一种输电线路体系的承载力匹配方法及系统与流程

本发明涉及输电线路领域，具体涉及一种输电线路体系的承载力匹配方法及系统。

背景技术：

输电线路设计方法的发展过程大致可分为三个时期：第一个时期，输电线路设计采用容许应力设计法(单一安全系数法)；此后，在第二个时期对线条风荷载考虑了调整系数；第三个时期改为采用以概率理论为基础的极限状态设计法、分项系数的设计表达式。

目前线路设计偏重于单个组件设计，对线路整体可靠性能的把握通常依靠经验。在有的输电线路设计中，杆塔和基础采用极限状态法设计，而导地线、绝缘子等其他组件采用安全系数法设计，设计理论不匹配。不同设计方法使得系统各组件的可靠性度量不统一，杆塔为可靠指标，而导地线等组件为安全系数；由于安全系数法未能考虑产品质量的差异，使得同一安全系数的组件可靠度也可能不同。

而目前对于输电线路系统的可靠性研究较少。美国在线路设计中，引入了线路整体可靠度的设计方法，可以选择线路可靠度系数，但是没有给出线路各组件之间的承载力匹配关系。

技术实现要素：

为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种输电线路体系的承载力匹配方法及系统。

本发明提供的技术方案是：

一种输电线路体系的承载力确定方法，所述方法包括：

确定输电线路体系中各组件的失效顺序和各组件的安全系数；

基于所述输电线路体系组件的失效顺序和各组件的安全系数计算各组件的匹配调整系数；

基于所述各组件的匹配调整系数计算不同失效顺序下各组件的承载力。

优选的，所述各组件的安全系数的确定，包括：

基于不同工况分别计算每种工况下的各组件相当安全系数；

基于所述每种工况下的各组件安全系数计算各组件相当安全系数平均值，得到各组件的安全系数；

其中所述输电线路的组件，包括：杆塔、金具、导地线、绝缘子和基础。

优选的，所述输电线路体系组件的失效顺序，包括：

第一失效顺序：杆塔部分破坏，金具失效，导地线拉断，绝缘子破坏，基础完好；

第二失效顺序：所述金具破坏，导地线掉落，杆塔、绝缘子、基础完好；

第三失效顺序：所述导地线拉断，杆塔、金具、绝缘子、基础完好；

第四失效顺序：所述金具破坏，导地线掉落，杆塔、绝缘子、基础完好；

第五失效顺序：所述导地线拉断，绝缘子破坏，金具、杆塔、基础完好。

优选的，所述基于所述输电线路体系组件的失效顺序和各组件的安全系数计算匹配调整系数，包括：

获取所述各组件的强度数据，并基于所述各组件的强度数据得到各组件强度概率的正态分布；

基于所述各组件强度概率的正态分布计算各组件的标准值和平均值；

基于所述各组件的标准值和平均值之比，得到各组件的变异系数；

基于各组件的变异系数、输电线路体系组件的失效顺序和各组件的安全系数计算匹配调整系数。

优选的，所述匹配调整系数的计算式如下：

γmn＝kn/kn1

式中，γmn为不同失效顺序下第n个组件的匹配调整系数；kn为不同失效顺序下第n个组件的匹配安全系数；kn1为第n个组件的安全系数；n为1,2,3,4,5。

优选的，所述不同失效顺序下第n个组件的各组件匹配安全系数的计算式如下：

kn＝kn-1×γmcn

式中，kn-1为不同失效顺序下第n个组件前面一个组件的匹配安全系数；γmcn为第n个组件的强度匹配系数。

优选的，所述第n个组件的强度匹配系数的计算式如下：

式中，α为相邻两个组件的中心安全系数；δr1为相邻两个组件中第一个组件的变异系数；δr2为相邻两个组件中第二个组件的变异系数。

优选的，所述不同失效顺序下第n个组件的的计算式如下：

γmn×荷载≤承载力。

一种输电线路体系的承载力匹配系统，所述系统包括：

确定模块：用于确定输电线路体系中各组件的失效顺序和各组件的安全系数；

第一计算模块：用于基于所述输电线路体系组件的失效顺序和各组件的安全系数计算各组件的匹配调整系数；

第二计算模块：用于基于所述各组件的匹配调整系数计算不同失效顺序下各组件的承载力。

优选的，所述确定模块，包括：第一计算单元和第二计算单元；

所述第一计算单元，用于基于不同工况分别计算每种工况下的各组件相当安全系数；

所述第二计算单元，用于基于所述每种工况下的各组件安全系数计算各组件相当安全系数平均值，得到各组件的安全系数；

其中所述输电线路的组件，包括：杆塔、金具、导地线、绝缘子和基础。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供的技术方案，确定输电线路体系中各组件的失效顺序和各组件的安全系数；基于所述输电线路体系组件的失效顺序和各组件的安全系数计算各组件的匹配调整系数；基于所述各组件的匹配调整系数计算不同失效顺序下各组件的承载力，可以指导线路整体设计，提升输电线路设计的合理性及经济性。

2、本发明提供的技术方案，不仅可用于不同失效顺序、不同置信度水平的输电线路体系组件强度匹配系数的计算，还可针对不同的组件强度变异系数统计值、不同工况组合下的不同安全系数计算输电线路体系组件强度匹配系数。由此，可以实现输电线路体系组件按照预定的失效顺序进行承载工作，从而能够达到受灾损失最小、修复费用最小、修复最快的效果。本发明可以指导线路整体设计，为输电线路体系组件的差异化设计提供参考，对输电线路的安全、经济运营具有十分重要的经济价值和现实意义。

附图说明

图1为本发明的输电线路体系的承载力匹配方法流程示意图；

图2为本发明的输电线路组件结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

输电线路是一种复杂的大型结构体系，体系中包含了铁塔、导地线、绝缘子、金具、基础这5种组件。为了实现对危急状态下输电线路体系组件按照预定的失效顺序进行承载工作，从而能够达到受灾损失最小、修复费用最小、修复最快的目的，必须将输电线路体系组件之间的承载力进行优化匹配。由此，提出了本发明。本发明可以指导线路整体设计，为输电线路体系组件的差异化设计提供参考，对输电线路的安全、经济运营具有十分重要的经济价值和现实意义。如图1所示，具体步骤如下：

步骤一：确定输电线路体系中各组件的失效顺序和各组件的安全系数；

步骤二：基于所述输电线路体系组件的失效顺序和各组件的安全系数计算各组件的匹配调整系数；

步骤三：基于所述各组件的匹配调整系数计算不同失效顺序下各组件的承载力。

本发明针对输电线路体系组件提出了5种较为理想的失效顺序，进而推导了强度匹配系数计算公式，并给出了不同失效顺序、不同置信度水平的输电线路体系组件强度匹配系数取值。具体发明内容如下所述。

步骤一：确定输电线路体系中各组件的失效顺序和各组件的安全系数；

如图2所示，综合考虑建造成本与修复难易度，结合工程经验，本发明提出了输电线路体系组件5种较为理想的失效顺序：

(1)杆塔、金具、导地线、绝缘子、基础；

(2)金具、杆塔、导地线、绝缘子、基础；

(3)导地线、杆塔、金具、绝缘子、基础；

(4)金具、导地线、杆塔、绝缘子、基础；

(5)导地线、绝缘子、金具、杆塔、基础。

其中，体系中各个组件的失效情况分别解释如下：

对于第1种失效情况，杆塔部分破坏、金具失效、导地线拉断、绝缘子破坏、基础完好；对于第2种情况，金具破坏，导地线掉落，杆塔、绝缘子、基础完好；对于第3种情况，导地线拉断，杆塔、金具、绝缘子、基础完好；对于第4种顺序，金具破坏、导地线掉落，杆塔、绝缘子、基础完好；对于第5种情况，导地线拉断、绝缘子破坏，金具、杆塔、基础完好。

步骤二：基于所述输电线路体系组件的失效顺序和各组件的安全系数计算各组件的匹配调整系数；

利用统计方法推导强度匹配系数计算公式。

强度匹配系数γmc取决于实现假定失效顺序的目标概率和两种组件的变异系数。本发明基于组件r2不先于组件r1失效具有90％的可信度，即取90％为目标失效顺序的置信度水平。如果组件r2的强度超过组件r1强度的目标概率已设定，则有

p[(r2-r1)>0]＝0.90＝p(sof)(1)

式中，r2，r1分别为两种组件的强度；

p(sof)为失效顺序的概率，即强度匹配的概率。

强度匹配系数γmc为两种组件的强度超越极限的比值，取两种组件的强度超越概率均为e％，则

达到强度匹配目标的概率可由可靠指标βsof表示。对于强度匹配，该值就是达到强度匹配目标的置信度pφ。

pφ＝fn(βsof)(3)

假定组件强度r2和r1均服从正态分布，则可靠指标βsof可由下式计算。

其中，σr1＝δr1μr1、σr2＝δr2μr2。

式中，σr1、σr2分别为组件r1和r2的强度标准差；μr1、μr2为组件r1和r2的强度平均值；δr1、δr2为组件r1和r2的强度变异系数。

引入中心安全系数α

α＝μr2/μr1(5)

则式(4)可变为：

由式(7)求解二项式方程，求得中心安全系数α

α²[1-(βsofδr2)²]-2α+1-(βsofδr1)²＝0(7)

如果假定组件强度r2和r1均服从对数正态分布，可将r1和r2当量正态化，即

将当量正态化之后的变量代入可靠指标βsof的公式可求得：

由式(11)求解二项式方程，求得中心安全系数α

若组件强度的超越极限e取为10％，即

(10％)r1＝(1-1.28δr1)μr1

(10％)r2＝(1-1.28δr2)μr2

则由式(2)可得：

因此，由式(7)或(11)计算出中心安全系数α之后，即可由式(12)确定两种相邻组件的强度匹配系数γmcn。

基于上述计算公式，即可计算输电线路体系组件在不同失效顺序、不同置信度水平的强度匹配系数。

统计了已有的输电线路体系5种组件(杆塔、导地线、绝缘子、金具、基础)的强度数据，分析得到了各组件强度的变异系数及概率分布类型，如表1所示。

表1输电线路各组件强度的统计特征

统计了现行规范针对两种最为常见工况的安全系数，如表2所示。两种荷载组合工况分别为：工况1、最大风荷载+无覆冰荷载+未断线；工况2、最大覆冰荷载+相应风速的风荷载+未断线。为简化起见，本发明只考虑电压等级为500kv(相应的冰、风荷载重现期为50年)，结构安全级别为ii级的各组件的相当安全系数。其它工况、其它设计条件的安全系数，同样可利用本发明计算。

表2500kv输电线路各组件(安全级别ii级)的安全系数

本发明在计算中分别取强度匹配设计的目标置信水平为90％和80％进行计算。

第1种失效顺序中输电线路各组件在置信度水平为90％和80％的强度匹配关系计算结果分别如表3和表4所示。其中，以哪个组件为主要组件，其匹配系数γmcn即取为1.00。

主要组件的选择主要是根据组件的造价决定。其中，前2种失效顺序都以造价最高的杆塔作为主要构件。后3种是针对大跨越等特殊线路，导线的重要性最强，因此以导线作为主要组件进行计算。

表3第1种失效顺序中以杆塔为主要组件线路各组件的强度匹配关系(置信度水平为90％)

其中，相邻组件的强度匹配系数γmc由本发明上文的计算公式求得。匹配安全系数kn＝kn-1×γmcn，kn-1为不同失效顺序下第n个组件前面一个组件的匹配安全系数；γmcn为第n个组件的强度匹配系数。例如：2.038*1.412＝2.877。匹配调整系数γmn则是为了便于现行规范设计，考虑基于现行规范调整幅度后的匹配系数，即γmn＝k2/k1。例如：导地线的匹配调整系数γmn＝2.877/2.587＝1.112。

表4第1种失效顺序中以杆塔为主要组件线路各组件的强度匹配关系(置信度水平为80％)

综合表3、表4，得到了第1种失效顺序中输电线路各组件在置信度水平为90％和80％的强度匹配关系计算结果，如表5所示。

表5第1种失效顺序各组件的强度匹配系数取值

同理，第2～第5种失效顺序中输电线路各组件在置信度水平为90％和80％的强度匹配关系计算结果分别如表6～表9所示。

表6第2种失效顺序各组件的强度匹配系数取值

表7第3种失效顺序各组件的强度匹配系数取值

表8第4种失效顺序各组件的强度匹配系数取值

表9第5种失效顺序各组件的强度匹配系数取值

步骤三：基于所述各组件的匹配调整系数计算不同失效顺序下各组件的承载力。

确定了各组件的匹配调整系数γm1之后，输电线路杆塔、基础、导地线、金具和绝缘子各组件可继续按现行规范进行设计，即γmn×荷载≤承载力。

本发明不仅可用于不同失效顺序、不同置信度水平的输电线路体系组件强度匹配系数的计算，还可针对不同的组件强度变异系数统计值、不同工况组合下的不同安全系数计算输电线路体系组件强度匹配系数。

基于同一构思发明，本申请还提供一种输电线路体系的承载力匹配系统，所述系统包括：

确定模块：用于确定输电线路体系中各组件的失效顺序和各组件的安全系数；

第一计算模块：用于基于所述输电线路体系组件的失效顺序和各组件的安全系数计算各组件的匹配调整系数；

第二计算模块：用于基于所述各组件的匹配调整系数计算不同失效顺序下各组件的承载力。

优选的，所述确定模块，包括：第一计算单元和第二计算单元；

所述第一计算单元，用于基于不同工况分别计算每种工况下的各组件相当安全系数；

所述第二计算单元，用于基于所述每种工况下的各组件安全系数计算各组件相当安全系数平均值，得到各组件的安全系数；

其中所述输电线路的组件，包括：杆塔、金具、导地线、绝缘子和基础。

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。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。