CN107563099A - 一种顾及排位知识的架空输电线路杆塔排位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顾及排位知识的架空输电线路杆塔排位方法，包括步骤：获取输电线路路径的平断面图；设置代表档距，计算模板K值；根据排位知识，设置必须立塔区（点）、禁止立塔区（点）；剔除禁止立塔区（点）中的地形特征点，保留必须立塔区（点）和其他可立塔地形特征点；依次对每个耐张段进行杆塔排位计算，根据排位方案计算模板K值，新旧K值误差在允许范围内则排位有效，否则重新排位；输出最优杆塔排位方案。不仅提高了杆塔排位的效率和可靠性，还将电力设计人员积累的排位知识转化为禁止立塔区（点）和必须立塔区（点），将它们作为杆塔排位时的约束条件，解决了以往排位方法不能对排位过程进行干预的问题。

Description

一种顾及排位知识的架空输电线路杆塔排位方法

技术领域

本发明涉及一种顾及排位知识的架空输电线路杆塔排位方法，属于电力勘测设计领域。

背景技术

高压架空输电线路的设计包括路径方案的选择、气象资料的分析、导地线及绝缘子的选取、杆塔与基础的设计、杆塔排位、大跨越设计、通信线路的保护、环境评估等内容。杆塔排位是其中的一个重要阶段，对工程的造价有着重要影响。杆塔排位是指在选定的线路路径上，确定杆塔位置及该位置上的塔型、塔高。传统的杆塔排位方法是采用手工推模板的方式进行的，但由于杆塔排位涉及到大量的复杂计算，这种方法效率低，易出错，往往得不到最优方案。因此在计算机出现后，就开始利用计算机进行杆塔的自动排位。

自动杆塔排位分为两类，一类是利用计算机来模拟手动推模板的方法进行排位。这种方法需要穷举所有的排位方案，难以在可接受的时间内完成排位。这种方法已经很少在使用。另一类是基于动态规划理论进行杆塔排位。目前在电力设计领域普遍采用的便是这种方法。动态规划将问题分为若干个阶段，从而将问题划分为同类型的子问题序列，建立最优指标函数，然后逐阶段递推去求解每个子问题的最优解。在求解每个子问题时，都要使用它前面已求出的子问题的最优解，最后一个子问题的最优解，就是整个问题的最优解。

目前的基于动态规划的杆塔排位方法在一定程度上解决了自动杆塔排位的问题，但仍存在着一些不足：在杆塔排位中，由于平断面图数据并不能充分反映排位时所需要的所有信息，比如技术条件、政策、交通条件等因素，设计人员往往希望能利用丰富的排位知识对自动杆塔排位进行干预和引导，以对排位过程进行较好的掌控，得到符合要求的排位方案，然而如何在自动排位的过程中顾及排位知识在以往的杆塔排位方法中并没有得到考虑。

发明内容

针对现有方法的不足，本发明基于动态规划原理，将排位知识考虑进杆塔排位过程中，提出了一种基于动态规划方程的顾及排位知识的架空输电线路杆塔排位方法。

知识是一个或多个信息关联在一起形成的有价值的信息结构，是对客观规律的认识，是在实践基础上产生又经过实践验证的对客观事实的反映。排位知识是排位工作人员在长期的排位实践过程中，对排位规律的正确认知和经验总结。根据排位知识可以判断适宜立塔的区域、不能立塔的区域等，所以排位知识有助于得到合理的排位方案，能对自动排位起到引导作用。

为了能在自动排位中运用排位知识，本发明将排位知识以“禁止立塔区(点)”和“必须立塔区(点)”的方式转换为杆塔排位的限制条件。必须立塔点是指在输电线路路径上必须竖立杆塔的一个位置。必须立塔区是一个至少立一基杆塔的区域。禁止立塔点是一个不能竖立杆塔的位置。禁止立塔区是一个不能竖立杆塔的区域。在排位过程中除了考虑最小净空距离、档距、档距系数、悬点应力等常规约束条件外，还将禁止立塔区(点)和必须立塔区(点)等排位知识设定为杆塔排位的约束条件。

该方法包括如下步骤：

(1)获取输电线路路径的平断面图。平断面图是在线路路径方案选定后，得到的线路中心线和左右边线的离散地形特征点集合和地物特征点集合。地形点包含累距、偏距和高程信息，地物点除上述信息还包括地物编码信息等。

(2)设置代表档距，确定控制气象条件、产生最大弧垂时的气象条件及该气象条件下的最低点应力，然后根据这些参数计算模板K值。

(3)根据排位知识，为输电线路路径设置必须立塔区(点)、禁止立塔区(点)。

(4)从地形特征点中剔除禁止立塔区(点)中的地形特征点，余下的为可立塔的地形特征点(含必须立塔区(点)中的地形点)。

(5)从输电线路起点至终点，依次对路径中每一个耐张段进行杆塔排位计算。即基于动态规划思想，利用地形特征点集合和地物特征点集合，在满足杆塔排位约束条件的情况下，计算成本最低且受到排位知识引导的杆塔排位方案。

(6)根据得出的排位方案计算新的模板K值，并将新得出的K值与原K值进行比较。当误差ΔK在允许范围内则所排塔位有效，进行下一耐张段的排位计算，否则，将新K值替换原K值，重新进行排位计算，直到误差在允许范围为止。

(7)当最后一个耐张段的排位方案确定后，输出整条线路成本最低、满足杆塔约束条件且受到排位知识引导的杆塔排位方案。

杆塔排位是在平断面图的多个离散点上寻找立塔点的一个过程，它本质上是一个多阶段决策优化问题，动态规划是求解该问题的一种最有效的方式之一。上述的顾及排位知识的杆塔排位方法即基于动态规划思想来求解最优杆塔排位方案，提高了杆塔排位的效率和可靠性。除此之外，本发明最大的创新之处是除考虑常规约束条件外，还将电力设计人员在排位时积累的排位知识转化为禁止立塔区(点)和必须立塔区(点)，将它们作为杆塔排位时的约束条件，解决了以往排位方法不能对排位过程进行干预的问题，更有利于得出符合电力设计要求的排位方案。

附图说明

图1为顾及排位知识的输电线路杆塔排位方法流程图；

图2为输电线路路径的平断面图示意图；

图3为必须立塔限制条件示意图；

图4为杆塔排位问题的动态规划解法示意图；

图5为顾及排位知识的最优排位方案求解流程图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图5。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述。

图1为一种顾及排位知识的输电线路杆塔排位方法流程图。包括如下步骤：

步骤1：获取输电线路路径的平断面图。平断面图是在线路路径方案选定后，得到的线路中心线和左右边线的离散地形特征点集合和地物特征点集合。地形点包含累距、偏距和高程信息，地物点除上述信息还包括地物编码信息等。平断面图如附图2所示。

在实施例中，路径中心线、左边线、右边线的地形点集合为X_mid、X_left、X_right，待选的杆塔集合为T_tower，地物特征点集合为Y_fea。杆塔排位即是从X_mid和T_tower中选择一个塔位集合X_tower，其中N＜Q，该塔位集合应使总立塔成本值为最小，即满足式(3)所示的目标函数。式中，x_i为中心线上第i个地形点，包含累距d_i、偏距o_i和高程h_i，即x_i＝(d_i,o_i,h_i)；t_k是x_j处的杆塔，C(x_j,t_k)是在x_j处立杆塔t_k的成本。

X_mid＝{x_i|i＝1,2,…,Q,且d_i-1＜d_i} (1)

X_tower＝{(x_j,t_k)|j＝1,2,…,N,且x_j-1＜x_j} (2)

T_tower＝{t_k|k＝1,2,…,R} (4)

步骤2：设置代表档距，确定控制气象条件、产生最大弧垂时的气象条件及该气象条件下的最低点应力，然后根据这些参数计算模板K值。

代表档距l_r是能够表达整个耐张段导线受力变化规律的假想档距。l_r按式(5)计算，β_r代表高差角。式中l_i为档距。

在实施例中，排位之前无法知道代表档距，因此需为代表档距设置一个假设的值l。然后通过式(7)确定控制气象条件，通过比较g/σ确定最大弧垂时的气象条件。再利用状态方程(8)求解最大弧垂时的导线最低点应力σ₀。最后利用式(9)求解模板K值。式中，σ为导线应力，g为比载，E为弹性系数，t为温度，α是线膨胀系数。

步骤3：根据排位知识，为输电线路路径设置必须立塔区(点)、禁止立塔区(点)。

必须立塔点是指在输电线路路径上必须竖立杆塔的一个位置。必须立塔区是一个至少立一基杆塔的区域。禁止立塔点是一个不能竖立杆塔的位置。禁止立塔区是一个不能竖立杆塔的区域。

在实施例中，当一个耐张段里有必须立塔区(点)时，为了使杆塔立在必须立塔点(区)，每两个塔位必须位于同一个“控制区”中。本发明称“控制区”X_s为每两个相邻“特征”及这两个特征之间的区域。本发明称耐张段起止点、必须立塔点(区)为“特征”。控制区集合以X_part表示，X_part＝{X_s|s＝1,2,…,T}。如附图3所示，AH为一个耐张段，BC和DE为必须立塔区，F、G为必须立塔点。AC、BE、DF、FG、GH都是控制区。必须立塔限制条件描述如式(10)所示，x_i和x_j表示两相邻塔位。

x_i∈X_s且x_j∈X_s,X_s∈X_part (10)

在实施例中，当一个耐张段里有禁止立塔区(点)时，在排位时应避开这些区域立塔。禁止立塔限制条件描述如式(11)所示，X_fbd表示禁止立塔区(点)中的地形点集合。

当考虑排位知识，设置必须立塔区(点)和禁止立塔区(点)时，需要遵循以下规则：

(1)必须立塔点和必须立塔区不能重合。如果必须立塔区里有一个必须立塔点，则该点就失去作用，变为必须立塔区中的一个普通点，和必须立塔区里的其他点一样有相同的立塔概率。

(2)必须立塔区不宜重叠。当重叠时可以采用两种方法来处理，一种是把这两个必须立塔区当作是一个必须立塔区，另一种是把必须立塔区的重叠部分当作非必须立塔区(普通的立塔区)，此时重叠部分就失去了必须立塔的功能。

(3)禁止立塔点和禁止立塔区不对耐张段的起点和终点起作用。

(4)必须立塔点(区)和禁止立塔点(区)不能重叠。

步骤4：从地形特征点中剔除禁止立塔区(点)中的地形特征点，余下的为可立塔的地形特征点(含必须立塔区(点)中的地形点)。

在实施例中，根据式(11)，从X_mid中剔除禁止立塔区(点)中的地形点，得到X′_mid，其中

X′_mid＝{x_i|i＝1,2,…,M,且d_i-1＜d_i} (12)

步骤5：从输电线路起点至终点，依次对路径中每一个耐张段进行杆塔排位计算。即基于动态规划思想，利用地形特征点集合和地物特征点集合，在满足杆塔排位约束条件的情况下，计算成本最低且受到排位知识引导的杆塔排位方案。

在实施例中，基于动态规划思想，将每个地形点的排塔问题作为一个阶段，将整个线路的排位问题划分成M个阶段，即把寻找每个地形点到其前面地形点的最优排位方案看成是排位的子问题。每个地形点处的可选杆塔的集合即为状态集合，决定在地形点处选择哪个杆塔即为决策。如附图4所示，动态规划将解空间看做为一个M×R个节点组成的二维的规则格网，杆塔排位的实质就是从这些节点中选择一个起止点间的节点子集。

令F(x_i,t_k)为架设一条从起点x₁到x_i处杆塔t_k的输电线路的最低成本，i＝1,2,…,M，k＝1,2,…,R。当采样点就是起点x₁时,F(x₁,t_k)就是起点处的杆塔成本C(x₁,t_k)；当采样点x_s位于起点x₁之后时，s＝2,3,…,M，该点到x₁的最低成本值就是该点处的杆塔成本C(x_s,t_k)与该点前所有立塔成本最低值Min(F(x_i,t_j))之和。建立如下基本方程，这样从起点一直到终点反复应用该方程式就可以得到最优排位方案。

根据式(1)输入X′_mid，T_tower，X_fbd，X_part；

(2)初始化i＝2；初始化x_i(i>1)上的杆塔至起点处杆塔的架设成本c为∞，初始化x₁上的c为C(x₁,t_k)。

(3)若i≤M，则j＝i-1，否则进行第11步；

(4)进行必须立塔限制条件检查，当x_i∈X_s且x_j∈X_s(x_i,x_j∈X′_mid)时，进行第5步；否则，i＝i+1，转至第3步。

(5)初始化k＝1,q＝1；

(6)若k>R,q＝q+1,k＝1。执行第7步。

(7)若q≤R，对x_i和x_j上的杆塔t_q和t_k进行限制条件检查，否则执行第10步。

(8)若杆塔t_q和t_k满足限制条件进行第9步；否则k＝k+1,转至第6步。

(9)从起点经x_j处杆塔t_k到达x_i处t_q的架设成本为c′＝F(x_j,t_k)+C(x_i,t_q)。若该值小于t_q至起点的现有架设成本c，则c＝c′并将t_q的父节点替换为t_k。k＝k+1,转至第6步。

(10)j＝j-1，若j＝0，则i＝i+1，转至第3步，否则转至第4步。

(11)当i>M时，排位结束。若x_M上所有杆塔都没有父节点，则排位失败，否则，找到x_M上累积成本最低的杆塔，依次回溯这些杆塔的父节点，得出成本最低的塔位集合X_tower。

步骤6：根据得出的排位方案计算新的模板K值，并将新得出的K值与原K值进行比较。当误差ΔK在允许范围内则所排塔位有效，进行下一耐张段的排位计算，否则，将新K值替换原K值，重新进行排位计算，直到误差在允许范围为止。

在实施例中，模板K值采用式(9)计算，误差范围一般取-0.5×10^-5～0.5×10^-5。

步骤7：当最后一个耐张段的排位方案确定后，输出整条线路成本最低、满足杆塔约束条件且受到排位知识引导的杆塔排位方案。

在实施例中，当确定总费用最低的杆塔排位方案后，从终点塔位的杆塔回溯至起点塔位的杆塔即可得到最优的排位方案，该方案受到了排位知识的干预与引导，有助于满足电力设计要求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种顾及排位知识的架空输电线路杆塔排位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a.获取输电线路路径的平断面图；

步骤b.设置代表档距，确定控制气象条件、产生最大弧垂时的气象条件及该气象条件下的最低点应力，然后根据这些参数计算模板K值；

步骤c.根据排位知识，为输电线路路径设置必须立塔区或必须立塔点、禁止立塔区或禁止立塔点；

步骤d.从地形特征点中剔除禁止立塔区或禁止立塔点中的地形特征点，余下的为可立塔的地形特征点；

步骤e.基于动态规划方程，从输电线路起点至终点，在满足杆塔排位约束条件的情况下，依次对路径中每一个耐张段计算成本最低且受到排位知识引导的杆塔排位方案，其中杆塔排位约束条件为：最小净空距离约束、最大档距约束、水平档距和垂直档距约束、档距系数约束、导线悬点应力约束、必须立塔约束和禁止立塔约束；

其中基于动态规划方程计算杆塔成本最低且受到排位知识引导的杆塔排位方案的算法流程为：

(1)获取X_mid’，T_tower，X_fbd，X_part；X_mid’为从路径中心线地形点集合X_mid中剔除禁止立塔区或禁止立塔点后的地形点集合，X_fbd为禁止立塔区或禁止立塔点的地形点集合，X_part是必须立塔区或必须立塔点的控制区集合，其中每两个塔位必须位于同一个控制区中，T_tower待选的杆塔集合；

(2)初始化i＝2；x_i为中心线上第i个地形点，c为上的杆塔至x₁上的杆塔的架设成本，初始化x₁上的c为C(x₁,t_k)，初始化x_i(i＞1)的c为∞；

(3)若i≤M，则j＝i-1，否则进行第11步；

(4)进行必须立塔约束条件检查，当x_i和x_j都位于一个控制区时，进行第5步，否则，i＝i+1，转至第3步；其中，

(5)初始化k＝1,q＝1，t_q和t_k分别为x_i和x_j上的杆塔，q,k＝1,...,R；

(6)若k＞R,则q＝q+1,k＝1，执行第7步；

(7)若q≤R，对x_i和x_j上的杆塔t_q和t_k进行约束条件检查，否则执行第10步；

(8)若杆塔t_q和t_k满足约束条件则进行第9步；否则k＝k+1,转至第6步；

(9)从起点经x_j处杆塔t_k到达x_i处杆塔t_q的架设成本为c’，若该值小于t_q至起点的现有架设成本c，则c＝c’并将t_q的父节点替换为t_k，k＝k+1,转至第6步；

(10)j＝j-1，若j＝0，则i＝i+1，转至第3步，否则转至第4步；

(11)当i＞M时，排位结束；若x_M上所有杆塔都没有父节点，则排位失败，否则，找到x_M上累积成本最低的杆塔，依次回溯这些杆塔的父节点，得出成本最低的塔位集合；

步骤f.根据得出的排位方案计算新的模板K值，并将新得出的K值与原K值进行比较；当误差ΔK在允许范围内则所排塔位有效，进行下一耐张段的排位计算，否则，将新K值替换原K值，重新进行排位计算，直到误差在允许范围为止；

步骤g.当最后一个耐张段的排位方案确定后，输出整条线路成本最低、满足杆塔约束条件且受到排位知识引导的杆塔排位方案。

2.根据权利要求1所述的杆塔排位方法，其特征在于：必须立塔点和必须立塔区不能重合；必须立塔区不宜重叠；禁止立塔点和禁止立塔区不对耐张段的起点和终点起作用；必须立塔点或必须立塔区和禁止立塔点或禁止立塔区不能重叠。

3.根据权利要求1所述的杆塔排位方法，其特征在于：模板K值误差范围取-0.5×10^-5～0.5×10^-5。