專利名稱：一種基于模擬隨機陣風場計算的輸電線路風振治理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到一種基于模擬隨機陣風場計算的輸電線路風振治理方法。
背景技術：
輸電線路是電網(wǎng)中電能傳輸?shù)闹饕考?，輸電線路的正常、安全運行是避免電網(wǎng)重大事故的重要保障。桿塔-導/地線體系作為輸電線路的支撐體，它是由導線、絕緣子和輸電塔組成的具有強烈非線性的復雜耦聯(lián)體系。輸電塔是ー種高聳柔性結構，對風荷載等動カ荷載比較敏感，易產(chǎn)生較大的動カ響應。輸電塔系統(tǒng)的破壞會導致供電系統(tǒng)的癱瘓，這不僅嚴重地影響生產(chǎn)建設、生活秩序，而且會引發(fā)次生災害，給社會和人民生命財產(chǎn)造成嚴重的后果。近年來世界范圍輸電線路的風振災害呈現(xiàn)了遞增趨勢。在我國，輸電塔系統(tǒng)的破壞情況也很嚴重，輸電塔被風吹倒之事，幾乎毎年都有發(fā)生。風振嚴重時，可能引起相間閃絡、跳閘停電、線夾等金具損壞、導線斷股甚至桿塔倒塌，是輸電線路的重大災害之一。針對風振對輸電系統(tǒng)的破壞，目前還沒有比較成熟的風振治理方法。有關學者專家基于導線風振機理、風振治理和防風措施的研究，先后總結出ー些風振治理方法。但現(xiàn)有方法仍存在較大的局限性(I)沒有綜合考慮桿塔-導/地線體系及風振治理裝置的耦合效應；(2)沒有考慮風場的隨機性。中國發(fā)明專利“減小高塔結構風振響應的動カ吸振和耗能裝置”(專利號CN 1840794A)提出了ー種針對桿塔結構(直接針對桅桿結構)振動進行減振控制的裝置；中國發(fā)明專利“一種輸電線路高塔風振控制方法”(專利號CN101692566A)提供了一種采用粘弾性阻尼器并聯(lián)安裝于鐵塔主材外側(cè)控制其彎曲振動的方法。兩者均針對桿塔本身或其中的一部分提出相應的防振方法，沒有考慮桿塔-導/地線體系及風振治理裝置的耦合效應及風場的隨機性。中國發(fā)名專利“基于振動發(fā)電的高壓線微風振動在線監(jiān)測裝置及方法”(專利號CN 102288281A)提出了一種基于振動檢測電路對輸電線振動幅值或頻率進行檢測的方法，其主要研究高壓線的風振檢測，既沒有提出有效的風振治理方法，也沒有綜合考慮桿塔-導/地線體系及風振治理裝置的耦合效應。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題，就是提出ー種考慮隨機陣風場與桿塔-導/地線系統(tǒng)結構間的流固耦合的輸電線路風振治理方法，進ー步提高輸電線路風振治理的科學性與有效性。本發(fā)明的方法，步驟包括步驟包括S1隨機陣風場的模擬；S2建立桿塔-導/地線-風振治理裝置一體化系統(tǒng)的動力學模型；S3根據(jù)隨機陣風場分析輸電線路的風振治理效果，判斷風振強度和確定安裝風振治理裝置。SI隨機陣風場的模擬基于多維隨機振動理論，按照諧波合成法生成設計風速下的風荷載時間歷程樣本，對風場進行模擬；在大氣邊界層中，風場運動是關于時間和空間相關的各向非均勻隨機過程，將其假定為具有零均值的三維多變量平穩(wěn)隨機過程，在笛卡爾坐標系中的風場運動表示為
U = U(z)+u(y,z,t)< v = v(y,z,t)(I)
w = w{y,z,t)式中，U為縱向來流風速(X方向)；ヲ為縱向平均風速(X方向)；u，V，w分別為縱向(X方向)、側(cè)向(Y方向)和垂向(Z方向)脈動風速分量；t為時間。
SI實施步驟如下Sl-I計算平均風速平均風速的描述方法主要有對數(shù)律和指數(shù)律，選取A. G. Davenport指數(shù)律理論，則任意高度處的平均風速可以表示為
、 一 (2)式中，Zb-標準參考高度-為標準參考高度處得平均風速；z_當前高度& -當前高度處的平均風速；a -地面粗糙度。S1-2計算脈動功率譜風場存在功率，Kaimal縱向脈動風速譜
Sv(z,n) 20(k*ベ (l + 50xj^(3)式中n_風振頻率；v*_地面摩擦速度，即
k ■ Vi0巾 _ , 10 、其中，k-卡曼(Karman)常數(shù)，k ^ 0. 4 ；y,0 -高度IOm處的平均風速Vi0-地面粗
yi2
糙長度(m)，取0. 9 'Z-高度坐標;x* =W為無量綱坐標。S1-3諧波疊加及相關性計算諧波疊加法是由Shinozuka等提出的平穩(wěn)隨機過程數(shù)值模擬方法，Ui (t) (i = I,2,3......m)是m個具有零均值的ー維多變量高斯平穩(wěn)隨機過程，其互譜密度矩陣為
( ) ^i2 ( ) . . . K )
^21 ( ) ^22 ( ) ' ' ' ^2m ( )^( ) =
Ai( ) ( ) . . . Smm(co)\(4)式中，Sij(W)(i = 1,2......m ； j = 1,2......m)為互相關函數(shù) Rij ( t ) (i 尹 j)
或自相關函數(shù)Rii(T)的Fourier變換。不計導線/地線在傳輸方向上的高差變化，只考慮其側(cè)向相關性，其相關系數(shù)可表示為R(n,iJ) = Q^{ n y—少;)}
'(5)
式中Cy表示橫向衰減系數(shù)，E. Simin建議Cy = 8, Vi, Vj分別表示i,j 點的平均風速，Vtj = (Vi +')/2.風速的互功率譜為A =」StiSjRin^j).對S (w)進行 Cholesky 分解,則S(w) = H(w)H*(w)t (6)式中，H(co)是下三角矩陣，H*( )T是復共軛轉(zhuǎn)置矩陣；H(GJ)表達式如下
Hu(ct>) 0 ... 0 H2M) H22(O)) ... 0H ( )=
_^mi( ) S. . . Smm(a>)(7)根據(jù)Shinozuka理論，隨機過程{も(t)}的樣本可由下式來模擬
i N_U1 (O = ZZl Hu ) IV"l^k xcos[a)kt-0a(a)k) + (plkl i = 1，2， ，m(8)式中N為頻率等分數(shù)，即頻率域內(nèi)的數(shù)據(jù)采樣數(shù)目，為了利用FFT技木，一般N=2' a為正整數(shù)；Sil(Ok)為結構上兩個不同載荷作用點之間的相位角，
/I / 、-I f( )]]
0u(^k) = tm jRe[丑“ )]j 為介于0 2 之間均勻分布的隨機相位角；取上限截止
'SPlk
頻率為《 U，可估算其值J:S(co)d(o = (l-s)^ S(a)d(o,。)S(GJ)為功率譜密度函數(shù)，e くく I ；Acok = Y根據(jù)Shinozuka提出的雙下標頻
9
率概念，可按下式取值(Ok =(k -l)A0t H--A.a>k (k = I, 2, . . . , N ；1 = 1, 2, . . . , m)(10)為了避免模擬結果失真，采樣數(shù)不小于2N，時間增量At應滿足以下條件^t-—
c0U由此，時間增量A t的取值可按下式計算
權利要求
1.一種基于模擬隨機陣風場計算的輸電線路風振治理方法，步驟包括S1隨機陣風場的模擬；S2建立桿塔-導/地線-風振治理裝置一體化系統(tǒng)的動力學模型；S3根據(jù)隨機陣風場分析輸電線路的風振治理效果，判斷風振強度和確定安裝風振治理裝置； SI隨機陣風場的模擬 基于多維隨機振動理論，按照諧波合成法生成設計風速下的風荷載時間歷程樣本，對風場進行模擬 在大氣邊界層中，風場運動是關于時間和空間相關的各向非均勻隨機過程，將其假定為具有零均值的三維多變量平穩(wěn)隨機過程，在笛卡爾坐標系中的風場運動表示為
2.根據(jù)權利要求I所述的基于模擬隨機陣風場計算的輸電線路風振治理方法，其特征是所述的步驟S1-4風速數(shù)值模擬流程如下 S1-4-1選取空間需要模擬的m個點； S1-4-2根據(jù)指數(shù)律計算m個點處的平均風速；
全文摘要
一種基于多維隨機陣風場模擬、輸電線路鐵塔-導/地線一體化系統(tǒng)模型計算的輸電線路風振治理方法首先，基于多維隨機振動理論，根據(jù)諧波合成法生成風荷載時間歷程樣本，對風場進行模擬；其次，建立桿塔-導/地線-風振治理裝置一體化系統(tǒng)的動力學模型，對導/地線進行初始形態(tài)分析，設置模型的邊界條件；第三，將風荷載轉(zhuǎn)換為風壓，對輸電線路塔線系統(tǒng)進行加載，利用仿真軟件計算鐵塔桿件的軸應力和位移-時間歷程；最后，分析判斷風振強度與風振抑制效果，通過優(yōu)化方案來提高治理效果。本發(fā)明考慮輸電線路桿塔、導線及地線間的剛?cè)釀恿W耦合、隨機陣風場與桿塔-導/地線系統(tǒng)結構間的流固耦合，由此確定的風振治理方法，具有更好的實施效果。
文檔編號H02G7/14GK102623939SQ201210025018
公開日2012年8月1日 申請日期2012年2月6日 優(yōu)先權日2012年2月6日
發(fā)明者宋云超, 李鵬云, 王偉, 肖曉暉, 鐘萬里, 陳航航 申請人:廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院, 武漢大學