CN109635444A - 一种输电线路绝缘子动态风偏分析方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种输电线路绝缘子动态风偏分析方法及装置，包括：模拟生成瞬时风速数据，并利用所述瞬时风速数据确定导线随机风荷载和绝缘子随机风荷载；根据导线随机风荷载和绝缘子随机风荷载确定导线的风偏位移；利用所述导线的风偏位移确定绝缘子动态风偏角；本发明提供的技术方案，实现了具体线路动态风偏量的实时计算和分析，为及时、有效地开展输电线路风偏预警和防治提供了技术支撑，在电网防灾减灾领域具有广泛应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及输电线路防灾减灾领域，具体涉及一种输电线路绝缘子动态风偏分析方法及装置。
背景技术
输电线路风偏是指绝缘子串及其悬挂的导线在风荷载作用下产生的横向偏移和摇摆现象。输电线路风偏一般会造成导线与杆塔、导线与边坡的电气安全距离缩小，进而引起放电，对电网安全稳定运行危害较大。现有的输电线路风偏研究一般基于刚体静力法，即将导线和绝缘子简化为刚体，根据静力平衡计算其在风荷载作用下的受力和位移。
上述方法目前还存在两个问题，一是由于风场的不确定性及微地形因素存在，线路所在位置的实际风荷载值与设计值可能存在一定差异；二是上述方法没有充分考虑风场作用的瞬时性，即脉动风效应对输电线路动态风偏的影响。因此，为了进一步提高输电线路风偏分析及风偏防治的有效性，需要基于现场在线监测数据对线路动态风偏进行研究。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是实现了具体线路动态风偏量的实时计算和分析，为及时、有效地开展输电线路风偏预警和防治提供了技术支撑，在电网防灾减灾领域具有广泛应用前景。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种输电线路绝缘子动态风偏分析方法，其改进之处在于，所述方法包括：
模拟生成瞬时风速数据，并利用所述瞬时风速数据确定导线随机风荷载和绝缘子随机风荷载；
根据导线随机风荷载和绝缘子随机风荷载确定导线的风偏位移；
利用所述导线的风偏位移确定绝缘子动态风偏角。
优选的，所述模拟生成瞬时风速数据包括：
以Davenport谱为目标风速谱，利用AR线性滤波器法模拟生成瞬时风速数据。
进一步的，所述以Davenport谱为目标风速谱，利用AR线性滤波器法模拟生成瞬时风速数据的过程中，按下式确定P阶AR线性滤波器模型：
上式中，v(t)为模拟生成的t时刻的风速，ψk为自回归参数，Δt为时间步长，σN为下三角矩阵，N(t)为均值为0方差为1的正态分布的随机数，P为自回归滤波器的阶数。
优选的，所述利用所述瞬时风速数据确定导线随机风荷载和绝缘子随机风荷载，包括：
按下式确定导线t时刻随机风荷载FC(t)：
FC(t)＝0.625αμscμzdv(t)2Lsin2θ
按下式确定绝缘子t时刻随机风荷载FI(t)：
FI(t)＝0.625μzB1v(t)2AI
上式中，α为风压不均匀系数，μsc为导线体型系数，μz为风压高度变化系数，v(t)为模拟生成的t时刻的风速，d为输电线路的外径，L为输电线路的跨度，θ为输电线路与风向的夹角，B1为风荷载覆冰增大系数，AI为绝缘子受风面积。
优选的，所述根据导线随机风荷载和绝缘子随机风荷载确定导线的风偏位移，包括：
利用下式求解导线的t时刻风偏位移d(t)：
Md″(t)+Cd′(t)+Kd(t)＝F(t)
上式中，M为系统质量矩阵，C为系统刚度矩阵，K为系统阻尼矩阵，F(t)系统荷载矩阵，F(t)＝FC(t)+FI(t)，FC(t)为导线t时刻随机风荷载，FI(t)为绝缘子t时刻随机风荷载，d′(t)为d(t)的一次导数，d″(t)为d(t)的二次导数。
优选的，所述利用所述导线的风偏位移确定绝缘子动态风偏角，包括：
按下式确定t时刻绝缘子动态风偏角
上式中，d(t)为导线的t时刻风偏位移，l为绝缘子长度。
一种输电线路绝缘子动态风偏分析装置，其改进之处在于，所述装置包括：
第一确定模块，用于模拟生成瞬时风速数据，并利用所述瞬时风速数据确定导线随机风荷载和绝缘子随机风荷载；
第二确定模块，用于根据导线随机风荷载和绝缘子随机风荷载确定导线的风偏位移；
第三确定模块，用于利用所述导线的风偏位移确定绝缘子动态风偏角。
优选的，所述模拟生成瞬时风速数据包括：
以Davenport谱为目标风速谱，利用AR线性滤波器法模拟生成瞬时风速数据。
进一步的，所述以Davenport谱为目标风速谱，利用AR线性滤波器法模拟生成瞬时风速数据的过程中，按下式确定P阶AR线性滤波器模型：
上式中，v(t)为模拟生成的t时刻的风速，ψk为自回归参数，Δt为时间步长，σN为下三角矩阵，N(t)为均值为0方差为1的正态分布的随机数，P为自回归滤波器的阶数。
优选的，所述第一确定模块用于：
按下式确定导线t时刻随机风荷载FC(t)：
FC(t)＝0.625αμscμzdv(t)2Lsin2θ
按下式确定绝缘子t时刻随机风荷载FI(t)：
FI(t)＝0.625μzB1v(t)2AI
上式中，α为风压不均匀系数，μsc为导线体型系数，μz为风压高度变化系数，v(t)为模拟生成的t时刻的风速，d为输电线路的外径，L为输电线路的跨度，θ为输电线路与风向的夹角，B1为风荷载覆冰增大系数，AI为绝缘子受风面积。
优选的，所述第二确定模块用于：
利用下式求解导线的t时刻风偏位移d(t)：
Md″(t)+Cd′(t)+Kd(t)＝F(t)
上式中，M为系统质量矩阵，C为系统刚度矩阵，K为系统阻尼矩阵，F(t)系统荷载矩阵，F(t)＝FC(t)+FI(t)，FC(t)为导线t时刻随机风荷载，FI(t)为绝缘子t时刻随机风荷载，d′(t)为d(t)的一次导数，d″(t)为d(t)的二次导数。
优选的，所述第三确定模块用于：
按下式确定t时刻绝缘子动态风偏角
上式中，d(t)为导线的t时刻风偏位移，l为绝缘子长度。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明提供的技术方案，通过实时读取电网在线气象监测数据，得到一定间隔范围内的目标线路平均风速和风向；然后通过谐波叠加法将平均风速生成为随机风速时程并求得随机风荷载；最后，采用非线性动力有限元方法求解目标线路中风偏位移和绝缘子风偏角。该发明实现了具体线路动态风偏量的实时计算和分析，为及时、有效地开展输电线路风偏预警和防治提供了技术支撑，在电网防灾减灾领域具有广泛应用前景
附图说明
图1是一种输电线路绝缘子动态风偏分析方法流程图；
图2是本发明实施例中导线的风偏位移求解结果示意图；
图3是一种输电线路绝缘子动态风偏分析装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，整个电网系统在变电站及部分重要输电线路已经部署了许多在线气象监测装置，可实时获取目标位置处的真实气象条件，这为基于在线监测数据开展输电线路动态风偏分析提供了数据基础；此外，非线性动力有限元技术的发展也为开展输电线路动态风偏计算提供了技术手段。
本发明提供了一种输电线路绝缘子动态风偏分析方法，主要实现途径为基于电网在线气象监测数据生成随机风速时程和随机风荷载，然后通过非线性动力有限元方法求解得到目标线路的导线中风偏位移和绝缘子风偏角，实现输电线路动态风偏分析，具体实现步骤如图1所示，包括：
101.模拟生成瞬时风速数据，并利用所述瞬时风速数据确定导线随机风荷载和绝缘子随机风荷载；
102.根据导线随机风荷载和绝缘子随机风荷载确定导线的风偏位移；
103.利用所述导线的风偏位移确定绝缘子动态风偏角。
其中，模拟生成瞬时风速数据的过程为现有技术，可以以Davenport谱为目标风速谱，利用AR线性滤波器法模拟生成瞬时风速数据，该过程中，可以按下式确定P阶AR线性滤波器模型：
上式中，v(t)为模拟生成的t时刻的风速，ψk为自回归参数，Δt为时间步长，σN为下三角矩阵，N(t)为均值为0方差为1的正态分布的随机数，P为自回归滤波器的阶数；
上述公式中各参数的规定详见《Davenport谱与Kaimal风速谱在通讯塔设计中的比较》；
具体的，所述步骤101，包括：
按下式确定导线t时刻随机风荷载FC(t)：
FC(t)＝0.625αμscμzdv(t)2Lsin2θ
按下式确定绝缘子t时刻随机风荷载FI(t)：
FI(t)＝0.625μzB1v(t)2AI
上式中，α为风压不均匀系数，μsc为导线体型系数，μz为风压高度变化系数，v(t)为模拟生成的t时刻的风速，d为输电线路的外径，L为输电线路的跨度，θ为输电线路与风向的夹角，B1为风荷载覆冰增大系数，AI为绝缘子受风面积；
上述公式中风压不均匀系数、导线体型系数、风压高度变化系数及风荷载覆冰增大系数取值规定详见(GB-50545-2010)《110～750kV架空输电线路设计规范》；
基于导线随机风荷载和绝缘子随机风荷载的计算公式可以求解导线的t时刻风偏位移，所述步骤102，包括：
利用下式求解导线的t时刻风偏位移d(t)：
Md″(t)+Cd′(t)+Kd(t)＝F(t)
上式中，M为系统质量矩阵，C为系统刚度矩阵，K为系统阻尼矩阵，F(t)系统荷载矩阵，F(t)＝FC(t)+FI(t)，FC(t)为导线t时刻随机风荷载，FI(t)为绝缘子t时刻随机风荷载，d′(t)为d(t)的一次导数，d″(t)为d(t)的二次导数；
该求解过程记载于《结构动力学(第2版)》，R.克拉夫，J.彭津著，王光远译，第九章，求解结果如图2所示；
所述步骤103，包括：
按下式确定t时刻绝缘子动态风偏角
上式中，d(t)为导线的t时刻风偏位移，l为绝缘子长度。
一种输电线路绝缘子动态风偏分析装置，如图3所示，所述装置包括：
第一确定模块，用于模拟生成瞬时风速数据，并利用所述瞬时风速数据确定导线随机风荷载和绝缘子随机风荷载；
第二确定模块，用于根据导线随机风荷载和绝缘子随机风荷载确定导线的风偏位移；
第三确定模块，用于利用所述导线的风偏位移确定绝缘子动态风偏角。
优选的，所述模拟生成瞬时风速数据包括：
以Davenport谱为目标风速谱，利用AR线性滤波器法模拟生成瞬时风速数据。
进一步的，所述以Davenport谱为目标风速谱，利用AR线性滤波器法模拟生成瞬时风速数据的过程中，按下式确定P阶AR线性滤波器模型：
上式中，v(t)为模拟生成的t时刻的风速，ψk为自回归参数，Δt为时间步长，σN为下三角矩阵，N(t)为均值为0方差为1的正态分布的随机数，P为自回归滤波器的阶数。
优选的，所述第一确定模块用于：
按下式确定导线t时刻随机风荷载FC(t)：
FC(t)＝0.625αμscμzdv(t)2Lsin2θ
按下式确定绝缘子t时刻随机风荷载FI(t)：
FI(t)＝0.625μzB1v(t)2AI
上式中，α为风压不均匀系数，μsc为导线体型系数，μz为风压高度变化系数，v(t)为模拟生成的t时刻的风速，d为输电线路的外径，L为输电线路的跨度，θ为输电线路与风向的夹角，B1为风荷载覆冰增大系数，AI为绝缘子受风面积。
优选的，所述第二确定模块用于：
利用下式求解导线的t时刻风偏位移d(t)：
Md″(t)+Cd′(t)+Kd(t)＝F(t)
上式中，M为系统质量矩阵，C为系统刚度矩阵，K为系统阻尼矩阵，F(t)系统荷载矩阵，F(t)＝FC(t)+FI(t)，FC(t)为导线t时刻随机风荷载，FI(t)为绝缘子t时刻随机风荷载，d′(t)为d(t)的一次导数，d″(t)为d(t)的二次导数。
优选的，所述第三确定模块用于：
按下式确定t时刻绝缘子动态风偏角
上式中，d(t)为导线的t时刻风偏位移，l为绝缘子长度。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (12)
1.一种输电线路绝缘子动态风偏分析方法，其特征在于，所述方法包括：
模拟生成瞬时风速数据，并利用所述瞬时风速数据确定导线随机风荷载和绝缘子随机风荷载；
根据导线随机风荷载和绝缘子随机风荷载确定导线的风偏位移；
利用所述导线的风偏位移确定绝缘子动态风偏角。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模拟生成瞬时风速数据包括：
以Davenport谱为目标风速谱，利用AR线性滤波器法模拟生成瞬时风速数据。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述以Davenport谱为目标风速谱，利用AR线性滤波器法模拟生成瞬时风速数据的过程中，按下式确定P阶AR线性滤波器模型：
上式中，v(t)为模拟生成的t时刻的风速，ψk为自回归参数，Δt为时间步长，σN为下三角矩阵，N(t)为均值为0方差为1的正态分布的随机数，P为自回归滤波器的阶数。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述瞬时风速数据确定导线随机风荷载和绝缘子随机风荷载，包括：
按下式确定导线t时刻随机风荷载FC(t)：
FC(t)＝0.625αμscμzdv(t)2Lsin2θ
按下式确定绝缘子t时刻随机风荷载FI(t)：
FI(t)＝0.625μzB1v(t)2AI
上式中，α为风压不均匀系数，μsc为导线体型系数，μz为风压高度变化系数，v(t)为模拟生成的t时刻的风速，d为输电线路的外径，L为输电线路的跨度，θ为输电线路与风向的夹角，B1为风荷载覆冰增大系数，AI为绝缘子受风面积。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据导线随机风荷载和绝缘子随机风荷载确定导线的风偏位移，包括：
利用下式求解导线的t时刻风偏位移d(t)：
Md″(t)+Cd′(t)+Kd(t)＝F(t)
上式中，M为系统质量矩阵，C为系统刚度矩阵，K为系统阻尼矩阵，F(t)系统荷载矩阵，F(t)＝FC(t)+FI(t)，FC(t)为导线t时刻随机风荷载，FI(t)为绝缘子t时刻随机风荷载，d′(t)为d(t)的一次导数，d″(t)为d(t)的二次导数。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述导线的风偏位移确定绝缘子动态风偏角，包括：
按下式确定t时刻绝缘子动态风偏角
上式中，d(t)为导线的t时刻风偏位移，l为绝缘子长度。
7.一种输电线路绝缘子动态风偏分析装置，其特征在于，所述装置包括：
第一确定模块，用于模拟生成瞬时风速数据，并利用所述瞬时风速数据确定导线随机风荷载和绝缘子随机风荷载；
第二确定模块，用于根据导线随机风荷载和绝缘子随机风荷载确定导线的风偏位移；
第三确定模块，用于利用所述导线的风偏位移确定绝缘子动态风偏角。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述模拟生成瞬时风速数据包括：
以Davenport谱为目标风速谱，利用AR线性滤波器法模拟生成瞬时风速数据。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述以Davenport谱为目标风速谱，利用AR线性滤波器法模拟生成瞬时风速数据的过程中，按下式确定P阶AR线性滤波器模型：
上式中，v(t)为模拟生成的t时刻的风速，ψk为自回归参数，Δt为时间步长，σN为下三角矩阵，N(t)为均值为0方差为1的正态分布的随机数，P为自回归滤波器的阶数。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一确定模块用于：
按下式确定导线t时刻随机风荷载FC(t)：
FC(t)＝0.625αμscμzdv(t)2Lsin2θ
按下式确定绝缘子t时刻随机风荷载FI(t)：
FI(t)＝0.625μzB1v(t)2AI
上式中，α为风压不均匀系数，μsc为导线体型系数，μz为风压高度变化系数，v(t)为模拟生成的t时刻的风速，d为输电线路的外径，L为输电线路的跨度，θ为输电线路与风向的夹角，B1为风荷载覆冰增大系数，AI为绝缘子受风面积。
11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二确定模块用于：
利用下式求解导线的t时刻风偏位移d(t)：
Md″(t)+Cd′(t)+Kd(t)＝F(t)
上式中，M为系统质量矩阵，C为系统刚度矩阵，K为系统阻尼矩阵，F(t)系统荷载矩阵，F(t)＝FC(t)+FI(t)，FC(t)为导线t时刻随机风荷载，FI(t)为绝缘子t时刻随机风荷载，d′(t)为d(t)的一次导数，d″(t)为d(t)的二次导数。
12.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第三确定模块用于：
按下式确定t时刻绝缘子动态风偏角
上式中，d(t)为导线的t时刻风偏位移，l为绝缘子长度。
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2018
- 2018-12-13 CN CN201811527207.9A patent/CN109635444A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114777711A (zh) * | 2022-06-22 | 2022-07-22 | 南方电网数字电网研究院有限公司 | 多参数融合的架空线路风偏距离测量与安全预警方法 |
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