CN114172069B - 一种耐张塔三维硬跳线方案确定方法 - Google Patents

一种耐张塔三维硬跳线方案确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于最优化算法的耐张塔三维硬跳线方案确定方法，采用悬链线模型，构建了跳线线长、跳线垂直档距、最低点弧垂的跳线计算模型，根据V串和I串硬跳线的空间受力分解，建立了跳线、跳线串和支撑架构成的动态耦合体系，采用了最优化算法对高维非线性方程组进行了求解，求解安装工况的线长和弧垂，获得大风、操作、雷电、带电工况跳线张力及其它各三维姿态参数，完成全流程的跳线自动设计和三维电气校验。可完成双I串硬跳线、双V串硬跳线的三维跳线计算，批量求解任意工况跳线线长、跳线张力及其它各姿态参数，完成输电线路跳线的三维制图，收敛速度快、计算精度高，用于计算机编程具有广泛的工程适用性。

Description

一种耐张塔三维硬跳线方案确定方法
技术领域
本发明涉及电力设计施工技术领域，特别是一种耐张塔三维硬跳线方案确定方法。
背景技术
耐张塔硬跳线是特高压线路可靠运行的重要构件，硬跳线的合理设计，可减小耐张塔尺寸、降低工程建设成本、保证线路安全运行。
由于硬跳线系统是由多组跳线、跳线串和支撑架构成的力学平衡体系，硬跳线的横向、纵向偏转或扭转，跳线档距和高差也动态变化，目前尚无完整的理论体系解决力学平衡问题，在实际工程应用中，跳线计算多采用试凑、图解或Excel计算，工程设计中无法提供准确的跳线施工图纸，施工时只能采用绳索进行跳线线长现场比量，给施工带来较大的困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐张塔三维硬跳线方案确定方法，可用于根据线路设计要求确定耐张塔三维硬跳线方案，所得硬跳线方案能够满足力学平衡，方案确定过程无需复杂现场施工，效率快，可靠性较高。
本发明采用的技术方案为：一种耐张塔三维硬跳线方案确定方法，包括：
获取待确定硬跳线方案的输电线路杆塔数据和线路数据，建立线路基础数据库；
基于所述线路基础数据库，根据预先确定的耐张串、跳线串和杆塔的三维信息模型，建立待确定硬跳线方案的耐张塔塔串三维模型组合；
对于待确定跳线方案的线路上的各杆塔中的各相线路，基于已建立的塔串三维模型组合以及预先设定的验算工况参数，计算安装工况及各验算工况下耐张串的空间姿态；
根据预定义的平弧垂和最大弧垂，基于已计算得到的安装工况下耐张串的空间姿态，利用最优化算法计算安装工况跳线串、支撑架和两侧跳线构成的跳线系统空间姿态；
根据跳线的线长恒等原理，基于已计算得到的各验算工况下耐张串的空间姿态，利用最优化算法计算各验算工况下的跳线张力和跳线系统空间姿态；
判断各保护验算工况的跳线张力、跳线串风偏角、带电体距接地体电气距离是否满足预设要求：若不满足，则按照预设的弥补规则改变跳线张力、跳线串风偏角和/或带电体距接地体电气距离，然后重新计算安装工况和验算工况下的跳线系统空间姿态，并再次判断是否满足预设要求；若满足，则将当前跳线系统空间姿态对应的施工参数作为最终施工参数，确定跳线方案。
可选的，方法还包括，根据所确定的跳线方案绘制相应的三维图并输出图文件。
可选的，所述输电线路杆塔及线路数据包括：输电线路杆塔编号、塔型、呼高、档距、基面高程、线路转角度数、杆塔分坑角度、导线参数、安全系数、气象条件数据。基于所获取的这些数据可构建跳线方案计算所需的线路基础数据库。
可选的，所述输电线路杆塔及线路数据，以及预先确定的耐张串、跳线串和杆塔的三维信息模型，从输电线路三维数据库或外部文件读取；
所述三维信息模型的建立包括：根据耐张塔的具体使用条件进行杆塔挂点挂线孔的定义，对串长、V串夹角、支撑架调整规则的定义，从而可建立耐张串、跳线串、杆塔三维模型库，满足跳线计算所需三维模型的需要。
可选的，所述预设要求包括：跳线张力是否超过限值，跳线串风偏角是否超过限值，带电体距接地体电气距离是否达到限值。
可选的，计算安装工况及各验算工况下耐张串的空间姿态包括：耐张串挂点位置、耐张串风偏角和耐张串下倾角。
可选的，计算安装工况跳线串、支撑架和两侧跳线构成的跳线系统空间姿态，包括：计算两侧跳线的最低点弧垂、最大弧垂、跳线线长、跳线张力和软跳线连接点坐标。
可选的，计算各验算工况下的跳线张力和跳线系统空间姿态，包括：计算跳线张力、软跳线连接点坐标。
可选的，所述预设的弥补规则为：若跳线张力超过限值，则对跳线串系统采用放松平弧垂和/或加长支撑架的方式对最优化算法中的参数进行修改；若跳线串风偏角是否超过限值，则对跳线串系统采用加挂重锤和/或放松平弧垂的方式对最优化算法中的参数进行修改；若带电体距接地体电气距离未达到限值，则采用加长支撑架、加挂重锤、放松平弧垂和/或加耐张串片数的方式，对最优化算法中的参数进行修改。
以上方案中，采取弥补措施后，最优化算法中的已知数据将发生变化，因此求解时所得也将随之变化，直至弥补后所求得的结果能够满足预设要求，则无需继续优化。
有益效果：
本发明提出了一种基于最优化算的耐张塔三维硬跳线方案确定方法，可通过构建跳线线长、跳线垂直档距、最低点弧垂、支撑架及跳线串受力计算模型，进而建立跳线、支撑架和跳线串构成的动态耦合非线性方程组，并采用数值算法进行求解得到跳线施工参数；同时提出了施工参数不满足要求时的跳线串处理措施。可完成双I串硬跳线、双V串硬跳线的三维跳线计算，批量求解安装工况的最低点弧垂、最大弧垂、跳线线长等施工参数，获得大风、操作、雷电、带电工况跳线张力及其它各三维姿态参数，并能够支持输电线路跳线的三维制图和电气距离校验，收敛速度快、计算精度高，用于计算机编程具有广泛的工程适用性。
附图说明
图1所示为本发明一种实施例的耐张塔三维硬跳线计算方法流程示意图；
图2所示为一种实施例中小号侧耐张串空间姿态示意图；
图3所示为与图2同一实施例大号侧耐张串空间姿态示意图；
图4所示为一种实施例的跳线串安装结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
本实施例介绍一种耐张塔三维硬跳线方案确定方法，参考图1所示，包括：
获取待确定硬跳线方案的输电线路杆塔数据和线路数据，建立线路基础数据库；
基于所述线路基础数据库，根据预先确定的耐张串、跳线串和杆塔的三维信息模型，建立待确定硬跳线方案的耐张塔塔串三维模型组合；
对于待确定跳线方案的线路上的各杆塔中的各相线路，基于已建立的塔串三维模型组合以及预先设定的验算工况参数，计算安装工况及各验算工况下耐张串的空间姿态；
根据预定义的平弧垂和最大弧垂，基于已计算得到的安装工况下耐张串的空间姿态，利用最优化算法计算安装工况跳线串、支撑架和两侧跳线构成的跳线系统空间姿态；
根据跳线的线长恒等原理，基于已计算得到的各验算工况下耐张串的空间姿态，利用最优化算法计算各验算工况下的跳线张力和跳线系统空间姿态；
判断各保护验算工况的跳线张力、跳线串风偏角、带电体距接地体电气距离是否满足预设要求：若不满足，则按照预设的弥补规则改变跳线张力、跳线串风偏角和/或带电体距接地体电气距离，然后重新计算安装工况和验算工况下的跳线系统空间姿态，并再次判断是否满足预设要求；若满足，则将当前跳线系统空间姿态对应的施工参数作为最终施工参数，确定跳线方案。
后续可根据所确定的跳线方案绘制相应的三维图并输出图文件。
如图1，本实施例中，耐张塔三维硬跳线设计方法具体包括以下步骤。
步骤S01，从输电线路三维数据库或外部文件读取输电线路杆塔编号、塔型、呼高、档距、基面高程、线路转角度数、杆塔分坑角度、导线参数、安全系数、气象条件等线路设计数据，构建用于跳线方案计算的线路基础数据库。
步骤S02，从输电线路三维数据库或外部模型文件读取线路设备三维模型，所述线路设备三维模型在构建时已根据耐张塔的具体使用条件进行杆塔挂点挂线孔的定义，同时根据施工图设计原则完成了串长、V串夹角、支撑架调整规则的定义，耐张串、跳线串、杆塔三维模型库为根据上述定义建立。
步骤S03，完成耐张塔两侧档内导线的挂线和相序位置的调整，并根据步骤S01构建的线路基础数据库中的线路设计数据，以及步骤S02建立的三维模型库，进行全线默认塔串三维模型组合的搭建。
步骤S04，针对安装工况、大风工况、操作工况、雷电工况、带电作业工况的气象条件，利用现有技术连续档或孤立档力学计算原理计算耐张塔两侧导地线张力，计算某耐张串的空间姿态。安装工况及各验算工况下耐张串的空间姿态包括：耐张串挂点位置、耐张串风偏角和耐张串下倾角。
安装工况、大风工况、操作工况、雷电工况、带电作业工况为跳线计算的常用工况，一般由气象专业通过调查统计给出，每种工况由各工况对应的气温、风速、覆冰三个条件组成，如某种工况的风速、覆冰不存在，取零即可。
步骤S06，利用步骤S04计算的大风工况、操作工况、雷电工况、带电作业工况耐张串的空间姿态，根据跳线的线长恒等的原理，利用最优化算法分别计算大风工况、操作工况、雷电工况、带电作业工况四种验算工况的跳线张力和跳线系统空间姿态。
如图2、图3，定义小号侧耐张串联塔挂点中心为起点A(x0,0,y0,0,z0,0)T，大号侧耐张串联塔挂点中心为终点B(xn,0,yn,0,zn,0)T，定义θA、θB分别为耐张串转角度数，ψA、ψB为耐张串风偏角，ηA、ηB为耐张串下倾角，定义λA、λB为耐张串串长。令GA、GB，FA、FB，HA、HB分别为作用在耐张串A/B上的垂直荷载、水平荷载、纵向荷载，则有：
根据上式计算耐张串受风的偏角、耐张串下倾角，则耐张串A、B对应跳线连接点坐标为：
耐张串A：
耐张串B：
其中，(x0,0,y0,0,z0,0)T为预先在杆塔上定义的耐张串联塔挂点中心，(x0,0,y0,0,z0,0)T代表起点A，(xn,0,yn,0,zn,0)T代表终点B。耐张串A、B就是指在分别在杆塔的耐张串联塔挂点中心A、B处引出的挂点，为了保持对应关系，称挂在A点处的挂点为耐张串A，挂在B点处的挂点为耐张串B。
步骤S05，根据预定义的平弧垂(一般可取0.3m～1.5m)或最大弧垂(档距弧垂比取0.1～0.3)，利用最优化算法计算安装工况跳线串、支撑架和两侧跳线构成的跳线系统空间姿态，给出两侧跳线的张力和线长。最优化算法可采用现有的Levenberg-Marquardt、置信域算法等数值方法进行跳线张力和线长的求解。
步骤S06，利用步骤S04计算的大风工况、操作工况、雷电工况、带电作业工况耐张串的空间姿态，根据跳线的线长恒等的原理，利用最优化算法分别计算大风工况、操作工况、雷电工况、带电作业工况四种验算工况的跳线张力和跳线系统空间姿态。
以上所述利用最优化算法计算安装工况跳线串、支撑架和两侧跳线构成的跳线系统空间姿态，给出两侧跳线的张力Ti(i＝1～2，下同)和线长Li的具体过程如下。
参考图4所示，设硬跳线支撑架长S、支撑架挂点间距S1、联塔挂点纵向距离S2，单肢串重Gk、风荷载Pk，跳线串串长λk，跳线串的联塔挂点为Xk,0(xk,0,yk,0,zk,0)T，跳线绝缘子串轴向张力分别为Hk，双I串为两个联塔挂点，故k＝1～2，双V串为四个挂点k＝1～4；支撑架及附加荷载总重Gz、风荷载Pz；各档档距为li，分裂数为Ni，线长为Li，软跳线两侧垂直档距分别为lvi,A、lvi,B，各档子导线自重、风荷载、综合荷载分别为gi、pi、qi，则跳线风偏角κi＝atan(pi/gi)，各档两端悬挂点的高差为hi，各档平弧垂fim；软跳线连接点坐标Xj(xj,yj,zj)T，j＝0～3。
令：
中间变量：
为跳线串1、2轴向力(或跳线串1及3、2及4的轴向力)的向量表示； 代表跳线串的1、2轴向力(或跳线串1及3、2及4的轴向力)的向量表示。
(1)线长恒等
本部分用于步骤S06验算工况计算时Ti为变量，Li为已知数，用于步骤S05安装工况计算时Li为变量。
(2)档距公式为：
(3)高差公式为：
h1＝z1-z0
h2＝z3-z2
(4)合力方程为：
(5)长度方程为：
(6)力矩方程为：
(7)跳线串两侧垂直档距为：
(8)初始弧垂
仅用于步骤S05安装工况计算，各档平弧垂fim为已知数。
以上所涉及的变量定义如下表：
用于步骤S05安装工况计算时，由(1)～(8)所列公式可整理出N＝18+K个独立方程，双I串K＝2、双V串K＝4；用于步骤S06计算时，由(1)～(7)中所列公式可整理出N＝16+K个独立方程，双I串K＝2、双V串K＝4。
为了便于算法讨论，模型简记为
F(x)＝[F1(x),F2(x),...,FN(x)]＝0
该非线性方程组可采用现有的技术如Levenberg-Marquardt、置信域算法等数值方法求解。
其中：
(1)线长恒等(2维)
初始状态计算时：
状态方程计算时：
(2)档距公式(2维)
(3)高差公式(2维)
F5＝χ5-(χ11-z0)
F6＝χ6-(z3-χ12)
(4)合力方程(3维)
I串时V串时/>
初始状态计算时：
状态方程计算时：
(5)长度方程(3维和5维)
F10＝S2-[(χ8-χ7)2+(χ10-χ9)2+(χ12-χ11)2]
(6)力矩方程(2维)
初始状态计算时：
状态方程计算时：
(7)跳线串两侧垂直档距(4维)
(8)初始弧垂(2维)
步骤S07，对步骤S06计算得四种验算工况的跳线张力是否超过限值、跳线串风偏角是否过大、量测带电体距接地体电气距离是否满足要求进行检测，对于不满足要求的跳线串系统采用放松平弧垂、加长支撑架、加挂重锤、加耐张串片数等技术措施，调整后返回步骤S05重新计算。
具体的，弥补调整规则为：若跳线张力超过限值，则对跳线串系统采用放松平弧垂和/或加长支撑架的方式对最优化算法中的参数进行修改；若跳线串风偏角是否超过限值，则对跳线串系统采用加挂重锤和/或放松平弧垂的方式对最优化算法中的参数进行修改；若带电体距接地体电气距离未达到限值，则采用加长支撑架、加挂重锤、放松平弧垂和/或加耐张串片数的方式，进行调整，具体如下表。
采取以上弥补措施后，最优化算法中的已知数据将发生变化，因此求解时所得也将随之变化，直至弥补后所求得的结果能够满足预设要求，则无需继续优化。
步骤S08，判断是否完成本基耐张塔所有相/极跳线的计算，如完成进入步骤S09，如未完成则返回步骤S04，调取本塔下一相/极跳线计算模型和数据，完成各相/极导线的跳线计算。
步骤S09，判断是否完成本工程全线所有耐张塔的跳线计算，如完成进入步骤S10，如未完成则返回步骤S04，调取下一基耐张塔某相/极跳线计算模型和数据，完成各耐张塔所有相/极导线的跳线计算。
步骤S10，进行全线耐张塔硬跳线计算结果的整理，生成计算书、跳线图纸和硬跳线设备材料清册。
本发明提出了耐张塔三维硬跳线的计算步骤和计算方法，构建了跳线线长、跳线垂直档距、最低点弧垂、支撑架及跳线串受力计算模型，建立了跳线、支撑架和跳线串构成的动态耦合非线性方程组，提出了采用数值算法进行求解；同时提出了不满足要求的跳线串处理措施。该算法可完成双I串硬跳线、双V串硬跳线的三维跳线计算，批量求解任意工况跳线线长、跳线张力及其它各姿态参数，完成输电线路跳线的三维制图，收敛速度快、计算精度高，用于计算机编程具有广泛的工程适用性。
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。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种耐张塔三维硬跳线方案确定方法，其特征是，包括：
获取待确定硬跳线方案的输电线路杆塔数据和线路数据，建立线路基础数据库；
基于所述线路基础数据库，根据预先确定的耐张串、跳线串和杆塔的三维信息模型，建立待确定硬跳线方案的耐张塔塔串三维模型组合；
对于待确定硬跳线方案的线路上的各杆塔中的各相线路，基于已建立的塔串三维模型组合以及预先设定的验算工况参数，计算安装工况及各验算工况下耐张串的空间姿态；所述验算工况包括大风工况、操作工况、雷电工况、带电作业工况；
根据预定义的平弧垂和最大弧垂，基于已计算得到的安装工况下耐张串的空间姿态，利用最优化算法计算安装工况跳线串、支撑架和两侧软跳线构成的跳线系统空间姿态；
根据软跳线的线长恒等原理，基于已计算得到的各验算工况下耐张串的空间姿态，利用最优化算法计算各验算工况下的软跳线张力和跳线系统空间姿态；
判断各验算工况的软跳线张力、跳线串风偏角、带电体距接地体电气距离是否满足预设要求：若不满足，则按照预设的弥补规则改变软跳线张力、跳线串风偏角和/或带电体距接地体电气距离，然后重新计算安装工况和验算工况下的跳线系统空间姿态，并再次判断是否满足预设要求；若满足，则将当前跳线系统空间姿态对应的施工参数作为最终施工参数，确定硬跳线方案。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，还包括，根据所确定的硬跳线方案绘制相应的三维图并输出图文件。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述输电线路杆塔及线路数据包括：输电线路杆塔编号、塔型、呼高、档距、基面高程、线路转角度数、杆塔分坑角度、导线参数、安全系数、气象条件数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述输电线路杆塔及线路数据、预先确定的耐张串、跳线串和杆塔的三维信息模型，从输电线路三维数据库或外部文件读取；
所述三维信息模型的建立包括：根据耐张塔的具体使用条件进行杆塔挂点挂线孔的定义，对串长、V串夹角、支撑架调整规则的定义。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述预设要求包括：软跳线张力不超过限值，跳线串风偏角不超过限值，带电体距接地体电气距离达到限值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，计算安装工况及各验算工况下耐张串的空间姿态包括：耐张串挂点位置、耐张串风偏角和耐张串下倾角。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，计算安装工况跳线串、支撑架和两侧软跳线构成的跳线系统空间姿态，包括：计算两侧软跳线的最低点弧垂、最大弧垂、软跳线线长、软跳线张力和软跳线连接点坐标。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是，计算各验算工况下的软跳线张力和跳线系统空间姿态，包括：计算软跳线张力、软跳线连接点坐标。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述预设的弥补规则为：若软跳线张力超过限值，则对跳线串系统采用放松平弧垂和/或加长支撑架的方式对最优化算法中的参数进行修改；若跳线串风偏角超过限值，则对跳线串系统采用加挂重锤和/或放松平弧垂的方式对最优化算法中的参数进行修改；若带电体距接地体电气距离未达到限值，则采用加长支撑架、加挂重锤、放松平弧垂和/或加耐张串片数的方式，对最优化算法中的参数进行修改。
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