一种电力设备气象灾害分析预警方法与流程

本发明提供一种电力设备气象灾害分析预警方法，属于电力设备气象灾害分析预警。

背景技术：

1、目前随着新能源电力系统的不断投入建设，风电和光伏发电系统在未来会逐步成为供电系统的主体，但采用的风电、光伏等发电方式受气象条件的影响更大，如遇狂风暴雨、长时间阴雨天气、以及水灾内涝灾害都将造成新能源电力系统出现运行故障，因此对自然灾害因素的评估分析及预警，成为新能源电力系统能否正常运行的关键。

2、目前电网监控自然气象灾害提供有专用的监测预警平台，但在使用过程中仍然存在以下缺点与不足：气象预报数据主要由气象部门给出，预报主要针对固定的城镇区域，缺乏对不同区域、不同电力设备（不同输电线路、变电设备、配电设备）的危害影响程度的量化分析预报，预报信息针对性、指导性弱，将会导致设备所处位置的灾害预警失当，造成不必要停电；此外，由于外部气象数据与电网气象监测数据融合度低，不能充分利用电网安装的气象监测数据开展针对小空间尺度、小时间尺度的预报，对于特定区域的气象模拟与分析缺失，将导致预报精度较低。

技术实现思路

1、本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种电力设备气象灾害分析预警方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种电力设备气象灾害分析预警方法，包括如下的分析预警步骤：

3、步骤一：针对待预警区域地形特征，采集该区域气象及地形数据，构建典型微地形区电力设备逐站逐杆塔模型；

4、步骤二：基于降雨、风速、温度、湿度、气压的气象要素分类，构建气象要素对电力设备影响的评估模型，定义电力设备灾害风险评估指数，构建电力设备气象灾害风险评估指标的模型，其中：

5、针对降雨要素的评估模型构建内容包括：对流体动力模型和二维水动力模型的构建；

6、针对风速要素的评估模型构建内容包括：对输电塔进行有限元建模、对绝缘子串进行有限元建模、对导线进行有限元建模，并对金具磨损模型进行构建；

7、针对温度要素的评估模型构建内容包括：采用流体温度场耦合计算方法对配电变压器内外热交换进行仿真分析；

8、针对湿度、气压要素的评估模型构建内容包括：对空气电击穿模型进行构建；

9、步骤三：基于指标模型对当前区域内的电力设备气象灾害风险进行分析，并判断是否发出预警。

10、所述步骤二中构建流体动力模型的具体方法为：

11、将三维空间内整体连续的流体计算域分割为计算单元，以有限单元为最小计算尺度，求解微元上的流体力学控制方程，最终获取流场特征，具体采用有限体积法对数值进行处理：

12、首先对计算区域离散化并划分网格，并使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积；

13、再对每一个控制体积积分，得出一组离散方程；

14、区域离散化过程结束之后获得几何要素：节点、控制体积、界面、网格线，构建流体动力模型。

15、所述步骤二中构建二维水动力模型的具体方法为：

16、针对雨水地表漫流及水流演进采用二维浅水方程swes进行模拟，矢量形式的表达式为：

17、；

18、其中：

19、；

20、式中， h为水深， q x和 q y分别为 x、 y方向的单宽流量， g为重力加速度， u、 v分别为 x、 y方向的流速， f和 g分别为 x、 y方向的通量矢量， s为源项矢量， z b为河床底高程， c f为床面摩擦系数， c f= gn2/ h1/3，其中 n为曼宁系数；

21、该模型采用动力波法对水流演进过程进行模拟计算，先采用非结构网格剖分计算域，随后应用有限体积法，在单元 i内，控制方程swes的积分表达式为：

22、；

23、式中：ω为控制体 i的体积， f和 g分别为 x、 y方向的通量矢量，应用高斯散度定理，则式中通量项的面积分可以用线积分表示为：

24、；

25、式中：г为控制体 i的边界， n为边界г所对应的外法线方向的单位向量，s b为底坡源项， s f为摩阻源项；

26、相应界面的通量向量 f( q)· n表示为如下的三角网格单元：

27、；

28、式中： n x、 n y为单位向量 n分别在 x和 y方向上的分量；

29、在该三角网格单元内，通量 f( q)· n线积分表达式为：

30、；

31、式中： k为单元边的编号， l k为第 i个单元格第 k个边的边长，通量项采用基于godunov格式的黎曼求解器求解。

32、所述步骤二中对输电塔的塔架进行有限元建模的具体方法为：

33、针对空间刚架模型进行建模，具体对塔架的所有杆件均采用空间梁单元模拟，首先在cad建模环境中建立塔架的简化模型，然后导入有限元软件中对单元网格进行划分，并定义各个组成构件的截面特性和相关材料信息，最后输出建模结果。

34、所述步骤二中对绝缘子串进行有限元建模的具体方法为：

35、采用rbe2运动耦合刚性连接来模拟绝缘子串，由rbe2运动耦合刚性连接模拟安装绝缘子串受到风荷载或者线路不均匀覆冰情况被拉偏的位移参考点，以及在线路中产生的不平衡张力。

36、所述步骤二中对导线进行有限元建模的具体方法为：

37、将输电塔之间悬挂的导线定义为悬链线，定义点a、b分别为导线挂点，点o为悬链线弧垂最低点；

38、对整档导线中oc段进行受力分析，该段导线的垂直荷载为，c点沿导线切线方向的应力为，水平应力为，应力方向与水平夹角成θ倾角，该段导线的受力平衡方程为：

39、；

40、；

41、上述两式比值为该段导线任一点的切线斜率，即：

42、；

43、将上式对 x微分得到：

44、；

45、将上式积分后整理得：

46、；

47、再将上式分离变量后对两端积分，并代入相应参数，求得坐标原点位于左侧悬挂点的导线悬链线方程：

48、；

49、式中： h为悬挂点高差；

50、为应力，导线单位截面上作用的张力；

51、为比载，架空导线单位长度、单位截面上承受的荷载；

52、为档距，相邻两悬挂点间垂直于荷载方向的投影距离；

53、为两侧悬挂点等高下的档内悬链线线长，计算公式为：

54、；

55、可得到等高悬点架空导线悬链线的计算公式为：

56、；

57、基于架空导线档距，垂直比载和水平应力，即可绘制出悬链线曲线，构建导线模型。

58、所述步骤二中对金具磨损模型进行构建的具体方法为：

59、采用archard磨损模型，根据磨损率是局部接触压力和滑移距离的线性函数进行计算，计算公式为：

60、；

61、式中， v为磨损体积； k为磨损系数； h为材料硬度； p为接触压力； l为接触距离；

62、针对不同风载荷，结合输电线路舞动模型得到不同风载荷情况下金具的应力应变分布情况，然后基于archard磨损模型构建金具磨损模型，模拟其磨损过程，进而提取金具磨损指数，得到金具的磨损区域及磨损程度。

63、所述步骤二中对配电变压器内外热交换进行仿真分析的具体方法为：

64、通过有限体积法模拟变电器的能量产生与传递过程，计算得到不同环境温度及风速条件下，变压器内部与外部的热交换速率，提取设备过热指数，得到不同温度及风速对变压器散热效率的影响程度。

65、所述步骤二中对空气电击穿模型进行构建的具体方法为：

66、采用玻尔兹曼解析法求解不同湿度不同压力空气的电击穿特性，分析湿度及压力对空气的电击穿特性的影响，具体针对不同湿度及不同气压计算出对应的临界电场强度，评估湿度及气压对空气绝缘特性的影响，提取空气绝缘指数，评估湿度及气压对空气绝缘及击穿特性的影响程度。

67、本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的电力设备气象灾害分析预警方法，具体通过选取典型微地形区，搭建气象要素实时同步监测系统，实现气象要素的实时准确监测，同时，基于计算流体动力学技术，实现典型微地形区电力设备逐站逐杆塔气象精准预测，并基于精准的气象预测结果，构建气象要素对电力设备影响评估模型，形成对电力设备气象灾害风险的判断规则，提取电力设备灾害风险关键指标，并结合自动化技术，实现对电网不同运维需求的定制化电力气象服务，进而实现电网气象灾害预警的精准化与智能化。