CN116128307A - 基于多元数据传导网络输电线路舞动预警预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于多元数据传导网络输电线路舞动预警预警系统。包括：S1：建立5项输电线路舞动预警评价指标，实时获取相关气象信息并计算相关数据；S2：将S1中的5项输电线路舞动预警评价指标的具体数据作为多元输入量带入多元数据传导网络，将得到到预警结果和细致参数上传至监测站专用内网；S3：通过5G通讯技术在监测站建立预警专用5G内部传输组网，利用专用内网实现信息实时精准推送和共享。为电网调度、维修作业、应急抢险等提供决策支持，增强电网应对输电线路舞动的能力，提高电网安全稳定运行可靠性。

Description

基于多元数据传导网络输电线路舞动预警预警系统

技术领域

本发明涉及输电线路舞动预警技术领域，尤其涉及基于多元数据传导网络输电线路舞动预警预警系统。

背景技术

输电线路架设在自然环境中，其结构安全与稳定易受自然环境的影响。舞动是架空输电线路常见的故障类型之一，导线在一定的攻角和风速作用下容易产生大幅度、低频的自激振动，即为舞动。舞动具有多种危害，较轻的造成闪络、跳闸事故，较重的造成金具和绝缘子损坏，导线断股、断线，甚至倒塔等事故。输电线路舞动事故频发，不仅影响社会用电安全，也给经济建设带来很大损失。因此，开展输电线路舞动预测研究对提前做好灾害应对方法，保证电力系统安全运行具有重要意义。

近些年来，国内外研究人员在导线舞动激发机理、仿真模拟、舞动监测及防舞动措施等多方面开展了大量研究。但对于舞动预警而言，由于存在导线与气流之间的流固耦合以及导线的几何非线性运动等问题，使得基于实验或模拟仿真来实现舞动预警存在较大困难且准确性较低且现行防舞策略没有对舞动可能发生的时间和地点进行精准预判，使得防舞工作较为被动。而目前仅有的舞动预警方法存在准确性较低和对数据收集要求过高，实用性不强的不足。因此亟需一种预警结果精准，实用性较强的输电线路舞动预警方法。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明的目的在于提供基于多元数据传导网络输电线路舞动预警预警系统，为电网调度、维修作业、应急抢险等提供决策支持，增强电网应对输电线路舞动的能力，提高电网安全稳定运行可靠性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于多元数据传导网络输电线路舞动预警预警系统，包括：

S1：建立5项输电线路舞动预警评价指标，实时获取相关气象信息并计算相关数据；

S2：将S1中的5项输电线路舞动预警评价指标的具体数据作为多元输入量带入多元数据传导网络，将得到到预警结果和细致参数上传至监测站专用内网；

S3：通过5G通讯技术在监测站建立预警专用5G内部传输组网，利用专用内网实现信息实时精准推送和共享。

可选的，所述5项输电输电线路舞动预警评价指标包括线路覆冰、导线张力、导线风偏角、气温和往年同时段输电线路舞动发生次数，通过构建等效评价模型和获取相关的气象参数，为量化输电线路舞动发生的概率提供参考，具体包括：

S11、构建输电线路覆冰评价指标，将导线等效为长度为d的圆柱体，导线的初始半径为r₀，覆冰的厚度为Δr，则对应的当圆柱导线d的厚度增加了Δr时，圆柱的体积增长为：

ΔV＝dΔS   (1)

式中，ΔS为圆柱对应增长的覆冰的横截圆环面积，自然的，ΔS存在以下公式：

ΔS＝(r₀+Δr)²π-r₀ ²π   (2)

覆冰增长的体积也和时间呈线性关系，即：

ΔV＝kt   (3)

式中，k为ΔV随t线性增长的系数，与温度、风速和降水量等微气象因素有关。

将式(1)、(2)、(3)联立推导得到t与Δr的关系式如下：

为进一步简化公式，将式(4)中的r₀换成Δr，则得到覆冰厚度与覆冰增长时间的关系式如下：

式中，t_g表示导线从覆冰前到当前覆冰状态所用的时间；

S12、构建导线动态张力评价指标，则导线上任意一点在t时刻的多模态耦合舞动位移表达式为：

式中，x为导线沿x轴方向的坐标；t为时间；i为i个模态叠加耦合；上限s为自然数；ni为舞动的阶数是自然数；L_ni为第ni阶导线舞动的振幅；l为档距，ω_i为第ni阶导线舞动的角速度；

为第ni阶导线舞动的初相位；

导线的舞动是从风获得能量，动能转化为势能和弹性形变能；其中，动能W_k为：

式中，l为档距；M为导线覆冰后单位长度的重量；g为重力加速度；进一步势能W_p为：

式中，L(x₀，t₀)为在t₀时刻的导线的位置，此处为静止状态导线的位置；L(x，t)+L(x₀，t₀)为在t₀+t时刻的导线的位置，此处为动态位置；进一步弹性形变能W_e为：

式中，T₀为t₀时刻导线的张力；T为t₀+t时刻导线的张力；E为导线的弹性模量；B为导线的横截面积；

根据能量守恒定律有：

W_k＝W_p+W_e   (10)

根据公式(10)可求出导线动态张力的表达式：

S13、确定大风评价指标，根据风速和风偏角来量化大风对输电线路安全性的影响，风速从气象部门获取定制化参数，风偏角的计算采用工程上的刚体直棒法，通过静力分析可得风偏角ψ的公式为：

式中，H_L、H_Z分别是导线的水平荷载和竖直荷载；Q_L、Q_Z分别是绝缘子串及金具的水平荷载和竖直荷载；

S14、获取气温指标，对线路途经路段进行精细划分，从气象部门获取定制化参数；

S15、建立历史输电线路舞动概率指标，对往年的线路舞动数据进行分析处理，得到历史时间内发生输电线路舞动的概率。

可选的，所述多元数据传导网络在拓扑结构上分为四层，分别包括多元输入层、内嵌作用层、输出Ⅰ层和输出Ⅱ层，通过内嵌作用层的FUNCTION函数，和各层之间传导网络，实现对S1中各个指标的处理，具体包括步骤：

S21、节点输出模型；

所述节点输出模型包括内嵌作用层、输出Ⅰ层和输出Ⅱ层节点输出模型，其中，内嵌作用层输出模型如下：

G_j＝f(∑W_ijx_i-q_i)(13)

式中，q_i为第一层传导数据的阈值；W_ij为输入节点x_i对内嵌作用层的权重；

输出Ⅰ层节点输出模型如下：

Y_k＝g(T_jkG_j-qj)_f(∑W_jkxj-qj)(14)

式中，q_j为第而层传导数据的阈值；W_jk为输入节点x_j对内嵌作用层的权重；T_jk为输出Ⅰ层的重构系数；

输出Ⅰ层节点输出模型如下：

Z_v＝g(T_vkY_k-q_k)(14)

式中，q_k为第而层传导数据的阈值；T_vk为输出Ⅱ层的重构系数；

S22、FUNCTION函数模型，为反应上层节点刺激对下层输入的脉冲强度，可以分为以下函数：

(1)阈值函数其表达式为：

式中，c为常数。

(2)双曲正切激励函数，该函数在(-1，1)上连续取值，表达式为：

(3)Sigmoid函数，该函数在(0，1)上取值，表达式为：

式中，β为传导非线性参数，β可决定Sigmoid函数的图像走势，一般β的取值为1，当β＝0.5时，曲线平顺，当β＝3时曲线最为陡峭；

S23、内嵌作用层节点个数确定，对五个输入指标数据进行加权、分类、模糊处理，根据公式(18)可以粗略得到内嵌作用层节点个数，再经过试算确定节点数目是否符合实际工程要求；

式中，p为内嵌作用层节点数；m为多元输入层节点数；n为输出Ⅰ层节点数；a为常数，根据实际输出效果调整，一般取值范围为1-9；

S24、输出层结果的确定，多元数据传导网络有两个输出层，输出Ⅰ层的输出结果为5项指标的评判结果是否超出临界值，更加具体的多元数据融合结果由输出Ⅱ层输出，输出Ⅱ层有两个输出结果，第一个节点的输出内容为是否发送预警信号，第二个节点的输出结果为发生输电线路舞动预警的概率。

可选的，将5G通讯技术应用于输电线路舞动预警，通过建立预警专网的方式，承载预警信息在监测站、气象局以及控制终端间的传输业务，建立实时高效的内部传输组网。

本发明的积极有益效果：

本发明选取5项影响输电线路舞动的指标，获取相关的气象信息和计算相关数据，将上述参数作为输入量代入多元数据传导网络，经处理后的得到输电线路目前的安全状态及发生输电线路舞动的概率，再将获得的结果上传监测站内网平台，通过5G通信技术对预警信息进行推送和分享，便于站内工作人员和相关人员采取应对措施。给出量化的输电线路舞动风险的参数和发生概率的信息，为电网调度、维修作业、应急抢险等提供决策支持，增强电网应对输电线路舞动的能力，提高电网安全稳定运行可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的基于多元数据传导网络输电线路舞动预警预警系统流程示意图；

图2是本发明实施例1提供的多元数据传导网络拓扑结构图；

图3是本发明实施例1提供的预警专用5G内部传输组网示意图。

具体实施方式

下面结合一些具体实施方式，对本发明做进一步说明。

实施例1

如图1至图3所示，一种基于多元数据传导网络输电线路舞动预警预警系统，包括：

S1：建立5项输电线路舞动预警评价指标，实时获取相关气象信息并计算相关数据；

S2：将S1中的5项输电线路舞动预警评价指标的具体数据作为多元输入量带入多元数据传导网络，将得到到预警结果和细致参数上传至监测站专用内网；

S3：通过5G通讯技术在监测站建立预警专用5G内部传输组网，利用专用内网实现信息实时精准推送和共享。

受大风降温、雨雪冰冻等恶劣天气的影响，输电线路舞动发生的情况加大，为了使输电线路舞动评价指标体系能准确反应输电线路的安全状况并在输电线路舞动发生前发出预警信息，所述5项输电输电线路舞动预警评价指标包括线路覆冰、导线张力、导线风偏角、气温和往年同时段输电线路舞动发生次数，通过构建等效评价模型和获取相关的气象参数，为量化输电线路舞动发生的概率提供参考，具体包括：

S11、构建输电线路覆冰评价指标，覆冰是造成线路舞动的主要原因之一，在寒冷天气线路覆冰的情况下，输电线路舞动发生的概率大大增加，为满足实际工程应用，突出影响覆冰的最关键因素，分析覆冰增长的近似规律，将导线等效为长度为d的圆柱体，导线的初始半径为r₀，覆冰的厚度为Δr，则对应的当圆柱导线d的厚度增加了Δr时，圆柱的体积增长为：

ΔV＝dΔS   (1)

式中，ΔS为圆柱对应增长的覆冰的横截圆环面积，自然的，ΔS存在以下公式：

ΔS＝(r₀+Δr)²π-r₀ ²π   (2)

根据已有研究在相同气象条件下，覆冰初始发展阶段导线覆冰质量随时间呈线性增长关系，一般认为覆冰的密度不变，覆冰增长的体积也和时间呈线性关系，即：

ΔV＝kt   (3)

式中，k为ΔV随t线性增长的系数，与温度、风速和降水量等微气象因素有关。

将式(1)、(2)、(3)联立推导得到t与Δr的关系式如下：

为进一步简化公式，将式(4)中的r₀换成Δr，则得到覆冰厚度与覆冰增长时间的关系式如下：

式中，t_g表示导线从覆冰前到当前覆冰状态所用的时间；

S12、构建导线动态张力评价指标，当线路舞动或将要发生舞动时，导线处于运动状态，因此传统的静止导线的张力分析不适用于评价输电线路舞动预警，引入简化后的动态导线张力，假设导线的截面剪切、抗扭、抗弯刚度足够小，忽略杆塔形变绝缘子串及金具对导线的影响，考虑在平面Y轴向的振动。则导线上任意一点在t时刻的多模态耦合舞动位移表达式为：

式中，x为导线沿x轴方向的坐标；t为时间；i为i个模态叠加耦合；上限s为自然数；ni为舞动的阶数是自然数；L_ni为第ni阶导线舞动的振幅；l为档距，ω_i为第ni阶导线舞动的角速度；

为第ni阶导线舞动的初相位；

导线的舞动是从风获得能量，动能转化为势能和弹性形变能；其中，动能W_k为：

式中，l为档距；M为导线覆冰后单位长度的重量；g为重力加速度；进一步势能W_p为：

式中，L(x₀，t₀)为在t₀时刻的导线的位置，此处为静止状态导线的位置；L(x，t)+L(x₀，t₀)为在t₀+t时刻的导线的位置，此处为动态位置；进一步弹性形变能W_e为：

式中，T₀为t₀时刻导线的张力；T为t₀+t时刻导线的张力；E为导线的弹性模量；B为导线的横截面积；

根据能量守恒定律有：

W_k＝W_p+W_e   (10)

根据公式(10)可求出导线动态张力的表达式：

S13、确定大风评价指标，根据风速和风偏角来量化大风对输电线路安全性的影响，风速从气象部门获取定制化参数，风偏角的计算采用工程上的刚体直棒法，通过静力分析可得风偏角ψ的公式为：

式中，H_L、H_Z分别是导线的水平荷载和竖直荷载；Q_L、Q_Z分别是绝缘子串及金具的水平荷载和竖直荷载；

S14、获取气温指标，发生线路舞动地区的地形往往较为复杂，同一地区不同时刻或者同一时刻不同区域往往气温相差较大，粗略的气温数据难以满足精确预警的要求，建立气温指标需要对线路途经路段进行精细划分，从气象部门获取定制化参数；

S15、建立历史输电线路舞动概率指标，对往年的线路舞动数据进行分析处理，得到历史时间内发生输电线路舞动的概率。

所述多元数据传导网络在拓扑结构上分为四层，分别包括多元输入层、内嵌作用层、输出Ⅰ层和输出Ⅱ层，通过内嵌作用层的FUNCTION函数，和各层之间传导网络，实现对S1中各个指标的处理，如图2所示，具体包括步骤：

S21、节点输出模型；

所述节点输出模型包括内嵌作用层、输出Ⅰ层和输出Ⅱ层节点输出模型，其中，内嵌作用层输出模型如下：

G_j＝f(∑W_ijx_i-q_i)   (13)

式中，q_i为第一层传导数据的阈值；W_ij为输入节点x_i对内嵌作用层的权重；

输出Ⅰ层节点输出模型如下：

Y_k＝g(T_jkG_j-q_j)f(∑W_jkx_j-q_j)   (14)

式中，q_j为第而层传导数据的阈值；W_jk为输入节点x_j对内嵌作用层的权重；T_jk为输出Ⅰ层的重构系数；

输出Ⅰ层节点输出模型如下：

Z_v＝g(T_vkY_k-q_k)   (14)

式中，q_k为第而层传导数据的阈值；T_vk为输出Ⅱ层的重构系数；

S22、FUNCTION函数模型，为反应上层节点刺激对下层输入的脉冲强度，可以分为以下函数：

(1)阈值函数其表达式为：

式中，c为常数。

(2)双曲正切激励函数，该函数在(-1，1)上连续取值，表达式为：

(3)Sigmoid函数，该函数在(0，1)上取值，表达式为：

式中，β为传导非线性参数，β可决定Sigmoid函数的图像走势，一般β的取值为1，当β＝0.5时，曲线平顺，当β＝3时曲线最为陡峭；

S23、内嵌作用层节点个数确定，数据的主要处理工作由内嵌作用层实现，一般的取内嵌作用层的层数为一层，节点数需要根据输入节点数、输出节点数和求解精度确定，本申请需要对五个输入指标数据进行加权、分类、模糊处理，根据公式(18)可以粗略得到内嵌作用层节点个数，再经过试算确定节点数目是否符合实际工程要求；

式中，p为内嵌作用层节点数；m为多元输入层节点数；n为输出Ⅰ层节点数；a为常数，根据实际输出效果调整，一般取值范围为1-9；

S24、输出层结果的确定，多元数据传导网络有两个输出层，为解决本文的预警问题，输出Ⅰ层的输出结果为5项指标的评判结果是否超出临界值，更加具体的多元数据融合结果由输出Ⅱ层输出，输出Ⅱ层有两个输出结果，第一个节点的输出内容为是否发送预警信号，第二个节点的输出结果为发生输电线路舞动预警的概率。

将5G通讯技术应用于输电线路舞动预警，通过建立预警专网的方式，承载预警信息在监测站、气象局以及控制终端间的传输业务，建立实时高效的内部传输组网。

如图3所示，具体如下：

大部分5G无线接入设备采用无线室分站进行无线接入，再经由无线集中基带单元(BaseBand Unit，BBU)统一接入到传输分组网(Packet Network，PN)接入环，经过PN把S2中的预警结果及详细数据处理发送到5G核心网；监测站中部分非移动网络需求仍然可以基于当前有线办公网络进行接入，便于在监测站内部大范围公开预警信息，从而便于对相应的结果采取防范应对措施，同时内部其他设备也可通过5G无线专用通道实现对预警数据的实时无线监测；

进一步，应用5G通讯技术传输速度快的特点，在内部传输组网层面与地区移动通信网络建立连接，在监测站接收到预警信号时，同步将S2中的气象预警信息和线路舞动警告以短信推送的方式发送到线路附近的移动通信设备中，避免因恶劣天气和设备损坏导致更多的人员安全和财产损失。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于多元数据传导网络输电线路舞动预警预警系统，其特征在于，包括：

S1：建立5项输电线路舞动预警评价指标，实时获取相关气象信息并计算相关数据；

S2：将S1中的5项输电线路舞动预警评价指标的具体数据作为多元输入量带入多元数据传导网络，将得到到预警结果和细致参数上传至监测站专用内网；

S3：通过5G通讯技术在监测站建立预警专用5G内部传输组网，利用专用内网实现信息实时精准推送和共享。

2.如权利要求1所述的基于多元数据传导网络输电线路舞动预警预警系统，其特征在于，所述5项输电输电线路舞动预警评价指标包括线路覆冰、导线张力、导线风偏角、气温和往年同时段输电线路舞动发生次数，通过构建等效评价模型和获取相关的气象参数，为量化输电线路舞动发生的概率提供参考，具体包括：

S11、构建输电线路覆冰评价指标，将导线等效为长度为d的圆柱体，导线的初始半径为r₀，覆冰的厚度为Δr，则对应的当圆柱导线d的厚度增加了Δr时，圆柱的体积增长为：

ΔV＝dΔS               (1)

式中，ΔS为圆柱对应增长的覆冰的横截圆环面积，自然的，ΔS存在以下公式：

ΔS＝(r₀+Δr)²π-r₀ ²π                  (2)

覆冰增长的体积也和时间呈线性关系，即：

ΔV＝kt                    (3)

式中，k为ΔV随t线性增长的系数，与温度、风速和降水量等微气象因素有关。

将式(1)、(2)、(3)联立推导得到t与Δr的关系式如下：

为进一步简化公式，将式(4)中的r₀换成Δr，则得到覆冰厚度与覆冰增长时间的关系式如下：

式中，t_g表示导线从覆冰前到当前覆冰状态所用的时间；

S12、构建导线动态张力评价指标，则导线上任意一点在t时刻的多模态耦合舞动位移表达式为：

式中，x为导线沿x轴方向的坐标；t为时间；i为i个模态叠加耦合；上限s为自然数；ni为舞动的阶数是自然数；L_ni为第ni阶导线舞动的振幅；l为档距，ω_i为第ni阶导线舞动的角速度；

为第ni阶导线舞动的初相位；

导线的舞动是从风获得能量，动能转化为势能和弹性形变能；其中，动能W_k为：

式中，l为档距；M为导线覆冰后单位长度的重量；g为重力加速度；进一步势能W_p为：

式中，L(x₀，t₀)为在t₀时刻的导线的位置，此处为静止状态导线的位置；L(x，t)+L(x₀，t₀)为在t₀+t时刻的导线的位置，此处为动态位置；进一步弹性形变能W_e为：

式中，T₀为t₀时刻导线的张力；T为t₀+t时刻导线的张力；E为导线的弹性模量；B为导线的横截面积；

根据能量守恒定律有：

W_k＝W_p+W_e                   (10)

根据公式(10)可求出导线动态张力的表达式：

S13、确定大风评价指标，根据风速和风偏角来量化大风对输电线路安全性的影响，风速从气象部门获取定制化参数，风偏角的计算采用工程上的刚体直棒法，通过静力分析可得风偏角ψ的公式为：

式中，H_L、H_Z分别是导线的水平荷载和竖直荷载；Q_L、Q_Z分别是绝缘子串及金具的水平荷载和竖直荷载；

S14、获取气温指标，对线路途经路段进行精细划分，从气象部门获取定制化参数；

S15、建立历史输电线路舞动概率指标，对往年的线路舞动数据进行分析处理，得到历史时间内发生输电线路舞动的概率。

3.如权利要求1所述的基于多元数据传导网络输电线路舞动预警预警系统，其特征在于，所述多元数据传导网络在拓扑结构上分为四层，分别包括多元输入层、内嵌作用层、输出Ⅰ层和输出Ⅱ层，通过内嵌作用层的FUNCTION函数，和各层之间传导网络，实现对S1中各个指标的处理，具体包括步骤：

S21、节点输出模型；

所述节点输出模型包括内嵌作用层、输出Ⅰ层和输出Ⅱ层节点输出模型，其中，内嵌作用层输出模型如下：

G_j＝f(∑W_ijx_i-q_i)             (13)

式中，q_i为第一层传导数据的阈值；W_ij为输入节点x_i对内嵌作用层的权重；

输出Ⅰ层节点输出模型如下：

Y_k＝g(T_jkG_j-q_j)f(∑W_jkx_j-q_j)         (14)

式中，q_j为第而层传导数据的阈值；W_jk为输入节点x_j对内嵌作用层的权重；T_jk为输出Ⅰ层的重构系数；

输出Ⅰ层节点输出模型如下：

Z_v＝g(T_vkY_k-q_k)                 (14)

式中，q_k为第而层传导数据的阈值；T_vk为输出Ⅱ层的重构系数；

S22、FUNCTION函数模型，为反应上层节点刺激对下层输入的脉冲强度，可以分为以下函数：

(1)阈值函数其表达式为：

式中，c为常数。

(2)双曲正切激励函数，该函数在(-1，1)上连续取值，表达式为：

(3)Sigmoid函数，该函数在(0，1)上取值，表达式为：

式中，β为传导非线性参数，β可决定Sigmoid函数的图像走势，一般β的取值为1，当β＝0.5时，曲线平顺，当β＝3时曲线最为陡峭；

S23、内嵌作用层节点个数确定，对五个输入指标数据进行加权、分类、模糊处理，根据公式(18)可以粗略得到内嵌作用层节点个数，再经过试算确定节点数目是否符合实际工程要求；

式中，p为内嵌作用层节点数；m为多元输入层节点数；n为输出Ⅰ层节点数；a为常数，根据实际输出效果调整，一般取值范围为1-9；

S24、输出层结果的确定，多元数据传导网络有两个输出层，输出Ⅰ层的输出结果为5项指标的评判结果是否超出临界值，更加具体的多元数据融合结果由输出Ⅱ层输出，输出Ⅱ层有两个输出结果，第一个节点的输出内容为是否发送预警信号，第二个节点的输出结果为发生输电线路舞动预警的概率。

4.如权利要求1所述的基于多元数据传导网络输电线路舞动预警预警系统，其特征在于，将5G通讯技术应用于输电线路舞动预警，通过建立预警专网的方式，承载预警信息在监测站、气象局以及控制终端间的传输业务，建立实时高效的内部传输组网。

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