CN117688818B - 极限天气下配电网线舞动与失效规律的数值仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极限天气下配电网线舞动与失效规律的数值仿真方法，包括：步骤1、荷载分析，包括静力分析和动力分析；步骤2、建立有限元模型，包括构建简单模型、构建复杂模型，以及对配电网塔线系统的简单模型与复杂模型进行小尺度动态模拟，比对简单模型与复杂模型的模拟结果，分析简单模型与复杂模型间的线性关系，修改简单模型计算出需求的线性模型；步骤3、易损性分析。本发明建立了配电网线塔的简单模型与复杂模型，确定简单模型与复杂模型间的线性关系，以便利用复杂模型的准确性和简单模型的效率来实现中尺度的动态模拟，以保证复杂模型的特征的同时保持合理的计算时间。

Description

极限天气下配电网线舞动与失效规律的数值仿真方法

技术领域

本发明涉及到仿真方法，特别是极限天气下配电网线路舞动与失效规律的数值仿真方法。

背景技术

配电线路作为电网的重要环节，由于分布的多维特性和长时间暴露于外界影响下，极易遭受自然灾害的影响。架空导线同接触网正馈线一样是细长的柔性结构，在环境风的作用下会出现低频率、大振幅的振动现象，称此现象为舞动。当线路覆冰时，舞动更易发生。导线舞动的频率低、幅度大、持续时间长，容易引发架空线路的断线断股、金具受损、闪络等故障，严重时甚至会发生杆塔倒塌等事故。当配电线路发生故障时，不仅影响当地的电力供应，而且往往会引起电网振荡和破坏电网，导致大面积停电，对整个电力系统造成严重的影响。

有限元模型是一种用于有限元分析的计算模型，它提供了进行有限元计算所需的所有原始数据。有限元建模是整个有限元分析过程的关键，它决定了计算结果的精度、计算时间的长短、存储容量的大小以及计算过程能否完成。通过建立配电网的有限元模型，可以准确地描述线路的几何形状、材料属性和载荷分布。然后，通过动态分析方法，可以模拟线路在极限天气条件下的运动过程，包括风力、温度变化等因素对线路的影响。最后，通过静态分析方法，可以研究在极限天气条件下线路的疲劳寿命和失效机制。

尽管现在可以通过图像识别等技术及时的发现配电网线路故障，但先发生故障后处理的方式会导致大面积停电等严重影响，造成巨大的经济损失。因此，希望可以通过预测的方式在故障发生前，及时的进行小范围的维护来避免配电网线路故障的发生。

公开号为CN113591342A的专利申请公开了一种不同风载、覆冰条件下10kV架空绝缘线路舞动特性分析方法，根据10kV将绝缘线路运行时可能出现气象条件，确定了线路的不同载荷和覆冰情况，按1:1比例搭建了绝缘线路3D模型，对不同风载、覆冰条件下10kV架空绝缘线路舞动特性进行合理分析。得到了不同风载与不同覆冰情况下10kV架空绝缘线路的位移的静动态云图，获得了位移的静动态变化规律，为10kV架空绝缘线路舞动机理的分析奠定了理论基础，有助于从原理上探究10kV架空绝缘线路的舞动特性与机理，从而有助于线路舞动的防范预警，保证输电线路的安全运行。该技术方案重在不同风载及覆冰条件下的线路舞动规律研究，其优点在于分析方法更加全面具体，但并没有涉及配电网失效的预测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何解决恶劣天气下配电网舞动造成故障的预测与失效规律的研究问题。

针对现有技术的不足，本发明旨在解决恶劣天气下配电网舞动造成故障的预测与失效规律的研究问题，提出一种极限天气下配电网线舞动与失效规律的数值仿真方法，以期实现对配电网失效概率的预测，以保持配电网线路的正常工作。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：极限天气下配电网线舞动与失效规律的数值仿真方法，包括以下步骤：

步骤1、荷载分析，包括：

步骤1.1、静态分析，分析配电网线上的组合静态冰荷载和风压荷载，导线上最大均匀静态冰荷载作用于塔，产生了平行于线方向的静张力，静张力的水平分量为H，风跨长度为Lw的覆冰导线上的风压荷载A作用于配电网塔并垂直于线，计算静张力的水平分量H和风压荷载A；

步骤1.2、动态分析，分析配电网线上的组合动态冰荷载和动态风压荷载，确定驰振现象的水平张力的特征频率和特征向量，具体的，根据线路自由振动的线性理论来计算驰振现象的特征频率和特征向量/>；

步骤2、建立有限元模型；

步骤2.1、构建简单模型，根据静张力的水平分量H和风压荷载A，并考虑连接金具的抗压强度与抗拉强度以及寿命，在Opensees平台建立配电网塔线系统简单模型，简单模型不考虑塔线连接处的连接金具的使用期限、磨损程度，均视为崭新出厂；

步骤2.2、构建复杂模型，根据特征频率和特征向量/>，在Opensees平台建立配电网塔线系统复杂模型，除建立简单模型所需考虑的连接金具的抗压强度与抗拉强度以及连接金具的寿命，复杂模型考虑连接金具的使用期限、磨损程度；

步骤2.3、对配电网塔线系统的简单模型与复杂模型进行小尺度动态模拟，比对简单模型与复杂模型的模拟结果，分析简单模型与复杂模型间的线性关系，修改简单模型计算出的需求的线性模型；

步骤3、易损性分析；

步骤3.1、根据所述的线性模型，进行简单模型的中尺度动态模拟，并通过采样得到弱势成员的需求分布，并根据需求分布得到相关矩阵；

步骤3.2、进行大规模数值模拟，将所述相关矩阵与多元正态分布匹配生成随机样本s，将随机样本s映射到期望的非高斯需求分布，分析非高斯需求分布，得出配电网线失效概率。

上述荷载分析所进行的分析只集中在确定荷载的水平分量上，因为荷载的水平分量是配电网线路受力的主要方向，是造成疲劳问题和结构崩溃的主要原因。只分析荷载水平分量，可以简化分析过程，并且依然可以准确的分析极限天气下配电网线舞动与失效规律。上述建立有限元模型中，所建立的简单模型建模简单，计算高效，但准确性相对较低，复杂模型建模考虑因素更多，计算复杂，所需时间更多，但准确性高，本发明在充分发挥简单模型的高效性的同时，利用复杂模型的准确性提高简单模型的准确性，并且简单模型使中尺度分析成为可能。

作为进一步优化的技术方案，当前相邻配电网塔之间的风跨长度Lw等于前后相邻的配电网塔之间的跨度距离和的一半。

作为进一步优化的技术方案，步骤1.1中，计算静张力的水平分量H：

式中，变量描述单位长度的导线总质量，即裸导线质量与所覆盖冰雪质量之和，/>为两座配电网塔之间跨度距离，/>为跨度中部覆冰导线下垂距离，/>为重力加速度；

计算风压荷载A：

式中，为动态风压，/>为阻力系数，/>为跨度因子，/>为导线的综合风系数，与线路距离地面的高度和地形类别有关，/>为等效圆柱形的覆冰导线的直径，/>为风与导线的角度。

作为进一步优化的技术方案，对于通常的绞合导线和风速，等于1.00，如果直接测量或风洞试验得出其他值，则使用这些值，对于直径为15mm或更小的导线，/>为1.2，其中，优先使用直接测量或风洞试验得出的值。

作为进一步优化的技术方案，跨度小于200m时，为1，跨度大于200m时，/>随跨度增加而减小。

作为进一步优化的技术方案，与线路距离地面的高度和地形类别有关，相同地形类别下/>随离地高度增加而增加。

作为进一步优化的技术方案，步骤1.2中，根据线路自由振动的线性理论来计算驰振现象的特征频率和特征向量/>：

式中，n为模态号，表示振动的模态数量，为与一个模态相关的最大振幅的一半，/>为电缆的水平投影长度，/>为仅考虑裸导线质量的情况时静张力的水平分量，m为裸导线单位长度的质量，/>为从节点到线路某一位置的水平距离，/>为两座配电网塔之间跨度距离，/>为跨度中部导线下垂距离，/>为重力加速度。

作为进一步优化的技术方案，步骤3.2中，将随机样本s映射到期望的非高斯需求分布：

式中表示对弱势成员c需求的样本s；/>为需求弱势成员c的非高斯累积分布函数的倒数；/>是标准的高斯累积分布函数；/>是所述多元正态分布中为弱势成员c生成的随机样本s。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明建立了配电网线塔的简单模型与复杂模型，确定简单模型与复杂模型间的线性关系，以便利用复杂模型的准确性和简单模型的效率来实现中尺度的动态模拟，以保证复杂模型的特征的同时保持合理的计算时间。

2、本发明通过大规模数值模拟，将弱势成员的分布信息与多元正态分布相匹配，将生成随机样本映射到期望的非高斯需求分布，可以提高预测的配电网失效概率的准确性。

3、本发明在分析风载及覆冰条件的基础上，重点放在配电网失效的预测上，优点在于可以用数值清晰的去描述配电网的失效概率，更加直观的表示配电网的可靠性。

附图说明

图1为本发明极限天气下配电网线舞动与失效规律的数值仿真方法的流程图；

图2为本发明实施例中的跨度因子的取值曲线图；

图3本发明实施例中不同地形、不同地面高度导线综合风因子的取值曲线图；

图4为配电网线路失效概率图。

具体实施方式

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，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例中，参照图1，一种极限天气下配电网线舞动与失效规律的数值仿真方法，按如下步骤进行：

步骤1、分析配电塔的动态与静态负载；

步骤1.1、静态分析，分析配电网线上的组合静态冰荷载和风压荷载，覆冰导线上最大均匀静态冰荷载作用于配电网塔，产生了平行于线方向的静张力，静张力的水平分量为H，风跨长度为Lw的覆冰导线上的风压荷载A作用于配电网塔并垂直于线，其中，考虑风荷载作用下，当前相邻配电网塔之间的风跨长度Lw等于前后相邻的配电网塔之间的跨度距离和的一半，例如有四座配电网塔，每两个塔之间的线路称为一跨，第二跨的风跨长度Lw为第一跨与第三跨跨度距离之和的一半，冰荷载为导线覆冰后产生的荷载，计算静张力的水平分量H：

式中，变量描述单位长度的覆冰导线总质量，即裸导线质量与所覆盖冰雪质量之和，/>为两座配电网塔之间跨度距离，/>为跨度中部覆冰导线下垂距离，/>为重力加速度。

计算风压荷载A：

式中，为动态风压；/>为阻力系数，对于通常认为的绞合导线和风速，取导线的阻力系数等于1.00，如果直接测量或风洞试验得出其他值，则可以使用这些值。值得注意的是，更多的证据表明，对于直径为15mm或更小的导线，/>为1.2，其中，优先使用直接测量或风洞试验得出的值；/>为跨度因子，跨度小于200m时近似为1，跨度大于200m时，/>随跨度增加而减小，其取值如图2所示，/>为等效圆柱形的覆冰导线的直径；/>为覆冰导线的综合风系数，与线路距离地面的高度和地形类别有关，相同地形类别下/>随离地高度增加而增加，其具体取值如图3所示，其中R1代表大片逆风水域以及平坦的沿海地区，R2代表几乎没有障碍物的开阔地区，例如机场或少有树木及建筑的耕地区域，R3代表有许多低矮障碍物(树篱，树木和建筑物)的地形，R4代表有许多高大树木的郊区或地区，/>为风与导线的角度；

步骤1.2、动态分析，分析配电网线上的组合动态冰荷载和动态风压荷载，确定驰振现象的特征频率与特征向量，具体的，根据线路自由振动的线性理论来计算驰振现象的特征频率和特征向量/>：

式中，n为模态号，表示振动的模态数量，为与一个模态相关的最大振幅（导线舞动的幅度）的一半，/>为导线的水平投影长度，/>为仅考虑裸导线质量的情况时静张力的水平分量，m为裸导线单位长度的质量，/>为从节点到线路某一位置的水平距离，/>为两座配电网塔之间跨度距离，/>为跨度中部导线下垂距离，/>为重力加速度。

步骤2、建立有限元模型；

步骤2.1、构建简单模型。根据静张力的水平分量H和风压荷载A，并考虑连接金具的抗压强度与抗拉强度以及寿命，在Opensees平台建立配电网塔线系统简单模型，简单模型不考虑塔线连接处的连接金具的使用期限、磨损程度，均视为崭新出厂；

步骤2.2、构建复杂模型。根据特征频率和特征向量/>，在Opensees平台建立配电网塔线系统复杂模型，除建立简单模型所需考虑的连接金具的抗压强度与抗拉强度以及连接金具的寿命，复杂模型考虑连接金具的使用期限、磨损程度；

步骤2.3、对配电网塔线系统的简单模型与复杂模型进行小尺度动态模拟，比对简单模型与复杂模型的模拟结果，分析简单模型与复杂模型间的线性关系，这种线性关系可以用线性系数因子来衡量，线性系数因子能够衡量线性关系的拟合程度，根据现行系数因子修改简单模型计算出需求的线性模型；

步骤3、易损性分析；

步骤3.1、根据所述的线性模型，进行简单模型的中尺度动态模拟，并通过采样得到弱势成员的需求分布，并根据需求分布得到相关矩阵；

步骤3.2、进行大规模数值模拟，将所述相关矩阵与多元正态分布匹配生成随机样本s，将随机样本s映射到期望的非高斯需求分布：

式中表示对弱势成员c需求的样本s；/>为弱势成员c的非高斯CDF（累积分布函数）的倒数；/>是标准的高斯CDF（累积分布函数）；/>是所述多元正态分布中为弱势成员c生成的随机样本s。

分析非高斯需求分布，得出配电网线失效概率。取离地高度为30m，相邻两座配电网塔间的跨度L距离50m，导线外径为20mm，等效覆冰形状为圆柱体，直径D为30mm，导线下垂距离为7m，覆冰导线下垂距离/>为8m，单位长度裸导线质量m为1.045kg，单位长度覆冰导线质量为1.3kg，则在不同风向下，配电网线路的失效概率如图4所示。图4中，四条曲线分别对应四个角度的风下配电网的失效概率，其中/>对应垂直于地面的风向，/>对应水平风向。

上述荷载分析所进行的分析只集中在确定荷载的水平分量上，因为荷载的水平分量是配电网线路受力的主要方向，是造成疲劳问题和结构崩溃的主要原因。只分析荷载水平分量，可以简化分析过程，并且依然可以准确的分析极限天气下配电网线舞动与失效规律。上述建立有限元模型中，所建立的简单模型建模简单，计算高效，但准确性相对较低，复杂模型建模考虑因素更多，计算复杂，所需时间更多，但准确性高，本发明在充分发挥简单模型的高效性的同时，利用复杂模型的准确性提高简单模型的准确性，并且简单模型使中尺度分析成为可能。

Claims (7)

1.极限天气下配电网线舞动与失效规律的数值仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、荷载分析，包括：

步骤1.1、静态分析，分析配电网线上的组合静态冰荷载和风压荷载，导线上最大均匀组合静态冰荷载作用于塔，产生了平行于线方向的静张力，静张力的水平分量为H，风跨长度为Lw的覆冰导线上的风压荷载A作用于配电网塔并垂直于线，计算静张力的水平分量H和风压荷载A；

步骤1.2、动态分析，分析配电网线上的组合动态冰荷载和动态风压荷载，确定驰振现象的水平张力的特征频率和特征向量，具体的，根据线路自由振动的线性理论来计算驰振现象的特征频率和特征向量/>；

步骤2、建立有限元模型；

步骤2.1、构建简单模型，根据静张力的水平分量H和风压荷载A，并考虑连接金具的抗压强度与抗拉强度以及寿命，在Opensees平台建立配电网塔线系统简单模型，简单模型不考虑塔线连接处的连接金具的使用期限、磨损程度，均视为崭新出厂；

步骤2.2、构建复杂模型，根据特征频率和特征向量/>，在Opensees平台建立配电网塔线系统复杂模型，除建立简单模型所需考虑的连接金具的抗压强度与抗拉强度以及连接金具的寿命，复杂模型考虑连接金具的使用期限、磨损程度；

步骤2.3、对配电网塔线系统的简单模型与复杂模型进行小尺度动态模拟，比对简单模型与复杂模型的模拟结果，分析简单模型与复杂模型间的线性关系，修改简单模型计算出的需求的线性模型；

步骤3、易损性分析；

步骤3.1、根据所述的线性模型，进行简单模型的中尺度动态模拟，并通过采样得到弱势成员的需求分布，并根据需求分布得到相关矩阵；

步骤3.2、进行大规模数值模拟，将所述相关矩阵与多元正态分布匹配生成随机样本s，将随机样本s映射到期望的非高斯需求分布：

式中表示对弱势成员c需求的样本s；/>为需求弱势成员c的非高斯累积分布函数的倒数；/>是标准的高斯累积分布函数；/>是所述多元正态分布中为弱势成员c生成的随机样本s，分析非高斯需求分布，得出配电网线失效概率。

2.如权利要求1所述的极限天气下配电网线舞动与失效规律的数值仿真方法，其特征在于：当前相邻配电网塔之间的风跨长度Lw等于前后相邻的配电网塔之间的跨度距离和的一半。

3.如权利要求1所述的极限天气下配电网线舞动与失效规律的数值仿真方法，其特征在于：步骤1.1中，计算静张力的水平分量H：

式中，变量描述单位长度的导线总质量，即裸导线质量与所覆盖冰雪质量之和，/>为两座配电网塔之间跨度距离，/>为跨度中部覆冰导线下垂距离，/>为重力加速度；

计算风压荷载A：

式中，为动态风压，/>为阻力系数，/>为跨度因子，/>为导线的综合风系数，与线路距离地面的高度和地形类别有关，/>为等效圆柱形的覆冰导线的直径，/>为风与导线的角度。

4.如权利要求3所述的极限天气下配电网线舞动与失效规律的数值仿真方法，其特征在于：对于通常的绞合导线和风速，等于1.00，如果直接测量或风洞试验得出其他值，则使用这些值，对于直径为15mm或更小的导线，/>为1.2，其中，优先使用直接测量或风洞试验得出的值。

5.如权利要求3所述的极限天气下配电网线舞动与失效规律的数值仿真方法，其特征在于：跨度小于200m时，为1，跨度大于200m时，/>随跨度增加而减小。

6.如权利要求3所述的极限天气下配电网线舞动与失效规律的数值仿真方法，其特征在于：与线路距离地面的高度和地形类别有关，相同地形类别下/>随离地高度增加而增加。

7.如权利要求1所述的极限天气下配电网线舞动与失效规律的数值仿真方法，其特征在于：步骤1.2中，根据线路自由振动的线性理论来计算驰振现象的特征频率和特征向量：

式中，n为模态号，表示振动的模态数量，为与一个模态相关的最大振幅的一半，/>为电缆的水平投影长度，/>为仅考虑裸导线质量的情况时静张力的水平分量，m为裸导线单位长度的质量，/>为从节点到线路某一位置的水平距离，/>为两座配电网塔之间跨度距离，/>为跨度中部导线下垂距离，/>为重力加速度。