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1、(10)申请公布号 CN 102927949 A(43)申请公布日 2013.02.13CN102927949A*CN102927949A*(21)申请号 201210330175.X(22)申请日 2012.09.07G01B 21/08(2006.01)(71)申请人浙江工业大学地址 310014 浙江省杭州市下城区朝晖六区(72)发明人陈庆章 李兴华 王凯 倪云峰陈宇铮 范聪玲 吴荣杰 杨帆宦若红 赵小敏 毛科技 雷艳静任佳萍 丁舒羽(74)专利代理机构杭州天正专利事务所有限公司 33201代理人王兵 王利强(54) 发明名称基于多元物理量数学模型的输电线路覆冰预测方法(57) 摘要一种。
2、基于多元物理量数学模型的输电线路覆冰预测方法，包括如下步骤：(1)获取当前时刻的温湿度及风力气象参数；(2)分别判断当前各气象数据是否满足覆冰条件，温度-80，湿度90RH以上，风速27m/s，若满足条件则转到(3)，否则进入下一次采样周期，即回到(1)；(3)通过张力传感器获得的数据值与初始值做比较，若说明导线有覆冰，转到步骤(4)，否则返回到(1)；(4)通过地面终端获取当前环境气压值，计算覆冰厚度b；(5)通过覆冰厚度，温湿度等参数计算任意时刻ti导线的综合比载；(6)通过综合比载得到档距端点处的轴向应力x，令xmax，计算断裂剩余时间t，通过终端发出预警。本发明实现有效监测、准确性良好。
3、。(51)Int.Cl.权利要求书2页 说明书6页 附图3页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 3 页1/2页21.一种基于多元物理量数学模型的输电线路覆冰预测方法，其特征在于：所述预测方法包括如下步骤：(1)采用温湿度传感器、风力传感器获取当前时刻的温湿度及风力气象参数；(2)分别判断当前各气象数据是否满足覆冰条件，即：温度-80，湿度90RH以上，风速27m/s，若满足条件则转到(3)，否则进入下一次采样周期，即返回到(1)；(3)通过张力传感器获得的数据值与初始值做比较，若说明导线有覆冰，转到步骤(4)，否则返回到(1)；(4。
4、)通过地面终端获取当前环境气压值，计算覆冰厚度b，计算公式如下：单位覆冰厚度r表示为：其中，V是风速(m/s)，W是空气中的液态水含量(g/m3)，t是降雨时间(s)；P是降雨强度(mm/h)，0是水的密度(g/cm3)，t是降雨时间(s)；WaPb，其中a，b是常数，将降雨强度P与湿度转换，P满足如下关系：其中，q为比湿，p为气压(MPa)，为液态水密度(g/cm3)，g为重力加速度(m/s2)，为地面气压(MPa)；比湿q根据水汽压e(hPa)计算出来，它和水汽压的关系为：式中，v，d分别为水汽和干空气的平均摩尔质量；采用湿度传感器得到的湿度值是一个相对湿度，其表达式为：其中，E为同一温度。
5、下的饱和水汽压(hPa)；结合公式(7)-(10)，得到单位覆冰厚度r关于时间t、温度T、风速V和气压p的表达式：rf(t，T，V，p) (11)；将公式(11)转化为微分形式，两边积分可得到公式(13)；(5)通过覆冰厚度和温湿度计算任意时刻ti导线的综合比载g5，计算公式为：其中，g4为水平比载，g3为垂直比载；权 利 要 求 书CN 102927949 A2/2页3其中，g1为导线比载，g2为覆冰比载，g为重力加速度，q为单位长度质量(kg/m)，是覆冰的密度(g/cm3)，r0为导线的半径(mm)，A为导线横截面积(mm2)；其中，Kz是风压高度变化系数，是风速不均匀系数，C是风载体型。
6、系数；(6)通过综合比载g5得到电力线档距端点处的轴向应力x，令xmax，计算断裂剩余时间t，并发出预警信号。权 利 要 求 书CN 102927949 A1/6页4基于多元物理量数学模型的输电线路覆冰预测方法技术领域0001 本发明涉及一种通过多元物理量(风力、温度、湿度、雨滴、气压等)对电力线覆冰影响建模，从而发出预警的输电线路覆冰预测方法的实现。 背景技术0002 2008年我国南方遭遇雪灾，输电线路普遍覆冰，严重情况下导致输电线路断裂，由于电力公司无法判断线路何处覆冰严重，以及将要在何时断裂，故无法及时实施除冰等预防措施，从而不能有效避免线路的断线、倒塔等现象，这是现在电力线系统普遍存。
7、在的问题。 0003 输电线路覆冰是电力系统最重要的灾害之一，要深入该领域的研究，首先要弄清输输电线路覆冰的原因和形成机理，同时要针对典型气象条件给出适用的线路覆冰预测模型，来准确判定线路的覆冰厚度以及具体覆冰位置，为输电线路抗冰灾设计提供重要的参数。 0004 基于多元物理量对覆冰影响的数学模型，通过对电力线受力影响的分析，综合考虑自然界常见的气候因素，包括空气温度、湿度、风向风速、液态水含量、水滴直径等，同时结合导线本身影响覆冰的因素，如导线结构和材料表面性能等，可以实现对输电线路覆冰情况的有效预测，使得预测的覆冰厚度更接近真实情况。 发明内容0005 为了解决当前电力线覆冰情况无法及时监。
8、测，以致无法有效避免断线、倒塔等情况，本发明设计了基于多元物理量对输电线路覆冰厚度进行数学建模从而有效预测输电线路覆冰情况的数学模型，提供一种实现有效监测、准确性良好、 有效避免断线和倒塔现象的基于多元物理量数学模型的输电线路覆冰预测方法。 0006 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 0007 一种基于多元物理量数学模型的输电线路覆冰预测方法，所述预测方法包括如下步骤： 0008 (1)采用温湿度传感器、风力传感器获取当前时刻的温湿度及风力气象参数； 0009 (2)分别判断当前各气象数据是否满足覆冰条件，即：温度-80，湿度90RH以上，风速27m/s，若满足条件则转到(3)，否则进。
9、入下一次采样周期，即返回到(1)； 0010 (3)通过张力传感器获得的数据值与初始值做比较，若 说明导线有覆冰，转到步骤(4)，否则返回到(1)； 0011 (4)通过地面终端获取当前环境气压值，计算覆冰厚度b，计算公式如下： 0012 0013 单位覆冰厚度r表示为： 说 明 书CN 102927949 A2/6页50014 0015 其中，V是风速(m/s)，W是空气中的液态水含量(g/m3)，t是降雨时间(s)；P是降雨强度(mm/h)，0是水的密度(g/cm3)，t是降雨时间(s)； 0016 WaPb，其中a，b是常数，将降雨强度P与湿度转换，P满足如下关系： 0017 0018 。
10、其中，q为比湿，p为气压(MPa)，为液态水密度(g/cm3)，g为重力加速度(m/s2)， 为地面气压(MPa)； 0019 比湿q根据水汽压e(hPa)计算出来，它和水汽压的关系为： 0020 0021 式中， v，d分别为水汽和干空气的平均摩尔质量； 0022 采用湿度传感器得到的湿度值是一个相对湿度，其表达式为： 0023 0024 其中，E为同一温度下的饱和水汽压(hPa)； 0025 结合公式(7)-(10)，得到单位覆冰厚度r关于时间t、温度T、风速V和气压p的表达式： 0026 rf(t，T，V，p) (11)； 0027 将公式(11)转化为微分形式，两边积分可得到公式(13。
11、)； 0028 (5)通过覆冰厚度和温湿度计算任意时刻ti导线的综合比载g5，计算公式为： 0029 0030 其中，g4为水平比载，g3为垂直比载； 0031 0032 其中，g1为导线比载，g2为覆冰比载，g为重力加速度，q为单位长度质量(kg/m)，是覆冰的密度(g/cm3)，r0为导线的半径(mm)，A为导线横截面积(mm2)； 0033 0034 0035 其中，Kz是风压高度变化系数，是风速不均匀系数，C是风载体型系数； 0036 (6)通过综合比载g5得到电力线档距端点处的轴向应力x，令xmax，计算断裂剩余时间t，并发出预警信号。 0037 本发明的技术构思为：采用温湿度传感器。
12、、风力传感器获取当前时刻的温湿度及风力等气象参数，然后通过数学模型计算出当前时刻线路的覆冰情况，进一步预测出任意说 明 书CN 102927949 A3/6页6时刻的覆冰情况，得出任意时刻的电力线承受的比载(包括水平比载、自重比载和冰重比载)，进而计算出该时刻线路上任一点的轴向应力；同时根据电力部门提供的电力线最大承受应力值，进行比较，当预测承受应力值和电力线最大承受应力值接近时，表示电力线即将断裂；计算出离断裂剩余时间，发出预警，提醒有关部门做好除冰抗灾工作。 0038 由于本发明采用无线传感器节点网络和后台监控中心相配合，并结合预警机制的形式，可以很好地解决输电线路的监测问题，免去人工检查。
13、的繁琐过程和维护次数，既减少成本，同时又提高了监测的可靠性，是一种有利于实时对高压输电线路进行监控和报警的系统。 0039 同时在本发明中，各个传感器节点(包括张力传感器、温湿度传感器和风力传感器)融合在一起，进行统一的供电管理，且节点采用微型风力发电装置进行供电，从根本上解决高压电更换电池难等问题。 0040 本发明的有益效果为：实现有效监测、准确性良好、有效避免断线和倒塔。 附图说明0041 图1为本发明的导线受力情况示意图。 0042 图2为本发明的单位长度内导线覆冰情况示意图。 0043 图3为本发明的导线覆冰时比载的矢量示意图。 0044 图4为本发明的导线覆冰时其任一点预测应力值和。
14、最大承受应力值走势图。 0045 图5为本发明的导线覆冰预测算法流程图。 具体实施方式0046 下面结合附图对本发明作进一步描述。 0047 参照图1图5，一种基于多元物理量数学模型的输电线路覆冰预测方法，包括如下步骤： 0048 (1)采用温湿度传感器、风力传感器获取当前时刻的温湿度及风力等气象参数，对这些参数进行分析； 0049 (2)分别判断当前各气象数据是否满足覆冰条件，主要为：温度-80，湿度90RH以上，风速27m/s，若满足条件则转到(3)，否则进入下一次采样周期，即回到(1)； 0050 (3)通过张力传感器获得的数据值与初始值做比较，若 说明导线有覆冰，转到步骤(4)，否则返。
15、回到(1)； 0051 (4)通过地面终端获取当前环境气压值，计算覆冰厚度b； 0052 (5)通过覆冰厚度，温湿度等参数计算任意时刻ti导线的综合比载g； 0053 (6)通过综合比载得到档距端点处的轴向应力x，令xmax，计算断裂剩余时间t，通过终端发出预警，通知有关部门做好除冰抗灾工作。 0054 由于温湿度、风力等气象因素对导线的影响较小，我们设定覆冰监测的采样周期为10分钟。在一个采样周期里，覆冰厚度变化不是很大，我们不需要每次更新导线断裂剩余时间。每次采集数据后，就计算覆冰厚度，若与前一次比较 差别不是很大，则不再往下计说 明 书CN 102927949 A4/6页7算，而是维持之。
16、前的预测时间，直到覆冰厚度存在明显变化才重新计算。 0055 参照图1：所述的电力线受力情况，可通过架空电线上作用的张力大小与电线材质、截面积和承受的荷载等因素计算获得。为了表征和比较电线的受力情况，通常以单位截面上的量值来进行电线的力学计算。可把单位截面上作用的张力称为应力()，单位为N/mm2或MPa；电线单位长度、单位截面上承受的荷载称为比载(g)，单位用N/mm2m或MPa/m表示。在覆冰情况下，电线垂向比载(gv)包括导线自重比载(gv1)和覆冰比载(gv2)： 0056 0057 其中，q为电线单位长度质量(kg/m)；gn为重力加速度(N/kg)；A为电线截面积(mm2)；b为覆。
17、冰厚度(mm)；D为电线外径(mm)。电线水平比载(gh)为： 0058 0059 其中，Wo为基准风压标准值；为风压不均匀系数；sc为电线体型系数；z为风压高度变化系数；为风压随风向的变化系数。有冰有风时，电线的综合比载g为： 电线任一点C的轴向应力x(N/mm2)与该点对最低点高差之间的关系式为： 0060 x0+g(y-y0) (3) 0061 其中，0为电线最低处的水平应力，y和y0分别为电线C点和O点处的纵坐标值(m)。由上式可知，在同一档内电线相对高度越高的点上，其轴向应力越大。因此，我们在安装张力传感器的时候一定要将其装在电力线相对位置较高的地方。 0062 参照图2：理论上，单。
18、位面积内，水平方向上落在电力线上的水量为：whVWt，其中V是风速(m/s)，W是空气中的液态水含量(g/m3)，t是降雨时间(s)；竖直方向上落在电力线上的水量为：wvP0t，其中P是降雨强度(mm/h)，0是水的密度(g/cm3)，t是降雨时间(s)。则电力线单位面积内的降水总量为： 0063 0064 其中为碰撞系数(01)，是降雨变成覆冰的冻结系数(01)。考虑到现实环境中，形成覆冰的气温较低，雨速较小等原因，我们取1且1。 0065 如图2所示，电力线的截面为圆，我们假设冰均匀覆在电力线表面。设时刻i电力线(含冰)的半径为ri，由质量守恒定理可得： 0066 0067 其中i是该处覆。
19、冰的密度。将上式化简得 0068 0069 0070 进一步移位化简可得覆冰厚度 0071 说 明 书CN 102927949 A5/6页80072 由BEST(1949)模型得液态水含量与降雨强度的关系，WaPb，其中a，b是常数。我们下面将降雨强度P与湿度转换。 0073 一定时间内P满足如下关系： 0074 0075 其中，q为比湿，p为气压(MPa)，为液态水密度(g/cm3)，g为重力加速 度(m/s2)， 为地面气压(MPa)。 0076 在实际应用中，比湿通常根据水汽压e(hPa)计算出来，它和水汽压的关系为： 0077 0078 式中， v，d分别为水汽和干空气的平均摩尔质量。。
20、经计算得0.622。 0079 本发明中采用湿度传感器得到的湿度值是一个相对湿度，其表达式为： 0080 0081 其中E为同一温度下的饱和水汽压(hPa)，可通过查表得到。 0082 结合公式(7)-(10)，最终得到覆冰厚度r关于时间t、温度T、风速V和气压p的表达式： 0083 rf(t，T，V，p) (11) 0084 转化为微分形式 0085 drf(t，T，V，p)dt (12) 0086 两边积分，即可得到ti时刻的覆冰厚度 0087 0088 参照图3：导线的比载计算过程。 0089 1.导线自重比载g1(N/(mmm2) 0090 自重比载是架空线路导线自身重量造成的比载，计。
21、算如下： 0091 0092 其中g为重力加速度，q为单位长度质量(kg/m)，A为导线横截面积(mm2)。 0093 2.导线的冰重比载g2(N/(mmm2) 0094 导线上的覆冰质量引起的导线比载称为冰重比载(N/(mmm2)，用符号g2表示，取1m长的覆冰导线分析，这时覆冰圆筒的体积V为 0095 V(r0+b)2-r02b(2r0+b)10-6(15) 0096 则冰重比载为 0097 0098 综上，有风有冰时导线的垂直总比载为 说 明 书CN 102927949 A6/6页90099 0100 3.导线的水平比载g4(N/(mmm2) 0101 导线的水平比载是指导线所受风压作用。
22、引起的导线比载，因为一般风的作用方向在水平面内，因此将风压比载称作导线的水平比载。风压的形成是空气流动动能在导线逆风面内产生的压力。 0102 在温度15，压力为0.101325MPa时，干燥空气的密度为1.2255kg/m3，则1m3空气的动能(也叫速度头)为 0103 0104 其中V是风速(m/s)，q是速度头，m是1m3空气的质量。 0105 速度头也就是空气动能作用在单位面积迎风面上的“理论风压”。覆冰时，导线的临风直径为2r0+2b，由公式(18)得风压比载为 0106 0107 0108 其中Kz是风压高度变化系数，是风速不均匀系数，C是风载体型系数(覆冰时，C1.2)。 010。
23、9 4.导线的综合比载g5(N/(mmm2) 0110 导线的综合比载，是指导线的水平比载和垂直比载的矢量和。其表达式为 0111 0112 参照图4：随着时间的推移，覆冰厚度逐渐增加，导线的综合比载逐渐增大，其任一点的轴向应力值也随之增大，整体呈上升趋势。导线的承受应力最大值保持不变，值为max。当导线的轴向应力曲线逐渐上升，和max相交时，说明此时导线由于导线自重加覆冰影响的轴向应力已经达到导线能承受的最大值，导线将要断裂。而ti就是从覆冰监测开始到导线断裂剩余时间，而t0是系统发出预警的时刻。 说 明 书CN 102927949 A1/3页10图1图2说 明 书 附 图CN 102927949 A10。