本发明涉及输电线路防灾减灾技术领域，具体涉及一种基于数值气象数据的输电线路风偏预报方法和装置。
背景技术：
输电线路风偏是指绝缘子串及其悬挂的输电线路在风荷载作用下产生的风偏摇摆现象。风偏可能造成严重的电气、机械故障，对电网安全稳定运行危害较大。为了提高运维阶段输电线路风偏防治工作的针对性和时效性，开展风偏预报十分必要。风偏角是描述输电线路风偏的关键指标，现有技术中的风偏研究主要通过刚体直棒法求解绝缘子串的最大静风偏角，解决了设计阶段静态风偏角及其模型参数的计算问题，却无法实现输电线路动态风偏角的实时预报和预警。准确预报输电线路的风偏角存在两方面困难：1)由于风场的不确定性及微地形因素，线路所在位置的实际风荷载与气象站点观测值有所差异，风偏角预报时应尽量采用实际输电线路处的风场数据；2)由于风场的脉动效应，基于平均风荷载计算得到的静态风偏角不能准确预报输电线路风偏状态。
现有技术基于数值天气预报结果进行输电线路风偏闪络预警，但主要是针对静态风偏角和风偏闪络电压的预测，缺乏输电线路动态风偏角的预报，输电线路风偏状态预报结果准确度低。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术中输电线路风偏状态预报结果准确度的不足，本发明提供一种基于数值气象数据的输电线路风偏预报方法和装置，先对接收的数值气象数据进行解析，并根据解析后的气象数据确定输电线路与风向的夹角和随机风速，然后根据输电线路与风向的夹角和随机风速计算随机风荷载，并根据随机风荷载计算输电线路的水平位移，最后根据输电线路的水平位移确定绝缘子动态风偏角，并根据绝缘子动态风偏角对输电线路风偏状态进行预报，实现基于数值气象数据和绝缘子动态风偏角的输电线路风偏预报，提高了输电线路风偏状态预报结果的准确度。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
一方面，本发明提供一种基于数值气象数据的输电线路风偏预报方法，包括：
对接收的数值气象数据进行解析，并根据解析后的气象数据确定输电线路与风向的夹角和随机风速；
根据输电线路与风向的夹角和随机风速计算随机风荷载，并根据随机风荷载计算输电线路的水平位移；
根据输电线路的水平位移确定绝缘子动态风偏角，并根据绝缘子动态风偏角对输电线路风偏状态进行预报。
所述对接收的数值气象数据进行解析，包括：
通过地理信息系统对数值气象数据进行坐标矫正，得到坐标矫正后的数值气象数据，并将坐标矫正后的数值气象数据进行保存；
将所有杆塔按照杆塔所在的地理坐标定位到与坐标矫正后的数值气象数据相同精度的网格中，按照杆塔所在的行和列，通过网格索引得到解析后的气象数据，所述解析后的气象数据包括数值气象数据对应的输电线路处的平均风速和风向。
根据解析后的气象数据，按下式确定输电线路与风向的夹角：
θ＝arctan|(k2-k1)/(1+k1k2)|
其中，θ表示输电线路与风向的夹角，k1表示输电线路斜率，k2表示风向斜率。
根据解析后的气象数据按下述过程确定随机风速：
根据标准高度处平均风速，通过确定参考高度处的平均风速，根据并通过谐波叠加法得到随机风速；其中，表示参考高度处的平均风速，v表示标准高度处的平均风速，β表示地貌粗糙度指数。
根据输电线路与风向的夹角和随机风速，按下式计算随机风荷载：
F(t)＝0.625αμscdv(t)2Lsin2θ
其中，F(t)表示t时刻的随机风荷载，v(t)表示t时刻的随机风速，α表示风压不均匀系数，μsc表示输电线路的体型系数，d表示输电线路的外径，L表示输电线路的跨度。
所述根据随机风荷载计算输电线路的水平位移包括：
按下式确定输电线路的非线性有限元动力方程：
Md″(t)+Cd′(t)+Kd(t)＝F(t)
其中，M表示绝缘子的质量矩阵，C表示绝缘子的刚度矩阵，K表示绝缘子的阻尼矩阵，d(t)表示输电线路的水平位移，d′(t)表示d(t)的一次导数，d″(t)表示d(t)的二次导数；
求解输电线路的非线性有限元动力方程，得到d(t)。
根据输电线路的水平位移，按下式确定绝缘子动态风偏角：
其中，表示t时刻绝缘子动态风偏角，l表示绝缘子长度。
另一方面，本发明提供一种基于数值气象数据的输电线路风偏预报装置，包括：
确定模块，用于对接收的数值气象数据进行解析，并根据解析后的气象数据确定输电线路与风向的夹角和随机风速；
计算模块，用于根据输电线路与风向的夹角和随机风速计算随机风荷载，并根据随机风荷载计算输电线路的水平位移；
预报模块，用于根据输电线路的水平位移确定绝缘子动态风偏角，并根据绝缘子动态风偏角对输电线路风偏状态进行预报。
所述确定模块包括：
接收单元，采用文件传输协议并按照预设间隔接收数值气象数据，所述数值气象数据包括标准高度处的平均风速和风向。
所述确定模块包括：
解析单元，用于对接收的数值气象数据按下述过程进行解析：
通过地理信息系统对数值气象数据进行坐标矫正，得到坐标矫正后的数值气象数据，并将坐标矫正后的数值气象数据进行保存；
将所有杆塔按照杆塔所在的地理坐标定位到与坐标矫正后的数值气象数据相同精度的网格中，按照杆塔所在的行和列，通过网格索引得到解析后的气象数据，所述解析后的气象数据包括数值气象数据对应的输电线路处的平均风速和风向。
所述确定模块包括：
夹角确定单元，用于根据解析后的气象数据，按下式确定输电线路与风向的夹角：
θ＝arctan|(k2-k1)/(1+k1k2)|
其中，θ表示输电线路与风向的夹角，k1表示输电线路斜率，k2表示风向斜率。
随机风速确定单元，用于根据解析后的气象数据按下述过程确定随机风速：
根据标准高度处平均风速，通过确定参考高度处的平均风速，根据并通过谐波叠加法得到随机风速；其中，表示参考高度处的平均风速，v表示标准高度处的平均风速，β表示地貌粗糙度指数。
所述计算模块包括：
随机风荷载计算单元，用于根据输电线路与风向的夹角和随机风速，按下式计算随机风荷载：
F(t)＝0.625αμscdv(t)2Lsin2θ
其中，F(t)表示t时刻的随机风荷载，v(t)表示t时刻的随机风速，α表示风压不均匀系数，μsc表示输电线路的体型系数，d表示输电线路的外径，L表示输电线路的跨度。
所述计算模块还包括水平位移计算单元，所述水平位移计算单元包括：
方程确定单元，用于按下式确定输电线路的非线性有限元动力方程：
Md″(t)+Cd′(t)+Kd(t)＝F(t)
其中，M表示绝缘子的质量矩阵，C表示绝缘子的刚度矩阵，K表示绝缘子的阻尼矩阵，d(t)表示输电线路的水平位移，d′(t)表示d(t)的一次导数，d″(t)表示d(t)的二次导数；
求解单元，用于求解输电线路的非线性有限元动力方程，得到d(t)。
所述预报模块包括：
动态风偏角确定单元，用于根据输电线路的水平位移，按下式确定绝缘子动态风偏角：
其中，表示t时刻绝缘子动态风偏角，l表示绝缘子长度；
预报单元，根据绝缘子动态风偏角对输电线路风偏状态进行预报。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的基于数值气象数据的输电线路风偏预报方法中，先对接收的数值气象数据进行解析，并根据解析后的气象数据确定输电线路与风向的夹角和随机风速，然后根据输电线路与风向的夹角和随机风速计算随机风荷载，并根据随机风荷载计算输电线路的水平位移，最后根据输电线路的水平位移确定绝缘子动态风偏角，并根据绝缘子动态风偏角对输电线路风偏状态进行预报，实现基于数值气象数据和绝缘子动态风偏角的输电线路风偏预报，提高了输电线路风偏状态预报结果的准确度；
本发明实施例还提供的基于数值气象数据的输电线路风偏预报装置包括确定模块、计算模块和预报模块，确定模块，用于对接收的数值气象数据进行解析，并根据解析后的气象数据确定输电线路与风向的夹角和随机风速；计算模块，用于根据输电线路与风向的夹角和随机风速计算随机风荷载，并根据随机风荷载计算输电线路的水平位移；预报模块，用于根据输电线路的水平位移确定绝缘子动态风偏角，并根据绝缘子动态风偏角对输电线路风偏状态进行预报，实现基于数值气象数据和绝缘子动态风偏角的输电线路风偏预报，提高了输电线路风偏状态预报结果的准确度；
本发明提供的技术方案中，通过地理信息系统对采用文件传输协议接收的数值气象数据进行坐标矫正和索引定位，准确获得解析后的数值气象数据；
本发明提供的技术方案采用目标输电线路处的平均风速和风向进行输电线路风偏预报，提高了随机风荷载的精度，避免了采用一般区域性气象预报数据引起的误差；
本发明提供的技术方案对目标输电线路风偏状态的提前预报，为及时、有效地开展输电线路风偏灾害防治提供了技术支撑，在电网防灾减灾领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例中基于数值气象数据的输电线路风偏预报方法流程图；
图2是本发明实施例中输电线路处的随机风速示意图；
图3是本发明实施例中输电线路的水平位移示意图；
图4是本发明实施例中绝缘子动态风偏角示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例提供一种基于数值气象数据的输电线路风偏预报方法，具体流程图如图1所示，具体过程如下：
S101：对接收的数值气象数据进行解析，并根据解析后的气象数据确定输电线路与风向的夹角和随机风速；
S102：根据S101确定的输电线路与风向的夹角和随机风速计算随机风荷载，并根据随机风荷载计算输电线路的水平位移；
S103：根据S102计算的输电线路的水平位移确定绝缘子动态风偏角，并根据绝缘子动态风偏角对输电线路风偏状态进行预报。
上述S101中，数值气象数据采用文件传输协议并按照预设间隔接收，数值气象数据包括标准高度处的平均风速和风向。
上述S101中，对接收的数值气象数据进行解析的具体过程如下：
1)通过地理信息系统对数值气象数据进行坐标矫正，得到坐标矫正后的数值气象数据，并将坐标矫正后的数值气象数据进行保存；
2)将所有杆塔按照杆塔所在的地理坐标定位到与坐标矫正后的数值气象数据相同精度的网格中，按照杆塔所在的行和列，通过网格索引得到解析后的气象数据，所述解析后的气象数据包括数值气象数据对应的输电线路处的平均风速和风向。
上述S101根据解析后的气象数据确定输电线路与风向的夹角和随机风速的具体过程如下：
1)根据解析后的气象数据，按下式确定输电线路与风向的夹角：
θ＝arctan|(k2-k1)/(1+k1k2)|
其中，θ表示输电线路与风向的夹角，k1表示输电线路斜率，k2表示风向斜率；
2)根据解析后的气象数据按下述过程确定随机风速：
根据标准高度处平均风速，通过确定参考高度处的平均风速，根据并通过谐波叠加法得到随机风速(如图2所示)；其中，表示参考高度处的平均风速，v表示标准高度处的平均风速，β表示地貌粗糙度指数。
上述S102中，根据输电线路与风向的夹角和随机风速，按下式计算随机风荷载：
F(t)＝0.625αμscdv(t)2Lsin2θ
其中，F(t)表示t时刻的随机风荷载，v(t)表示t时刻的随机风速，α表示风压不均匀系数，μsc表示输电线路的体型系数，d表示输电线路的外径，L表示输电线路的跨度。
上述S102中，根据随机风荷载计算输电线路的水平位移包括：
1)按下式确定输电线路的非线性有限元动力方程：
Md″(t)+Cd′(t)+Kd(t)＝F(t)
其中，M表示绝缘子的质量矩阵，C表示绝缘子的刚度矩阵，K表示绝缘子的阻尼矩阵，d(t)表示输电线路的水平位移，d′(t)表示d(t)的一次导数，d″(t)表示d(t)的二次导数；
2)求解输电线路的非线性有限元动力方程，得到d(t)，如图3所示。
上述S103中，根据输电线路的水平位移，按下式确定绝缘子动态风偏角：
其中，表示t时刻绝缘子动态风偏角(如图4所示)，l表示绝缘子长度。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种基于数值气象数据的输电线路风偏预报装置，包括确定模块、计算模块和预报模块，下面分别对上述几个模块的功能进行详细介绍：
其中的确定模块，用于对接收的数值气象数据进行解析，并根据解析后的气象数据确定输电线路与风向的夹角和随机风速；
其中的计算模块，用于根据输电线路与风向的夹角和随机风速计算随机风荷载，并根据随机风荷载计算输电线路的水平位移；
其中的预报模块，用于根据输电线路的水平位移确定绝缘子动态风偏角，并根据绝缘子动态风偏角对输电线路风偏状态进行预报。
上述的确定模块包括：
1)接收单元，采用文件传输协议并按照预设间隔接收数值气象数据，所述数值气象数据包括标准高度处的平均风速和风向。
2)解析单元，用于对接收的数值气象数据按下述过程进行解析：
2-1)通过地理信息系统对数值气象数据进行坐标矫正，得到坐标矫正后的数值气象数据，并将坐标矫正后的数值气象数据进行保存；
2-2)将所有杆塔按照杆塔所在的地理坐标定位到与坐标矫正后的数值气象数据相同精度的网格中，按照杆塔所在的行和列，通过网格索引得到解析后的气象数据，所述解析后的气象数据包括数值气象数据对应的输电线路处的平均风速和风向。
3)夹角确定单元，用于根据解析后的气象数据，按下式确定输电线路与风向的夹角：
θ＝arctan|(k2-k1)/(1+k1k2)|
其中，θ表示输电线路与风向的夹角，k1表示输电线路斜率，k2表示风向斜率。
4)机风速确定单元，用于根据标准高度处平均风速，通过确定参考高度处的平均风速，根据并通过谐波叠加法得到随机风速(如图2所示)；其中，表示参考高度处的平均风速，v表示标准高度处的平均风速，β表示地貌粗糙度指数。
上述的计算模块包括：
1)随机风荷载计算单元，用于根据输电线路与风向的夹角和随机风速，按下式计算随机风荷载：
F(t)＝0.625αμscdv(t)2Lsin2θ
其中，F(t)表示t时刻的随机风荷载，v(t)表示t时刻的随机风速，α表示风压不均匀系数，μsc表示输电线路的体型系数，d表示输电线路的外径，L表示输电线路的跨度。
2)水平位移计算单元，水平位移计算单元包括：
2-1)方程确定单元，用于按下式确定输电线路的非线性有限元动力方程：
Md″(t)+Cd′(t)+Kd(t)＝F(t)
其中，M表示绝缘子的质量矩阵，C表示绝缘子的刚度矩阵，K表示绝缘子的阻尼矩阵，d(t)表示输电线路的水平位移，d′(t)表示d(t)的一次导数，d″(t)表示d(t)的二次导数；
2-1)求解单元，用于求解输电线路的非线性有限元动力方程，得到d(t)。
上述的预报模块包括：
1)动态风偏角确定单元，用于根据输电线路的水平位移，按下式确定绝缘子动态风偏角：
其中，表示t时刻绝缘子动态风偏角，l表示绝缘子长度；
2)预报单元，根据绝缘子动态风偏角对输电线路风偏状态进行预报。
为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。