[发明专利]热带气旋致输电线路风压的多模型在线综合计算方法

摘要

本发明提供了一种热带气旋致输电线路风压的多模型在线综合计算方法。其技术实现方案包括内外四层嵌套的迭代结构：最外层根据发布的台风路径实时信息判断是否启动输电线路风压计算模块；次次内层为移行风速分量与环流风速分量分解迭代计算子过程；次内层为各环流分量计算模型的权重迭代修正子过程；最内层为最大风速半径、形状参数优化辨识迭代子过程。本发明克服了单个模型计算结果可信度低的不足，提高了计算结果的可信度，用以较为准确地计算热带气旋风场下架空输电线路所承受的风压值并辨识可能发生损毁的输电线路、对应的时间窗口及这些线路发生损毁的可能性。

主权项

1.一种热带气旋致输电线路风压的多模型在线综合计算方法，其特征在于，步骤如下：包括内外四层嵌套的迭代结构：最外层结构：根据发布的台风路径实时信息，判断是否启动、结束或等待进行多模型综合参数辨识与输电线路风压计算功能模块；根据发布的最大风速信息或10级风圈半径信息进行决策：当开始发布最大风速和10级风圈半径信息，且最大风速接近或超过电网输电线路风压设计值时，需要启动多模型综合参数辨识与输电线路风压计算功能模块；当最大风速小于电网输电线路风压设计值的10％，处于暂时等待状态，以读取下一时段信息进行继续判断；当台风中心逐渐远去、强度逐渐减弱、不再发布最大风速或10级风圈半径信息时，整个多模型综合参数辨识与输电线路风压计算功能模块就结束；当启动了多模型综合参数辨识与输电线路风压计算功能模块，经初始化后就进入内层迭代计算，内层本身又包含多层迭代结构：其中，最内层为最大风速半径R_max、形状参数优化辨识迭代子过程；次内层为各环流分量计算模型的权重迭代修正子过程；次次内层为移行风速分量与环流风速分量分解迭代计算子过程，当综合参数辨识、权重修正、移行风速分量与环流风速分量分解迭代计算均收敛后，输出有关结果继续进行输电线路风压和可能受损程度的计算；计算完后，转最外层的暂时等待状态，以读取下一时段信息进行继续判断；最内层结构：最大风速半径、形状参数优化辨识迭代子过程，在进行最内层多模型综合参数优化辨识时，首先由单个模型独立进行在线参数辨识，由于热带气旋风场中某点的实际风速是该点处环流风速和移行风速的矢量和，故在7级和10级风圈半径的特定点处具有式(1)关系，利用环流风速和移行风速模型反求出最大风速半径R_max；Vr7+Vd7=V7minVr10+Vd10=V10min---(1)]]>式中：V_7min和V_10min分别为7级和10级风速下限值，分别取13.9m/s和24.5m/s；多模型综合参数优化辨识过程基于环流风速分量进行，当移行风速模型选定后，利用待辨识参数初值或迭代过程中不断修正的辨识参数计算出移行风速分量，然后从总量中将其移除后获得环流风速分量；由于所有环流风速分量模型中均包含最大风速半径R_max，而只有部分模型包含形状参数，R_max和形状参数互为影响；将R_max和形状参数辨识过程分解成两个子过程，分别构建优化模型进行计算：1)R_max辨识模型F1=Σi=16(biEi)→min---(4)]]>其中，E_i＝c₁(V_tr7(i)-V_r7)²+c₂(V_tr10(i)-V_r10)²    (5)式中：E_i为第i个环流风速模型在7级和10级风圈半径处的环流风速值的加权平方误差；b_i为第i个环流风速模型的权重系数；V_tr7(i)为第i个环流风速模型在7级风圈半径处的计算值，V_r7为对应的理论值；V_tr10(i)为第i个环流风速模型在10级风圈半径处的计算值，V_r10为对应的理论值；理论值通过从国标规定的7级或10级风速中移除迭代过程中的移行风速分量得到；v₁、c₂分别为7级和10级风圈半径处环流风速平方误差的权重系数，取c₁＝0.2，c₂＝0.8；在求解式(4)最小化的过程中，涉及到的模型⑤和⑥的形状参数由其独立参数辨识结果提供；2)形状参数辨识模型形状参数只涉及模型⑤中的x和模型⑥中的d，它们由模型⑤或模型⑥、借助式(6)最小化求得；E5→minE6→min---(6)]]>其中的E₅、E₆具体形式参照式(5)给出，求解式(6)最小化的过程中，涉及到的参数R_max由式(4)优化结果提供；次内层结构：各环流分量计算模型的权重迭代修正子过程；由于各环流风速模型的适应性随时间发生变化，采用动态变化的权重系数表示不同时刻各模型适应性的好坏；式(4)中权重系数b_i的动态修正由式(5)E_i与6个模型的平均值E_av、按如下关系进行：b_i＝1+Δb·f(E_i，E_av)    (7)其中，Eav=16Σi=16Ei---(8)]]>f(Ei,Eav)=1-EiEav,Ei≤EavEavEi-1,Ei>Eav---(9)]]>式(7)中：Δb为各模型权重系数所允许的最大变化幅值，取0.8；辨识出最大风速半径R_max、形状参数x与d后，将其分别代入各环流风速模型，并以归一化后的权重系数加权计算出最终的环流风速：Vr=Σi=16b~iVr(i)---(10)]]>式中：为由b_i归一化后的系数；由式(10)确定的V_r，其风向并不是沿着环流风速模型所给出的圆对称风场的逆时针切线方向，而是由切向方向偏转一定角度指向圆心，这个偏转角度被称为入射角，取入射角为20°，因此，在已知热带气旋风场中某点及气旋中心的经纬度坐标时，计算出该点环流风速的风向角；次次内层结构：移行风速分量与环流风速分量分解迭代计算子过程。将R_max代入选定的移行风速模型后得到移行风速分量V_d的新值，其风向近似认为是热带气旋移动方向，由当前时刻和上一时刻气旋中心的经纬度坐标求得；在总的风速矢量信息中将移行风速分量V_d矢量减去后就得环流风速分量，获得的环流风速分量作为新的初值引导最内层和次内层结构的参数迭代修正子过程；当次次内层结构收敛后，将热带气旋风场中某点处的环流风速和移行风速矢量相加即获得该点处的计算风速；在计算风向角的过程中，首先将气象中心发布的气旋中心的经纬度坐标及欲求的风场中某点的经纬度坐标转换为地理坐标，再将地理坐标转换为以热带气旋中心为原点的站心地平直角坐标系下的坐标，最后由站心地平直角坐标系下的坐标计算风向角；在求出热带气旋风场的基础上，输电线路承受风压值及其风压设计值参照《110kV～750kV架空输电线路设计规范》(GB50545-2010)计算得出，通过对比输电线路承受的风压值及其风压设计值，能够辨识出可能发生损毁的输电线路、对应的时间窗口及这些线路发生损毁的可能性；其中所述的计算环流风速的典型经验模型主要有：①Rankine模型；②Jelesnianki(1965)经验模型；③Jelesnianki(1966)经验修正模型；④陈孔沫(1994)经验模型；⑤Miller模型；⑥Chan and Williams(1987)模型。