CN112685965A

CN112685965A - 一种台风中输电杆塔风险监测方法及系统

Info

Publication number: CN112685965A
Application number: CN202011398687.0A
Authority: CN
Inventors: 罗啸宇; 聂铭; 谢文平; 刘小璐; 黄正
Original assignee: Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2020-12-03
Filing date: 2020-12-03
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2040-12-03
Also published as: CN112685965B

Abstract

本发明提供了一种台风中输电杆塔风险监测方法及系统，其中方法包括：获取输电线路所在区域的DEM数据，进行网格划分得到CFD网格；获取输电线路周围气象站监测到的风速风向数据，当存在指向输电线路的风向时，将监测到的风速风向数据作为输入条件进行CFD计算，得到输电线路的风场；提取输电杆塔及导线的风速风向数据，判断输电杆塔的风速是否大于其设计风速，若是则发出预警信号；若否则根据风速风向数据及输电线路的有限元模型，计算输电杆塔及导线的整体应力，当应力超过极限应力时发出预警信号。本发明根据输电线路周围气象站的实测风速风向数据进行CFD计算，能得到杆塔及导线准确的风速风向数据和整体应力，从而及时进行预警。

Description

一种台风中输电杆塔风险监测方法及系统

技术领域

本发明涉及电网安全监测技术领域，尤其是涉及一种台风中输电杆塔风险监测方法及系统。

背景技术

输电杆塔是输电线路的一个重要部分，它主要用来支撑线路或者防止线路与其他导体接触产生接地故障，保证在输电环节中能够把电能安全、可靠的运输给各个用户。据统计，台风灾害是沿海地区造成输电线路杆塔受损的主要原因，给电网造成了巨大的损失，严重影响社会生产生活。

现有技术中有些采用气象预报的台风路径及风圈信息作为风速来源，气象预报的登录路径及风速误差较大，登录路径误差可达到几十公里，计算得出的杆塔风速误差较大；有些将气象监测装置的风速插值到杆塔，没有考虑地形对风场的影响，在山区等复杂地形下风速的误差较大。

因此，如何准确计算台风来临时输电线路中杆塔的风速并实时监测风险是本领域技术人员亟待解决地问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种台风中输电杆塔风险监测方法及系统，以解决现有技术中对台风来临时输电线路中杆塔的风速预测误差较大的技术问题。

本发明的目的，可以通过如下技术方案实现：

一种台风中输电杆塔风险监测方法，包括：

根据输电线路所在区域的地理信息数据获取其DEM数据，对输电线路所在区域的几何模型进行网格划分得到CFD网格，将所述网格导入计算流体力学软件中；

根据输电线路所在区域的经纬度查找附近的气象站，获取气象站监测到的风向及对应的风速数据，当存在指向输电线路的风向时，将所述风向及对应的风速数据作为输入条件进行CFD计算，得到输电线路所在区域的风场；

提取所有输电杆塔及导线的风向及对应的风速数据，判断输电杆塔的风速是否大于其设计风速，若是，则发出预警信号；若否，则转入下一步；

将风向及对应的风速数据输入到输电线路的有限元模型中，计算得到输电杆塔及导线的整体应力，当输电杆塔或导线的整体应力超过其极限应力时，发出预警信号。

可选地，根据输电线路所在区域的地理信息数据获取其DEM数据之后还包括：将由经纬度、高程表示的DEM数据转换成x、y、z坐标，代表计算区域的地表，计算区域的高度不小于输电线路所在区域最大海拔高度的5倍。

可选地，对输电线路所在区域的几何模型进行网格划分得到CFD网格具体为：利用网格划分软件对输电线路所在区域的几何模型进行网格划分，得到CFD网格，水平方向上网格的大小为1-100m之间，离地100m高度范围内网格数量不小于20。

可选地，将所述风向及对应的风速数据作为输入条件进行CFD计算具体为：

将所述风向作为来流风向角、对应的风速作为来流风速，输入到计算流体力学软件中进行CFD计算。

可选地，将所述风向及对应的风速数据作为输入条件具体包括：所述风向及对应的风速数据为一个或多个。

本发明还提供了一种台风中输电杆塔风险监测系统，包括：

CFD网格获取模块，用于根据输电线路所在区域的地理信息数据获取其DEM数据，对输电线路所在区域的几何模型进行网格划分得到CFD网格，将所述网格导入计算流体力学软件中；

CFD计算模块，用于根据输电线路所在区域的经纬度查找附近的气象站，获取气象站监测到的风向及对应的风速数据，当存在指向输电线路的风向时，将所述风向及对应的风速数据作为输入条件进行CFD计算，得到输电线路所在区域的风场；

第一预警模块，用于提取所有输电杆塔及导线的风向及对应的风速数据，判断输电杆塔的风速是否大于其设计风速，若是，则发出预警信号；若否，则转入下一步；

第二预警模块，用于将风向及对应的风速数据输入到输电线路的有限元模型中，计算得到输电杆塔及导线的整体应力，当输电杆塔或导线的整体应力超过其极限应力时，发出预警信号。

可选地，CFD网格获取模块根据输电线路所在区域的地理信息数据获取其DEM数据之后还用于：将由经纬度、高程表示的DEM数据转换成x、y、z坐标，代表计算区域的地表，计算区域的高度不小于输电线路所在区域最大海拔高度的5倍。

可选地，CFD网格获取模块对输电线路所在区域的几何模型进行网格划分得到CFD网格具体为：利用网格划分软件对输电线路所在区域的几何模型进行网格划分，得到CFD网格，水平方向上网格的大小为1-100m之间，离地100m高度范围内网格数量不小于20。

可选地，CFD计算模块将所述风向及对应的风速数据作为输入条件进行CFD计算具体为：

可选地，CFD计算模块将所述风向及对应的风速数据作为输入条件具体包括：所述风向及对应的风速数据为一个或多个。

本发明提供了一种台风中输电杆塔风险监测方法及系统，其中方法包括：根据输电线路所在区域的地理信息数据获取其DEM数据，对输电线路所在区域的几何模型进行网格划分得到CFD网格，将所述网格导入计算流体力学软件中；根据输电线路所在区域的经纬度查找附近的气象站，获取气象站监测到的风向及对应的风速数据，当存在指向输电线路的风向时，将所述风向及对应的风速数据作为输入条件进行CFD计算，得到输电线路所在区域的风场；提取所有输电杆塔及导线的风向及对应的风速数据，判断输电杆塔的风速是否大于其设计风速，若是，则发出预警信号；若否，则转入下一步；将风向及对应的风速数据输入到输电线路的有限元模型中，计算得到输电杆塔及导线的整体应力，当输电杆塔或导线的整体应力超过其极限应力时，发出预警信号。

基于上述技术方案，本发明带来的有益效果为：

本发明提供的台风中输电杆塔风险监测方法及系统，根据输电线路周围气象站监测得到的实际风速风向数据进行CFD计算，相比使用气象预报的风速风向数据，得到的风速数据具有更高的准确性；相对于使用气象站数据插值或是基于台风预报数据，本发明使用CFD计算输电线路所在区域的风场分布，能够更准确地反映出实际的复杂地形对风场的影响；本发明将基于实测和CFD计算的风速数据作为有限元计算的输入条件，可以准确得到输电线路中每一基杆塔的应力分布，从而及时准确地进行预警。

附图说明

图1为本发明一种台风中输电杆塔风险监测方法及系统的方法流程示意图；

图2为本发明一种台风中输电杆塔风险监测方法及系统的输电线路所在区域的DEM数据示意图；

图3为本发明一种台风中输电杆塔风险监测方法及系统的CFD网格示意图；

图4为本发明一种台风中输电杆塔风险监测方法及系统的气象站风速风向示意图。

具体实施方式

术语解释：

国家气象站：国家气象站一般指国家基本气象站，国家基本气象站是国家天气、气候台站网的主体台站，配置Ⅱ型综合有线遥测设备，要求昼夜有人值守班，获取的资料要保持长期的连续性，并编制月(年)报表。这类台站处所要求长期不变，两台站相距一般在150km左右，也承担天气报、重要天气报和航危报任务。地面气象观测是每个地面气象观测站的基本工作任务之一，地面气象观测工作的基本任务是观测、记录处理和编发气象报告一地面气象观测站按承担的观测任务和作用分为同家基准气候站、国家基本气象站和国家一般气象站，国家基准气候站每天进行24次定时观测，昼夜值班；国家基本气象站每天进行02时、08时、14时、20时4次定时观测和05时、11时、17时、23时4次补充观测，昼夜守班；国家一般气象站是按省(区、市)行政区划设置。

自动气象站：自动气象站，是指在某一地区根据需要，建设的能够自动探测多个要素，无需人工干预，即可自动生成报文，定时向中心站传输探测数据的气象站，是弥补空间区域上气象探测数据空白的重要手段。由气象传感器、微电脑气象数据采集仪、电源系统、防辐射通风罩、全天候防护箱和气象观测支架、通讯模块等部分构成。能够用于对风速、风向、雨量、空气温度、空气湿度、光照强度、土壤温度、土壤湿度、蒸发量、大气压力等十几个气象要素进行全天候现场监测。可以通过专业配套的数据采集通讯线与计算机进行连接，将数据传输到气象计算机气象数据库中，用于统计分析和处理。

计算流体力学：计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)，随着计算机的发展而产生的一个介于数学、流体力学和计算机之间的交叉学科，主要研究内容是通过计算机和数值方法来求解流体力学的控制方程，对流体力学问题进行模拟和分析。

Navier-Stokes方程：描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程。简称N-S方程。粘性流体的运动方程首先由Navier在1827年提出，只考虑了不可压缩流体的流动。Poisson在1831年提出可压缩流体的运动方程。Saint-Venant在1845年，Stokes在1845年独立提出粘性系数为一常数的形式，现在都称为Navier-Stokes方程，简称N-S方程。

数字高程模型：数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)，是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟(即地形表面形态的数字化表达)，它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型(DigitalTerrain Model，简称DTM)的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。一般认为，DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布，其中DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上派生。

Fluent：Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60％，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。

有限元法：将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算精度而定(一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大)。在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。

ANSYS：ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程(CAE)软件，能与多数计算机辅助设计(CAD，computerAided design)软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo,NASTRAN、Algor、I－DEAS、AutoCAD等。是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。

本发明实施例提供了一种台风中输电杆塔风险监测方法及系统，以解决现有技术中对台风来临时输电线路中杆塔的风速预测误差较大的技术问题。

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，以下为本发明一种台风中输电杆塔风险监测方法的实施例，包括：

S100：根据输电线路所在区域的地理信息数据获取其DEM数据，对输电线路所在区域的几何模型进行网格划分得到CFD网格，将所述网格导入计算流体力学软件中；

S200：根据输电线路所在区域的经纬度查找附近的气象站，获取气象站监测到的风向及对应的风速数据，当存在指向输电线路的风向时，将所述风向及对应的风速数据作为输入条件进行CFD计算，得到输电线路所在区域的风场；

S300：提取所有输电杆塔及导线的风向及对应的风速数据，判断输电杆塔的风速是否大于其设计风速，若是，则发出预警信号；若否，则转入下一步；

S400：将风向及对应的风速数据输入到输电线路的有限元模型中，计算得到输电杆塔及导线的整体应力，当输电杆塔或导线的整体应力超过其极限应力时，发出预警信号。

请参阅图2，本实施例在步骤S100中，根据网络公开或者实测的地理信息数据，获取被监测输电线路在区域的DEM数据，将由经纬度、高程表示的DEM数据转换成x、y、z坐标，代表计算区域的地表，计算区域的高度不小于输电线路所在区域最大海拔高度的5倍。

请参阅图3，本实施例使用网格划分软件对输电线路所在区域的几何模型进行网格划分，得到CFD计算所需的网格。为保证台风风场的分辨率，水平方向上网格的大小为1-100m之间，离地100m高度范围内网格数量不小于20，并导入到计算流体力学软件Fluent中。

请参阅图4，本实施例的步骤S200中，根据线路的经纬度，查找线路周围的国家气象站和自动气象站，如图4所示，获取各个气象站的风速、风向数据，判断气象站测到的风向是否指向输电线路，如果是，则将该气象站测到的风向及其对应的风速数据作为输入条件进行CFD计算。CFD计算完成后，得到输电线路所在区域的风场分布。

值得说明的是，本实施例中，如果存在多个指向输电线路的风向，即有多个气象站监测得到的风向都指向输电线路，则将这些气象站监测得到的风向及其对应的风速数据同时作为输入条件进行CFD计算。具体的，将指向输电线路的风向作为来流风向角、对应的风速作为来流风速，输入到计算流体力学软件中进行CFD计算。

在步骤S300中，提取输电线路全部输电杆塔所在点位的风向及其对应的风速数据，以及导线上各点的风向及其对应的风速数据。当发生台风等极端大风时，则可根据输电杆塔的风速快速、准确地判断输电线路的安全性。将计算得到的输电杆塔的风速与设计风速进行比较，当某一输电杆塔所在点位的风速大于其设计风速时，则发出预警信号。

在步骤S400中，当输电杆塔的风速没有超过其设计风速时，则通过事先建立的输电线路的有限元模型，将全部输电杆塔以及导线上各点的风速、风向数据输入到输电线路的有限元模型中，计算输电杆塔及导线的受力状态，从而得到输电杆塔及导线的整体应力状态，如果某个输电杆塔或者导线的应力超过其极限应力状态，则发出预警信号。

本实施例提供的台风中输电杆塔风险监测方法，使用CFD方法计算实际地形对台风风场的影响，从而可以根据需要，计算得到水平分辨率1-100m的风场；CFD计算中的输入条件来自于输电线路周围国家气象站和自动气象站的数据，从而保证了计算的准确性；通过事先建立起线路的有限元模型，将基于气象站数据和CFD计算的杆塔和导线的风速数据作为输入条件，计算输电塔的受力状态；根据杆塔风速是否大于设计风速进行判断是否需要有限元计算，当大于设计风速，则直接发出预警信号，当小于设计风速，则进行有限元计算。本实施例可以准确地计算出台风下输电线路中每一基输电杆塔风速，并可基于该风速计算杆塔的受力状态，从而实时监测其风险。在台风来临时，通过获得杆塔的实际风速，可以有效指导电网运维，即时采取相应措施，降低由于风速超过杆塔耐受风速所造成的损失。

本发明实施例提供的台风中输电杆塔风险监测方法，根据输电线路周围气象站监测得到的实际风速风向数据进行CFD计算，相比使用气象预报的风速风向数据，得到的风速数据具有更高的准确性；相对于使用气象站数据插值或是基于台风预报数据，本发明使用CFD计算输电线路所在区域的风场分布，能够更准确地反映出实际的复杂地形对风场的影响；本发明将基于实测和CFD计算的风速数据作为有限元计算的输入条件，可以准确得到输电线路中每一基杆塔的应力分布，从而及时准确地进行预警。

值得说明的是，本实施例中的CFD计算除了采用fluent软件，还可采用其他同类CFD软件。本发明实施例中的实测风速除了采用国家气象站和自动气象站的数据，还可采用周围其他可测量风速风向的装置。

以下为本发明一种台风中输电杆塔风险监测系统的实施例，包括：

具体的，本实施例的风险等级确定及预警模块具体用于：计算杆塔的预测风速与设计风速的比值，根据所述比值确定杆塔的风险等级并进行预警。

本发明实施例提供的台风中输电杆塔风险监测系统，可以准确计算台风下输电线路中每一基输电杆塔的风速，并可基于该风速计算杆塔的受力状态，从而实时监测其风险。在台风来临时，通过获得杆塔的实际风速，可以有效指导电网运维，即时采取相应措施，降低由于风速超过杆塔耐受风速所造成的损失。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种台风中输电杆塔风险监测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的台风中输电杆塔风险监测方法，其特征在于，根据输电线路所在区域的地理信息数据获取其DEM数据之后还包括：将由经纬度、高程表示的DEM数据转换成x、y、z坐标，代表计算区域的地表，计算区域的高度不小于输电线路所在区域最大海拔高度的5倍。

3.根据权利要求2所述的台风中输电杆塔风险监测方法，其特征在于，对输电线路所在区域的几何模型进行网格划分得到CFD网格具体为：利用网格划分软件对输电线路所在区域的几何模型进行网格划分，得到CFD网格，水平方向上网格的大小为1-100m之间，离地100m高度范围内网格数量不小于20。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的台风中输电杆塔风险监测方法，其特征在于，将所述风向及对应的风速数据作为输入条件进行CFD计算具体为：

5.根据权利要求4所述的台风中输电杆塔风险监测方法，其特征在于，将所述风向及对应的风速数据作为输入条件具体包括：所述风向及对应的风速数据为一个或多个。

6.一种台风中输电杆塔风险监测系统，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的台风中输电杆塔风险监测系统，其特征在于，CFD网格获取模块根据输电线路所在区域的地理信息数据获取其DEM数据之后还用于：将由经纬度、高程表示的DEM数据转换成x、y、z坐标，代表计算区域的地表，计算区域的高度不小于输电线路所在区域最大海拔高度的5倍。

8.根据权利要求7所述的台风中输电杆塔风险监测系统，其特征在于，CFD网格获取模块对输电线路所在区域的几何模型进行网格划分得到CFD网格具体为：利用网格划分软件对输电线路所在区域的几何模型进行网格划分，得到CFD网格，水平方向上网格的大小为1-100m之间，离地100m高度范围内网格数量不小于20。

9.根据权利要求6-8任意一项所述的台风中输电杆塔风险监测系统，其特征在于，CFD计算模块将所述风向及对应的风速数据作为输入条件进行CFD计算具体为：

10.根据权利要求9所述的台风中输电杆塔风险监测系统，其特征在于，CFD计算模块将所述风向及对应的风速数据作为输入条件具体包括：所述风向及对应的风速数据为一个或多个。