一种计算架空输电线路覆冰增长模型关键参数的方法与流程

本发明涉及输电线路覆冰预测的领域，具体涉及一种计算架空输电线路覆冰增长模型关键参数的方法。

背景技术：

输电线路覆冰严重影响电网的安全稳定运行，极端天气情况的出现使得输电线大面积覆冰事件频发，导致的输电线路断线、导线舞动、倒塔、绝缘子闪络等事故，给电网部门造成巨大的经济财产损失。

到目前为止，关于输电线路覆冰关键参数的计算颇为繁杂，目前为止，关于覆冰预测模型的碰撞系数和冻结系数的求解方法主要采用数值模型，但由于微气象数据、碰撞系数和冻结系数不断发生变化，导致仿真需要重新计算，整体的计算时间长并且过程繁琐，且这些方法不易于与试验或者输电线路在线监测中获得的大量覆冰增长数据关联，不利于实际中的应用，这些方法难以快速而准确地预测输电线路的覆冰。

技术实现要素：

针对目前输电线路覆冰关键参数求解困难和覆冰预测模型难以直接应用于实际运行中，本发明提供的输电线路覆冰预测关键参数的求解极大地提高了覆冰预测速度和效率，为电力运行部门实现覆冰预测提供重要的参考价值。

为达到上述目的，本发明提供一种计算架空输电线路覆冰增长模型关键参数的方法，所述关键参数包括冻结系数和碰撞系数，包括以下步骤：

通过电网监测系统获取拉力、倾角、温度、空气液态水含量、风速和风向数据；筛选输电线路非覆冰时期拉力、倾角、温度、空气液态水含量、风速和风向数据，计算导线自重和导线、绝缘子串和金具自重之和gt；在风偏平面内建立导线的覆冰增长量计算模型，通过所述导线覆冰增长量计算模型得到导线覆冰增长变化量；

建立导线覆冰热平衡模型和空气液态水含量模型，结合所述覆冰热平衡模型和所述空气液态水含量模型建立覆冰增长关键参数模型，所述覆冰增长关键参数模型包括冻结系数模型和碰撞系数模型；

建立覆冰表面温度计算模型，并根据所述覆冰表面温度计算模型获得导线覆冰表面温度；

基于所述导线覆冰增长变化量、所述覆冰增长关键参数模型和所述导线覆冰表面温度计算出各个时刻的冻结系数和碰撞系数。

可选的，所述的数据筛选步骤：筛选在线监测获得的历史拉力、倾角、温度、空气液态水含量、风速和风向数据，剔除覆冰期的数据，剩下的为非覆冰时期的历史监测数据。

可选的，所述覆冰期的数据为环境温度小于1℃且相对湿度大于85％的数据。

可选的，所述的计算导线自重和导线、绝缘子串和金具自重之和gt的步骤：由历史非覆冰时期的在线监测数据，根据式(1)和式(2)计算导线自重荷载g和导线、绝缘子串和金具自重之和gt分别为：

gt＝g+gi(2)

由式(1)计算得到的导线自重g不是一个恒定值，针对这种情况，取其平均值作为导线的自重荷载g，fk为无冰时监测的拉力值，gi为绝缘子串含金具自重。

可选的，所述的在风偏平面内建立导线的覆冰增长量计算模型得到导线覆冰变化量的步骤为：由于架空输电线路易受到横向风的作用，导线和绝缘子串形成的整个平面以一定的角度偏离原来不受风作用时静止的垂直平面，该角度即为风偏角，此时主杆塔a和b、c两侧杆塔以及导线所形成的为风偏平面，

在风偏平面内，拉力传感器安装在绝缘子串和杆塔横臂间测量导线的轴向应力，拉力传感器测量的拉力值f与其竖直分量fv的关系为fv＝fcosθ'，而垂直档距的平面内导线竖直方向上的受力平衡为：

其中s'b和s'a分别为在风偏平面内主杆塔a与两侧导线最低点间的导线长度，计算公式为：

σ'10和σ'20分别为垂直平面内左右两侧导线水平张力，未覆冰时导线的高差角分别为β1、β2，未覆冰时主杆塔a与侧杆塔b、c之间的档距分别为l1和l2，未覆冰时导线自重比载为γ、导线长度分别为s1和s2，η为未覆冰时角度传感器测量的风偏角，θ'为风偏片面内绝缘子串与竖直方向的倾角，风偏片面内导线悬挂的高差分别为h'1、h'2，风偏片面内导线高差角分别为β'1、β'2，风偏片面内主杆塔a与侧杆塔b、c之间的档距分别为l'1和l'2，γ'为导线自重比载，风偏片面内导线最低点到主杆塔a的水平档距分别为l'b和l'a；

根据导线、绝缘子串和金具自重之和、导线自重荷载、单位长度导线的覆冰质量和实时监测的拉力、倾角和风偏角数据以及不同时刻的导线覆冰质量，计算出不同时间节点单位长度导线的覆冰增长量计算模型：

其中，gt为导线、绝缘子串和金具自重之和，n为导线分裂数目；qice为单位长度导线的覆冰质量，θ和η分别为角度传感器测量的倾角和风偏角，角度传感器安装在绝缘子串和杆塔横臂间；qice,i表示在第i个时间节点的单位长度导线的覆冰质量，△mi表示在第i个时间节点的单位长度导线的覆冰质量变化，△ti为第i个时间节点与第i-1个时间节点间的时间长度。

可选的，所述建立导线覆冰热平衡模型和空气液态水含量模型，结合所述覆冰热平衡模型和所述空气液态水含量模型建立覆冰增长关键参数模型的步骤为，所述覆冰热平衡模型表述如下：

qf+qv+qa＝qc+qe+ql+qs+qr(10)

其中，qf为碰撞导线时水滴的冻结过程中释放的潜热，qf＝α1α2α3ωvdlf；qv为空气对导线的加热，qv＝hrcv²d/(2ca)；qa为水滴冻结成冰后释放的热能，qa＝-α1α2α3ωvdcits；qc为对流热损失，qc＝πdh(ts-ta)；qe为蒸发或升华所产生的潜热损失，qe＝πdhχ[e(ts)-e(ta)]；ql为碰撞导线表面的水滴吸收的热量，ql＝-α1ωvcwdta；qs为长波辐射损失的热量，qs＝4πε1σrd(273.15+ta)³(ts-ta)；qr为过冷却水滴未冻结部分离开冰面时带走的热量，qr＝α1ωvcwd(1-α3)(ts-ta)；

温度为t时的覆冰表面的水面或冰面的饱和水汽压e(t)可以表示为：

单位为kpa；

通过式(10)，可得：

式中lf为蒸发潜热系数，h为对流换热系数，rc为圆柱导体表面局部粘性加热恢复系数，ca为空气比热容，ci为冰的比热容，χ为蒸发或升华系数，cw为水的比热容，ε是冰层外表面的发射率，σr为stefan-boltzman常量，ts为导线表面温度，ta为环境温度；

根据makkonen覆冰增长模型，单位导线长度在单位时间内其覆冰增长变化率△mt可以表示为：

δmt＝α1α2α3ωvd(13)

其中，α2为收集系数，定义为覆冰过程中碰撞到圆柱体表面并滞留在表面的水滴质量与碰撞到圆柱表面的水滴总质量之比，v为风速，d为覆冰导线直径；

用雾中液态水含量来近似替代空气中的液态水含量，此时环境温度为ta，所述空气中液态水含量ω可以如下经验模型表示：

其中系数k取0.067，e(ta)在式(14)中的单位为hpa；

结合所述覆冰热平衡模型、所述覆冰增长变化率△mt和所述液态水含量ω的经验模型，得冻结系数模型为：

其中α3为冻结系数，j可以表示为：

结合式(13)～(15)，则碰撞系数模型为：

其中，α1为碰撞系数，j是为了计算方便所设，代表公式(16)，d为覆冰导线直径，e(ta)为温度t＝ta时的覆冰表面的水面或冰面的饱和水汽压。

可选的，所述的建立覆冰表面温度计算模型，并根据所述覆冰表面温度计算模型获得导线覆冰表面温度的步骤为：

所述覆冰表面温度计算模型表述如下：根据导线覆冰表面温度ts的大小将其表面分成干表面、湿表面和液体表面，每个类型对应的冻结系数α3范围为：

导线覆冰干表面，α3＝1，ts≤0℃；

导线覆冰湿表面，0<α3<1，ts＝0℃；

导线覆冰液体表面，α3＝0，ts>0℃；

导线覆冰表面温度的获得方式如下：

当冻结系数0<α3<1，则碰撞到导线表面的水滴部分冻结，为冰水混合状态，则ts＝0℃，即此时覆冰表面为湿表面；

当冻结系数α3＝1，表明导线覆冰表面温度ts小于或等于0℃，则碰撞到导线表面的水滴完全冻结，覆冰表面为干表面，将α3＝1代入所述冻结系数模型中求解得到ts；

如果冻结系数α3＝0，则说明导线表面没有冰生成，将α3＝0代入所述冻结系数模型，即可计算导线覆冰表面平衡温度ts。

可选的，计算出冻结系数和碰撞系数的步骤为：将导线覆冰表面温度、覆冰增长变化率和其他各个参数代入所述冻结系数模型和碰撞系数模型中，可以得到各个时刻的冻结系数和碰撞系数。

与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果是：

针对覆冰增长模型关键参数预测的复杂性，本发明将架空线路覆冰增长过程中的碰撞系数和冻结系数定义为覆冰增长关键参数。结合架空输电线路覆冰增长量计算模型、覆冰增长变化率和覆冰热平衡模型，基于输电线路覆冰监测力学参数(拉力、倾角和风偏角)和气象参数(温度、空气液态水含量、风速和风向)，提出实际架空输电线路的覆冰增长关键参数模型，解决了输电线路覆冰关键参数求解困难的问题，对覆冰增长关键参数进行了合理有效的计算，可用于覆冰预测模型的搭建以及与覆冰增长数据关联，并将微气象环境和关键参数结合，有利于实际线路上的应用。

附图说明

图1为计算架空输电线路覆冰增长模型关键参数的流程图。

图2为风偏平面内导线的受力分析。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

根据图1所示的计算流程，具体说明算架空输电线路覆冰关键参数的计算。

本实施例提供一种计算架空输电线路覆冰增长模型关键参数的方法，包括以下步骤：

步骤1：通过电网监测系统获取大量的拉力、倾角、温度、空气液态水含量、风速和风向数据；筛选在线监测获得的历史拉力、倾角、温度、空气液态水含量、风速和风向数据，剔除覆冰期的数据，即环境温度小于1℃且相对湿度大于85％的数据，剩下的为非冰期时的历史监测数据，计算导线自重和导线、绝缘子串和金具自重之和gt；在风偏平面内建立导线的覆冰增长量计算模型，通过所述导线覆冰增长量计算模型得到导线覆冰变化量。

详细的，计算导线自重和导线、绝缘子串和金具自重之和gt的步骤：由历史非覆冰时期的在线监测数据，根据式(1)和式(2)计算导线自重荷载g和导线、绝缘子串和金具自重之和gt分别为：

gt＝g+gi(2)

由式(1)计算得到的导线自重g不是一个恒定值，取其平均值作为导线的自重荷载g；fk为无冰时监测的拉力值，gi为绝缘子串含金具自重。

在风偏平面内建立导线的覆冰增长量计算模型的步骤为：由于架空输电线路易受到横向风的作用，导线和绝缘子串形成的整个平面以一定的角度偏离原来不受风作用时静止的垂直平面，该角度即为风偏角，此时主杆塔a和b、c两侧杆塔以及导线所形成的为风偏平面，如图2所示，且图2中给出了风偏平面内导线的受力分析，图中θ'为风偏片面内绝缘子串与竖直方向的倾角，悬挂的高差分别为h'1、h'2，高差角分别为β'1、β'2，主杆塔a与侧杆塔b、c之间的档距分别为l'1和l'2，γ'为导线自重比载，导线最低点到主杆塔a的水平档距分别为l'b和l'a。

在风偏平面内，拉力传感器安装在绝缘子串和杆塔横臂间测量导线的轴向应力，拉力传感器测量的拉力值f与其竖直分量fv关系为fv＝fcosθ'，而垂直档距的平面内导线竖直方向上的受力平衡为：

其中s'b和s'a分别为在风偏平面内主杆塔a与两侧导线最低点间的导线长度，计算公式为：

σ'10和σ'20分别为垂直平面内左右两侧导线水平张力；未覆冰时导线的高差角分别为β1、β2、未覆冰时主杆塔a与侧杆塔b、c之间的档距分别为l1和l2、未覆冰时导线自重比载为γ、导线长度分别为s1和s2；η为未覆冰时角度传感器测量的风偏角。

根据导线、绝缘子串和金具自重之和、导线自重荷载、单位长度导线的覆冰质量和实时监测的拉力、倾角和风偏角数据以及不同时刻的导线覆冰质量，计算出不同时间节点单位长度导线的覆冰增长量计算模型：

其中，gt为导线、绝缘子串和金具自重之和，n为导线分裂数目；qice为单位长度导线的覆冰质量；θ和η分别为角度传感器测量的倾角和风偏角，角度传感器安装在绝缘子串和杆塔横臂间；qice,i表示在第i个时间节点的单位长度导线的覆冰质量，△mi表示在第i个时间节点的单位长度导线的覆冰质量变化，△ti为第i个时间节点与第i-1个时间节点间的时间长度。

通过公式(9)即可计算获得导线覆冰增长变化量。

步骤2：结合导线覆冰热平衡模型、覆冰增长模型和空气液态水含量模型建立覆冰增长关键参数模型，所述覆冰增长关键参数模型包括冻结系数模型和碰撞系数模型。

详细的，覆冰热平衡模型表述如下：

qf+qv+qa＝qc+qe+ql+qs+qr(10)

其中，qf为碰撞导线时水滴的冻结过程中释放的潜热；qv为空气对导线的加热；qa为水滴冻结成冰后释放的热能；qc为对流热损失；qe为蒸发或升华所产生的潜热损失；ql为碰撞导线表面的水滴吸收的热量；qs为长波辐射损失的热量；qr为过冷却水滴未冻结部分离开冰面时带走的热量；各参数的表达式如表1所示。

表1

温度为t时的覆冰表面的水面或冰面的饱和水汽压e(t)可以表示为：

单位为kpa；

通过式(10)，得：

式中lf为蒸发潜热系数，h为对流换热系数，rc为圆柱导体表面局部粘性加热恢复系数，ca为空气比热容，ci为冰的比热容，χ为蒸发或升华系数，cw为水的比热容，ε是冰层外表面的发射率，σr为stefan-boltzman常量，ts为导线表面温度，ta为环境温度；

根据makkonen覆冰增长模型，该模型出自makkonenl.modelingoficeaccretiononwires[j].journalofappliedmeteorology,1984,23(6):929-939.，单位导线长度在单位时间内其覆冰增长变化率△mt可以表示为：

δmt＝α1α2α3ωvd(13)

其中，α2为收集系数，定义为覆冰过程中碰撞到圆柱体表面并滞留在表面的水滴质量与碰撞到圆柱表面的水滴总质量之比，覆冰时过冷却小水滴碰撞到物体表面会迅速冻结使得反弹数量极少，故可以认为收集系数α2＝1，v为风速，d为覆冰导线直径；

用雾中液态水含量来近似替代空气中的液态水含量，此时温度t＝ta，所述空气中液态水含量ω可以如下经验模型表示：

其中系数k取0.067，e(ta)在式(14)中的单位为hpa；

结合所述覆冰热平衡模型、所述覆冰增长变化率△mt和所述空气液态水含量ω的经验模型，得冻结系数模型为：

其中α3为冻结系数，j可以表示为：

结合式(13)～(15)，则碰撞系数模型为：

其中，α1为导线碰撞系数，j是为了计算方便所设，代表公式(16)，d为覆冰导线直径，e(ta)为温度t＝ta时的覆冰表面的水面或冰面的饱和水汽压。

步骤3：建立覆冰表面温度计算模型，并根据覆冰表面温度计算模型获得导线覆冰表面温度。

详细的，覆冰表面温度计算模型描述如下：根据导线覆冰表面温度ts的大小将其表面分成干表面、湿表面和液体表面，每个类型对应的冻结系数α3范围为：

导线覆冰干表面，α3＝1，ts≤0℃；

导线覆冰湿表面，0<α3<1，ts＝0℃；

导线覆冰液体表面，α3＝0，ts>0℃；

由于冻结系数α3的范围是0≤α3≤1，则可以根据冻结系数α3的值来判断平衡温度ts＝0℃是否正确，分为如下三种情况来求解获得覆冰表面温度：

(1)当冻结系数0<α3<1，即碰撞到导线表面的水滴部分冻结，为冰水混合状态，此时ts＝0℃，即覆冰表面为湿表面。

(2)当冻结系数α3＝1，表明平衡温度ts小于或等于0℃，即碰撞到导线表面的水滴完全冻结，覆冰表面为干表面，代入所述冻结系数模型中求解得到ts；

(3)如果冻结系数α3＝0，则说明导线表面没有冰生成，同样代入式(11)和(12)，计算导线覆冰表面平衡温度ts。

步骤4：计算出各个时刻的冻结系数和碰撞系数。

将导线覆冰表面温度、覆冰增长变化率和其他各个参数代入所述冻结系数模型和碰撞系数模型中，可以得到各个时刻的冻结系数和碰撞系数。其他各个参数的值如表2所示。

公式(9)是导线覆冰增长量计算模型，代表第i个时间节点的单位长度导线的覆冰质量变化，其中△ti为第i个时间节点与第i-1个时间节点间的时间长度。当△ti趋于0时，可得导线覆冰增长变化率δmt，即而根据公式(13)δmt＝α1α2α3ωvd，结合热平衡模型及公式(14)可得冻结系数及碰撞系数计算模型，得到冻结系数与碰撞系数关于δmt的关系式，然后可根据筛选后的监测数据，运用公式(9)算出δmi，从而求得导线冻结系数及碰撞系数。

表2

本实施例基于拉力、倾角、风偏角等力学参数和温度、空气液态水含量和风向等气象参数，建立了包括冻结系数和碰撞系数的覆冰增长关键参数模型，可以有效地计算得到冻结系数和碰撞系数，方便后续将冻结系数和碰撞系数用于搭建覆冰预测模型以及与覆冰增长数据关联，便于后续快速准确地预测输电线路的覆冰，有利于实际线路上的应用，特别适用于实际工程中快速而准确的预测未来导线覆冰的增长情况。

以上所述，仅作为本发明的一个实例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。