一种基于三维导地线模型模拟现实情景的方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于三维导地线模型模拟现实情景的方法，包括以下步骤：1)利用悬链线方程在三维空间建立线缆的模型；2)使用物理方法建立贴近现实的导地线模型；3)求解现实情景下导地线模型的静态解；本发明方法具有展示三维效果、更加贴近现实、能够对模型进行受力计算和空间位置分析、模拟线缆在覆冰等各类气象条件下的真实空间位置情况、模拟多跳线和脱冰跳跃等情景以及有助于风偏时安全距离的计算等优点，可广泛用于输电线路的模拟。
【专利说明】一种基于三维导地线模型模拟现实情景的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种输电线路模拟方法，特别是关于一种基于三维导地线模型模拟现 实情景的方法。
【背景技术】
[0002] 导地线模型指架空输电线路中所使用的导线、地线、0PGW(光纤复合架空地线）等 不同线缆，以及用于连接线缆与杆塔的绝缘子串、金具等相关装置的三维模型。建立导地线 模型时，需要考虑环境因素对导地线模型空间姿态的影响，以及由空间姿态变化所引起的 绝缘子串及金具空间相对位置变化的情况，对于导地线模型还需要考虑多分裂情况下每根 导地线的空间位置关系。
[0003] 现阶段导地线模型的建立普遍使用三维建模软件，由具备相关软件使用技术的专 门人员根据工程设计图纸进行结构化建模。建模时首先确定线缆在空间中挂点的位置，然 后根据相邻两挂点之间使用的直线或弧线进行结构化建模。因结构化建模时所采用的三维 导地线模型缺少设备参数和设计参数，因而无法对导地线模型进行受力计算及空间位置分 析，因此，仅仅能够用于三维效果展示，而实用价值则大打折扣。在工程设计成果的基础上 进行建模，一方面因增加输电工程设计的工作量，而大大延长工程设计周期；另一方面，建 模人员缺乏相关专业知识的储备，同时还受限于建模软件的功能而只能使用直线模型示意 性的表现导地线模型，遇到分裂导线、硬跳线和多跳线等复杂模型则无从下手，所建模型质 量无法保证。
【发明内容】
[0004] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种不仅能够展示三维效果，还能对导地线 模型进行受力计算和空间位置分析，且使建立的导地线模型更加贴近现实的基于三维导地 线模型模拟现实情景的方法。
[0005] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于三维导地线模型模拟现实 情景的方法，包括以下步骤：1)利用悬链线方程在三维空间建立线缆的模型：
【权利要求】
1. 一种基于三维导地线模型模拟现实情景的方法，包括以下步骤： 1) 利用悬链线方程在三维空间建立线缆的模型：
式中，Pt是线缆上任一点的空间坐标；Ph是悬链线坐标系原点的空间坐标；X(l、y(l是线 缆最低点的坐标值，单位是m ;x、y是线缆任意一点坐标值，单位是m ; γ是线缆所受比载的 大小，单位是N/m · mm2 ; σ ^是线缆最低点应力大小，单位是N/mm2 ;vtX、vtZ分别是X、Z轴 的向量； 2) 使用物理方法建立贴近现实的导地线模型 导地线模型指的是线缆和绝缘子串一体化的模型；假设绝缘子串为刚性直棒结构，且 在铁塔上的挂点固定不动，绝缘子串在线缆拉力、自重力、冰重力和风力等的作用下在静态 时达到杠杆平衡；假设自重力、冰重力和风力作用在绝缘子串中心、线缆拉力作用在绝缘子 串下端，那么绝缘子串达到杠杆平衡时，合作用力向量与绝缘子串方向平行； 绝缘子串合作用力模型为： 绝缘子串合作用力=线缆拉力+(自重力+冰重力+风力）/2 (2) 绝缘子串方向的模型为： 绝缘子串方向=绝缘子串下端点位置-绝缘子串上端点位置 （3) 绝缘子串上端点的位置为绝缘子串在铁塔上的挂点，绝缘子串下端点的位置根据所述 步骤1)的公式1)获得； 3) 求解现实情景下导地线模型的静态解 根据所述步骤2)可知第j次计算第i个绝缘子串达到杠杆平衡时合作用力向量vtF，_ 为：
式中，vtCi为第i段线缆所受自重力、冰重力和风力的合力向量，单位是N ; 、ν'/β/_ | 分别为第j次计算第i段线缆两端挂点的拉力向量，单位是Ν ; 根据所述步骤2)可知第j次计算第i个绝缘子串方向向量W//为：
ρ/β,'为第j次计算第i个绝缘子串下端点的坐标；ptUi为第j次计算第i个绝缘子串 上端点的坐标； 根据式所述式（4)和式（5)计算所有绝缘子串对应的合作用力向量和绝缘子串方向向 量，进而计算各绝缘子串合作用力向量vtF与绝缘子串方向向量vtl的夹角，获取夹角最大 的绝缘子串；将最大夹角与预设值相比较，若最大夹角小于预设值，则认为导地线模型达到 平衡状态，否则调整第i个绝缘子串下端点的位置，进行第j+Ι次计算，直到导地线模型达 到平衡状态。
2. 如权利要求1所述的一种基于三维导地线模型模拟现实情景的方法，其特征在于： 所述步骤1)包括以下步骤： ① 获取线缆两端的挂点ptl和pt2,并计算线缆的比载向量vt γ ; ② 建立悬链线坐标系，具体为：以线缆的比载向量vt γ的反方向为Z轴，挂点ptl到 Pt2向量减去Z轴方向上分量后的向量为X轴，使用右手法则得到出Y轴，构成右手直角坐 标系，称为悬链线坐标系，悬链线坐标系的表达式如下：
式中，vtX、vtY、vtZ分别是X、Y、Z轴的向量；normal (_vt γ )是比载向量vt γ反方向 的单位向量；normal ((pt2-ptl)-(pt2-ptl) · vtZ · vtZ)是挂点 ptl 到 pt2 向量减去 Z 轴 方向上分量后的单位向量； ③ 通过标准悬链线方程计算悬链线坐标系内线缆任意一点的坐标，标准悬链线方程 为：
式中，X(I、yci是线缆最低点的坐标值，单位是m ;x、y是线缆任意一点坐标值，单位是m ; Y是线缆所受比载的大小，单位是N/m · mm2 ; %是线缆最低点应力大小，单位是N/mm2 ; 线缆在悬链线坐标系下的XZ轴平面上构成标准二维悬链线且在悬链线坐标系Y轴上 的分量永远为零，所以，通过式（7)计算得到的线缆任意一点在悬链线坐标系内的坐标值 为：
④ 使用坐标系转换函数将线缆任意一点的坐标转换到三维空间坐标系内，以生成线缆 上任意一点的三维坐标，从而得到三维导地线模型：
式中，Pt是导地线上任一点的空间坐标；Ph是悬链线坐标系原点的空间坐标；利用三 维线缆模型即可将线缆上所有点转换为三维空间坐标。
3. 如权利要求1所述的一种基于三维导地线模型模拟现实情景的方法，其特征在 于：所述步骤2)中线缆拉力的求解方法如下：通过已有技术得到线缆上任意一点的应力 向量的悬链线坐标（〇 a, 〇, sinh( γ / σ Q(x-xQ)))，转换到三维空间为σ。· vtX+sinh( γ / 〇 q(X-Xq) )*vtZ，将在三维空间求解得到的应力乘以线缆的横截面面积即可得到线缆拉力。
4. 如权利要求2所述的一种基于三维导地线模型模拟现实情景的方法，其特征在 于：所述步骤2)中线缆拉力的求解方法如下：通过已有技术得到线缆上任意一点的应力 向量的悬链线坐标（〇 a, 〇, sinh( γ / σ Q(x-xQ)))，转换到三维空间为σ。· vtX+sinh ( γ / 〇Q(X-X(l)) · vtZ，将在三维空间求解得到的应力乘以线缆的横截面面积即可得到线缆拉 力。
5.如权利要求1或2或3或4所述的种基于三维导地线模型模拟现实情景的方法，其 特征在于：所述步骤3)包括以下步骤： ① 确定已知参数，已知各绝缘子串上端点位置为ptlV ptUp ......、ptUN;已知绝缘子 串所受自重力、冰重力、风力合力向量为vtC。、vtQ、......、vtCN ;各段线缆所受比载向量为 ν? Υ 〇λ ν? Υ 1 λ ......、ν? Υ ν-1，^度为 1。、丄1、......、In-1 ; ② 求解具体情景下线缆悬链线方程和线缆对绝缘子串的拉力，记第j次计算时当前 绝缘子串下端点初始位置为MAi、p/A、……、/^>(，则第i段线缆两端挂点分别为 p/D/、，所受比载向量为vt γ i，长度为li，据此可以得到第i段线缆的悬链线公式， 求解所有段线缆的悬链线公式；根据第i段线缆的悬链线公式能够得到第i段线缆对两端 挂点piD/、辦￡匕的拉力分别为vG/、v/5/，进而计算所有段线缆对其两端挂点的拉力； ③ 判断具体情景下导地线模型的状态，具体情景下第i个绝缘子串所受外力有vtCi、 和，由于认为vtCi作用在绝缘子串中心，ν?穿和v境&作用在绝缘子串下端，故当 绝缘子串达到杠杆平衡时合作用力vtF^_为： vtC vtF/ = ^ 1 +vtS- +vtB/_l (9 ) 已知具体情景下第i个绝缘子串方向向量v///为： ν'"/ （10) 根据式（9)和式（10)计算所有绝缘子串对应的合作用力和绝缘子串的方向，进而计算 各绝缘子串合作用力vtF与绝缘子串方向vtl的夹角，获取夹角最大的绝缘子串；将最大夹 角与预设值相比较，若最大夹角小于预设值，则认为导地线模型达到平衡状态，即可得到具 体情景下线缆的空间位置和绝缘子串受力情况，否则进行下一步； ④ 假定上一步中夹角最大的绝缘子串的下标为k。根据第j次计算得到的绝缘子串合 作用力〃G7,假定前后绝缘子串下端点^0/+1固定不动，调整此绝缘子串下端点 位置为P<+1，使得调整后此绝缘子串合作用力与绝缘子串方向ri/f1的夹角小于 预设值，联合其它绝缘子串下端的位置，得到第j+Ι次计算时所有绝缘子串下端点的初始 位置p/ΑΓ 1、/M/11、……、/〃叱1，跳转至步骤②，直到导地线模型达到平衡状态。
【文档编号】G06F17/50GK104102763SQ201410232050
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】盛大凯, 隗刚, 齐立忠, 胡劲松, 胡君慧, 郄鑫, 李晋, 韩念遐 申请人:国家电网公司, 国网北京经济技术研究院, 北京道亨时代科技有限公司