CN116663458A - 基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制方法及系统，涉及输电杆塔监测技术领域，其技术方案要点是：本发明通过输电杆塔与参考杆塔之间的历史风速值之比来表示同一自然风下受地理信息差异影响而形成的输电杆塔、参考杆塔处风速关联情况，在依据实时气象数据对一个目标区域内多个输电杆塔进行风速预测时，只需要通过计算流体动力学方法对参考杆塔的风速值进行精确分析，即可结合每个输电杆塔所对应的风速转换系数完成所有输电杆塔的风速同步关联预测，在保证了每个输电杆塔的风速预测准确度的情况下，极大的提高了所有输电杆塔风速预测的工作效率。

Description

基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制方法及系统

技术领域

本发明涉及输电杆塔监测技术领域，更具体地说，它涉及基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制方法及系统。

背景技术

电杆塔由于搭载输电线路的位置较高，在诸如台风、沙尘暴、暴风雨等恶劣的自然环境下，输电杆塔的上端部容易出现较大幅度的晃动，而输电线路两端的输电杆塔在大幅度的晃动过程中极易导致输电线路断裂，同时也容易导致输电杆塔出现倾斜变形。所以，对输电杆塔状态监测有利于及时展开维修和为保障输电杆塔安全运行而及时做出应急处置。

现有技术中的输电杆塔状态监测是通过在杆塔上布置各种传感器进行实时数据采集实现的，对于整个电力系统或者某一指定区域来说，输电杆塔的分布数量较多，而每一个输电杆塔一般都设置有多个传感器，所以从整体来说，一定范围内的电力系统覆盖区域所具有的传感器数量较多。传统的输电杆塔状态监测运行是在某一状态达到设计值或阈值时，再启动其他的传感器进行监测，例如，当输电杆塔的风速值达到设计值时，则可以启动振动传感器、倾斜传感器、压力传感器等传感器，来实现输电杆塔状态监测。然而，在采用风速传感器采集输电杆塔的风速值时也存在较大的能耗。为此，现有技术中还记载有通过计算流体动力学方法对输电杆塔的气象预报数据和地理数据进行仿真分析，以此对各个输电杆塔的风速进行准确预测。

然而，输电杆塔之间的安装距离一般为几百米，一个区域内可能存在几十、几百乃至几千的输电杆塔，若所有的输电杆塔均采用计算流体动力学方法进行仿真分析，不仅仿真分析的复杂度较高，且所有输电杆塔的地理信息采集任务量大，不利于大范围推广应用，从而导致输电杆塔的风速预测时效性较差，进而导致输电杆塔状态监测无法及时启动。因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制方法及系统是我们目前急需解决的问题。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制方法及系统，在依据实时气象数据对一个目标区域内多个输电杆塔进行风速预测时，只需要通过计算流体动力学方法对参考杆塔的风速值进行精确分析，即可结合每个输电杆塔所对应的风速转换系数完成所有输电杆塔的风速同步关联预测，在保证了每个输电杆塔的风速预测准确度的情况下，极大的提高了所有输电杆塔风速预测的工作效率，从而能够实现对输电杆塔状态监测进行及时控制。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

第一方面，提供了基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制方法，包括以下步骤：

依据目标区域内各个输电杆塔的分布位置和历史风速数据建立不同输电杆塔之间在不同自然风情况下的风速转换系数矩阵；

通过计算流体动力学方法分析参考杆塔在由实时气象数据所确定自然风作用下的标准风速值；

依据由实时气象数据所确定自然风从所有风速转换系数矩阵中匹配得到各个输电杆塔的风速转换系数组，并结合标准风速值和风速转换系数组确定各个输电杆塔的风速预测值；

将风速预测值与对应输电杆塔的风速设计值进行对比，并对风速预测值超出风速设计值所对应的输电杆塔生成监测控制命令；

响应于监测控制命令后控制对应输电杆塔中的监测组件启动；

通过启动后的监测组件实时采集输电杆塔的监测值，并将所有采集的监测值经云服务器传输至云平台进行存储。

其中，所述风速转换系数矩阵的建立过程具体为：

依据目标区域内各个输电杆塔的分布位置建立杆塔分布图，并从杆塔分布图中选取一个输电杆塔作为参考杆塔；

获取不同方向与不同大小的自然风运动至目标区域后各个输电杆塔的历史风速值，并依据各个输电杆塔与参考杆塔之间的历史风速值之比确定输电杆塔与参考杆塔之间在不同自然风下的风速转换系数矩阵。

进一步的，所述参考杆塔的确定过程具体为：

选取杆塔分布图中任意一个输电杆塔作为目标杆塔；

计算目标杆塔与杆塔分布图中剩余的输电杆塔之间的空间距离之和；

以及，选取空间距离之和最小所对应的目标杆塔作为参考杆塔。

进一步的，所述参考杆塔的确定过程具体为：

依据杆塔分布图中各个输电杆塔的输电线路数量为对应输电杆塔分配优先系数，优先系数与输电线路数量呈负相关；

选取杆塔分布图中任意一个输电杆塔作为目标杆塔；

计算目标杆塔与杆塔分布图中剩余的输电杆塔之间的空间距离之和，以空间距离之和与目标杆塔所对应的优先系数之积计算得到目标杆塔的参考值；

以及，选取参考值最小所对应的目标杆塔作为参考杆塔。

进一步的，所述风速转换系数矩阵的确定过程具体为：

以输电杆塔与参考杆塔之间的历史风速值之比确定风速转换系数；

以所有不同方向和所有不同大小的自然风所对应的风速转换系数建立初始的风速转换系数矩阵；

采用插值法对初始的风速转换系数矩阵进行扩增处理后得到最终的风速转换系数矩阵。

进一步的，所述风速转换系数矩阵的确定过程具体为：

以输电杆塔与参考杆塔之间的历史风速值之比确定风速转换系数；

将自然风的方向范围划分为至少两个方向区段，同时将自然风的大小范围划分为至少两个大小区段；

以不同方向区段和大小区段的自然风所对应的风速转换系数建立初始的子矩阵；

采用插值法对初始的子矩阵进行扩增处理后得到最终的子矩阵；

将所有最终的子矩阵拼接后构成风速转换系数矩阵。

进一步的，所述标准风速值的确定过程具体为：

获取参考杆塔所对应范围内的地理信息；

将实时气象数据和地理信息输入至CFD软件进行仿真模拟计算，得到参考杆塔的标准风速值。

进一步的，所述风速预测值的确定过程具体为：

依据由实时气象数据所确定自然风的方向与大小从各个风速转换系数矩阵中为相应的输电杆塔匹配得到风速转换系数；

以标准风速值与风速转换系数之积确定相应输电杆塔的风速预测值。

进一步的，所述监测值包括振动信号、倾斜度、温度值、湿度值、电压值、高度值和压力值中的一种或多种。

第二方面，提供了基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制系统，该系统用于实现第一方面任意一项所述的基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制方法，包括：

云平台，用于依据目标区域内各个输电杆塔的分布位置和历史风速数据建立不同输电杆塔之间在不同自然风情况下的风速转换系数矩阵；

流体分析模块，用于通过计算流体动力学方法分析参考杆塔在由实时气象数据所确定自然风作用下的标准风速值；

云服务器，用于依据由实时气象数据所确定自然风从所有风速转换系数矩阵中匹配得到各个输电杆塔的风速转换系数组，并结合标准风速值和风速转换系数组确定各个输电杆塔的风速预测值；

逻辑处理模块，用于将风速预测值与对应输电杆塔的风速设计值进行对比，并对风速预测值超出风速设计值所对应的输电杆塔生成监测控制命令；

控制器模块，用于响应于监测控制命令后控制对应输电杆塔中的监测组件启动；

实时监测模块，用于通过启动后的监测组件实时采集输电杆塔的监测值，并将所有采集的监测值经云服务器传输至云平台进行存储。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制方法，在依据实时气象数据对一个目标区域内多个输电杆塔进行风速预测时，只需要通过计算流体动力学方法对参考杆塔的风速值进行精确分析，即可结合每个输电杆塔所对应的风速转换系数完成所有输电杆塔的风速同步关联预测，在保证了每个输电杆塔的风速预测准确度的情况下，极大的提高了所有输电杆塔风速预测的工作效率，从而能够实现对输电杆塔状态监测进行及时控制；

2、本发明在确定参考杆塔时，不仅通过考虑空间距离来使得参考杆塔尽可能位于杆塔分布图的中心，以减少因个别输电杆塔与参考杆塔之间的空间距离较远而导致所对应的风速转换系数误差较大的情况；

3、本发明还通过考虑输电杆塔的输电线路数量来使得参考杆塔尽可能包含多的输电线路，使得杆塔分布图中相对重要的输电杆塔所对应的风速预测值更为准确、可靠；

4、本发明通过对不同方向区段和大小区段的自然风划分不同的子矩阵，再对每个子矩阵进行独立的插值扩增，使得插值结果更为准确。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例1中的流程图；

图2是本发明实施例2中的系统框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1：依据目标区域内各个输电杆塔的分布位置和历史风速数据建立不同输电杆塔之间在不同自然风情况下的风速转换系数矩阵；

步骤S2：通过计算流体动力学方法分析参考杆塔在由实时气象数据所确定自然风作用下的标准风速值；

步骤S3：依据由实时气象数据所确定自然风从所有风速转换系数矩阵中匹配得到各个输电杆塔的风速转换系数组，并结合标准风速值和风速转换系数组确定各个输电杆塔的风速预测值；

步骤S4：将风速预测值与对应输电杆塔的风速设计值进行对比，并对风速预测值超出风速设计值所对应的输电杆塔生成监测控制命令；

步骤S5：响应于监测控制命令后控制对应输电杆塔中的监测组件启动；

步骤S6：通过启动后的监测组件实时采集输电杆塔的监测值，并将所有采集的监测值经云服务器传输至云平台进行存储。

其中，风速转换系数矩阵的建立过程具体为：

S11：依据目标区域内各个输电杆塔的分布位置建立杆塔分布图，并从杆塔分布图中选取一个输电杆塔作为参考杆塔；

S12：获取不同方向与不同大小的自然风运动至目标区域后各个输电杆塔的历史风速值，并依据各个输电杆塔与参考杆塔之间的历史风速值之比确定输电杆塔与参考杆塔之间在不同自然风下的风速转换系数矩阵。

需要说明的是，杆塔分布图不仅包括了不同输电杆塔之间的水平距离、高度差，还包括了各个输电杆塔之间的输电线路分布情况。

在步骤S11中，作为一种可选的实施方式，参考杆塔的确定过程具体为：选取杆塔分布图中任意一个输电杆塔作为目标杆塔；计算目标杆塔与杆塔分布图中剩余的输电杆塔之间的空间距离之和；以及，选取空间距离之和最小所对应的目标杆塔作为参考杆塔。

若输电杆塔与参考杆塔之间的距离越远，则说明两者之间风速值表现差异受更为复杂的地理环境影响的可能性越高，而复杂的地理环境更容易引起风速变换，所以输电杆塔与参考杆塔之间距离越远，越难以进行风速关联。

为此，在确定参考杆塔时，通过考虑空间距离来使得参考杆塔尽可能位于杆塔分布图的中心，以减少因个别输电杆塔与参考杆塔之间的空间距离较远而导致所对应的风速转换系数误差较大的情况。

需要说明的是，杆塔与杆塔之间的空间距离是指两者在三维空间中的直线距离，由于杆塔之间的高度差异相比于杆塔之间的水平间距非常小，所以杆塔与杆塔之间的空间距离既可以采用两个杆塔顶点位置之间的直线距离，也可以采用两个杆塔地面安装位置之间的直线距离，在此不受限制。

作为另一种可选的实施方式，参考杆塔的确定过程具体还可以为：依据杆塔分布图中各个输电杆塔的输电线路数量为对应输电杆塔分配优先系数，优先系数与输电线路数量呈负相关；选取杆塔分布图中任意一个输电杆塔作为目标杆塔；计算目标杆塔与杆塔分布图中剩余的输电杆塔之间的空间距离之和，以空间距离之和与目标杆塔所对应的优先系数之积计算得到目标杆塔的参考值；以及，选取参考值最小所对应的目标杆塔作为参考杆塔。

例如，与输电杆塔A连接的输电线路数量为6，与输电杆塔B连接的输电线路数量为3。若输电杆塔A作为目标杆塔时，其分配的优先系数为0.8，所计算的空间距离之和为D；若输电杆塔B作为目标杆塔时，其分配的优先系数为0.9，所计算的空间距离之和为0.9D。

通过计算可得，输电杆塔A作为目标杆塔时的参考值为0.8D，输电杆塔B作为目标杆塔时的参考值为0.81D，所以此处选取输电杆塔A作为最终的参考杆塔。

在步骤S12中，作为一种可选的实施方式，当输电杆塔所处地理环境对不同方向与不同大小的自然风所对应的风速转换系数变化影响较小时，风速转换系数矩阵的确定过程具体为：以输电杆塔与参考杆塔之间的历史风速值之比确定风速转换系数；以所有不同方向和所有不同大小的自然风所对应的风速转换系数建立初始的风速转换系数矩阵；采用插值法对初始的风速转换系数矩阵进行扩增处理后得到最终的风速转换系数矩阵。

例如，初始的风速转换系数矩阵如下：

；

其中，a系列的风速转换系数均为依据历史数据计算得到。

在对方向列进行插值处理后，得到过渡矩阵：

；

其中，b系列的风速转换系数均为第二次插值处理得到。

而再次对大小列插值处理后，得到最终的风速转换系数矩阵如下：

；

其中，C系列的风速转换系数均为第三次插值处理得到，经过两次插值处理可以将3x3矩阵转换成5x5矩阵。

作为另一种可选的实施方式，当输电杆塔所处地理环境对不同方向与不同大小的自然风所对应的风速转换系数变化影响较大时，针对所有方向和大小的风速转换系数进行插值的准确度不高。为此，风速转换系数矩阵的确定过程还可以为：以输电杆塔与参考杆塔之间的历史风速值之比确定风速转换系数；将自然风的方向范围划分为至少两个方向区段，同时将自然风的大小范围划分为至少两个大小区段；以不同方向区段和大小区段的自然风所对应的风速转换系数建立初始的子矩阵；采用插值法对初始的子矩阵进行扩增处理后得到最终的子矩阵；将所有最终的子矩阵拼接后构成风速转换系数矩阵。

一般情况下，方向区段划分一般在360度圆周方向确定四个区分点，相邻区分点之间的方向确定一个方向区段。此外，针对不同地理环境的区分点划分位置不同。

而对于大小区段的划分可以采用值的区间分布进行划分。

在步骤S2中，标准风速值的确定过程具体为：获取参考杆塔所对应范围内的地理信息；将实时气象数据和地理信息输入至CFD软件进行仿真模拟计算，得到参考杆塔的标准风速值。

在步骤S3中，依据由实时气象数据所确定自然风从所有风速转换系数矩阵中匹配得到各个输电杆塔的风速转换系数组，并结合标准风速值和风速转换系数组确定各个输电杆塔的风速预测值。

风速转换系数组中的风速转换系数数量等于杆塔分布图中所有输电杆塔的数量减1。

此外，风速预测值的确定过程具体为：依据由实时气象数据所确定自然风的方向与大小从各个风速转换系数矩阵中为相应的输电杆塔匹配得到风速转换系数；以标准风速值与风速转换系数之积确定相应输电杆塔的风速预测值。

需要说明的是，在实际过程中风速转换系数矩阵可能匹配不到方向、大小完全一致的风速转换系数，那么可以通过匹配到方向与大小偏差最小所对应的风速转换系数。也可以在风速转换系数矩阵中在进行详细的插值处理，以得到方向和大小完全一致的风速转换系数。

在本实施例中，监测值包括但不限于振动信号、倾斜度、温度值、湿度值、电压值、高度值和压力值。

实施例2：基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制系统，该系统用于实现实施例1中所记载的基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制方法，如图2 所示，包括云平台、流体分析模块、云服务器、逻辑处理模块、控制器模块和实时监测模块。

其中，云平台，用于依据目标区域内各个输电杆塔的分布位置和历史风速数据建立不同输电杆塔之间在不同自然风情况下的风速转换系数矩阵；流体分析模块，用于通过计算流体动力学方法分析参考杆塔在由实时气象数据所确定自然风作用下的标准风速值；云服务器，用于依据由实时气象数据所确定自然风从所有风速转换系数矩阵中匹配得到各个输电杆塔的风速转换系数组，并结合标准风速值和风速转换系数组确定各个输电杆塔的风速预测值；逻辑处理模块，用于将风速预测值与对应输电杆塔的风速设计值进行对比，并对风速预测值超出风速设计值所对应的输电杆塔生成监测控制命令；控制器模块，用于响应于监测控制命令后控制对应输电杆塔中的监测组件启动；实时监测模块，用于通过启动后的监测组件实时采集输电杆塔的监测值，并将所有采集的监测值经云服务器传输至云平台进行存储。

工作原理：本发明通过输电杆塔与参考杆塔之间的历史风速值之比来表示同一自然风下受地理信息差异影响而形成的输电杆塔、参考杆塔处风速关联情况，在依据实时气象数据对一个目标区域内多个输电杆塔进行风速预测时，只需要通过计算流体动力学方法对参考杆塔的风速值进行精确分析，即可结合每个输电杆塔所对应的风速转换系数完成所有输电杆塔的风速同步关联预测，在保证了每个输电杆塔的风速预测准确度的情况下，极大的提高了所有输电杆塔风速预测的工作效率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制方法，其特征是，包括以下步骤：

依据目标区域内各个输电杆塔的分布位置和历史风速数据建立不同输电杆塔之间在不同自然风情况下的风速转换系数矩阵；

通过计算流体动力学方法分析参考杆塔在由实时气象数据所确定自然风作用下的标准风速值；

依据由实时气象数据所确定自然风从所有风速转换系数矩阵中匹配得到各个输电杆塔的风速转换系数组，并结合标准风速值和风速转换系数组确定各个输电杆塔的风速预测值；

将风速预测值与对应输电杆塔的风速设计值进行对比，并对风速预测值超出风速设计值所对应的输电杆塔生成监测控制命令；

响应于监测控制命令后控制对应输电杆塔中的监测组件启动；

通过启动后的监测组件实时采集输电杆塔的监测值，并将所有采集的监测值经云服务器传输至云平台进行存储；

其中，所述风速转换系数矩阵的建立过程具体为：

依据目标区域内各个输电杆塔的分布位置建立杆塔分布图，并从杆塔分布图中选取一个输电杆塔作为参考杆塔；

获取不同方向与不同大小的自然风运动至目标区域后各个输电杆塔的历史风速值，并依据各个输电杆塔与参考杆塔之间的历史风速值之比确定输电杆塔与参考杆塔之间在不同自然风下的风速转换系数矩阵。

2.根据权利要求1所述的基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制方法，其特征是，所述参考杆塔的确定过程具体为：

选取杆塔分布图中任意一个输电杆塔作为目标杆塔；

计算目标杆塔与杆塔分布图中剩余的输电杆塔之间的空间距离之和；

以及，选取空间距离之和最小所对应的目标杆塔作为参考杆塔。

3.根据权利要求1所述的基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制方法，其特征是，所述参考杆塔的确定过程具体为：

依据杆塔分布图中各个输电杆塔的输电线路数量为对应输电杆塔分配优先系数，优先系数与输电线路数量呈负相关；

选取杆塔分布图中任意一个输电杆塔作为目标杆塔；

计算目标杆塔与杆塔分布图中剩余的输电杆塔之间的空间距离之和，以空间距离之和与目标杆塔所对应的优先系数之积计算得到目标杆塔的参考值；

以及，选取参考值最小所对应的目标杆塔作为参考杆塔。

4.根据权利要求1所述的基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制方法，其特征是，所述风速转换系数矩阵的确定过程具体为：

以输电杆塔与参考杆塔之间的历史风速值之比确定风速转换系数；

以所有不同方向和所有不同大小的自然风所对应的风速转换系数建立初始的风速转换系数矩阵；

采用插值法对初始的风速转换系数矩阵进行扩增处理后得到最终的风速转换系数矩阵。

5.根据权利要求1所述的基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制方法，其特征是，所述风速转换系数矩阵的确定过程具体为：

以输电杆塔与参考杆塔之间的历史风速值之比确定风速转换系数；

将自然风的方向范围划分为至少两个方向区段，同时将自然风的大小范围划分为至少两个大小区段；

以不同方向区段和大小区段的自然风所对应的风速转换系数建立初始的子矩阵；

采用插值法对初始的子矩阵进行扩增处理后得到最终的子矩阵；

将所有最终的子矩阵拼接后构成风速转换系数矩阵。

6.根据权利要求1所述的基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制方法，其特征是，所述标准风速值的确定过程具体为：

获取参考杆塔所对应范围内的地理信息；

将实时气象数据和地理信息输入至CFD软件进行仿真模拟计算，得到参考杆塔的标准风速值。

7.根据权利要求6所述的基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制方法，其特征是，所述风速预测值的确定过程具体为：

依据由实时气象数据所确定自然风的方向与大小从各个风速转换系数矩阵中为相应的输电杆塔匹配得到风速转换系数；

以标准风速值与风速转换系数之积确定相应输电杆塔的风速预测值。

8.根据权利要求1所述的基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制方法，其特征是，所述监测值包括振动信号、倾斜度、温度值、湿度值、电压值、高度值和压力值中的一种或多种。

9.基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制系统，其特征是，该系统用于实现权利要求1-8任意一项所述的基于多杆塔风速关联分析的杆塔状态监测控制方法，包括：

云平台，用于依据目标区域内各个输电杆塔的分布位置和历史风速数据建立不同输电杆塔之间在不同自然风情况下的风速转换系数矩阵；

流体分析模块，用于通过计算流体动力学方法分析参考杆塔在由实时气象数据所确定自然风作用下的标准风速值；

云服务器，用于依据由实时气象数据所确定自然风从所有风速转换系数矩阵中匹配得到各个输电杆塔的风速转换系数组，并结合标准风速值和风速转换系数组确定各个输电杆塔的风速预测值；

逻辑处理模块，用于将风速预测值与对应输电杆塔的风速设计值进行对比，并对风速预测值超出风速设计值所对应的输电杆塔生成监测控制命令；

控制器模块，用于响应于监测控制命令后控制对应输电杆塔中的监测组件启动；

实时监测模块，用于通过启动后的监测组件实时采集输电杆塔的监测值，并将所有采集的监测值经云服务器传输至云平台进行存储。