技术领域
[0001] 本发明涉及电气工程技术领域，特别涉及一种气象灾害下的输电线路状态预测方法及装置。
相关背景技术
[0002] 架空输电线路是能源配置网络的主要组成部分，同时也是能源配给最为快速的通道。输电线路维修的主要工作包括通道管理和线路检修两个大的门类，而频繁迁改则给线路维修工作带来巨大的压力。提高输电线路的可靠性，掌握输电线路的状态是提高线路运行可靠性和合理安排检修的关键。掌握输电线路的状态需要输电线路的安全进行预测，特别是在气象灾害下的输电线路安全预测尤为重要。
[0003] 目前，对输电线路的安全预测方法可预测输电线路整体的风险状态。但现阶段特别是天气异常如，台风、出现覆冰天气等情况下，在现场线路巡视的运维人员不能及时准确的对输电线路的风险进行预测。
具体实施方式
[0030] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031] 在本发明实施例中，提供了一种气象灾害下的输电线路状态预测方法，如图1所示，该方法包括：
[0032] 步骤101：构建输电线路三维模型和气象灾害模型；
[0033] 步骤102：获取气象灾害信息；
[0034] 步骤103：基于所述气象灾害模型，将所述气象灾害信息转换成气象灾害模型参数；
[0035] 步骤104：基于所述输电线路三维模型，根据所述气象灾害模型参数确定输电线路预警数据；
[0036] 步骤105：将所述输电线路预警数据与预设的预警阈值进行比较，根据比较结果确定是否进行灾害预警。
[0037] 具体实施时，本发明是基于建筑信息模型(Building Information Modeling简称BIM)构建的输电线路三维模型，该输电线路三维模型是可视化的输电线路模型。首先巡视人员通过BIM终端扫描巡视输电线路，获得输电线路的基础、杆塔、导线、绝缘子串、附属设施及周边环境的状态数据，然后构建输电线路三维模型，构建的输电线路三维模型可以包括：输电线路基础三维模型、杆塔三维模型、导线三维模型(包括防震锤和间隔棒三维模型)、悬垂绝缘子串三维模型和输电线路的附属设施三维模型其中之一或多个。气象灾害模型可以包括台风灾害模型和/或线路覆冰灾害模型；获取的气象灾害信息可以包括台风灾害信息和/或线路覆冰灾害信息。
[0038] 具体实施时，如图2所示，该气象灾害下的输电线路状态预测方法还包括：
[0039] 步骤106：当比较结果表示所述输电线路预警数据超过预设的预警阈值时，产生预警信息；
[0040] 步骤107：基于预警信息，获取被预警的输电线路的实时状态信息；
[0041] 步骤108：将所述实时状态信息与被预警的输电线路的历史状态信息进行比较，根据信息比较结果确定被预警的输电线路是否存在损坏。
[0042] 具体实施时，当所述气象灾害模型为台风灾害模型时，所述气象灾害信息为台风灾害信息。台风预警的基本流程图如图3所示。先通过气象台获取台风灾害信息，气象局提供的台风灾害信息主要有台风实况信息和预报信息。然后，从三维线路系统(主要是指输电线路三维模型为杆塔三维模型、导线三维模型和悬垂绝缘子串三维模型)中获取受影响区的杆塔和线路信息，基于杆塔三维模型、导线三维模型和悬垂绝缘子串三维模型，根据所述台风灾害信息确定悬垂绝缘子风偏角和/或跳线的风偏角，而垂直绝缘子串风偏角和跳线的风偏角都是三维线路系统可识别并展示的。最后可以得到由台风引起的垂直绝缘子串和跳线风偏角的可视化的变化，将其与临界风偏角进行比较，一旦超过临界风偏角，就发出预警，同时选择运行人员或无人机利用BIM技术对被预警的输电线路进行扫描，通过BIM终端不间断地把被预警的输电线路数据无线传输到后台系统。在后台系统中将实时获取的被预警的输电线路数据与历史数据进行比较，预判断风偏跳闸风险可能性，预先准备抢修。一旦发现事故时，及时进行检修或缺陷消缺，利用可视化管理将损失降低为最低。
[0043] 下面是垂直绝缘子串风偏角和跳线的风偏角的计算方法。
[0044] 图4是垂直绝缘子串风偏角示意图，如图4所示，所述悬垂绝缘子风偏角按如下公式确定：
[0045]
[0046] 其中，为悬垂绝缘子串风偏角；p1为悬垂绝缘子串风压，单位是N；G1为悬垂绝缘子串重力，单位是N；p为垂直于导线及地线方向的水平风荷载标准值，单位是N/m；W1为导线自重力，单位是N/m；Lh为杆塔的水平档距，单位是m；Lv为杆塔的垂直档距，单位是m；
[0047] 悬垂绝缘子串风压p1按如下公式确定：
[0048]
[0049] 其中，A1为悬垂绝缘子串受风面积，单位是m2；V为台风的平均风速，单位是m/s；
[0050] 杆塔两侧档距平均值之乘积，称为“水平档距”，杆塔两侧电线最低点(O点)间的水平距离称为“垂直档距”。
[0051] 垂直于导线及地线方向的水平风荷载标准值p按如下公式确定：
[0052] p＝0.625αwμscβcdLh(KhV)2sinθ2 (3)；
[0053] 其中，αw为风压不均匀系数；βc为导线及地线风荷载调整系数；Kh为风压高度变化系数；μsc为导线及地线的体型系数；θ为风向与导线或地线方向之间的夹角；d表示放电距离。
[0054] 跳线的风偏角按如下公式确定：
[0055]
[0056] 其中，η为跳线的风偏角；γ4为导线风荷载比载，单位是N/m.mm2；γ1为导线自重比载，单位是N/m.mm2；
[0057] 导线风荷载比载γ4按如下公式确定：
[0058]
[0059] 其中，αw为风压不均匀系数；K为电线体型系数；D为导线外径单位是mm；
[0060] 导线自重比载γ1按如下公式确定：
[0061]
[0062] 其中，W0为导线的自重，单位是kg；g为重力加速度，g＝9.81N/kg；S为导线截面积，单位是mm2。
[0063] 具体实施时，当所述气象灾害模型为线路覆冰灾害模型时，所述气象灾害信息为线路覆冰灾害信息。覆冰预警流程图如图5所示。首先获取线路覆冰灾害信息(比如降雨量、风速等)，然后从三维线路系统(主要是杆塔三维模型和导线三维模型)中(基于覆冰增长模型)获取冰雪覆盖区的杆塔和导线的参数(覆冰厚度等)，计算出导线比载；最后计算导线应力和杆塔的荷载，这两者都是可以录入三维线路系统中的参数，将其交由后台分析，一旦超过导线最大应力或杆塔设计荷载，就发出预警。同时选择运行人员或无人机利用BIM技术对被预警的输电导线和杆塔进行扫描。通过BIM终端不间断地把数据无线传输到后台系统。在后台预判导线断线风险和杆塔倒塔风险，必要时准备导线融冰。一旦发现事故，也能及时进行检修或缺陷消缺,使用可视化管理将损失降低为最低。
[0064] 下面给出具体的算法：
[0065] 第一步：将气象信息转换为覆冰厚度
[0066] 不同覆冰类型有不同的覆冰增长模型，雨凇是对电力系统危害最大的一类覆冰，当温度接近零度，风速较大时形成的就是雨凇，雨凇密度较大，较为透明，会紧敷导线，粘附力强不容易脱落，雨凇覆冰会严重增加导线和杆塔的机械荷载。本文针对雨凇覆冰的特点选取了Chaine的模型。
[0067] Chaine模型给出了导线截面随时间变化的关系，基本关系如式(7)所示：
[0068]
[0069] 其中
[0070] 其中，Si为导线截面积随时间的变化；R0为导线半径；Hg为单位时间的降水量；Hv垂直表面上水层厚度的增长量；W为空气中的含水量；Vt为导线所受风速，是一个时变量；ρW为水的密度。
[0071] 使用Visual Studio软件编辑，当已知降雨量和风速时，就可以算出导线的覆冰厚度。
[0072] 第二步：通过覆冰厚度计算导线覆冰比载
[0073] 在有风条件下，覆冰导线的比载可由以下各式得出：
[0074]
[0075]
[0076]
[0077]
[0078] 上面四式中：ρ0为冰的密度，g/mm2；W0为导线的自重，kg/km；g为重力加速度，g＝9.81N/kg；S为导线截面积，mm2；g1为导线自重比载，g2为冰重比载，g3为覆冰时风压比载，g4为覆冰有风时的总比载；α为风荷载档距系数，按如下规则取值：风速<20m/s，取1；风速(20-
29)m/s，取0.85；风速(30-34)m/s，取0.75；风速>35m/s，取0.7；K为风荷载体型系数，覆冰时，取1.2。
[0079] 第三步：导线应力计算
[0080] 架空导线所受最大应力一般是在两悬点处，如图6所示。在A、B处最有可能发生导线断线，而A、B两处的应力可由下两式计算得到：
[0081]
[0082]
[0083] 其中，σ0为导线水平应力；gb为线路比载；l为两悬点的水平距离；h为两悬点高度差；其中，公式(12)和(13)中的gb就是公式(11)中的g4。
[0084] 两悬点的高度差和档距可由三维线路地理信息系统得出，线路比载可由式(8)至式(11)得出，而导线水平应力σ0一般为已知，所以由上两式可得架空导线两悬点处应力。
[0085] 第四步：杆塔荷载计算
[0086] 杆塔的水平荷载和垂直荷载的计算需要借助三维地理信息系统，要了解杆塔周围的地形地貌，得到杆塔两侧高度差，导线最低点位置等详细的杆塔信息，以求得准确杆塔荷载，其中杆塔的水平荷载由下式计算可得。
[0087] P＝gbSLh (14)；
[0088] 式中：P为导线传递给杆塔的水平荷载，单位是N；gb为线路比载，由气象条件决定，单位是N/(m·mm2)；S为导线截面积，单位是mm2；Lh为杆塔的水平档距，单位是m。
[0089] 水平档距如图7所示，是用以计算导线传递给杆塔水平荷载，其计算如下式。
[0090]
[0091] 导线传递给杆塔的垂直荷载用G表示，计算公其计算如下式。
[0092] G＝gbSLv (16)；
[0093] 式中：Lv为杆塔的垂直档距，单位是m；垂直档距的计算如下式。
[0094]
[0095] 上式中正负号的判定原则为：以计算所用的杆塔的悬点高度为基准，与相邻两杆塔的悬点高度作比较，若相邻杆塔悬点高，则取负号，计算所用杆塔悬点高则取正号。
[0096] 基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种气象灾害下的输电线路状态预测装置，如下面的实施例所述。由于气象灾害下的输电线路状态预测装置解决问题的原理与气象灾害下的输电线路状态预测方法相似，因此气象灾害下的输电线路状态预测装置的实施可以参见气象灾害下的输电线路状态预测方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
[0097] 图8是本发明实施例的气象灾害下的输电线路状态预测装置的一种结构框图，如图8所示，包括：
[0098] 模型构建模块801，用于构建输电线路三维模型和气象灾害模型；
[0099] 气象灾害信息获取模块802，用于获取气象灾害信息；
[0100] 信息转换模块803，用于基于所述气象灾害模型，将所述气象灾害信息转换成气象灾害模型参数；
[0101] 预警数据确定模块804，用于基于所述输电线路三维模型，根据所述气象灾害模型参数确定输电线路预警数据；
[0102] 第一比较模块805，用于将所述输电线路预警数据与预设的预警阈值进行比较，根据比较结果确定是否进行灾害预警。
[0103] 下面对该结构进行说明。
[0104] 具体实施时，所述气象灾害模型包括台风灾害模型和/或线路覆冰灾害模型；所述气象灾害信息包括台风灾害信息和/或线路覆冰灾害信息；
[0105] 所述输电线路三维模型包括输电线路基础三维模型、杆塔三维模型、导线三维模型、悬垂绝缘子串三维模型和输电线路的附属设施三维模型其中之一或多个。
[0106] 具体实施时，所述预警数据确定模块804具体用于：
[0107] 当所述气象灾害模型为台风灾害模型，所述气象灾害信息为台风灾害信息，所述输电线路三维模型为杆塔三维模型、导线三维模型和悬垂绝缘子串三维模型时，基于杆塔三维模型、导线三维模型和悬垂绝缘子串三维模型，根据所述台风灾害信息确定悬垂绝缘子风偏角和/或跳线的风偏角。
[0108] 所述预警数据确定模块804具体按照如上公式(1)至(6)确定悬垂绝缘子风偏角和/或跳线的风偏角。
[0109] 具体实施时，所述预警数据确定模块804具体用于：
[0110] 当所述气象灾害模型为线路覆冰灾害模型，所述气象灾害信息为线路覆冰灾害信息，所述输电线路三维模型为杆塔三维模型和导线三维模型时，基于杆塔三维模型和导线三维模型，根据所述线路覆冰灾害信息确定导线应力和/或杆塔的荷载。
[0111] 所述预警数据确定模块804具体按照如上公式(7)至(17)确定导线应力和/或杆塔的荷载。
[0112] 具体实施时，如图9所示，该气象灾害下的输电线路状态预测装置还包括：
[0113] 预警模块806，用于当比较结果表示所述输电线路预警数据超过预设的预警阈值时，产生预警信息；
[0114] 状态信息获取模块807，用于基于预警信息，获取被预警的输电线路的实时状态信息；
[0115] 第二比较模块808，用于将所述实时状态信息与被预警的输电线路的历史状态信息进行比较，根据信息比较结果确定被预警的输电线路是否存在损坏。
[0116] 基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述方法。
[0117] 基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行如上所述方法的计算机程序。
[0118] 综上所述，本发明基于建筑信息模型(Building Information Modeling简称BIM)和气象灾害数字模型建立输电线路的三维和四维输电线路模型，进行线路的风险管理必将大大方便输电线路运检业务，当发生天气异常如，台风和覆冰等情况时，如果能对预发生风险的地区或输电线路发出预警，并对已知具体位置的预警区域进行巡视作业，一旦发生故障，及时将故障清楚，将大大降低气象灾害的危害。
[0119] 本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。
[0120] 本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
[0121] 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。
[0122] 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。
[0123] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
