本發(fā)明屬于輸電線安全，具體涉及一種基于三維風(fēng)場的輸電線路橫向風(fēng)預(yù)測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、面向輸電線路段的橫向風(fēng)（即垂直于輸電線路段走向的風(fēng)，也稱側(cè)風(fēng)或橫風(fēng)）對架空輸電線路風(fēng)荷載的計(jì)算影響最為重要，橫向風(fēng)速不僅直接作用于輸電線路風(fēng)荷載的計(jì)算，影響輸電線路的振動(dòng)和穩(wěn)定性，還可能導(dǎo)致桿塔傾斜、斷裂以及絕緣子等關(guān)鍵設(shè)備的損壞，從而引發(fā)電力傳輸中斷和系統(tǒng)故障，進(jìn)而影響電力的可靠供應(yīng)和電網(wǎng)的整體安全運(yùn)行。

2、當(dāng)龍卷風(fēng)、強(qiáng)對流等具有強(qiáng)烈垂直運(yùn)動(dòng)的天氣事件發(fā)生時(shí)，由于三維風(fēng)場在垂直方向的上升或下降作用，引起的輸電線路斷線和倒塔等故障更為嚴(yán)重，主要原因在于：一是垂直風(fēng)速可能引起風(fēng)荷載在垂直方向上的動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致輸電線路結(jié)構(gòu)承受額外的應(yīng)力和疲勞。二是劇烈的垂直風(fēng)速可能導(dǎo)致局地風(fēng)場結(jié)構(gòu)的變化和擾動(dòng)，影響水平風(fēng)速的分布和方向，進(jìn)而可能導(dǎo)致輸電線路在不同位置受到不均勻的風(fēng)荷載，增大輸電線路結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)。然而，當(dāng)前面向輸電線路段的橫向風(fēng)預(yù)測，均沒有考慮垂直速度的影響，這嚴(yán)重制約了橫向風(fēng)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。因此，亟需在具有顯著垂直運(yùn)動(dòng)的氣象場景中，綜合考慮水平風(fēng)速分量和垂直風(fēng)速分量的影響，從而得到面向輸電線路的橫向風(fēng)的精準(zhǔn)預(yù)測，即需要基于三維風(fēng)場開展面向輸電線路橫向風(fēng)的預(yù)測，才能有效提高預(yù)報(bào)精度，支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于三維風(fēng)場的輸電線路橫向風(fēng)預(yù)測方法及系統(tǒng)，該方法提高了橫向風(fēng)的預(yù)測精度，不僅有助于減少輸電線路的結(jié)構(gòu)損壞和故障，還能有效提升電網(wǎng)運(yùn)營效率和安全性。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種基于三維風(fēng)場的輸電線路橫向風(fēng)預(yù)測方法，包括：

4、獲取輸電線路基礎(chǔ)信息，并得到對應(yīng)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)；

5、基于輸電線路基礎(chǔ)信息和構(gòu)建的三維風(fēng)場分量的插值計(jì)算模型，分別計(jì)算輸電線路高度處預(yù)報(bào)的三維風(fēng)分量；

6、基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)建立輸電線路與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)三維風(fēng)場相協(xié)調(diào)的坐標(biāo)系；

7、在輸電線路與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)三維風(fēng)場相協(xié)調(diào)的坐標(biāo)系下，根據(jù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，計(jì)算輸電線路高度處的水平風(fēng)向和垂直風(fēng)向；根據(jù)輸電線路基礎(chǔ)信息中提取的相鄰桿塔經(jīng)緯度，計(jì)算相鄰桿塔之間的輸電線路段走向角度；

8、基于輸電線路高度處預(yù)報(bào)的三維風(fēng)分量，得到對應(yīng)高度處的水平合成風(fēng)速；基于水平合成風(fēng)速計(jì)算得到輸電線路段走向與水平風(fēng)向夾角；基于水平合成風(fēng)速、輸電線路段走向與水平風(fēng)向夾角構(gòu)建面向輸電線路段的橫向風(fēng)預(yù)測模型；

9、基于面向輸電線路段的橫向風(fēng)預(yù)測模型，面向輸電線路開展逐預(yù)報(bào)時(shí)刻和逐桿塔迭代的橫向風(fēng)預(yù)測。

10、第二方面，本發(fā)明提供一種基于三維風(fēng)場的輸電線路橫向風(fēng)預(yù)測系統(tǒng)，包括：

11、獲取模塊，用于獲取輸電線路基礎(chǔ)信息，并得到對應(yīng)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)；

12、模型構(gòu)建模塊，用于基于輸電線路基礎(chǔ)信息和構(gòu)建的三維風(fēng)場分量的插值計(jì)算模型，分別計(jì)算輸電線路高度處預(yù)報(bào)的三維風(fēng)分量；

13、基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)建立輸電線路與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)三維風(fēng)場相協(xié)調(diào)的坐標(biāo)系；

14、在輸電線路與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)三維風(fēng)場相協(xié)調(diào)的坐標(biāo)系下，根據(jù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，計(jì)算輸電線路高度處的水平風(fēng)向和垂直風(fēng)向；根據(jù)輸電線路基礎(chǔ)信息中提取的相鄰桿塔經(jīng)緯度，計(jì)算相鄰桿塔之間的輸電線路段走向角度；

15、基于輸電線路高度處預(yù)報(bào)的三維風(fēng)分量，得到對應(yīng)高度處的水平合成風(fēng)速；基于水平合成風(fēng)速計(jì)算得到輸電線路段走向與水平風(fēng)向夾角；基于水平合成風(fēng)速和輸電線路走向與風(fēng)向的夾角構(gòu)建面向輸電線路段的橫向風(fēng)預(yù)測模型；

16、預(yù)測模塊，用于基于面向輸電線路段的橫向風(fēng)預(yù)測模型，面向輸電線路開展逐預(yù)報(bào)時(shí)刻和逐桿塔迭代的橫向風(fēng)預(yù)測。

17、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述獲取模塊中，獲取輸電線路基礎(chǔ)信息，包括：

18、獲得所研究的輸電線路桿塔的基礎(chǔ)信息，基礎(chǔ)信息包括輸電線路逐級(jí)桿塔的經(jīng)度、緯度，以及輸電線路段的高度。

19、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述獲取模塊中，得到對應(yīng)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，包括：

20、提取輸電線路段對應(yīng)網(wǎng)格的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)三維數(shù)據(jù)；

21、基于覆蓋輸電線路的網(wǎng)格化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，并根據(jù)輸電線路桿塔的基礎(chǔ)信息，建立各輸電線路段與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)網(wǎng)格的匹配關(guān)系，并從數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)果中分別提取對應(yīng)網(wǎng)格點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)。

22、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述模型構(gòu)建模塊中，所述基于輸電線路基礎(chǔ)信息和構(gòu)建的三維風(fēng)場分量的插值計(jì)算模型，分別計(jì)算輸電線路高度處預(yù)報(bào)的三維風(fēng)分量，包括：

23、構(gòu)建三維風(fēng)場分量的插值計(jì)算模型：

24、

25、其中，表示輸電線路高度處的三維風(fēng)分量，包括經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)或垂直速度；和分別為兩個(gè)已知高度和處的風(fēng)分量；

26、基于各輸電線路段不同高度，根據(jù)插值計(jì)算模型，分別計(jì)算輸電線路高度處的三維風(fēng)分量：經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)和垂直速度：

27、

28、其中，、和為輸電線路高度處的經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)和垂直速度；和分別為兩個(gè)已知高度和處的經(jīng)向風(fēng)，和則分別為兩個(gè)已知高度和處的緯向風(fēng)，和則分別為兩個(gè)已知高度和處的垂直速度。

29、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述模型構(gòu)建模塊中，基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)建立輸電線路與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)三維風(fēng)場相協(xié)調(diào)的坐標(biāo)系，包括：

30、建立數(shù)值天氣預(yù)報(bào)三維風(fēng)分量的坐標(biāo)系：經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)正交，經(jīng)向風(fēng)是沿著地球經(jīng)度方向的風(fēng)分量，緯向風(fēng)則為沿著地球緯度方向的風(fēng)分量；垂直速度為垂直于經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)的風(fēng)分量；

31、基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)三維風(fēng)分量的坐標(biāo)系，將輸電線路桿塔的經(jīng)緯度信息落在三維風(fēng)分量坐標(biāo)系上，并確認(rèn)經(jīng)度在坐標(biāo)系的橫軸上變化，緯度在坐標(biāo)系的縱軸上變化，建立輸電線路與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)風(fēng)場協(xié)調(diào)的坐標(biāo)系。

32、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述模型構(gòu)建模塊中，根據(jù)輸電線路高度處預(yù)報(bào)的經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)和垂直速度，計(jì)算對應(yīng)的三維風(fēng)向角，包括：

33、基于輸電線路高度處的經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)和垂直速度，計(jì)算輸電線路高度處對應(yīng)的水平風(fēng)向和垂直風(fēng)向，具體為：

34、

35、其中，為反正切函數(shù)。

36、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述模型構(gòu)建模塊中，根據(jù)輸電線路基礎(chǔ)信息中提取的相鄰桿塔經(jīng)緯度，計(jì)算相鄰桿塔之間的輸電線路段走向角度，包括：

37、任意輸電線路段是由桿塔和組成，桿塔的經(jīng)緯度坐標(biāo)記為桿塔的經(jīng)緯度坐標(biāo)記為，基于三維風(fēng)分量坐標(biāo)系計(jì)算逐輸電線路段的走向，輸電線路段的走向?yàn)椋?/p>

38、

39、其中，為反正切函數(shù)，代表輸電線路段的經(jīng)度變化量，為輸電線路段的維度變化量，由輸電線路段兩端桿塔的經(jīng)緯度坐標(biāo)計(jì)算得到。

40、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述模型構(gòu)建模塊中，計(jì)算相鄰桿塔之間的輸電線路段走向角度之后還包括：

41、將水平風(fēng)向角和輸電線路段走向角轉(zhuǎn)換到[0,360]區(qū)間；引入四象限反正切函數(shù)計(jì)算角度：

42、

43、其中，考慮四象限的變化，使得四象限反正切函數(shù)的取值范圍變?yōu)橹g，通過調(diào)整值域和弧度與角度的轉(zhuǎn)換則可是角度落在區(qū)間，具體為：

44、

45、其中，的返回結(jié)果是以弧度為單位的，乘以則會(huì)轉(zhuǎn)換為角度。

46、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述模型構(gòu)建模塊中，基于輸電線路高度處預(yù)報(bào)的三維風(fēng)分量，得到對應(yīng)高度處的水平合成風(fēng)速，包括：

47、由輸電線路高度處的經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)，依據(jù)正交性計(jì)算水平合成風(fēng)速的大?。?/p>

48、。

49、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述模型構(gòu)建模塊中，基于水平合成風(fēng)速計(jì)算得到輸電線路段走向與水平風(fēng)向夾角，包括：

50、由水平風(fēng)向角和輸電線路段走向角，且取值均調(diào)整區(qū)間內(nèi)；在同一坐標(biāo)系下，計(jì)算二者的夾角α為：

51、

52、將二者的夾角也調(diào)整到區(qū)間內(nèi)，具體為：

53、。

54、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述模型構(gòu)建模塊中，基于水平合成風(fēng)速和輸電線路走向與風(fēng)向的夾角構(gòu)建面向輸電線路段的橫向風(fēng)預(yù)測模型，包括：

55、由水平合成風(fēng)速大小、輸電線路段走向與水平風(fēng)向夾角，計(jì)算輸電線路段所受到的橫向風(fēng)水平分量的大小：

56、

57、基于輸電線路高度處的垂直速度和垂直風(fēng)向，計(jì)算輸電線路段所受到的橫向風(fēng)水平分量的大小：

58、

59、進(jìn)而得到考慮三維風(fēng)分量的面向輸電線路的橫向風(fēng)速計(jì)算模型：

60、。

61、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述預(yù)測模塊中，基于面向輸電線路段的橫向風(fēng)預(yù)測模型，面向輸電線路開展逐預(yù)報(bào)時(shí)刻和逐桿塔迭代的橫向風(fēng)預(yù)測，包括：

62、基于面向輸電線路段的橫向風(fēng)預(yù)測模型，針對數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的每一個(gè)積分時(shí)間步，以及輸電線路的每一個(gè)輸電線路段開展時(shí)間和空間的雙循環(huán)迭代，計(jì)算逐積分時(shí)間步和逐桿塔迭代的橫向風(fēng)結(jié)果；

63、基于逐積分時(shí)間步和逐桿塔迭代的橫向風(fēng)結(jié)果，分別與輸電線路設(shè)計(jì)的防風(fēng)參數(shù)做大小判斷，當(dāng)橫向風(fēng)大于設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，對輸電線路段及積分時(shí)間步發(fā)布大風(fēng)預(yù)警。

64、第三方面，本發(fā)明提供一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器以及存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中并可在所述處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)所述基于三維風(fēng)場的輸電線路橫向風(fēng)預(yù)測方法。

65、第四方面，本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)所述基于三維風(fēng)場的輸電線路橫向風(fēng)預(yù)測方法。

66、第五方面，本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括計(jì)算機(jī)指令，所述計(jì)算機(jī)指令指示計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述基于三維風(fēng)場的輸電線路橫向風(fēng)預(yù)測方法。

67、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具備的有益效果為：

68、本發(fā)明提出了基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)三維風(fēng)場數(shù)據(jù)，分別計(jì)算輸電線路高度處的經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)和垂直風(fēng)速；并基于風(fēng)分量建立輸電線路與三維風(fēng)場相協(xié)調(diào)的坐標(biāo)系，從而開展預(yù)報(bào)風(fēng)向和輸電線路段走向的準(zhǔn)確分析，最終建立基于三維風(fēng)場的橫向風(fēng)預(yù)測模型，并在每個(gè)積分時(shí)間步迭代計(jì)算，當(dāng)預(yù)測的橫向風(fēng)大于輸電線路設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)則發(fā)布該輸電線路段和時(shí)刻的精細(xì)化預(yù)警。本發(fā)明考慮了三維風(fēng)場，提高了橫向風(fēng)的預(yù)測精度，不僅有助于減少輸電線路的結(jié)構(gòu)損壞和故障，還能有效提升電網(wǎng)運(yùn)營效率和安全性。發(fā)明旨在實(shí)現(xiàn)具有顯著垂直運(yùn)動(dòng)場景下橫向風(fēng)的精準(zhǔn)預(yù)測，為輸電線路的安全運(yùn)行和設(shè)備保護(hù)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐和保障。