输电线路覆冰灾害发展趋势预测方法及装置与流程

本发明涉及输电线路覆冰灾害预测技术领域，特别是涉及一种输电线路覆冰灾害发展趋势预测方法及装置。

背景技术：

架空输电线路的覆冰轻则引起线路过载荷以及导线舞动等危害，重则致使断线、倒塔，以致电网瘫痪。由此可见，架空输电线路覆冰严重地影响了输电网的可靠性，给电力系统的安全稳定运行带来了巨大的威胁。由于输电线路覆冰主要受气象因子的影响，因此从气象因子方面讨论输电线路覆冰规律以及建立大气候背景下的输电线路覆冰预测模型具有十分重要的意义。

覆冰增长机理研究的一般思路是以气象数据为依据，根据覆冰的热力学过程，建立理论模型，根据理论模型就能够预测线路或人工构筑物冰荷载增长趋势。这方面的研究工作经过多年的发展形成了许多基于气象数据针对线路进行覆冰计算的公式和模型，最具代表性的有Imai模型、Lenhard模型、Goodwin模型、Chaine模型、Makkonen模型、CRREL模型以及蒋兴良教授提出的一种较完善的流体力学模型等。但所有这些被提出或正在使用的模型或公式都不能充分表明其完备性，因为这些模型在预测同一气象条件下产生的冰重时会出现相差较大的预测结果。

由于模型预测与实际测量间的较大差异，所以直到现在多数模型仍在不断研究和完善之中。由于没有常规和标准的导线覆冰观测，因此，建立导线覆冰的模型显然是必要的。而实际情况下，导线覆冰工况十分复杂，因此水滴撞击特性也就变得十分复杂。

技术实现要素：

本发明实施例中提供了一种输电线路覆冰灾害发展趋势预测方法及装置，以解决上述问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种输电线路覆冰灾害发展趋势预测方法，包括：

对计算区域进行网格划分；

在所述网格划分的基础上进行空气流场计算，获得流场速度分布；

根据所述流场速度分布计算水滴碰撞轨迹；

根据所述水滴碰撞轨迹对导线表面水膜的运动进行仿真，获得覆冰增长量；

根据所述覆冰增长量得到覆冰表面，完成覆冰结构构造。

优选地，所述对计算区域进行网格划分，包括：

在覆冰区域外部采用结构化网格，在覆冰区域采用动网格，所述覆冰区域外部和所述覆冰区域均属于所述计算区域。

优选地，在所述网格划分的基础上进行空气流场计算，获得流场速度分布，包括：

基于二维控制方程，对控制方程进行雷诺平均，得到控制方程组，所述控制方程组中包括动量方程和压力修正值方程；

以速度和压力作为基本变量，对所述控制方程组进行求解，得到流场速度分布。

优选地，根据所述流场速度分布计算水滴碰撞轨迹，包括：

根据所述流场速度分布计算水滴运动轨迹；

根据所述水滴运动轨迹中水滴的位置插值到网格节点上；

根据所述网格节点中水滴的位置计算局部碰撞率，所述局部碰撞率用于表征所述水滴碰撞轨迹。

优选地，根据所述水滴碰撞轨迹对导线表面水膜的运动进行仿真，获得覆冰增长量，包括：

根据所述水滴碰撞轨迹估算出水膜的平均速度；

根据外界环境影响参数确定覆冰密度，所述外界环境影响参数包括空气温度、风速、水滴大小、空气中液水含量以及捕获物的大小、形状；

根据所述水膜的平均速度和所述覆冰密度确定覆冰体积，所述覆冰体积用于表征所述覆冰增长量。

第二方面，本发明实施例提供了一种输电线路覆冰灾害发展趋势预测装置，包括：

网格划分模块，用于对计算区域进行网格划分；

流场计算模块，用于在所述网格划分的基础上进行空气流场计算，获得流场速度分布；

水滴碰撞轨迹计算模块，用于根据所述流场速度分布计算水滴碰撞轨迹；

覆冰增长量计算模块，用于根据所述水滴碰撞轨迹对导线表面水膜的运动进行仿真，获得覆冰增长量；

覆冰结构构造模块，用于根据所述覆冰增长量得到覆冰表面，完成覆冰结构构造。

优选地，所述网格划分模块具体用于在覆冰区域外部采用结构化网格，在覆冰区域采用动网格，所述覆冰区域外部和所述覆冰区域均属于所述计算区域。

优选地，所述流场计算模块包括：

控制方程组确定子模块，用于基于二维控制方程，对控制方程进行雷诺平均，得到控制方程组，所述控制方程组中包括动量方程和压力修正值方程；

流场速度分布计算子模块，用于以速度和压力作为基本变量，对所述控制方程组进行求解，得到流场速度分布。

优选地，所述水滴碰撞轨迹计算模块包括：

水滴运动轨迹计算子模块，用于根据所述流场速度分布计算水滴运动轨迹；

插值子模块，用于根据所述水滴运动轨迹中水滴的位置插值到网格节点上；

局部碰撞率计算子模块，用于根据所述网格节点中水滴的位置计算局部碰撞率，所述局部碰撞率用于表征所述水滴碰撞轨迹。

优选地，所述覆冰增长量计算模块包括：

水膜厚度估算子模块，用于根据所述水滴碰撞轨迹估算出水膜的平均速度；

覆冰密度确定子模块，用于根据外界环境影响参数确定覆冰密度，所述外界环境影响参数包括空气温度、风速、水滴大小、空气中液水含量以及捕获物的大小、形状；

覆冰体积确定子模块，用于根据所述水膜的平均速度和所述覆冰密度确定覆冰体积，所述覆冰体积用于表征所述覆冰增长量。

由以上技术方案可见，本发明实施例提供的输电线路覆冰灾害发展趋势预测方法及装置，在导线覆冰理论计算研究的基础上，编制了导线覆冰过程中过冷却水滴碰撞导线的数值模型，该模型将反馈的两随机水滴位置插值到网格节点上，最终获得过冷却水滴局部碰撞位置，实现对导线覆冰过程的模拟。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种输电线路覆冰灾害发展趋势预测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种过冷却水滴局部碰撞位置示意图；

图3为本发明实施例提供的一种水膜流动方向示意图；

图4为本发明实施例提供的一种输电线路覆冰灾害发展趋势预测装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种输电线路覆冰灾害发展趋势预测方法的流程示意图，如图1所示，该方法主要包括以下步骤。

步骤S101：对计算区域进行网格划分。

流场计算的准确性将直接关系到结冰区和结冰量计算的准确性，该计算区域中，覆冰区域外部采用结构化网格，在紧贴导线表面处，局部加密网格作为附面层区域O形网格并在结冰区域采用动网格技术，来流前缘取导线直径长度的15倍，尾流后缘取导线直径长度的30倍。

步骤S102：在所述网格划分的基础上进行空气流场计算，获得流场速度分布。

在本发明实施例中基于二维Navier-Stocks控制方程，并对控制方程进行雷诺平均，得到式一所示的控制方程组。

式一：

其中，ρ为空气密度；u、v分别为流场沿x、y轴方向的速度分量；p为压力；μ为空气分子黏性系数；为雷诺应力。由于模拟圆形截面结冰的物理过程，以及准确计出算圆形绕流后涡的脱落及其气动特性，其中中湍流模型采用k-ω方程模型。

采用以速度和压力作为基本变量的计算方法对流场进行求解，将动量方程与压力修正值方程结合起来，求解压力耦合方程。空气绕流流场数值模拟中所使用的几种边界条件如下：

1)来流边界条件：边界上的速度以速度入口确定自由来流速度，压力采用二阶外推；

2)出流边界条件：

3)壁面边界条件：采用无滑移边界条件，壁面处速度为零，压力p法向一阶导数为0，k和ε使用壁面函数处理。

步骤S103：根据所述流场速度分布计算水滴碰撞轨迹。

在本发明实施例中，先对水滴运动轨迹计算，然后再对局部碰撞率计算。

1)水滴运动轨迹计算。

根据Messinger B.L.等关于水滴绕二维物体运动的研究，得到的运动轨迹离散项方程如式二和式三所示。

式二：

式三：

其中，K为水滴惯性参数；Re为相对运动雷诺数；w_x、w_y为水滴的速度；r为水滴半径；D为导线直径；V₀为来流速度；ρ_w为水的密度；C_D为曳力系数。

2)局部碰撞率计算。

表征水滴的撞击特性的参数有总碰撞率和局部碰撞率。总碰撞率反映水滴的惯性积聚效率，确定出撞击水量沿物面的分布后，就可以知道沿物面形成冰的形状。对于离散相水滴撞击水量沿物面的分布的研究必须对反映微元表面的水收集能力的局部碰撞率进行计算。本文基于离散相模型，对导线迎风面前的过冷却水滴以w_x＝μ、w_y＝v＝0撞击导线表面，同时借助UDF功能实现二次开发，获得了水滴局部碰撞率。然而，在模型计算中，两水滴之间的位置是随机的，因此需将反馈的水滴位置插值到导线网格节点上，最终计算局部碰撞率，通过离散模型获得的过冷却水滴局部碰撞位置如图2所示。

根据定义可得局部碰撞率的公式如式四所示。

式四：

其中，dl为与微元表面上、下两条小脚轨迹的水滴原始纵坐标之差；dL为微元表面上、下界限间的表面长度。

步骤S104：根据所述水滴碰撞轨迹对导线表面水膜的运动进行仿真，获得覆冰增长量。

1)表面水膜运动的计算。

a、覆冰表面的水视为一层薄水膜；b、每个微元内的水膜厚度与水膜的面积相比非常薄，可将其视为平板上的层流；c、水膜的流动视为定常，且认为水膜的厚度在相邻时间步长上无突变。

在高雷诺数下，圆柱表面的水膜将于分离点开始分为两股朝相异方向运动的水流。影响水膜运动方向的力仅有空气阻力和重力，分别表示为式五和式六。

式五：

式六：

如果V_t>V_g，水膜将向上运动；反之，水膜将向下运动。表面水膜的运动方向为从i微元流向i+1微元，当空气阻力大于重力时，针对一特定微元，如果忽略脱落水的影响，收集水的总质量为碰撞水滴的质量m_i和前一微元未冻结的水滴质量m_r。如果知道了水膜的厚度，则可以估算出水膜的速度。单位导线表面流量如式七所示。

式七：

水膜的平均速度如式八所示。

式八：

其中，d为水膜的厚度。因此，研究推导出了当水膜如图2所示方向运动时，水膜的厚度与平均速度。当水膜反方向运动的时候，需要改变上面推导中的表面摩擦力的方向，因此，可将导线表面按图3分为5个区域，所述5个区域中水膜的厚度分别按表1中所列的公式计算。

表1：

2)覆冰密度计算。

覆冰的密度与空气温度、风速、水滴大小、空气中液水含量以及捕获物的大小、形状、覆冰物体表面动态热平衡过程等多种因素有关。在本发明实施例中，选择了Jone&Macklin模型，如式九所示。

式九：

其中，R_d＝-rV/T，r为水滴半径；V为风速；T为覆冰表面温度。

步骤S105：根据所述覆冰增长量得到覆冰表面，完成覆冰结构构造。

由以上技术方案可见，本发明实施例提供的输电线路覆冰灾害发展趋势预测方法及装置，在导线覆冰理论计算研究的基础上，编制了导线覆冰过程中过冷却水滴碰撞导线的数值模型，该模型将反馈的两随机水滴位置插值到网格节点上，最终获得过冷却水滴局部碰撞位置，实现对导线覆冰过程的模拟。

在上述方法实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种输电线路覆冰灾害发展趋势预测装置。图4为本发明实施例提供的一种输电线路覆冰灾害发展趋势预测装置的结构示意图，如图4所示，所述装置包括网格划分模块401、流场计算模块402、水滴碰撞轨迹计算模块403、覆冰增长量计算模块404和覆冰结构构造模块405。

其中，所述网格划分模块401，用于对计算区域进行网格划分；所述流场计算模块402，用于在所述网格划分的基础上进行空气流场计算，获得流场速度分布；所述水滴碰撞轨迹计算模块403，用于根据所述流场速度分布计算水滴碰撞轨迹；所述覆冰增长量计算模块404，用于根据所述水滴碰撞轨迹对导线表面水膜的运动进行仿真，获得覆冰增长量；所述覆冰结构构造模块405，用于根据所述覆冰增长量得到覆冰表面，完成覆冰结构构造。

优选地，所述网格划分模块401具体用于在覆冰区域外部采用结构化网格，在覆冰区域采用动网格，所述覆冰区域外部和所述覆冰区域均属于所述计算区域。

优选地，所述流场计算模块402包括：控制方程组确定子模块，用于基于二维控制方程，对控制方程进行雷诺平均，得到控制方程组，所述控制方程组中包括动量方程和压力修正值方程；流场速度分布计算子模块，用于以速度和压力作为基本变量，对所述控制方程组进行求解，得到流场速度分布。

优选地，所述水滴碰撞轨迹计算模块403包括：水滴运动轨迹计算子模块，用于根据所述流场速度分布计算水滴运动轨迹；插值子模块，用于根据所述水滴运动轨迹中水滴的位置插值到网格节点上；局部碰撞率计算子模块，用于根据所述网格节点中水滴的位置计算局部碰撞率，所述局部碰撞率用于表征所述水滴碰撞轨迹。

优选地，所述覆冰增长量计算模块404包括：水膜厚度估算子模块，用于根据所述水滴碰撞轨迹估算出水膜的平均速度；覆冰密度确定子模块，用于根据外界环境影响参数确定覆冰密度，所述外界环境影响参数包括空气温度、风速、水滴大小、空气中液水含量以及捕获物的大小、形状；覆冰体积确定子模块，用于根据所述水膜的平均速度和所述覆冰密度确定覆冰体积，所述覆冰体积用于表征所述覆冰增长量。

通过以上的方法实施例的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。