变电站系统抗震韧性分析方法与提升技术

As the most important component of electric power networks, substations play vital roles in the stability, controllability, and serviceability of power systems. Considering the serious earthquake threat in China, it is beneficial to improve the seismic disaster prevention performance of substations, which helps to avoid the complete malfunction of power system and thus improve our country’s seismic resilience. The project takes substation systems as the research object. A probability-based system analysis method which integrates the merits of the fault tree and the success path method is proposed to deal with components’ interdependency. With the determination of dynamic recovery strategies to restore system functionality rapidly, a quantitative framework to assess seismic resilience of systems is established. A case study is conducted for a typical substation, whose weak links is identified according to their effects to system resilience. An innovative intelligent vibration control device is designed for key electrical equipment based on traditional tuned mass damper and magnetorheological damper, whose nonlinear dynamic hysteretic characteristics are examined through experiments. A nonlinear control algorithm with good robustness and strong adaptability is developed combining the sliding mode control theory and fuzzy neural network method. The seismic response of the established smart control system is studied via experiments and numerical simulations, and its improvement to substation is evaluated from the perspective of system resilience.

变电站是电力系统最重要的组成部分，对电力系统的稳定性、可控性和服务性具有决定性作用。考虑到我国面临的严重地震威胁，提升变电站抗震防灾性能，避免电力系统在地震作用下完全瘫痪，十分有利于提升我国的地震防御能力。本项目以变电站系统为研究对象，综合故障树方法与成功路径方法，提出一种考虑部件依存性的全概率系统分析方法。在此基础上以快速恢复系统功能为目标，进一步确定动态修复策略，建立系统抗震韧性分析框架。对典型变电站系统进行分析，根据部件对系统抗震韧性的影响程度，识别系统薄弱坏节。针对关键电气设备，基于传统调谐质量阻尼器和磁流变阻尼器开发新型智能振动控制装置，通过试验研究其非线性动力滞回性能。结合滑动模态控制理论与模糊神经网络方法，设计一种鲁棒性好、适应性强的非线性控制算法，建立智能控制体系，通过试验与数值分析深入研究其地震响应特性，并从系统韧性的角度评价该体系对变电站的提升作用。

变电站对电力系统的稳定性、可控性和服务性具有决定性作用。增强变电站整体抗震防灾性能，避免电力系统在地震作用下完全瘫痪，是提升我国整体地震防御能力的迫切需求。目前，学者对变电站的研究大多局限于单体设备的破坏机制和抗震性能，尚不能充分考虑单体部件对整体系统抗震性能的影响，部件间的相互依存性难以评估，无法定量分析震损系统的可恢复性。另外，针对电气设备的减、隔震装置仍存在一定局限，例如残余位移大，难以适应宽频带地震激励等。.本项目针对变电站系统抗震韧性分析方法与提升技术开展研究，运用文献调研、理论分析、力学试验和数值模拟相结合的综合性研究方法，取得了多项研究成果：提出了考虑部件依存性的全概率系统分析方法，即状态树方法，根据电能传输能力提出变电站系统功能量化指标，建立了变电站系统物理损伤-功能损失关联模型；搭建了110kV、220kV电气设备地震易损性数据库，采用双对数正态分布给出了不同电气设备通用地震易损性曲线，标定了抗震能力中值、随机性和不确定性，为系统分析提供基础数据；提出了变电站系统抗震韧性分析框架，结合系统模型和部件易损性数据给出变电站系统不同功能水平的易损性曲线，提出固定顺序修复、随机修复、功能优先修复等多种恢复策略；开发了基于磁流变阻尼器的智能减震装置和模块式金属隔震装置，提出了基于模糊逻辑控制理论、神经网络方法和遗传算法的非线性智能控制算法；通过试验研究了磁流变阻尼器在不同电流、加载速度、振幅下的强非线性力学性能并进行数值模型标定；开展了隔震电流互感器振动台试验研究，对比了安装支架电流互感器隔震、非隔震时加速度、位移、应变响应的变化规律，验证了隔震装置的有效性与可靠性，讨论了隔震支座的变形能力、抗倾覆能力和自复位能力。.本项目的研究成果在变电站系统抗震韧性评估、电气设备抗震韧性提升等方面提供了科学依据和技术支撑。