CN106096110A - 基于数值天气预报的输电线路风偏闪络预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明所设计的基于数值天气预报的输电线路风偏闪络预警方法，该方法首先，采用反距离加权的插值算法进行格点预报风速映射处理，并依据风向与线路走向的夹角完成垂直于线路风速分量的计算；然后，以典型的酒杯塔为例，运用刚体直棒法计算线路与杆塔的最小空气间隙；最后，对间隙击穿电压进行空气密度、湿度、降雨量的修正，得到预报天气条件下闪络电压值，并与系统运行电压进行对比完成风偏闪络分级预警。本发明对电网防风减灾工作具有重要的实用意义。

Description

基于数值天气预报的输电线路风偏闪络预警方法

技术领域

本发明涉及电网防灾减灾技术领域，具体地指一种基于数值天气预报的输电线路风偏闪络预警方法。

技术背景

对于未采取防风偏措施的输电线路，在风荷载的作用下绝缘子串或跳线向杆塔方向倾斜，减小了导线与杆塔之间的空气间隙，当间隙的绝缘强度不足以承受系统运行电压时将会发生风偏闪络。风偏闪络是造成输电线路跳闸的主要因素。据统计，2007～2010年国家电网辖区高压以及超高压输电线路因风偏分别发生跳闸157、93、79、174次，涉及北京、河南、安徽、浙江等多家省市公司。由于风的持续时间往往超过重合闸动作时限，使得线路风偏闪络跳闸后重合闸成功率较低，严重影响电网的安全稳定运行和供电可靠性。

在输电线路风偏在线监测方面，常规的风偏在线监测装置存在供电电源不稳定、数据通信干扰等问题，且装置本身也会成为线路杆塔的负担；随着输电电压等级的不断提高，特别是特高压输电的逐渐推广，复杂的塔头电磁场环境对在线监测装置的绝缘等级、电磁兼容、通信能力提出了更高的要求，导致基于风偏在线监测信息的风偏预警方法在工程应用中受到极大的限制。

在输电线路风偏研究方面，目前主要集中在绝缘子串最大风偏角的计算上。从静力平衡的角度出发，求解风偏角的方法可分为刚体直棒法和弦多边形法两种，后者虽结果准确但过程繁琐，为计算方便常采用刚体直棒法。在此基础上，王声学等对采用静态平衡模型计算风偏角存在的不足进行了分析，给出了一种最大风偏角的修正方法；罗先国利用Fluent软件对多分裂导线的气动力特性进行了研究，得到了用于特高压八分裂导线风荷载计算的体型修正系数；郑佳艳等采用有限元法计算动态风作用下绝缘子串的风偏，提出了考虑动力效应的风荷载调整系数。以上研究均是基于风偏在线监测装置或有限元仿真软件完成风偏角及其模型参数的计算，无法实现 针对输电线路风偏闪络风险的预警。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种基于数值天气预报的输电线路风偏闪络预警方法。

为实现此目的，本发明所设计的基于数值天气预报的输电线路风偏闪络预警方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：在计算机中输入输电线路设计参数、输电线路地理信息以及输电线路区域天气预报数据,并采用反距离加权插值进行格点预报风速的映射处理，具体方案如下：

设待插值的杆塔T经纬度坐标为(x₀，y₀)，提取相邻格点P_i(x_i，y_i)的预报风速值v_i；

则杆塔T(x₀，y₀)处利用反距离加权得到的预报风速v_T为：

$v_T=\frac{\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}\frac{v_i}{d_i^2}}{\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}\frac{1}{d_i^2}}---\left(1\right)$

式1中，d_i为待插值杆塔T与第i个相邻格点P_i(x_i，y_i)之间的距离；

计算风向与线路走向的夹角有：

规定风向、输电线路走向与正北方向的夹角分别为风向角β和线路走向角γ，按顺时针计，对于输电线路中任意两基相邻杆塔，线路走向一定，风向和线路之间的夹角θ为

θ＝β-γ (2)

垂直于线路走向的风速分量v_⊥可用θ表示为

v_⊥＝v_T|sinθ|＝v_T|sin(β-γ)| (3)

步骤2：在计算机中根据杆塔预报风速v_T以及风向和输电线路之间的夹角θ计算导线及金具的风载荷，并采用刚体直棒法在静力平衡的模型下求解输电线路的最大风偏角；并将输电线路的最大风偏角代入具体杆塔的结构尺寸数据，得到输电线路与杆塔的最小空气间隙；

步骤3：在计算机中，根据步骤2得到的线路与杆塔的最小空气间隙从空气间隙击穿特性曲线上读取标准状态下相应间隙距离的击穿电压数值，并采用步骤1中输入的输电线路区域天气预报数据分别计算预报天气条件下空气密度、湿度以及降雨量的击穿电压修正因子，修正后得到的击穿电压即为预测的输电线路风偏闪络电压；

步骤4：在计算机中将预测的输电线路风偏闪络电压与输电线路运行电压进行对比，并对照已定的预警等级划分标准输出分级预警信息。

本发明从气象部门引入数值天气预报数据，在传统风偏研究基础上提出了一种输电线路风偏闪络预警方法。该方法以易发生风偏的悬垂绝缘子串为对象，采用插值映射后的风速以及风向与线路走向的夹角完成绝缘子串最大风偏角的计算，并依据绝缘子串与塔头之间的几何关系，预测线路与杆塔最小的空气间隙；而后，对间隙的击穿电压进行空气密度、湿度以及降雨量的修正，得到预报天气条件下输电线路的风偏闪络电压；最后，将预测的风偏闪络电压与系统运行电压进行对比，完成风偏闪络分级预警。该方法可为安装在线监测装置困难而又处于强风区的重要输电线路提供一种可行、有效的风偏闪络风险管控手段，对电网防风减灾工作具有重要的实用意义。

附图说明

图1是本发明基于数值天气预报的输电线路风偏闪络预警方法的流程图；

图2是本发明实施例的一种基于数值天气预报的输电线路风偏角计算图；

图3是本发明实施例的一种基于数值天气预报的输电线路风偏最小空气间隙计算示意图；

图4为风速的反距离加权示意图；

图5为风向与线路走向夹角示意图；

图6为实施例中风速与最小空气间隙的关系图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

一种基于数值天气预报的输电线路风偏闪络预警方法，首先，采用反距离加权的插值算法进行格点预报风速映射处理，并依据风向与线路走向的夹角完成垂直于线路风速分量的计算；然后，以典型的酒杯塔为例，运用刚体直棒法计算线路与杆塔的最小空气间隙；最后，对间隙击穿电压进行空气密度、湿度、降雨量的修正，得到预报天气条件下闪络电压值，并与系统运行电压进行对比完成风偏闪络分级预警，具体方法如图1所述，包括如下步骤：

步骤1：在计算机中输入输电线路设计参数、输电线路地理信息以及输电线路区域天气预报数据,并采用反距离加权插值进行格点预报风速的映射处理，具体方案如下：

设待插值的杆塔T经纬度坐标为(x₀，y₀)，提取相邻格点P_i(x_i，y_i)的预报风速值v_i，如图4所示

则杆塔T(x₀，y₀)处利用反距离加权得到的预报风速v_T为：

$v_T=\frac{\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}\frac{v_i}{d_i^2}}{\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}\frac{1}{d_i^2}}---\left(1\right)$

式1中，d_i为待插值杆塔T与第i个相邻格点P_i(x_i，y_i)之间的距离；

为了求取垂直于线路的风速分量以及判断可能发生风偏闪络的相线，计算风向与线路走向的夹角有：

规定风向(风吹来的方向)、输电线路走向(杆塔小号侧往大号侧方向)与正北方向的夹角分别为风向角β和线路走向角γ，按顺时针计，如图5所述，对于输电线路中任意两基相邻杆塔，线路走向一定，风向和线路之间的夹角θ为

θ＝β-γ (2)

垂直于线路走向的风速分量v_⊥可用θ表示为

v_⊥＝v_T|sinθ|＝v_T|sin(β-γ)| (3)

以线路走向为参考，绝缘子串风偏的方向随θ变化的情况如下表所示：

步骤2：在计算机中根据杆塔预报风速v_T以及风向和输电线路之间的夹角θ计算导线及金具的风载荷，并采用刚体直棒法在静力平衡的模型下求解输电线路的最大风偏角；并将输电线路的最大风偏角代入具体杆塔的结构尺寸数据，得到输电线路与杆塔的最小空气间隙；

步骤3：在计算机中，根据步骤2得到的线路与杆塔的最小空气间隙从空气间隙击穿特性曲线(见《高电压工程基础》第1版第7次印刷P29的图3-7棒-板空气间隙的工频击穿电压(有效值)与间距的关系)上读取标准状态下相应间隙距离的击穿电压数值，并采用步骤1中输入的输电线路区域天气预报数据分别计算预报天气条件下空气密度、湿度以及降雨量的击穿电压修正因子，修正后得到的击穿电压即为预测的输电线路风偏闪络电压；

步骤4：在计算机中将预测的输电线路风偏闪络电压U_f与输电线路运行电压U_op进行对比，并对照已定的预警等级划分标准输出分级预警信息。如下表所示：

上述技术方案的步骤2中，输电线路与杆塔的最小空气间隙的具体计算方法为：首先计算导线、绝缘子串及其金具的载荷，导线的水平载荷W_h和导线的垂直载荷W_v根据如下公式4和5计算：

$W_h\≈\frac{{\mathrm{Np}}_h}{2}(l_1+l_2)+2{\mathrm{NT}}_{o}sin\frac{\mathrm{\ψ}}{2}---\left(4\right)$

$W_v\≈\frac{qN}{2}(l_1+l_2)+{\mathrm{NT}}_0(\frac{h_1}{l_1}+\frac{h_2}{l_2})---\left(5\right)$

式中：N为分裂导线数，l₁、l₂为杆塔两侧的水平档距；q为导线单位长度的重量；h₁、h₂为相邻杆塔间的高差；Ψ₁、Ψ₂为输电线路与两侧横担夹角的余角，其中Ψ＝Ψ₁+Ψ₂，T_o为沿导线轴向的水平张力分量，垂直于导线方向的单位长度导线水平风荷载标准值p_h可由以下计算公式6得到

p_h＝αW₀μ_zμ_scrβ_csin²θ (6)

式中：α为风压不均匀系数，μ_z为风压高度变化系数，μ_sc为导线的体型系数，r为导线外径或覆冰时的计算外径，分裂导线取所有子导线外径的总和，β_c为导线、绝缘子串覆冰后风荷载增大系数；θ为风向与导线或地线方向之间的夹角，W₀为基准风压标准值，计算公式为W₀＝v_T ²/1600；

如图2，采用刚体直棒法在静力平衡的模型下求解输电线路的最大风偏角绝缘子串最大风偏角的计算公式为

其中，G_v为绝缘子串及其金具的垂直载荷，即为绝缘子串及其金具的重力之和，G_h为绝缘子串及其金具承受的水平载荷，G_h的具体计算公式为：

G_h＝W₀μ_zA_Isin²θ (8)

A_I为绝缘子串及其金具受风面积；

代入具体杆塔的结构尺寸，如图3，根据如下公式求解导线与杆塔的最小空气间隙：

式中：η为杆塔主材与横担夹角，l为悬垂绝缘子串的长度，r为导线分裂半径，为悬垂绝缘子串风偏角，f为悬挂点A到杆塔中心线的距离，f₁为杆塔主材与横担夹角η的顶点C点到杆塔中心线的距离。

上述技术方案的步骤3中，空气密度修正公式为：

k₁＝δ^m` (10)

式中：m`为空气密度修正指数；δ为相对空气密度，计算公式如下

$\mathrm{\δ}=\frac{p}{p_0}\·\frac{273+t_0}{273+t}---\left(11\right)$

其中，t₀＝20℃，p₀＝101.3kPa，p与t为输电线路区域天气预报数据中的气压与温度；

湿度修正公式为：

k₂＝k^w

式中：w为湿度修正指数；k＝1+0.02(h/δ-11)，1<h/δ<15g/m³；h为绝对湿度；

由于修正因数都与放电类型有关，引入参数g；

$g=\frac{U_{50\%}}{500D_a\mathrm{\&delta;}k}---\left(12\right)$

式中：D_a为最小放电路径长度(单位为m)，U_50％为标准状态下空气间隙的击穿电压，δ为相对空气密度，k＝1+0.02(h/δ-11)，1<h/δ<15g/m³；空气密度修正指数m'和湿度修正指数w与参数g的关系表如下：

降雨量修正公式为：

$k_3={\mathrm{ae}}^{-{\left(\frac{d-b}{c}\right)}^2}---\left(13\right)$

式中：d为导线与杆塔的最小空气间隙；a、b、c为预设的降雨量修正系数的拟合系数，如下表所示：

对标准状态下空气间隙的击穿电压U_50％进行修正，得到预测的输电线路风偏闪络电压U_f为：

U_f＝k₁k₂k₃U_50％ (14)。

上述技术方案中，所述输电线路设计参数包括杆塔信息、导线信息、绝缘子串信息、相邻两基杆塔之间以及杆塔与导线之间的位置关系；输电线路地理信息包括杆塔所处地理位置、海拔高度及所属微地形；输电线路区域天气预报数据包括输电线路区域风速、风向、气压、温度、湿度和降雨量。输电线路设计参数、输电线路地理信息由输电线路设计单位或运维单位提供，输电线路区域天气预报数据由当地气象部门提供。

上述技术方案中，所述杆塔信息包括塔头结构尺寸、杆塔主材与横担夹角；导线信息包括导线分裂数、导线半径、导线单位长度重量、金具重量；绝缘子串信息包括绝缘子串伞型、绝缘子串串型、绝缘子串重量和绝缘子串长度；相邻两基杆塔之间以及杆塔与导线之间的位置关系包括杆塔两侧的水平档距、相邻杆塔的高度差、导 线与两侧横担的夹角。

本实施例提出的风偏闪络预警方法，对2014年4月23日11：18某地区辖下750kV输电线路发生的风偏跳闸进行故障重演。从气象部门获取该地区的历史格点预报数据，4月23日11h距离故障杆塔最近的四个格点预报的风速分别为36.0m/s、37.1m/s、37.8m/s、38.9m/s，根据各格点与故障杆塔的距离计算出的权重系数分别为0.11、0.09、0.17、0.63，通过加权平均估算故障杆塔处的风速约为38.2m/s；风向为北风，与线路夹角的范围为75°～90°；气温3℃～10℃，相对湿度41％RH，气压为904.2hPa，无降雨。

故障杆塔型号为ZB131P，呼高40m，导线的型号为LGJK-310/50，边相串型为I串，绝缘子串型号为FXBW-750/210，左右两边水平档距分别为300m、540m，与左右两边杆塔的高度差分别为5m、27m。可计算出风速与最小空气间隙的关系如图6所示，

由图6可知，风速为38.2m/s时，杆塔最小空气间隙的预测值为1.54m。依据不同间隙距离的空气电压击穿曲线，可外推出标准状态下间隙距离为1.54m时空气击穿电压U_50％约为514.9kV。根据预报数据，可算得空气密度修正系数k₁＝0.956、湿度修正系数k₂＝0.952、降雨量修正系数k₃＝1，求出预报条件下风偏闪络电压U_f为468.6V。系统运行电压U_op为612.3kV，二者的比值为0.765。

呼高40m的ZB131P型杆塔允许的风速值为31.5m/s，而故障时刻的预测风速达到了38.2m/s，极有可能发生风偏闪络。4月24日经登塔进行检查，发现故障杆塔B相均压环上有放电痕迹。

通过上述历史风偏闪络跳闸的故障重演，可以验证本发明所提方法的可行性和准确性。采用数值天气预报信息实现输电线路风偏闪络预警，无需安装风偏在线监测装置即可对关注线路在大风或飑线风天气下发生风偏闪络的风险等级以及可能发生风偏闪络跳闸的相线提前进行预测，并向线路运维人员发出相应等级的预警信息， 为事先采取风偏规避措施以及制定风偏闪络故障应急预案争取宝贵的时间。该方法为处于强风区而又难以安装风偏在线监测装置的重要输电线路提供一种可行、有效的风偏闪络风险管控手段，通过事先采取有效的应对措施减小输电线路风偏闪络跳闸率以及因风偏造成的故障损失和人员伤亡，进一步地提高输电线路风偏闪络风险的管控能力和精细化管理水平，保障电网安全可靠运行。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种基于数值天气预报的输电线路风偏闪络预警方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：在计算机中输入输电线路设计参数、输电线路地理信息以及输电线路区域天气预报数据,并采用反距离加权插值进行格点预报风速的映射处理，具体方案如下：

设待插值的杆塔T经纬度坐标为(x₀，y₀)，提取相邻格点P_i(x_i，y_i)的预报风速值v_i；

则杆塔T(x₀，y₀)处利用反距离加权得到的预报风速v_T为：

$v_T=\frac{\underset{i=1}{\overset{4}{\&Sigma;}}\frac{v_i}{d_i^2}}{\underset{i=1}{\overset{4}{\&Sigma;}}\frac{1}{d_i^2}}---\left(1\right)$

式1中，d_i为待插值杆塔T与第i个相邻格点P_i(x_i，y_i)之间的距离；

计算风向与线路走向的夹角有：

规定风向、输电线路走向与正北方向的夹角分别为风向角β和线路走向角γ，按顺时针计，对于输电线路中任意两基相邻杆塔，线路走向一定，风向和线路之间的夹角θ为

θ＝β-γ (2)

垂直于线路走向的风速分量v_⊥可用θ表示为

v_⊥＝v_T|sinθ|＝v_T|sin(β-γ)| (3)

步骤2：在计算机中根据杆塔预报风速v_T以及风向和输电线路之间的夹角θ计算导线及金具的风载荷，并采用刚体直棒法在静力平衡的模型下求解输电线路的最大风偏角；并将输电线路的最大风偏角代入具体杆塔的结构尺寸数据，得到输电线路与杆塔的最小空气间隙；

步骤3：在计算机中，根据步骤2得到的线路与杆塔的最小空气间隙从空气间隙击穿特性曲线上读取标准状态下相应间隙距离的击穿电压数值，并采用步骤1中输入的输电线路区域天气预报数据分别计算预报天气条件下空气密度、湿度以及降雨量的击穿电压修正因子，修正后得到的击穿电压即为预测的输电线路风偏闪络电压；

步骤4：在计算机中将预测的输电线路风偏闪络电压与输电线路运行电压进行对比，并对照已定的预警等级划分标准输出分级预警信息。

2.根据权利要求1所述的基于数值天气预报的输电线路风偏闪络预警方法，其特征在于：

所述步骤2中，输电线路与杆塔的最小空气间隙的具体计算方法为：首先计算导线、绝缘子串及其金具的载荷，导线的水平载荷W_h和导线的垂直载荷W_v根据如下公式4和5计算：

$W_h\&ap;\frac{{\mathrm{Np}}_h}{2}(l_1+l_2)+2{\mathrm{NT}}_{o}sin\frac{\mathrm{\&psi;}}{2}---\left(4\right)$

$W_v\&ap;\frac{qN}{2}(l_1+l_2)+{\mathrm{NT}}_0(\frac{h_1}{l_1}+\frac{h_2}{l_2})---\left(5\right)$

式中：N为分裂导线数，l₁、l₂为杆塔两侧的水平档距；q为导线单位长度的重量；h₁、h₂为相邻杆塔间的高差；Ψ₁、Ψ₂为输电线路与两侧横担夹角的余角，其中Ψ＝Ψ₁+Ψ₂，T_o为沿导线轴向的水平张力分量，垂直于导线方向的单位长度导线水平风荷载标准值p_h可由以下计算公式6得到

p_h＝αW₀μ_zμ_scrβ_csin²θ (6)

式中：α为风压不均匀系数，μ_z为风压高度变化系数，μ_sc为导线的体型系数，r为导线外径或覆冰时的计算外径，分裂导线取所有子导线外径的总和，β_c为导线、绝缘子串覆冰后风荷载增大系数；θ为风向与导线或地线方向之间的夹角，W₀为基准风压标准值，计算公式为W₀＝v_T ²/1600；

采用刚体直棒法在静力平衡的模型下求解输电线路的最大风偏角绝缘子串最大风偏角的计算公式为

其中，G_v为绝缘子串及其金具的垂直载荷，即为绝缘子串及其金具的重力之和，G_h为绝缘子串及其金具承受的水平载荷，G_h的具体计算公式为：

G_h＝W₀μ_zA_Isin²θ (8)

A_I为绝缘子串及其金具受风面积；

代入具体杆塔的结构尺寸，根据如下公式求解导线与杆塔的最小空气间隙：

式中：η为杆塔主材与横担夹角，l为悬垂绝缘子串的长度，r为导线分裂半径，为悬垂绝缘子串风偏角，f为悬挂点A到杆塔中心线的距离，f₁为杆塔主材与横担夹角η的顶点C点到杆塔中心线的距离。

3.根据权利要求1所述的基于数值天气预报的输电线路风偏闪络预警方法，其特征在于：

所述步骤3中，空气密度修正公式为：

k₁＝δ^m` (10)

式中：m`为空气密度修正指数；δ为相对空气密度，计算公式如下

$\mathrm{\&delta;}=\frac{p}{p_0}\&CenterDot;\frac{273+t_0}{273+t}---\left(11\right)$

其中，t₀＝20℃，p₀＝101.3kPa，p与t为输电线路区域天气预报数据中的气压与温度；

湿度修正公式为：

k₂＝k^w

式中：w为湿度修正指数；k＝1+0.02(h/δ-11)，1<h/δ<15g/m³；h为绝对湿度；

由于修正因数都与放电类型有关，引入参数g；

$g=\frac{U_{50\%}}{500D_a\mathrm{\&delta;}k}---\left(12\right)$

式中：D_a为最小放电路径长度，U_50％为标准状态下空气间隙的击穿电压，δ为相对空气密度，k＝1+0.02(h/δ-11)，1<h/δ<15g/m³；

降雨量修正公式为：

$k_3={\mathrm{ae}}^{-{\left(\frac{d-b}{c}\right)}^2}---\left(13\right)$

式中：d为导线与杆塔的最小空气间隙；a、b、c为预设的降雨量修正系数的拟合系数；

对标准状态下空气间隙的击穿电压U_50％进行修正，得到预测的输电线路风偏闪络电压U_f为：

U_f＝k₁k₂k₃U_50％ (14)。

4.根据权利要求1所述的基于数值天气预报的输电线路风偏闪络预警方法，其特征在于：所述输电线路设计参数包括杆塔信息、导线信息、绝缘子串信息、相邻两基杆塔之间以及杆塔与导线之间的位置关系；输电线路地理信息包括杆塔所处地理位置、海拔高度及所属微地形；输电线路区域天气预报数据包括输电线路区域风速、风向、气压、温度、湿度和降雨量。

5.根据权利要求4所述的基于数值天气预报的输电线路风偏闪络预警方法，其特征在于：所述杆塔信息包括塔头结构尺寸、杆塔主材与横担夹角；导线信息包括导线分裂数、导线半径、导线单位长度重量、金具重量；绝缘子串信息包括绝缘子串伞型、绝缘子串串型、绝缘子串重量和绝缘子串长度；相邻两基杆塔之间以及杆塔与导线之间的位置关系包括杆塔两侧的水平档距、相邻杆塔的高度差、导线与两侧横担的夹角。