[0001] 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技术领域。

[0002] 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。

[0003] 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。

[0016] 如图1所示，本发明在充分采集自然环境与电网设备数据特征的基础上，构建了电网电力设备气象灾害风险关键指标体系，针对电网不同环节提供定制化、精准化的电力气象服务，变被动监测为主动预警，解决现有气象预报对电网针对性不强，缺乏量化指标的问题，全面提高电力设备应对气象灾害的应急反应和处置能力，最大限度预防和减轻气象灾害对电网安全运行的影响。

[0017] 为实现上述目的，本发明采用的分析预警方法主要包括：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；
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；
将气象灾害与电力设备状态信息进行融合，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。

[0018] 其中，构建微地形区气象要素分析模型的原因在于：受限于计算性能及模式参数化方案的限制，气象数值模式大多对地形进行了网格剖分和平滑处理，只考虑了宏观地形对气象要素的作用，忽略了对微地形对气象参数的影响，模拟的云微物理特征和垂直运动特征均与实际情况存在一定差别，这种差别对定点、定量降水和天空状况、地面气温、湿度等要素的准确预报都会产生影响，因此预报的气象要素与实际环境下的气象要素存在较大误差，使得基于气象预报得到的电力气象灾害风险指标存在较大的不确定性，获得高精度、精细化的微地形区气象场是实现覆冰厚度精确分析的关键；构建电力设备气象要素影响评估模型的原因在于：电力设备气象灾害风险指标体系的建立需以电力设备气象要素影响评估模型作为基础，但各类气象要素对电力设备的影响分析模型众多，且涉及大量不确定因素；如变电站和配电设备积水模型的建立中需考虑水流演进过程中干湿交替模拟精度不足，地形因素影响，地表漫流模拟精度不足等各类问题，因此需建立统一的评估模型对不确定因素进行分析处理，得到评估结果。

[0019] 构建流体动力模型的方法为：计算流体动力学（Computational Fluid Dynamic，CFD），是基于计算机平台求解流体流动、传热效应以及流场相关参数的分析方法和手段。CFD的基本原理为：将三维空间内整体连续的流体计算域，分割为极小的计算单元，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。

[0020] CFD数值计算方法主要是对计算域内单元的离散化，进而对控制方程进行离散化，通过有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）和有限体积法（FVM）三种离散方法对控制方程进行离散求解；本发明采用有限体积法FVM对数值进行处理，首先将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；再对每一个控制体积积分，从而得出一组离散方程；如图2所示为直角坐标系下有限体积法的二维网格离散例子，从其二维结构网格区域离散示意图中可以看出，区域离散化过程结束之后可以获得如下四种几何要素：
节点（Node）：待求解未知量的位置；
控制体积（Control volume）：遵循控制方程或守恒方程的最小单位；
界面（Face）：相邻节点间控制容积的分界面；
网格线（Grid line）：连接相邻节点所形成的曲线簇。

[0021] 有限体积法相比于有限差分法，对离散网格的正交性没有要求，因此可以大量使用非结构化网格求解复杂的流场模型问题，在实际计算时因网格计算量小，而对内存空间的占用较小，有条件更精细地划分流场细节；利用计算流体动力学仿真，进行微地形区空气流动特征、水汽分布特征的仿真分析，从而实现微气象数据与大范围气象数据的交互分析，为开展输电线路覆冰、舞动特征分析奠定基础。

[0022] 构建二维水动力模型的方法为：水动力学模型是以平面二维水动力学模型为基础，将计算区域上边界产生的洪水过程与区间的产、汇流过程，分别按上开边界条件和面源，以沿程旁侧入汇形式结合起来融入二维水动力学模型。通过计算区域内水域动边界的自动跟踪、调整、合理分配，解决各子区间内的产、汇流问题，并通过适宜的穿渠建筑物泄流曲线或泄流公式控制中边界过水问题。全面、准确地模拟计算区域内在不同标准、不同工程规模情况下洪水的纵、横向传播及串流状况。

[0023] 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：；
其中：
；
式中，h为水深，qx和qy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，zb为河床底高程，Cf为床面摩擦
2 1/3
系数，Cf=gn /h ，其中n为曼宁系数。

[0024] 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：；
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（其他项在网格单元内可认为恒定）：
；
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，Sb为底坡源项，Sf为摩阻源项。

[0025] 相应界面的通量向量F(q)·n可以表示为如下的三角网格单元：：；
式中：nx、ny为单位向量n分别在x和y方向上的分量。

[0026] 在该三角网格单元内，通量F(q)·n线积分表达式为：；
式中：k为单元边的编号，lk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。

[0027] 在网格单元内，界面通量通过HLLC格式的近似黎曼求解器计算，通过静水重构来修正干湿边界处负水深问题，底坡源项使用底坡通量法进行处理，摩阻源项使用半隐式法计算以此提高模型稳定性。

[0028] 进一步的，本发明在进行多源数据融合的气象灾害预测时，首先建立基于三维变分同化的数值天气预报模型，实现对监测区域气象要素（温度、湿度、风速、风向、降水等）1×1km区域的精细化预报。针对典型微地形区，抽取微地形定量表征参数，构建典型微地形3D模型，利用1×1km区域的数值预报同化资料作为输入场，结合电力设备附近气象站历史公共气象数据、三维地形等数据，基于CFD对不同空气路径影响下，微地形区空气流动特征、气温及水汽分布特征进行敏感性分析，建立微地形区温度、湿度、降水量及相态、风速、风向、光照等气象要素预报模型，实现典型微地形区电力设备逐站逐杆塔气象精准预测。

[0029] 针对微地形地理特征指标抽取和建模时，通过提取电力设备所在区域的微地形特征参数（如地表粗糙度、坡度、坡向、湖泊距离及下垫面类型），制定符合局地的微地形参数化方案，为其数字化提供数据支撑，可采用激光雷达点云扫描、倾斜摄影等手段，准确获取微地形定量表征参数，构建典型微地形三维模型，准确掌握局地的微地形定量表征参数。

[0030] 针对电网典型微地形区域建立观测站，本发明根据现场情况确定部署自动气象站或X波段雷达，并在迎风方向上，同时安装声雷达，并结合辐射、湍流观测系统、土壤温湿度和热流观测设备等，进行全方位的微地形条件下的微气象观测试验，全面采集数据；围绕观测点进行长时间的微气象要素监测，获取完整的时间序列数据，包括春秋季大风及冬季冰冻雨雪天气等数据。通过分析观测数据，获取微气象要素的时空变化规律及微地形对气象要素的影响。

[0031] 针对电网1×1km数值预报模拟时，结合气象卫星资料、雷达资料、区域地形数据及水体数据，利用三维变分同化、资料预处理、观测资料同化、气象卫星资料同化、雷达资料同化和气溶胶资料等手段，研究气象预报数据与微地形地理信息、微气象监测数据、卫星资料、多普勒雷达资料等的同化方法，得到预报结果更准确的气象数值预测模型，实现对特定区域1×1km气象要素的短期定点预报。

[0032] 同时，本发明为研究微地形对气象的影响，结合微地形3D模型，利用1×1km数值区域预报同化资料作为输入场，使用CFD软件对不同冷空气路径影响下，观测点塔杆附近的空气流动特征、气温及水汽分布特征进行敏感性试验并建模，研究基于1×1km气象同化资料的气象要素降尺度方法，使其能准确预报设备附近气象要素的时空变化特征，并确保与气象监测数据尽可能吻合；并通过研究不同微地形指标（如地表粗糙度、坡度、坡向、湖泊距离及下垫面类型）对微气象要素的影响，在此基础上对微气象要素预测模型进行订正，使其适应不同微地形条件下微气象要素的预报。此外，将该预测模型与数值同化预报系统相耦合，利用系统输出的气象要素对同一时间段内不同微地形条件下气象要素的变化特征进行模拟，并与观测值进行对比，利用人工智能方法对误差进行校正。

[0033] 进一步的，本发明针对风速要素的评估模型构建需要基于对输电塔、绝缘子串、导线进行有限元建模，并对因风力导致金具磨损的模型进行构建，输电塔线体系是主要由输电塔、输电线和绝缘子串等构件组成的耦合体系，因此建立一个合理有效的塔线耦合体系有限元模型对后续各种工况的动力响应分析和动力特性研究非常重要。

[0034] （1）输电塔有限元建模：输电塔的塔架由各种不同型号的等边角钢组成，本发明具体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。

[0035] （2）绝缘子串有限元建模：如图3所示，绝缘子串作为输电线和输电塔之间的连接构件，在二者之间起着绝缘的作用，绝缘子串两端分别铰接于输电塔横担和导线上，在自重荷载作用下一般是垂直向下的，遇到风荷载或者线路不均匀覆冰等情况时会被拉偏，并在线路中产生不平衡张力，本发明采用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力影响的位移参考点。

[0036] （3）导线有限元建模：由于架空输电线路的档距很大，输电塔挂点间的导线长度远大于其截面尺寸，因此可忽略导线刚性对导线悬挂于空中的几何形状的影响，将导线看作一根处处铰接的柔性链条，在进行输电导线力学性能分析前，需要假设导线只承受轴向拉力，不能承受压力与弯矩，是一种理想的柔性结构，并且作用于导线上的荷载沿导线均匀分布并指向同一方向。

[0037] 通过上述假设，可将输电塔之间悬挂的导线看作一条理想的悬链线，如图4所示为不等高挂点架空导线示意图及受力图，图中点A、B分别为导线挂点，点O为悬链线弧垂最低点；对图中整档导线中OC段进行单独的受力分析，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如下：
；
；
上述两式比值为该段导线任一点的切线斜率，即：
；
将上式对x微分得到：
；
将上式积分后整理得：
；
再将上式分离变量后对两端积分，并代入相应参数即可求得坐标原点位于左侧悬挂点的导线悬链线方程：
；
式中：h为悬挂点高差；
为应力，导线单位截面上作用的张力；
为比载，架空导线单位长度、单位截面上承受的荷载；
为档距，相邻两悬挂点间垂直于荷载方向的投影距离；
为两侧悬挂点等高下的档内悬链线线长，计算公式为：
；
可得到等高悬点架空导线悬链线的计算公式为：
；
故只需要知道架空导线档距，垂直比载和水平应力，即可绘制出悬链线曲线；
本发明采用梁单元来模拟导线，针对导线抗拉不抗压的特性，利用软件中的亚弹性材料来定义其拉压方向的应力应变关系曲线来实现；当应变ε大于0时，弹性模量E取导线的实际弹性模量；应变ε小于0时，弹性模量E取为0。

[0038] 最后将输电塔、绝缘子串和导线等有限元模型组合起来，就可得到输电塔线体系的耦合有限元模型。

[0039] 上述杆塔、导线、绝缘子串建模计算采用了非线性有限元瞬态动力学分析算法。瞬态动力学分析又称为时间历程分析，是用于确定结构在任何随时间变化的载荷作用下的动力学响应的分析方法，可以确定结构在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、应变、应力等。

[0040] 对于空间有限元离散，采用 ， ， （ ）描述物体内各点在时间0、时间t、时间 的位形坐标， ， （ ）表示各质点在时间t和时间 的位移，采用平衡方程，基于虚位移原理进行计算，计算公式为：
；
式中：
为 时刻应力；
为 时刻应变；
为 时刻的外力虚功。

[0041] 由于导线脱冰跳跃过程是大位移、小变形的非线性运动过程，因此需要采用相应的空间运动描述和定义，如采用TL或者UL坐标等以及相应的度量，可得瞬态动力学分析求解的基本的运动方程为：；
式中：
表示质量矩阵；
表示阻尼矩阵；
表示刚度矩阵；
表示节点加速度向量；
表示节点速度向量；
表示节点位移向量；
表示t时刻的载荷向量。

[0042] 在任意给定的时间t，上式可以看做是一系列考虑了惯性力和阻尼力的静力学平衡方程，对时间积分，具体采用Newmark方法，设定：；
；
要求在 间隔内，满足线性假设：
；
间隔内的加速度为：
；
时间点 处的位移解u，可以通过求解：
；
其中加速度 可由下式：
；
代入，则得到从 、 、 计算 的公式：
；
重复迭代以上计算过程，即可确定给定时间内的导线各点脱冰跳跃的运动轨迹。

[0043] （4）对金具磨损的模型进行构建：该步骤主要涉及金具磨损模型及磨损指数提取技术研究，由于金具磨损一般发生在接触应力大，并发生较大相对滑动的区域，为了模拟金具之间的磨损情况，采用Archard磨损模型，磨损率是局部接触压力和滑移距离的线性函数，计算公式为：
；
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。

[0044] 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，基于 Archard 磨损模型针对应力大且接触并容易发生滑移的不稳构建金具磨损模型，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，对相关部位重点关注与加强防护。

[0045] 进一步的，本发明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，主要涉及对散热模型构建及散热指数提取技术研究；由于配电变压器季节性短时过载问题突出，在夏季用电高峰期，变压器的负载率出现短时激增，严重时超过额定值，内部温度迅速上升，可能引起变压器烧毁，威胁供电安全与可靠性。

[0046] 本发明采用流体‑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，通过有限体积法模拟变电器的能量产生与传递过程，计算过程如图5所示，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，结合气象预报，对变压器过热风险做出动态预警。

[0047] 进一步的，本发明针对湿度、气压要素的评估模型构建主要涉及对空气电击穿模型的构建；衡量气体电击穿特性的一个重要指标是临界电场强度，临界电场强度指的是在气体中电子崩处于继续发展和逐渐消失的临界状态时对应的电场强度。当外界电场强度高于临界电场强度时，电子崩能够迅速发展，气体有被击穿的可能，因此在实际的绝缘设计中，应使得气体间隙所能承受的最大场强低于临界电场强度。

[0048] 本发明主要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，进而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。

[0049] 由于空气中的水分附着在绝缘材料表面，使电气设备的绝缘电阻降低，特别是使用年限较长的设备，由于内部有积尘吸附水分，潮湿程度将更严重，绝缘电阻更低。设备的泄露电流大大增加，甚至造成绝缘击穿，产生事故。针对这一问题，本发明通过提取设备闪络指数，评估湿度对重污秽区设备发生污闪的影响程度，并结合气象预报，对未来设备发生闪络风险做出动态预警。

[0050] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。