[发明专利]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

权利要求书

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；

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：

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S_v(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；

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；ψ_k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S_v(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ψ_k；

根据脉动风协方差R和回归系数矩阵ψ_k之间的关系，按下式求解计算回归系数矩阵ψ_k：

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),...,n_M(t)]^T，n_i(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：

R_N＝L·L^T；

式中：

1.b.2.5、将步骤1.b.2.3中得到的回归系数矩阵ψ_k，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；

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；

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；

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v_f(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；

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；随着移位位数的增加，相关度逐渐下降，对循环移位得到的新脉动风速时间序列进行检验，验证新脉动风速时间序列满足目标风速功率谱以及高斯平稳随机过程特征；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，具体的，计算风载荷时程，将风载荷时程以分段的形式施加于输电线路有限元模型中，对整个模型施加重力加速度及边界约束，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4)具体包括以下步骤：

4.1)风载荷计算；

输电铁塔的风载荷时程计算方法如下：

F_T＝μ_sA_sV²/1600；

式中：V为风速时程，μ_s为构件体形系数，A_s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：

F_l＝μ_scdV²/1600；

式中：V为风速时程，μ_sc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：

F_I＝A_IV²/1600；

式中：V为风速时程，A_I为绝缘子迎风面积，单位m²；

4.2)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。