基于旋转多导体的覆冰参数计算方法与流程

本发明涉及电力领域，具体涉及一种基于旋转多导体的覆冰参数计算方法。

背景技术：

我国于1954年首次记载输电线路覆冰灾害事故。从此之后，输电线路覆冰事故时有发生，随着我国电压等级的提高及电网建设的快速发展，其影响范围及影响程度不断扩大。2008年初，湖南电网遭受了为期将近一个月的冰冻雨雪灾害袭击，造成上百条不同电压等级的输电线路停运，累计发生了上千次的跳闸，多个变电站停运或失压。据统计，此次的低温雨雪冰冻灾害导致1100多亿元的直接经济损失。2014年12月，四川境内±800kv锦苏线、500kv城沫二线、月普一线、二线因输电线路覆冰跳闸7次。2015年1月，河南境内±800kv中州特高压换流站发生覆冰闪络；同一时间，云南电网175条输电线路覆冰，导致1条500kv线路、5条220kv线路，16条110kv线路和75条35kv线路跳闸。2015年3月底，山西省±660kv银东线因冰闪导致单极闭锁。2015年11月初，辽宁、河北、冀北电网因覆冰导致500kv线路跳闸76次，220kv线路跳闸35次。

大气覆冰呈现随机性，并且受到局部地区微地形、微气象特征的影响。目前对于覆冰程度的监测、预警主要依靠监测主要是依赖气象传感器；然而，在覆冰条件下，大部分传感器由于受到冻结覆冰的影响而停止工作、或者极大偏离误差范围，导致覆冰环境参数的实时监测在覆冰期内存在很大的问题。

因此，需要提出一种依据覆冰本身增长变化数据而计算覆冰环境参数的方法，规避传统气象传感器的使用弊端。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于旋转多导体的覆冰参数计算方法，能够对时变的覆冰环境参数进行实时监测，能在极端寒冷的天气正常功能，并能提高覆冰参数的计算精度。

本发明提供一种基于旋转多导体的覆冰参数计算方法，包括步骤：

s1：在覆冰环境中均匀设置5个截面直径互不相同的圆柱形导体；以恒定转速旋转5个圆柱形导体；其中，5个圆柱形导体长度相等；

s2：实时采集并带入各旋转的圆柱形导体的实时覆冰重量值，采用三参数差分进化算法计算得到覆冰参数；所述覆冰参数包括风速u、温度t、水滴中值直径mvd和空气中的液体水含量w。

进一步，所述步骤s2具体如下：

s201：选取其中4个圆柱形导体作为三参数差分进化算法的输入样本；将余下的1个圆柱形导体作为验证样本；初始化最大覆冰时长为tmax；

s202：采集并带入当前时刻的各旋转的圆柱形导体的实时覆冰重量值；

s203：设定风速u的穷举范围为0～35m/s；

并设定温度t的单次种群数据范围为-15℃～0℃；设定水滴中值直径mvd的单次种群数据范围为0g/m³～6g/m³；设定空气中的液体水含量w的单次种群数据范围为0μm～150μm；

初始化三参数差分进化算法的最大迭代次数为nmax；

s204：构建优化函数φ，所述φ的计算公式为：

其中，表示第i个圆柱形导体的覆冰增量计算值和实测值的差值的绝对值；所述覆冰增量是指覆冰重量的增量；

s205：初始化u为0；

s206：初始化t、mvd和w；

s207：确定空气中水滴分别撞向5个圆柱形导体的水滴轨迹；

s208：根据水滴轨迹，分别计算5个圆柱形导体的表面水滴碰撞率；

s209：根据圆柱形导体的表面水滴碰撞率，分别计算5个圆柱形导体的表面水滴冻结率；

s210：将作为输入样本的4个圆柱形导体的外流场、水滴轨迹、表面水滴碰撞率和表面水滴冻结率，带入优化函数φ，计算φ值；

s211：判断是否满足收敛条件或n＝nmax是否成立，如否，则进入步骤s212；如是，得到采用三参数差分进化算法计算得到的覆冰参数，则进入步骤s213；

s212：覆冰参数种群进行变异和交叉，返回步骤s206；

s213：根据步骤s211得到的覆冰参数计算得到验证样本的覆冰增量值，将计算得到的验证样本的覆冰增量值与实时测量得到的验证样本的覆冰增量值进行比对，判断其误差是否在预先设定的误差允许范围内，若在，将步骤s210得到的覆冰参数存储到最优解集中；

s214：判断当前u≤35是否成立，若成立，则令u增加0.5，得到新的u，返回步骤s206；若不成立，则得到更新后的最优解集，进入步骤s215；

s215：选取更新后的最优解集中，计算得到的验证样本的覆冰增量值与实时测量得到的验证样本的覆冰增量值之间误差最小的覆冰参数为当前最优解，判断当前采集实时覆冰重量值的时刻t，是否满足t≤tmax，若满足，则得到当前最优解为最终的最优解；若不满足，则进入下一当前时刻，返回步骤s202。

进一步，所述的计算公式为：

其中，表示计算得到第i个圆柱形导体的覆冰增量，表示实时采集到第i个圆柱形导体的覆冰增量，mi表示第i个圆柱形导体的覆冰重量。

进一步，所述的计算公式为：

其中，di表示第i个圆柱形导体中的截面直径；l表示圆柱形导体长度；α1i表示第i个圆柱形导体表面水滴碰撞率；α2i表示第i个圆柱形导体表面水滴冻结率；u表示风速；w表示空气中的液体水含量。

进一步，所述α1i的计算公式为：

其中，s0i表示第i个圆柱形导体的水滴轨迹中相邻两条轨迹在未受偏转时的距离，s1i表示第i个圆柱形导体的水滴轨迹中相邻两条轨迹中水滴碰撞第i个圆柱形导体的初始碰撞点之间的距离，所述s0i和s1i可直接通过步骤s8得到的水滴轨迹获得。

进一步，所述α2i的计算公式为：

其中，h为对流换热系数；sbi、di分别为第i个圆柱形导体的表面积和直径；χ是蒸发系数，ε为发射率，e(t)为温度为t时圆柱形导体表面的饱和水汽压；δr为斯蒂芬-波耳兹曼常量；lf为冰的融化潜热；ts、t分别是冰点温度和环境温度；cw是水的比热容。

进一步，所述步骤s208中圆柱形导体的水滴轨迹为：

其中，为水滴在空气中受到空气的粘性阻力向量，表示撞向圆柱形导体的水滴轨迹，表示风速向量，表示水滴运动速度向量；mw表示水滴质量；k为运动水滴惯性的斯托克斯数；re为气流中水滴相对运动的雷诺数；ca为空气阻力系数；

所述k的计算公式为：

其中，rd表示水滴的最大半径；ρd表示水滴的密度；u表示风速；μ表示空气的运动粘度；r表示圆柱形导体的半径。

所述re的计算公式为：

其中，rd表示水滴的最大半径；ρa表示空气的密度；μ表示空气的运动粘度。

进一步，所述在x方向上的速度ux计算公式为：

所述在y方向上的速度uy计算公式为：

其中，x、y为旋转的圆柱形导体外流场中的二维坐标值，u为风速。

本发明的有益效果：本发明能够将实时监测覆冰环境参数的变化，可准确地实现输电线路、杆塔覆冰量的预测、预警，方便电网工作人员依据覆冰环境参数判断覆冰严重程度及致灾性，并准确合理地安排防冰除冰工作，保证电网的正常运行，具有高效率和高精度的特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的方法流程图；

图2为旋转的圆柱形导体表面气流轨迹图；

图3为旋转的圆柱形导体水滴轨迹图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的一种基于旋转多导体的覆冰参数计算方法，包括步骤：

s1：在覆冰环境中均匀设置5个截面直径互不相同的圆柱形导体；以恒定转速旋转5个圆柱形导体；其中，5个圆柱形导体长度相等；本实施例中，在覆冰环境中均匀设置5个截面直径互不相同的圆柱形导体是指在覆冰环境中等间距平行设置5个截面直径互不相同的圆柱形导体，5个圆柱形导体按照截面直径大小依次排列，相邻导体直径差相等，各圆柱形导体的截面直径从小到大依次设定为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm，各圆柱形导体采用与输电线路材质相同的材料制成。本实施例中，以r＝1转/min的恒定转速旋转5个圆柱形导体，可以避免因不规则覆冰造成的计算误差。本实施例中，圆柱形导体长度l＝30cm。

s2：实时采集并带入各旋转的圆柱形导体的实时覆冰重量值采用三参数差分进化算法计算得到覆冰参数；所述覆冰参数包括风速u、温度t、水滴中值直径mvd和空气中的液体水含量w。通过上述方法，能够将实时监测覆冰环境参数的变化，可准确地实现输电线路、杆塔覆冰量的预测、预警，方便电网工作人员依据覆冰环境参数判断覆冰严重程度及致灾性，并准确合理地安排防冰除冰工作，保证电网的正常运行，具有高效率和高精度的特点。

所述步骤s2具体如下：

s201：选取其中4个圆柱形导体作为三参数差分进化算法的输入样本；将余下的1个圆柱形导体作为验证样本；初始化最大覆冰时长为tmax；

s202：采集并带入当前时刻的各旋转的圆柱形导体的实时覆冰重量值；本实施例中，通过在旋转的圆柱形导体上设置拉力传感器，通过拉力传感器实时采集旋转的圆柱形导体上的实时覆冰重量值。

s203：设定风速u的穷举范围为0～35m/s；

并设定温度t的单次种群数据范围为-15℃～0℃；设定水滴中值直径mvd的单次种群数据范围为0g/m³～6g/m³；设定空气中的液体水含量w的单次种群数据范围为0μm～150μm；

初始化三参数差分进化算法的最大迭代次数为nmax；采用风速进行穷举可以避免极大地降低计算量，提高计算速度，同时减少未知参数的迭代(未知环境参数从原本的四个减少为三个)。

s203：选取其中4个圆柱形导体作为三参数差分进化算法的输入样本；将余下的1个圆柱形导体作为验证样本；

s204：构建优化函数φ，所述φ的计算公式为：

其中，表示第i个圆柱形导体的覆冰增量计算值和实测值的差值的绝对值；所述覆冰增量是指覆冰重量的增量；

s205：初始化u为0；

s206：初始化t、mvd和w；

s207：确定空气中水滴分别撞向5个圆柱形导体的水滴轨迹；

s208：根据水滴轨迹，分别计算5个圆柱形导体的表面水滴碰撞率；

s209：根据圆柱形导体的表面水滴碰撞率，分别计算5个圆柱形导体的表面水滴冻结率；

s210：将作为输入样本的4个圆柱形导体的外流场、水滴轨迹、表面水滴碰撞率和表面水滴冻结率，带入优化函数φ，计算φ值；

s211：判断是否满足收敛条件或n＝nmax是否成立，如否，则进入步骤s212；如是，得到采用三参数差分进化算法计算得到的覆冰参数，则进入步骤s213；本实施例中，收敛条件为φ＝0或φ以较小误差接近于0，优选φ＝0。

s212：覆冰参数种群进行变异和交叉，返回步骤s206；

s213：根据步骤s211得到的覆冰参数计算得到验证样本的覆冰增量值，将计算得到的验证样本的覆冰增量值与实时测量得到的验证样本的覆冰增量值进行比对，判断其误差是否在预先设定的误差允许范围内，若在，将步骤s210得到的覆冰参数存储到最优解集中；

s214：判断当前u≤35是否成立，若成立，则令u增加0.5，得到新的u，返回步骤s206；若不成立，则得到更新后的最优解集，进入步骤s215；

s215：选取更新后的最优解集中，计算得到的验证样本的覆冰增量值与实时测量得到的验证样本的覆冰增量值之间误差最小的覆冰参数为当前最优解，判断当前采集实时覆冰重量值的时刻t，是否满足t≤tmax，若满足，则得到当前最优解为最终的最优解；若不满足，则进入下一当前时刻，返回步骤s202。

所述的计算公式为：

其中，表示计算得到第i个圆柱形导体的覆冰增量，表示实时采集到第i个圆柱形导体的覆冰增量，mi表示第i个圆柱形导体的覆冰重量；dt表示旋转圆柱形导体覆冰增量的时间步长，本实施例中，dt的数值根据安装在圆柱形导体上的拉力传感器的精度而定。

所述的计算公式为：

其中，di表示第i个圆柱形导体中的截面直径；l表示圆柱形导体长度；α1i表示第i个圆柱形导体表面水滴碰撞率；α2i表示第i个圆柱形导体表面水滴冻结率；u表示风速；w表示空气中的液体水含量。

所述α1i的计算公式为：

其中，s0i表示第i个圆柱形导体的水滴轨迹中相邻两条轨迹在未受偏转时的距离，s1i表示第i个圆柱形导体的水滴轨迹中相邻两条轨迹中水滴碰撞第i个圆柱形导体的初始碰撞点之间的距离，所述s0i和s1i可直接通过步骤s8得到的水滴轨迹获得，如图3所示，图3中的s0即表示(1-4)式中的s0i，s1即表示(1-4)式中的s1i。

所述α2i的计算公式为：

其中，h为对流换热系数；sbi、di分别为第i个圆柱形导体的表面积和直径；χ是蒸发系数，ε为发射率，本实施例中ε＝0.95；e(t)为温度为t时圆柱形导体表面的饱和水汽压；δr为斯蒂芬-波耳兹曼常量；lf为冰的融化潜热；ts、t分别是冰点温度和环境温度；cw是水的比热容。

所述步骤s208中圆柱形导体的水滴轨迹为：

其中，为水滴在空气中受到空气的粘性阻力向量，表示撞向圆柱形导体的水滴轨迹，表示风速向量，表示水滴运动速度向量；mw表示水滴质量；k为运动水滴惯性的斯托克斯数；re为气流中水滴相对运动的雷诺数；ca为空气阻力系数；

所述k的计算公式为：

其中，rd表示水滴的最大半径；ρd表示水滴的密度；u表示风速；μ表示空气的运动粘度；r表示圆柱形导体的半径。

所述re的计算公式为：

其中，rd表示水滴的最大半径；ρa表示空气的密度；μ表示空气的运动粘度。

所述在x方向上的速度ux计算公式为：

所述在y方向上的速度uy计算公式为：

其中，x、y为旋转的圆柱形导体外流场中的二维坐标值，u为风速。

所述(1-6)式至(1-6-4)式的推导过程如下：

根据设定的风速u和产生的其它三个覆冰参数值，对五个旋转的圆柱形导体进行外流场计算，将势流作为主要的计算对象。旋转的圆柱形导体势流函数可以表示为：

其中，x、y为旋转的圆柱形导体外流场中的二维坐标值，r为旋转的圆柱形导体的截面半径；ψ为气流势函数值。根据流体力学理论，气流的在x、y方向的速度ux、uy分别为：

水滴在空气中的主要受到空气的粘性阻力：

其中，ca为空气阻力系数；sw为水滴最大横截面积，且sw＝πrd²；ρa为空气密度；rd为水滴的最大半径；u和v分别为空气和水滴运动速度。由(1-6-5)式推导得到(1-6)式，推导过程如下：

其中，为水滴在空气中受到空气的粘性阻力向量，表示撞向圆柱形导体的水滴轨迹，表示风速向量，表示水滴运动速度向量；mw表示水滴质量；k为运动水滴惯性的斯托克斯数；re为气流中水滴相对运动的雷诺数；ca为空气阻力系数；rd表示水滴的最大半径；ρd表示水滴的密度；u表示风速；r表示圆柱形导体的半径，ρa表示空气的密度；μ表示空气的运动粘度。

所述(1-5式的推导过程如下：

水滴冻结过程中需要计算的能量平衡方程为：

qc+qe+qr+ql+qs＝qf+qv+qk+qd(1-5-1)

其中，qc表示与空气的对流换热损失；qe是蒸发升华热损失；qr是长波辐射热损失；ql为加热水滴到冻结温度所消耗热量；qs是未冻结水滴带走的热量；qf是水冻结释放潜热；qv表示气流对圆柱形导体的摩擦加热；qk表示过冷却水碰撞动能；qd为0℃的冰冻结到圆柱形导体表面稳态温度时释放的热量。忽略较小的影响项qv、qd，(1-5-1)变换为：

求解(1-5-2)式得到：

其中，h为对流换热系数；sbi、di分别为第i个圆柱形导体的表面积和直径；χ是蒸发系数，ε为发射率，e(t)为温度为t时圆柱形导体表面的饱和水汽压；δr为斯蒂芬-波耳兹曼常量；lf为冰的融化潜热；ts、t分别是冰点温度和环境温度；cw是水的比热容。

本实施例中，所述步骤s214：根据步骤s212得到的覆冰参数计算得到验证样本的覆冰增量值，是将步骤s212得到的覆冰参数和验证样本的圆柱形导体的截面直径以及长度带入(1-3)式得到验证样本的圆柱形导体对应的所述步骤s214中将计算得到的验证样本的覆冰增量值与实时测量得到的验证样本的覆冰增量值进行比对，判断其误差是否在预先设定的误差允许范围内，是指求计算得到的验证样本的覆冰增量值与实时测量得到的验证样本的覆冰增量值的差值的绝对值，将该绝对值作为误差值，判断误差值是否小于等于预设设定的最大误差。本实施例中，设置最大误差为10^-3。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。