害冲击的承灾载体, 导线弧垂是影响输电线路运行状态的重要参数, 有效监控导线弧垂是防范电力系统灾害的重要手段。该文首先针对输电线路激光点云数据, 基于三维点云k维树最近邻搜索和模拟退火策略的惩罚最小二乘B样条平滑逼近拟合方法, 提出了导线寻踪、缺失数据补全和弧垂计算等方法, 测量了导线弧垂; 然后, 进行了数据结构对比和补全试验, 在对10.56%数据缺失率导线的数据补全试验中, 补全后数据与原真实数据的均方根误差为9.62 mm, 在对712 m档距23.84%数据缺失率导线的弧垂测量试验中, 测量误差小于0.63%。验证了该文所提方法能够准确测量导线弧垂, 且具有鲁棒性好、体量小和速度快等优点, 便于现场作业中在便携式平台上部署。该文研究结果可为电力系统的风险预测、监测和预警研判提供技术支持。
检修电力设备集群时, 采用高效合理的检修策略是提升设备可靠性和检修效率的关键, 现有检修策略往往忽视设备个体状态差异, 无法实现设备集群中故障风险与检修成本的最优平衡。该文提出一种基于单体设备风险差异的电力设备集群检修策略, 旨在以设备集群可靠性与检修经济性最优平衡为目标, 实现单体设备的最优检修时间和顺序安排。该文首先采用结合Weibull分布和设备健康指数的变压器故障率预测方法, 预测了每台设备的故障率; 其次, 建立了电力设备集群检修时序优化模型, 并将该模型线性化为混合整数线性规划问题, 通过求解该问题得出最优检修策略; 最后, 通过实际案例对电力设备集群检修时序优化模型的可靠性权重系数进行了敏感性分析, 以评估该系数对设备集群可靠性与检修经济性平衡结果的影响。研究结果表明: 相较于传统检修策略, 优化后检修策略的检修成本和设备平均故障率分别降低了12.6%和8.2%, 验证了该文所提检修策略优化方法可有效提升电力设备集群的检修经济效益。该文研究结果可为后续电力设备集群管理研究和工程应用提供参考。
油浸式变压器一旦发生电弧故障, 可能引发变压器爆炸, 甚至继发火灾和燃爆等事故, 严重影响电力系统的安全运行。为研究油浸式变压器电弧故障爆炸荷载和箱体响应特性, 该文首先介绍了基于LS-DYNA平台模拟电弧故障的3种数值模拟方法, 即TNT等效法、瞬时注气法和匀速注气法; 其次, 以某500 kV变压器为例, 对比分析了3种方法的适用性; 再次, 基于匀速注气法揭示了电弧故障爆炸荷载的时空特征; 最后, 结合变压器箱体响应特征, 提出了变压器结构的抗爆平衡设计思想。结果表明: 相较于TNT等效法和瞬时注气法, 匀速注气法能更好地模拟电弧故障爆炸荷载的升压和持压特性, 有效复现电弧故障产气的持时过程, 变压器结构响应特性更接近实际情况; 电弧故障爆炸荷载在空间和时间上均呈快速衰减趋势, 局部作用显著, 且在压力波传播路径复杂区域, 冲量会被显著放大; 变压器结构抗爆设计过程可分为初步设计、平衡设计和泄爆设计3个阶段, 并分别采用均布荷载、简化电弧故障荷载和流固耦合荷载模型进行设计。该文研究结果可为油浸式变压器的抗爆设计和优化提供参考。
台风频发严重威胁电力系统安全, 开展输电线路台风易损性研究有利于提升电网韧性和保障供电稳定。该文基于台风历史数据, 提出了一种区域性台风全过程随机模拟方法, 并构建了考虑年风速极值-风向联合概率分布的输电线路易损性评估框架。首先, 通过建立台风起始、行进和终止全过程概率模型, 实现了台风路径随机模拟, 并结合近地表风场特性, 生成台风年风速极值-风向的联合概率分布; 其次, 利用基于塔体失效的线路风致易损性多维模型, 获得了目标区域输电线路各区段差异化台风灾害失效概率; 最后, 通过开展案例测试, 验证了该文所提易损性评估方法的可行性和有效性。研究结果表明: 该文所提评估方法可依据线路空间分布特征量化各基塔年失效概率, 识别高风险耐张区段和高失效概率线路区间, 进而评估整体失效水平。该文研究结果可为输电线路台风灾害防御和加固提供参考。
超高压输电铁塔结构微形变特征主要受导线挂载产生的应力和环境温度等因素影响, 准确分析微形变周期性变化特征对铁塔结构稳定性评估和安全监测至关重要。该文首先利用国产C波段涪城一号高分辨率合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)卫星升降轨时间序列数据, 提取了500 kV超高压输电铁塔整体结构微形变产生的干涉相位变化, 并分析了环境温度和干涉基线等因素对铁塔结构微形变的影响规律; 其次, 提出了输电铁塔永久散射体(permanent scatterer, PS)点仿真和干涉高程相位计算方法, 并基于雷达距离Doppler方程和真实地理坐标系下的输电铁塔三维模型点云数据, 实现了铁塔PS点像元的亚像元级精度定位和干涉高程相位仿真; 最后, 以重庆市渝北区的超高压输电线路为试验对象, 开展了算法验证和铁塔主体结构PS点区域的时序差分干涉相位分析。结果表明: 该文所提铁塔PS点仿真算法生成的散射强度仿真图像与铁塔真实SAR影像纹理吻合良好, 生成的干涉高程相位图谱与真实干涉条纹趋势相同; 布设的4个人工角反射器形变监测精度小于1 mm, 且能为涪城SAR数据提供亚像元级几何定标; 铁塔PS点区域差分干涉结构的小提琴图时序分析结果显示, 存在较多与温度年周期趋势不一致的现象, 可能与导线应力变化等因素相关。该文验证了米级分辨率SAR卫星在输电铁塔结构形变监测中的可行性, 研究结果可为评估地质灾害、地震、台风等诱发的大尺度结构形变提供参考。
数据集构建方式是影响电气设备地震响应时序预测模型性能的关键因素之一。为建立更加科学合理的地震响应预测数据集构建流程, 该文首先系统研究了地震动选波、调幅策略和样本数量配置3类数据集构建要素对时序预测模型性能的影响; 其次, 以500 kV变压器套管为例, 建立了有限元模型, 并结合振动台试验进行了验证; 再次, 设计了包含谱形匹配与仅考虑场地类型的随机选波、常规与过范围调幅和不同样本数量配置的策略组合, 并采用典型递推长短时记忆神经网络开展了数值试验; 最后, 提出了数据集推荐性构建策略, 并基于典型测试样本对比了经验性构建策略, 验证了所提方法的有效性。结果表明: 谱形匹配选波方式与过范围固定调幅策略组合, 可显著提升模型预测精度; 随机调幅策略虽应用较广, 但效果较差; 训练样本数量对模型性能的提升作用存在边际效应。该文研究结果可为电气设备地震响应时序预测模型的数据集构建和电气设备震后的智能化评估提供参考。
无人机巡检是检测输电通道山火的重要方法, 但无人机拍摄的初期山火图像存在有效像素少和背景干扰等问题, 导致山火检测精度较低。该文研究了无人机视角下输电通道初期山火图像特征检测和分析方法。首先, 结合部分公开数据集, 建立了输电通道初期山火图像数据集, 分析了明火和烟雾2类典型初期山火图像特征; 其次, 针对YOLOv11n基线模型存在目标选择、特征提取和定位能力不足等问题, 将多尺度特征模块和注意力模块引入骨干网络, 并将卷积加法标记混合器嵌入具有2个卷积层的跨阶段局部瓶颈模块; 最后, 提出了适用于输电通道初期山火图像的检测算法模型YOLOv11n-MCC。结果表明: 初期山火图像具有目标尺寸小和分布广等特点; 相较于YOLOv11n基线模型, YOLOv11n-MCC模型的初期山火检测的精确度、召回率和mAP50的平均精度分别提高了9.0、3.8和5.7个百分点, 参数量和每秒十亿次浮点运算分别下降了0.149×106和0.2。该文研究结果可为输电线路初期火灾检测提供参考。
覆冰脱落引发的输电线路大幅跳跃可导致导线相间间隙不足, 诱发闪络和断电等事故。为解决上述问题, 该文首先将柔性悬索的非线性静力学和动力学理论应用于输电线路结构设计, 并建立了多档输电线-绝缘子耦联系统覆冰后静力状态、脱冰后动态响应和脱冰后稳定状态3个阶段的理论模型; 随后, 通过不同档数和覆冰厚度的有限元数值仿真和现有静力学理论方法验证了上述模型的计算精度和效率。研究结果表明: 该文所提理论模型能较精准地计算上述3个阶段的非线性动态响应, 且在各工况下跳跃振幅的相对误差均小于10%;脱冰跳跃响应随档数和覆冰厚度的增加而增大, 但超过5档后最大跳跃高度趋于稳定; 脱冰档的不平衡张力在悬垂绝缘子串的偏移作用下, 在多档间传递并迅速衰减。该文研究结果可为多档输电线路脱冰动力响应的预测和安全评估提供参考。
输电塔为典型风敏感结构, 提升强风作用下输电塔的抗风性能是确保电网安全运行的关键。预应力拉索具有安装便捷、不占空间等优势, 该文首先提出一种输电塔体内拉索加固技术, 通过理论分析验证了该技术的可行性, 并构建了输电塔体内拉索体系性能提升评估框架; 其次, 基于理论分析确定了输电塔体内拉索加固技术实施方案, 并分别建立了加固前后输电塔有限元模型; 再次, 开展了结构非线性稳定分析, 并通过杆件稳定状态循环判断算法确定了输电塔的破坏模式和极限风速, 进而确定了输电塔体内拉索体系的抗风性能提升效果; 最后, 以220 kV典型输电塔为研究对象, 应用该文所提框架评估强风作用下输电塔体内拉索技术的加固效果, 并研究了不同拉索预拉力和截面积对输电塔体内拉索体系极限风速的影响。研究结果表明: 该技术可有效降低强风作用下输电塔斜材的轴力响应; 输电塔的破坏模式由加固前的斜材失稳破坏转变为加固后的主材压弯破坏, 极限风速由35.05 m/s提升至40.36 m/s; 拉索预拉力和截面积的增大均会导致极限风速降低, 当拉索预拉力为5.0 kN, 截面积为100.0 mm2时, 抗风性能提升效果最优。该文研究结果可为输电塔抗风设计优化提供参考。
电力系统作为城市生命线工程的重要组成部分, 是维系城市功能和保障民生的关键基础设施。准确评价电力系统的震后功能, 对于应急救援、恢复城市功能和稳定社会秩序具有重要意义。该文首先在明确城市电力系统概念的基础上, 提出了适用于城市尺度的电力系统震后功能评价框架; 其次, 基于统一的拓扑建模, 考虑各电力设施的震后多级损伤状态, 结合直流潮流计算与级联失效模拟方法, 采用负荷供应功能指数量化评价了系统震后功能; 最后, 以中国东南沿海地区的基准城市模型为例, 开展了模拟分析。结果表明: 该基准城市电力系统震后负荷供应平均功能为46.87%, 其中, 功能低值区域与主要震损区域较吻合; 不同类型用地的震后功能存在明显差异, 整体呈"高功能-高波动"和"中功能-低波动"的格局; 震源方位对系统震后功能分布影响显著, 西、北和西北方向的地震事件对系统功能造成的影响最为严重。该文研究结果可为城市电力系统震后功能评价提供参考。
针对极端自然灾害或多点扰动等诱发的电力系统群发故障, 为提升其应急防御能力, 该文首先提出一种多控制措施协同优化方法, 实现了系统稳定性增强和负荷损失最小化的双重目标; 其次, 构建了包含稳控切负荷、低频/低压减载、低压脱扣和分区运行的多层级协同控制框架, 结合区域差异化切除、动态阈值调节和跨区域协调策略, 增强系统响应的灵活性和适应性; 最后, 通过序贯Monte Carlo法构建多样化电力系统群发故障场景, 并引入融合遗传算法与模型预测控制的优化机制, 协同配置各类负荷控制措施。研究结果表明: 该文所提方法可显著减少负荷切除量, 缩短系统恢复时间, 提升系统整体运行的鲁棒性和应急处置能力。该文研究结果可为电力系统应对群发故障提供参考。
为有效降低持续微风振动带来的架空线路疲劳损伤风险, 保护导线和金具并延长其使用寿命, 提升线路抗风能力, 该文针对现有防振锤阻尼特性不足和保护档距无法进一步提升等问题, 采用非线性能量阱方法对减振器进行了改进设计, 并分析和评估了其防振效果。首先, 基于铅垂方向的阻尼和立方刚度振子, 建立了"导线-零频减振器"耦合模型, 以最大化振子振动能量占耦合系统总能量的比例为优化目标, 确定了振子系统的质量、刚度和阻尼3个参数; 其次, 以试验线路档为实际算例和试验模型, 提出并验证了刚度和阻尼的最优取值原则; 最后, 依据现有标准中的功率特性和防振效果评估了试验结果。结果表明: 安装单套零频减振器后, 阻尼比不低于1.5对应的频率区间扩大了140.0%, 保护档距提升了43.6%, 验证了该文所提方法和装置的有效性。该文研究结果可为非线性能量阱理论在输电线路抗风领域的工程化应用提供参考。
针对多阶段灾害冲击下, 电力系统韧性评估中传统Monte Carlo方法计算效率低和不确定性传播分析复杂等问题, 该文提出一种基于解析推演的电力网络概率韧性高效评估方法。首先, 建立了考虑多阶段灾害演化的电力网络韧性指标评估模型, 并基于电力单元划分构建了用于生成供电路径的混合整数规划模型, 以确定各负荷节点的供电路径; 其次, 结合输电杆塔损伤概率预测结果, 推导了灾中和灾后负荷节点供电中断持续时间的概率分布, 进而通过解析方式计算了电力网络韧性指标; 最后, 以改进IEEE-123节点电力网络为例进行了验证。结果表明: 该文所提方法在与传统Monte Carlo方法评估精度相同的条件下, 显著提高了计算效率, 适用于多阶段灾害场景下电力网络的快速韧性评估。该文研究结果可为电力系统韧性优化和关键基础设施灾害风险评估提供参考。
道路交通线损毁信息快速提取对电网应急抢通等灾害应急救援工作至关重要。现有承灾体信息智能提取算法研究多聚焦于建筑物, 针对道路损毁的专项数据集和算法框架均有待完善。该文首先提出了一种融合视觉Transformer(vision transformer, ViT)和U-Net的多任务学习U形双时相Transformer (U-shaped bi-temporal transformer, U-BiFormer)网络, 用于实现灾前灾后双时相遥感影像的道路变化区域识别和损毁信息提取。该网络包含3个模块: 多尺度学习(multi-scale learning, MSL)模块用于特征提取, 残差Transformer短路连接(residual transformer short-cut, RTS)模块用于时空全局信息建模, 多层级密集迭代解码(multi-level dense iteration decoding, MDID)模块用于变化图重构。随后, 基于历史突发自然灾害, 构建了双时相损毁道路(bi-temporal damaged road, BTDR)数据集, 该数据集包含1 212组灾前灾后高分辨率遥感影像对, 以及对应道路变化掩码和损毁等级标签, 为算法应用于真实灾害场景提供了专项训练样本和测试基础。结果表明: U-BiFormer网络在BTDR数据集上的试验性能显著优于双时相变化检测方法和单时相道路提取方法, 且对不同重要地物变化检测具有较好的兼容性。该文研究结果可为灾害应急工作中损毁道路信息提取提供参考。
导线脱冰跳跃引发的大幅振动极易造成输电线路跳闸放电, 威胁电网运行安全。现有研究在分析风载荷和脱冰共同作用时, 未考虑覆冰形状或忽略了导线脱冰扭转引起的风攻角时变情况, 导致计算工况与真实情况存在偏差。该文基于用户自定义单元子程序, 模拟了导线脱冰过程中风攻角和风荷载时变特性, 并通过有限元仿真, 研究了冰风耦合条件下风速、平均风、脉动风和脱冰率对导线运动特性的影响规律。结果表明: 考虑风攻角的时变特性后, 导线脱冰垂向跳跃高度和运动轨迹均发生显著变化; 不考虑风攻角的时变特性会高估或低估风载荷对脱冰轨迹的影响, 在典型算例中偏差可达72.3%;相较于平均风, 脉动风引起的导线脱冰垂向跳跃高度较大; 导线脱冰垂向跳跃高度在脱冰率为50%时最大, 最大水平摆幅与脱冰率呈负相关。该文研究结果有助于精确计算真实冰风耦合条件下导线脱冰跳跃动力响应, 可为脱冰跳跃易发地区输电线路电气间隙设计提供参考, 从而提升电网抵御覆冰灾害能力。
近年来, 极端天气引发的强风、暴雨和内涝等复合灾害频发, 显著增加了输电塔线在风雨耦合荷载和地基不稳条件下的结构损伤风险。为揭示"强风-暴雨-内涝"作用下输电塔线的动力响应机理和土-结构相互作用规律, 该文首先依据模型尺寸与动力参数相似性原则, 设计了符合工程实际的缩尺模型, 开展了多角度、多风速、变雨强和不同地基工况的耦合加载试验, 并利用高精度激光位移传感器获取了结构振动位移数据; 随后, 分析了复合灾害作用对输电杆塔气动特性和振动响应的影响, 并研究了杆塔基底土-结构相互作用的调节机制。结果表明: 风和雨共同作用显著增加了结构动力响应幅值, 改变了气动力传递路径, 并导致振动特征异变, 而附着在塔线上的雨滴则减小了塔身的位移幅值; 相较于刚性塔基, 非刚性塔基条件下的塔身位移幅值更大, 且随基底弹性的增强而增加, 验证了传统刚性地基假设的局限性。该文研究结果可为复杂复合灾害条件下输电线路的安全评估和优化设计提供参考。
地下电力管廊作为能源输送的核心基础设施, 风险防控因设备故障、管理缺陷和环境扰动等多维度风险因素的深度交织而面临严峻挑战。针对电力管廊事故的风险防控优化需求, 该文首先通过多维度风险识别方法, 整合"人-机-环-管"4类风险因素及其相互作用关系, 建立了包含53个节点的电力管廊风险传导有向加权复杂网络; 随后, 设计了考虑风险潜伏特性和控制机制的动态风险传导模型, 从静态结构分析和动态风险传导模拟2方面识别了关键风险因素, 并确定了风险传导阈值。结果表明: 在静态结构和动态风险传导能力分析中, 未落实安全生产责任制、地质环境变动、安全检查不到位和积水等风险因素在重要度排名中位列前10, 应作为重点防控对象; 风险传导能力受系统固有风险水平和控制措施的及时性和有效性影响显著。该文研究结果可为在实际电力管廊工程中制定风险防控优化策略提供参考。
为研究隧道内氢能源列车高压储氢泄漏和扩散的演变规律, 该文采用数值模拟方法, 建立了隧道和列车物理模型, 结合湍流模型与Molkov虚喷嘴模型, 系统分析了氢气泄漏速度场、动量变化和三维空间内氢气体积分数分布特征。结果表明: 氢气泄漏后速度方向受隧道壁面影响快速变化, 沿隧道壁面呈梯度分布; 在靠近隧道出口处, 速度呈衰减趋势; 各区域密度变化平缓, 横向动量变化逐渐趋于均匀。在氢气扩散方面, 纵向扩散中, 氢云沿隧道顶棚纵轴线呈放射状对称分布, 泄漏口下游0~60.0 m氢云表层内形成高体积分数积聚区; 横向扩散中, 氢云受湍流混合作用呈对称扩展趋势, 并在泄漏后期覆盖整个隧道宽度; 竖向扩散中, 氢云因浮力主导主要聚集于3.0~5.0 m高度的顶层空间, 底层氢云体积分数始终低于安全阈值。该文研究结果可为氢能源列车在隧道场景的安全应用提供参考。
审稿意见