[发明专利]一种基于MEMD与SRM的单样本非平稳风速模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于MEMD与SRM的单样本非平稳风速模拟方法，步骤1：采用多元经验模态分解MEMD方法将风速样本信号分解产生不同尺度的IMFs；步骤2：根据各点的IMFs的瞬时频率和瞬时幅值；步骤3：根据各点的瞬时频率的自谱和互谱，得到瞬时功率谱密度矩阵；步骤4：根据功率谱密度矩阵修正为正定谱矩阵；步骤5：将正定谱矩阵进行cholesky分解；步骤6：引入随机初始相位角即可获取模拟的随机风速；本发明结合多元经验模态分解和谱表示方法可靠获取大量非平稳雷暴风速样本，基于MEMD的瞬时频率矩阵来考虑空间相关性，采用SRM生成样本，进而无需更多假设，使得模拟方法更加简单合理。

技术领域

本发明涉及多点非平稳风速模拟，具体涉及一种基于MEMD与SRM的单样本非平稳风速模拟方法。

背景技术

随着科技与经济的高速增长，高压、超高压输电逐渐成为各国供电的主要模式。中国对能源特别是电能有着更加迫切的需求，电力供应已经进入“大电网、大机组、西电东送、南北互济、全国联网”的新时代。输电塔线体系承担着高压电能运输的重要使命，是事关国家稳固发展的重要工程。

高压输电线塔具有结构高、导线截面大、线圈多、跨距长、负荷大、柔韧性高的特点。高压输电线塔对风力作用非常敏感，在风力作用下容易对其造成极大的风致动力响应，导致疲劳和失稳破坏，甚至引起输电线塔的倒塌破坏。输电线塔在极端风(雷暴风、龙卷风)产生的风荷载作用下，极易因疲劳和失稳破坏而导致倒塌。研究表明，近年来雷暴风造成的破坏在强风破坏中占了很大的比例。据统计，在美国、澳大利亚、南非等地与气候相关的输电线塔破坏约80％是由雷暴风造成的。

因此为了进一步提高输电线塔的安全性，有必要使其在极端风作用下的抗风设计更加精准可靠。为了保证抗风设计的准确性需要获取大量的极端风样本。然而难以通过直接测量获得大量极端风样本，实际上往往只能测得少数几个样本或单样本。因此可靠获取大量风速样本对高耸结构的风振分析至关重要。但由于极端强风具有非平稳性，一般采用非平稳过程来描述。考虑到结构和气动力的非线性，常采用时频分析来描述极端风等非平稳信号。

目前，模拟非平稳信号通常有两类方法，第一类是时间序列法。该类模拟方法计算效率高，但模型定阶和时变参数的识别通常十分复杂。第二类方法是基于演化功率谱的谱表示法。与时间序列方法相比，其更直接更准确。并且随着快速傅里叶变换的应用，基于演化功率谱的谱表示法模拟效率得到了显著提高。然而实际上通常智能获取单样本用来评估时变相干函数或者演化功率谱。因此不确定性准则会导致时域和频域的平滑估计，造成模拟结果偏离原始信号。

除了上述模拟方法之外，基于单样本(或基于数据)的时频分析的模拟方法也引起了广泛关注。基于单样本的模拟方法利用数据中的瞬时特征，为多点非平稳而模拟提供直接且具有统计意义的算法。Wen采用EMD和希尔伯特黄变换来模拟多点非平稳信号。该方法假设任意两个不同点之间的初始相位角之差是常值，以便建立互协方差。然而这种假设可能无法真实反映多点风速之间的相关性。此外，EMD可能导致模态不一致性，即其分解多点信号产生数量不同的IMF，并且对于不同的信号点在相同尺度上的频带差异也很大。为了解决这个问题，Wang等人采用平稳小波变换和希尔伯特变换来模拟多点风速。首先采用本征正交分解来解耦瞬时频率矩阵。然后，考虑多点风速的相关性，添加服从高斯分布的随机频率以形成最终瞬时频率矩阵。在上述两种模拟方法中，假设任何两个不同风速点之间的初始相位角之差为常数，以便使得模拟风速的互协方差与目标值一致。但是这种假设不合理。Wang和Wu等利用自适应离散小波包分解和希尔伯特变换进行模拟。通过瞬时相位差，相关系数和相干函数之间的关系，提出了基于假定相干函数和单点风速的多尺度空间相关性嵌套的模拟方法。然而这些模拟方法存在两个问题：希尔伯特变换可能产生巨大的频率突变，可能产生大量的没有意义的负频率；这些方法假设不同点同一尺度的初始相位角之差为常数。基于此，需要进一步探究能够基于单样本实测数据获取大量风速样本的方法。

发明内容