一种考虑风载荷时空分布特性的输电线路风速场模拟方法，包括：1)进行平均风速场仿真与脉动风速场模拟，得到各点平均风速值与脉动风速时间序列；2)将脉动风速时间序列叠加到各点平均风速值上，得到实际风速时间序列；3)将步骤1)得到的脉动风速时间序列进行循环移位变换，得到一组考虑时空分布特性的风速时间序列；4)将考虑时空分布特性的风速时间序列变换为风载荷数据，以分段的形式施加于输电线路有限元模型中，进行瞬态求解并提取位移、应力结果完成输电线路风振计算。本发明专利技术为进一步开展考虑风载荷时空分布特性下的输电线路风振响应分析提供基础，继而降低风载荷对高压输电线路产生的危害。
【技术实现步骤摘要】
一种考虑风载荷时空分布特性的输电线路风速场模拟方法
本专利技术涉及输电线路抗风设计领域，具体涉及一种考虑风载荷时空分布特性的输电线路风速场模拟方法，降低风载荷对高压输电线路产生的危害，提高输电线路运行的可靠性。
技术介绍
高压输电线路的稳定性和可靠性直接关系到电力系统整体运行的安全性，是保障电能有效传输的关键。由于高压输电线路长期暴露在自然环境中，容易受风、覆冰等各种气象条件的侵袭，出现故障的几率较高。据统计，电力系统供给故障中约70％都是由架空输电线路故障产生的。作为一种大跨度高柔结构，输电线路对外部风载荷非常敏感，风载荷对高压输电线路产生附加载荷，会改变其原有的承载特性和力学分布，引发杆塔结构形变、倒塔、断线等风灾事故，严重威胁输电线路的安全可靠运行。因此，通过深入考虑外部风载荷的特点，开展关于输电塔-线结构体稳定性方面的研究工作至关重要。实际风场一般使用风速来表示，主要包含长周期和短周期两种成分：1、振动周期(10min以上)远大于结构自振周期的平均风速；2、振动周期(0.1-10s)与结构的自振周期较为接近的脉动风速。前者通常被认为是时不变常量，后者则常用一个标准的平稳随机过程来描述。实际风速基本上是随时间和空间变化的平稳随机过程，特定空间点的风速时间序列在时间上具有某种相关特性，特定时间尺度下的风速序列在空间上又表现出的复杂空间相干特性。传统的输电线路风振分析方法以及输电线路风场模拟方法从静力学和结构动力学的角度对输电线路风振响应进行了大量研究，但是没有深入考虑时空分布相关性及其对输电线路风振响应的影响。因此，提出一种考虑时空分布特性的输电线路风速场模拟方法，对于深入研究输电线路风振响应特性，提高输电线路抗风设计理论具有重大意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种考虑风载荷时空分布特性的输电线路风速场模拟方法，得到与原始风速序列具有一定相关度的输电线路风场数据。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案包括以下步骤：1)进行平均风速场仿真与脉动风速场模拟，得到各点平均风速值与脉动风速时间序列；2)将脉动风速时间序列叠加到各点平均风速值上，得到实际风速时间序列；3)将步骤1)得到的脉动风速时间序列进行循环移位变换，考虑脉动风速时空演变的相关性，利用目标相关度值控制移位的位数，得到一组新的脉动风速时间序列；再将新的脉动风速时间序列重复步骤2)得到一组考虑时空分布特性的风速时间序列；4)将考虑时空分布特性的风速时间序列变换为风载荷数据，以分段的形式施加于输电线路有限元模型中，进行瞬态求解并提取位移、应力结果完成输电线路风振计算。所述的步骤1)中平均风速场仿真具体包括以下步骤：1.a.1)将输电铁塔划分成若干段，并选取每一段的平均高度作为该段的代表高度，对于导线、地线及绝缘子，选取其挂线点处的高度值作为代表高度；1.a.2)采用指数形式的平均风剖面来模拟平均风速与模拟位置的高度关系，根据指数律换算公式计算所选取的各点平均风速值，指数律换算公式如下：所述的步骤1)中脉动风速场模拟具体包括以下步骤：1.b.1)选用顺风向脉动风速谱确定目标脉动风速功率谱Sv(n)：式中，K为地面粗糙度系数，n＝ω/2π为脉动风频率；1.b.2)自回归线性滤波器AR法生成脉动风速；1.b.3)选取步骤1.b.1)确定的目标脉动风速功率谱与模拟所得的脉动风速功率谱进行比对，观察两者是否吻合，吻合即表明模拟脉动风速时间序列所取的各项参数合理；1.b.4)对所生成脉动风速时间序列中的随机数组进行统计分析，计算其均值和方差，并进行数据拟合，如果符合高斯分布，则表明生成的脉动风速时间序列符合要求。所述的步骤1.b.2)具体包括以下步骤：1.b.2.1、建立脉动风速时程AR模型表达式：式中：p为AR模型的阶数；Δt为时间步长；ψk为AR模型的自回归系数矩阵；N(t)为独立随机过程向量；1.b.2.2、计算脉动风协方差R；根据脉动风速功率谱Sv(n)和协方差R之间的关系，利用维纳-辛钦公式变换得到脉动风协方差R，维纳-辛钦公式为：1.b.2.3、求解回归系数矩阵ψk；根据脉动风协方差R和回归系数矩阵ψk之间的关系，按下式求解计算回归系数矩阵ψk：1.b.2.4、按下式求解随机过程；N(t)＝L·n(t)；式中：n(t)＝[n1(t),n2(t),...,nM(t)]T，ni(t)为均值为0、方差为1的随机正态分布；L为下三角矩阵，通过Cholesky分解确定：RN＝L·LT；式中：1.b.2.5、将步骤1.b.2.3中得到的回归系数矩阵ψk，步骤1.b.2.4所得的随机过程回代至第1.b.2.1步所建立的脉动风速时程AR模型表达式中，生成脉动风速时间序列。所述的步骤2)具体包括以下步骤：将输电线路任意位置任意时刻的瞬时风速v(x,y,z,t)表示为平均风速与脉动风速vf(x,y,z,t)的加和，如下式所示：将平均风速和脉动风速进行加和，求得输电铁塔、导地线和绝缘子代表高处的瞬时风速。所述的步骤3)对新的脉动风速时间序列进行检验后，将脉动风速时间序列叠加到各点平均风速值上，得到一组考虑时空分布特性的风速时间序列。所述的步骤5)具体包括以下步骤：5.1)风载荷计算；输电铁塔的风载荷时程计算方法如下：FT＝μsAsV2/1600；式中：V为风速时程，μs为构件体形系数，Af为输电铁塔各段承受风压投影面积/m2；架空线风载荷时程曲线的计算方法如下：对架空线进行离散化，以1m为单元长度所受风载荷为准，计算如下：Fl＝μscdV2/1600；式中：V为风速时程，μs为风载体形系数，d为架空线外径，单位m；绝缘子风载荷时程计算方法为：FI＝AIV2/1600；式中：V为风速时程，AI为绝缘子迎风面积，单位m2；5.2)施加载荷求解；将风载荷时程施加到输电线路塔线耦联体系有限元模型上，同时对整个模型施加重力加速度及边界约束，进行输电线路风振响应求解及分析。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：根据平均风速剖面呈指数形式分布的规律模拟平均风速时间序列，考虑脉动风速的时空演变特性以及平稳随机过程模拟脉动风速时间序列，通过叠加生成一组风速时间序列，在此基础上得到的脉动风速时间序列进行循环移位变换，考虑脉动风速时空演变的相关性，利用目标相关度值控制移位的位数，得到与原始风速序列具有一定相关度的一组输电线路风场数据，最后将考虑时空分布特性的风速时间序列变换为风载荷数据，以分段的形式施加于输电线路有限元模型中，进行瞬态求解并提取位移、应力结果完成输电线路风振计算，为进一步开展考虑风载荷时空分布特性下的输电线路风振响应分析提供基础，继而降低风载荷对高压输电线路产生的危害。附图说明图1输电铁塔分段示意图；图2模拟生成脉动风速功率谱与目标功率谱对比曲线图；图3模拟脉动风速序列的概率分布检验图；图4瞬时风速、平均风速及脉动风速关系图；图5脉动风速数组循环移位的位数与序列相关度的关系图；图6考虑相关性和不考虑相关性的导线弧垂最低点X向位移分析结果图；图7考虑相关性和不考虑相关性的塔头X向位移分析结果图；具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术考虑风载荷时空分布特性的输电线路风速场模拟方法包括：步骤一：平均风速场仿真，生本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种考虑风载荷时空分布特性的输电线路风速场模拟方法，其特征在于，包括：1)进行平均风速场仿真与脉动风速场模拟，得到各点平均风速值与脉动风速时间序列；2)将脉动风速时间序列叠加到各点平均风速值上，得到实际风速时间序列；3)将步骤1)得到的脉动风速时间序列进行循环移位变换，考虑脉动风速时空演变的相关性，利用目标相关度值控制移位的位数，得到一组新的脉动风速时间序列；再将新的脉动风速时间序列重复步骤2)得到一组考虑时空分布特性的风速时间序列；4)将考虑时空分布特性的风速时间序列变换为风载荷数据，以分段的形式施加于输电线路有限元模型中，进行瞬态求解并提取位移、应力结果完成输电线路风振计算。
【技术特征摘要】
1.一种考虑风载荷时空分布特性的输电线路风速场模拟方法，其特征在于，包括：1)进行平均风速场仿真与脉动风速场模拟，得到各点平均风速值与脉动风速时间序列；2)将脉动风速时间序列叠加到各点平均风速值上，得到实际风速时间序列；3)将步骤1)得到的脉动风速时间序列进行循环移位变换，考虑脉动风速时空演变的相关性，利用目标相关度值控制移位的位数，得到一组新的脉动风速时间序列；再将新的脉动风速时间序列重复步骤2)得到一组考虑时空分布特性的风速时间序列；4)将考虑时空分布特性的风速时间序列变换为风载荷数据，以分段的形式施加于输电线路有限元模型中，进行瞬态求解并提取位移、应力结果完成输电线路风振计算。2.根据权利要求1所述考虑风载荷时空分布特性的输电线路风速场模拟方法，其特征在于，所述的步骤1)中平均风速场仿真具体包括以下步骤：1.a.1)将输电铁塔划分成若干段，并选取每一段的平均高度作为该段的代表高度，对于导线、地线及绝缘子，选取其挂线点处的高度值作为代表高度；1.a.2)采用指数形式的平均风剖面来模拟平均风速与模拟位置的高度关系，根据指数律换算公式计算所选取的各点平均风速值，指数律换算公式如下：3.根据权利要求1所述考虑风载荷时空分布特性的输电线路风速场模拟方法，其特征在于，所述的步骤1)中脉动风速场模拟具体包括以下步骤：1.b.1)选用顺风向脉动风速谱确定目标脉动风速功率谱Sv(n)：式中，K为地面粗糙度系数，n＝ω/2π为脉动风频率；1.b.2)自回归线性滤波器AR法生成脉动风速；1.b.3)选取步骤1.b.1)确定的目标脉动风速功率谱与模拟所得的脉动风速功率谱进行比对，观察两者是否吻合，吻合即表明模拟脉动风速时间序列所取的各项参数合理；1.b.4)对所生成脉动风速时间序列中的随机数组进行统计分析，计算其均值和方差，并进行数据拟合，如果符合高斯分布，则表明生成的脉动风速时间序列符合要求。4.根据权利要求3所述考虑风载荷时空分布特性的输电线路风速场模拟方法，其特征在于，所述的步骤1.b.2)具体包括以下步骤：1.b.2.1、建立脉动风速时程AR模型表达式：式中：p为AR模型的阶数；Δt为时间步长；ψk为AR模型的自回归系数矩阵；N(t)为独立随机过程向量；1.b.2.2、计算脉动风协...
【专利技术属性】
技术研发人员：贺博，冯文韬，李楠，赵明曦，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61
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