一种架空输电线路导地线脱冰跳跃风险预警方法及系统

技术领域

本发明涉及电网防灾减灾领域，具体涉及一种架空输电线路导地线脱冰跳跃风险预警方法及系统。

背景技术

导线不均匀覆冰和不同期脱冰是冰区输电线路中的常见现象，导线脱冰会引起导线的剧烈运动，使导线跳跃上下摆动,这将导致导线档中空气间隙减小，严重时以致相间闪络；同时脱冰跳跃还会对绝缘子串，金具及铁塔产生较大的动态拉力，对其产生破坏作用，在重冰区大档距的情况下，导线脱冰的影响尤为显著

架空输电线路脱冰可导致导地线拉力的剧烈变化和明显跳跃，可引起线路跳闸，或引起导地线断股、金具损坏，严重时可造成地线支架损坏、导地线断线甚至倒塔，给电网的安全稳定运行带来了巨大威胁。

发明内容

为了解决架空输电线路脱冰可导致导地线拉力的剧烈变化和明显跳跃，可引起线路跳闸的问题，本发明提供一种架空输电线路导地线脱冰跳跃风险预警方法，包括：

基于获取的一定时间尺度逐时气象预报数据采用预先确定的导线覆冰厚度计算公式计算逐时导线覆冰厚度；

基于所述逐时导线覆冰厚度、逐时气象预报数据，结合预先构建的有限元模型确定所述架空输电线路中各设备脱冰趋势等级和脱冰跳跃趋势等级；

基于所述各设备脱冰趋势等级和所述脱冰跳跃趋势等级，确定架空输电线路的脱冰跳跃风险等级；

所述有限元模型用于将所述架空输电线路覆冰相关数据按区域分布进行构建。

优选的，所述导线覆冰厚度计算公式由架空输电线路所处地形、历史上架空输电线路发生覆冰及覆冰故障时的温度、风速、主导风向、风向与线路走向夹角、湿度、冻雨过程的时间、覆冰厚度、降水量、水的密度、雨凇的密度、液态水含量、辐射强度参数确定。

优选的，所述导线覆冰厚度的计算公式如下式所示：

其中：R为覆冰厚度，N为冻雨过程的时间，P为过程降水率，ρ

优选的，所述基于所述逐时导线覆冰厚度、逐时气象预报数据，结合预先构建的有限元模型确定所述架空输电线路中各设备脱冰趋势等级和脱冰跳跃趋势等级，包括：

基于所述逐时气象预报数据中的日辐射平均值和日辐射最大值在设定时间段内的增加量判断覆冰脱落日；

将判定为覆冰脱落日时的逐时导线覆冰厚度和逐时气象预报数据中的最高气温与设定脱冰跳跃等级阈值进行比较，确定架空输电线路中各设备脱冰趋势等级；

所述逐时气象预报数据和预先构建的有限元模型确定所述架空输电线路中各设备的脱冰跳跃趋势等级。

优选的，所述日辐射平均值计算式如下式所述：

式中，

所述日辐射最大值计算式按下式计算：

F

其中F

优选的，所述有限元模型的构建包括：

基于架空输电线路的结构参数、设计参数、防脱冰跳跃装置的布置情况，将架空输电线路走廊区域划分为若干个设定大小的细网格，每个细网格均有温度、湿度、风速、风向、降水量、覆冰厚度、辐射值的逐时数据构建有限元模型。

优选的，所述逐时气象预报数据和预先构建的有限元模型确定所述架空输电线路中各设备的脱冰跳跃趋势等级，包括：

将逐时气象预报数据中的风速、风向、降水、覆冰厚度输入到有限元模型中，假定不均匀脱冰工况，模拟计算架空输电线路的不平衡张力、挂点处垂直荷载、最小电气间隙；

基于所述架空输电线路的不平衡张力、挂点处垂直荷载、最小电气间隙与设计值比较确定所述架空输电线路中各设备的脱冰跳跃趋势等级。

优选的，所述架空输电线路中各设备的脱冰跳跃趋势等级的确定包括：

基于不平衡张力、垂直荷载和最小电气间隙确定脱冰跳跃趋势等级；

优选的，所述架空输电线路的脱冰跳跃风险等级的确定包括：

基于脱冰跳跃趋势等级、脱冰趋势等级确定预警等级；

基于同一种发明构思，本发明还提供一种架空输电线路导地线脱冰跳跃风险等级预警系统，包括：

覆冰厚度计算模块，用于基于一定时间尺度逐时气象预报数据采用预先确定的导线覆冰厚度计算公式计算逐时导线覆冰厚度；

等级确定模块，用于基于所述逐时导线覆冰厚度、逐时气象预报数据，结合预先构建的有限元模型确定所述架空输电线路中各设备脱冰趋势等级和脱冰跳跃趋势等级；

风险等级预警模块，用于基于所述各设备脱冰趋势等级和所述脱冰跳跃趋势等级，确定架空输电线路的脱冰跳跃风险等级；

所述有限元模型用于将所述架空输电线路覆冰相关数据按区域分布进行构建。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供的一种架空输电线路导地线脱冰跳跃风险预警方法，包括：基于一定时间尺度逐时气象预报数据采用预先确定的导线覆冰厚度计算公式计算逐时导线覆冰厚度；基于所述逐时导线覆冰厚度、逐时气象预报数据，结合预先构建的有限元模型确定所述架空输电线路中各设备脱冰趋势等级和脱冰跳跃趋势等级；基于所述各设备脱冰趋势等级和所述脱冰跳跃趋势等级，确定架空输电线路的脱冰跳跃风险等级；所述有限元模型用于将所述架空输电线路覆冰相关数据按区域分布进行构建。本发明预判架空输电线路的脱冰跳跃风险等级，为提前开展线路机械除冰或融冰提供依据，及时有力的做好调度、运维等工作。

2、本发明的技术方案引入日辐射度数值和导线覆冰厚度，明确覆冰脱落日，开展架空输电线路导地线脱冰跳跃趋势预测。

3、本发明的技术方案根据天气要素预报结果，并结合架空输电线路地形地貌、线路结构参数和防脱冰跳跃装置部署情况等计算脱冰跳跃高度、不平衡张力、拐点处垂直荷载等，可以提高脱冰跳跃预警的时效性和实用性。

附图说明

图1为本发明的架空输电线路导地线脱冰跳跃风险预警方法流程图；

图2为本发明的架空输电线路导地线脱冰跳跃风险预警具体流程图；

图3为本发明的架空输电线路导地线脱冰跳跃风险预警系统框图；

图4为本发明的架空输电线路导地线脱冰跳跃风险预警系统功能图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

实施例1：

本发明提供了一种架空输电线路导地线脱冰跳跃风险预警方法，主要步骤包括数据收集与整理、高分辨率气象要素预测、基于气象要素预测的脱冰跳跃趋势预测、基于有限元模拟的脱冰跳跃趋势预测、脱冰跳跃风险等级预警等。

本发明为覆冰较为严重地区的架空输电线路脱冰跳跃风险等级预警提供了一种有效的解决手段。依据本发明开展的架空输电线路脱冰跳跃风险等级预警工作，对提升电网抵御脱冰跳跃灾害的能力具有十分重要的作用。

本发明提供的一种架空输电线路导地线脱冰跳跃风险预警方法，如图1所示，其主要包括：

S1基于获取的一定时间尺度逐时气象预报数据采用预先确定的导线覆冰厚度计算公式计算逐时导线覆冰厚度；

S2基于所述逐时导线覆冰厚度、逐时气象预报数据，结合预先构建的有限元模型确定所述架空输电线路中各设备脱冰趋势等级和脱冰跳跃趋势等级；

S3基于所述各设备脱冰趋势等级和所述脱冰跳跃趋势等级，确定架空输电线路的脱冰跳跃风险等级；

所述有限元模型用于将所述架空输电线路覆冰相关数据按区域分布进行构建。

如图2所示,在步骤S1之前还包括获取一定时间尺度逐时气象预报数据，具体如下：

步骤1、数据收集与整理

数据收集与整理包括架空输电线路本体相关信息以及输电线路覆冰相关数据。

架空输电线路本体相关信息包括线路的具体结构参数、电气间隙设计参数、走廊地形地貌、防脱冰跳跃措施部署情况等。相关信息将作为有限元模拟计算的初始输入数据。

输电线路覆冰相关数据包括架空输电线路所处地形、气候等数据，如历史上架空输电线路发生覆冰及覆冰故障时的气象参量数值，包括温度、风速、主导风向、风向与线路走向夹角、湿度、覆冰厚度等。

步骤2、高分辨率气象要素预测

利用数值天气模式以及气象资料同化手段，如综合运用实时四维资料同化技术(RTFDDA)与天气研究预报模式WRF等，开展细网格上与导线覆冰和脱冰相关的气象要素预测，如风速、风向、温度、湿度、冻雨过程的时间、降水量、辐射强度等。预测过程中，综合考虑高分辨率的地形资料，开展覆冰季节每日未来72小时逐时气象要素预报。

步骤S1基于获取的一定时间尺度逐时气象预报数据采用预先确定的导线覆冰厚度计算公式计算逐时导线覆冰厚度，具体包括:

脱冰量对脱冰跳跃高度、导线不平衡张力、挂点垂直荷载等有着举足轻重的影响，因此将覆冰厚度作为考虑的核心气象参量。当温度低于0℃时，导线覆冰厚度由式(1)计算，R为覆冰厚度(mm)，N为冻雨过程的时间(h)，P为过程降水率(mm/h)，ρ

式(1)所需参数数值均可在气象要素预报场中得到。

在步骤S2之前还包括有限元模型的构建，包括：

基于架空输电线路的结构参数、设计参数、防脱冰跳跃装置的布置情况，将架空输电线路走廊区域划分为若干个设定大小的细网格，每个细网格均有温度、湿度、风速、风向、降水量、覆冰厚度、辐射值的逐时数据构建有限元模型。

S2基于所述逐时导线覆冰厚度、逐时气象预报数据，结合预先构建的有限元模型确定所述架空输电线路中各设备脱冰趋势等级和脱冰跳跃趋势等级，具体包括：

脱冰日期预测是开展脱冰跳跃风险预警的重要步骤，可提前预判脱冰发生的日期。辐射强度与脱冰日期关系密切，因此将覆冰季节每日未来72小时逐时辐射值F(w/m2)作为考虑的核心气象参量。

基于气象要素预测的脱冰跳跃趋势预测：

某年某月某日细网格W

(1)脱冰跳跃趋势预测启动条件

当导线标准冰厚R

(2)覆冰脱落日判断

脱冰跳跃趋势预测判断工作启动后，计算后续每日逐时标准冰厚和逐时辐射值。

通过式(2)计算日辐射平均值：

其中

通过式(3)计算日辐射最大值：

F

其中F

当某日满足式4所列条件时，判定该日为覆冰脱落日。

(3)脱冰趋势等级判断

综合考虑覆冰脱落日标准覆冰厚度和最高气温的实验数据，可以判定脱冰趋势，具体判定准则如式(5)。

按照是否满足Q

(4)基于有限元模拟的脱冰跳跃过程预测

将架空输电线路走廊区域区分为若干个1km*1km的细网格，每个细网格由W

根据步骤1获取的架空输电线路资料，包括线路结构参数、设计参数、防脱冰跳跃装置部署情况等，构建架空输电线路的有限元模型，这里的有限元模型包括：根据架空输电线路资料在若干个指定粒度的细网格(例如，粒度可以为1km*1km)中的布局。

当判断出的覆冰脱落日时，将步骤2获取的逐时气象预报数据，包括风速、风向、降水、覆冰厚度等作为有限元模型的输入条件。假定不均匀脱冰工况，模拟计算架空输电线路的响应，如导地线跳跃高度、不平衡张力、挂点处垂直荷载等。基于有限元模拟的脱冰跳跃趋势等级通过式(6)、(7)、(8)和(9)判定：

S3基于所述各设备脱冰趋势等级和所述脱冰跳跃趋势等级，确定架空输电线路的脱冰跳跃风险等级，具体包括：脱冰跳跃风险预警判断；

发布架空输电线路导地线脱冰跳跃风险预警需要综合考虑气象要素预测脱冰趋势等级和基于有限元计算的(各区域各设备的)脱冰跳跃趋势等级，做出架空输电线路脱冰跳跃风险等级预警。I级预警、II级预警和III级预警分别满足的条件如式(10)、(11)、(12)所示：

同时满足F

架空输电线路导地线脱冰跳跃风险预警结果应该由预报员和设备管理人员、生产运维人员根据经验会商决定。

根据上述步骤，可以提供覆冰季节未来72小时逐时脱冰跳跃风险等级预警。

实施例2：

基于同一种发明构思，本发明还提供了一种架空输电线路导地线脱冰跳跃风险等级预警系统，如图3所示，包括：覆冰厚度计算模块，等级确定模块，风险等级预警模块；其实现的功能，如图4所示：

覆冰厚度计算模块，用于基于一定时间尺度逐时气象预报数据采用预先确定的导线覆冰厚度计算公式计算逐时导线覆冰厚度；

所使用的覆冰厚度的计算公式如下式所示：

式中，R为覆冰厚度(mm)，N为冻雨过程的时间(h)，P为过程降水率(mm/h)，ρ

等级确定模块，用于基于所述逐时导线覆冰厚度、逐时气象预报数据，结合预先构建的有限元模型确定所述架空输电线路中各设备脱冰趋势等级和脱冰跳跃趋势等级；

风险等级预警模块，用于基于所述各设备脱冰趋势等级和所述脱冰跳跃趋势等级，确定架空输电线路的脱冰跳跃风险等级；风险等级预警包括I级预警、Ⅱ级预警和Ⅲ级预警。

等级确定模块，包括：脱落日判断子模块、脱冰趋势预测子模块和跳跃趋势等级子模块：

脱落日判断子模块，用于基于所述逐时气象预报数据中的日辐射平均值和日辐射最大值在设定时间段内的增加量判断覆冰脱落日；

脱冰趋势预测子模块，用于将判定为覆冰脱落日时的逐时导线覆冰厚度和逐时气象预报数据中的最高气温与设定脱冰跳跃等级阈值进行比较，确定架空输电线路中各设备脱冰趋势等级；

跳跃趋势等级子模块，用于所述逐时气象预报数据和预先构建的有限元模型确定所述架空输电线路中各设备的脱冰跳跃趋势等级。

脱落日判断子模块具体如下：

判别是否启动脱冰跳跃趋势预测趋势判断工作，当导线标准冰厚R

脱冰跳跃趋势预测判断工作启动后，计算后续每日逐时标准冰厚和逐时辐射值。

通过式(2)计算日辐射平均值：

通过式(3)计算日辐射最大值：

F

当某日满足式4所列条件时，判定该日为覆冰脱落日。

脱冰趋势预测子模块具体包括：

综合考虑覆冰脱落日标准覆冰厚度和最高气温的实验数据，可以判定脱冰趋势，具体判定准则如式(5)。

按照是否满足Q

跳跃趋势等级子模块具体如下：

基于有限元模拟的脱冰跳跃过程预测

将架空输电线路走廊区域区分为若干个1km*1km的细网格，每个细网格由W

根据步骤1获取的架空输电线路资料，包括线路结构参数、设计参数、防脱冰跳跃装置部署情况等，构建架空输电线路的有限元模型，这里的有限元模型包括：根据架空输电线路资料在若干个指定粒度的细网格(例如，粒度可以为1km*1km)中的布局。

当判断出的覆冰脱落日时，将步骤2获取的逐时气象预报数据，包括风速、风向、降水、覆冰厚度等作为有限元模型的输入条件。假定不均匀脱冰工况，模拟计算架空输电线路的响应，如导地线跳跃高度、不平衡张力、挂点处垂直荷载等。基于有限元模拟的脱冰跳跃趋势等级通过式(6)、(7)、(8)和(9)判定：

风险等级预警模块包括：

模拟子模块，用于将逐时气象预报数据中的风速、风向、降水、覆冰厚度输入到有限元模型中，假定不均匀脱冰工况，模拟计算架空输电线路的不平衡张力、挂点处垂直荷载、最小电气间隙；

判断子模块，用于基于所述架空输电线路的不平衡张力、挂点处垂直荷载、最小电气间隙与设计值比较确定所述架空输电线路中各设备的脱冰跳跃趋势等级。

风险等级预警模块具体过程如下：

发布架空输电线路导地线脱冰跳跃风险预警需要综合考虑气象要素预测趋势等级和基于有限元计算的(各区域各设备的)脱冰跳跃过程，做出架空输电线路脱冰跳跃风险等级预警。I级预警、II级预警和III级预警分别满足的条件如式(10)、(11)、(12)所示：

同时满足F

架空输电线路脱冰跳跃风险预警结果应该由预报员和设备管理人员、生产运维人员根据经验会商决定。

根据上述步骤，可以提供覆冰季节未来72小时逐时脱冰跳跃风险等级预警。

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

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。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，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，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。