关键词： 输电线路   下击暴流   最不利工况   导线风荷载   简化计算公式  

摘要： 下击暴流是强对流天气下的一种局地极端风,具有尺度小、风速大、突发性强等特点。据现有研究表明,下击暴流已成为导致内陆地区输电线路体系风灾倒塌事故的重要原因。开展对下击暴流作用下输电线路最不利工况及设计风荷载的研究对填补规范空白具有重要意义。本文的研究内容具体如下: (1)通过查阅文献,归纳整理了现有下击暴流风场的理论模型,对比分析了各模型间的异同;综合考虑工程实际后,选择了更为合理的风场理论模型;采用矢量合成方法考虑下击暴流中心的移动,生成了输电线路的移动下击暴流风场;基于准定常假定,给出了输电线路的下击暴流线条风荷载。 (2)介绍了已有的拟静力解析方法,结合算例验证了该方法的适用性。为提高计算效率,选择已有的拟静力解析方法用于响应计算,该方法可以高效准确地求解出任意风荷载作用下导线-绝缘子系统的拟静力响应;通过无量纲化线性解析方法得到了一组与风场无关的系数,对后续设计导线风荷载的拟合具有重要意义;结合算例,对冲击下击暴流工况下输电线路风振响应中背景分量和共振分量的占比情况进行分析,验证了拟静力方法的适用性。 (3)将不同电压等级的典型输电线路作为研究对象,总结归纳了输电线路最不利下击暴流工况的内在规律。通过探讨各风场参数对最不利工况的影响,排除了移动速度、方向和最大平均速度的影响,将出流直径和中心位置作为对象进行参数分析;根据分析结果,确定了最不利跨数与塔位;针对最不利杆塔,确定了最不利出流直径和中心位置的规律;对最不利工况的风场进行简化得到设计风剖面,并进行了误差分析。 (4)拟合得到了设计导线风荷载的简化计算公式。基于无量纲化线性解析方法,分析了各系数对导线风荷载的影响,并从中选择关键参数用于简化计算公式的拟合;考虑设计便利性和保守性,采用最小二乘法进行拟合,并与解析方法的结果进行比较;将研究成果与现有规范进行比较,验证了简化计算公式的安全性和经济性。 本文从设计的角度给出了一组简化计算公式,用于确定下击暴流作用下输电线路的设计导线风荷载,一定程度上填补了现行输电线路相关规范中关于下击暴流设计风荷载的空白。

关键词： 下击暴流   输电塔-线体系   风场模拟   连续倒塌   DCR稳定指标   ANSYS数值模拟   LS-DYNA数值模拟   加固补强  

摘要： 下击暴流是一种极端天气现象,会对输电塔等柔性结构的安全造成严重威胁。本文开展了下击暴流作用下输电塔-线体系结构响应、倒塌分析及防治措施研究,为进一步理解下击暴流对输电线路的影响,提高输电线路的安全性和稳定性提供了一定的理论依据。本文的研究工作主要包含以下几个方面: 1.下击暴流风场和风荷载模拟研究:总结了下击暴流风场模型和风荷载计算方法;分别采用Wood模型、Holmes模型和Chen模型对竖向、径向风剖面和非稳态下击暴流进行模拟,采用欧洲规范计算下击暴流风荷载;针对非稳态下击暴流的移动特性,采用矢量叠加法改进了下击暴流风速和风向角的计算方法,使其能够更准确地模拟下击暴流风场。 2.稳态下击暴流下输电线路静力响应研究:以实际倒塌事故为背景,开展事故风场分析,得到关键下击暴流参数;建立输电塔-线体系ANSYS数值模型并进行模态分析;提出角钢构件容量需求比(Demand to capacity ratio,DCR)稳定性指标计算方法,对123种稳态下击暴流工况下的输电塔-线体系进行ANSYS静力分析,并用DCR评估输电塔的整体和局部稳定性,发现输电塔的结构效应与风攻角、下击暴流直径和相对位置有明显关联,且相同平均风速条件下,下击暴流事件引起的结构效应显著大于大气边界层风。 3.非稳态下击暴流下输电线路连续倒塌研究:提出以DCR为构件失稳破坏准则的输电塔连续倒塌数值仿真方法;根据稳态分析得到的三种危险工况,采用LS-DYNA对非稳态下击暴流下的输电线路连续倒塌展开数值模拟,对三种工况下输电塔的倒塌过程、杆件失效路径、DCR时程等指标进行分析,发现三种工况下输电塔均发生倒塌破坏,破坏模式包括塔头、塔身和塔腿破坏,失效杆件主要包括塔腿主材和辅助材以及塔身斜材等。通过增量动态分析方法,得到不同工况的下击暴流临界风速和临界风速下输电塔倒塌过程。 4.输电线路抗下击暴流加固补强方案研究:考虑目标输电塔的结构特点和下击暴流作用下的薄弱部位,为目标输电塔制定初步加强方案,计算加强结构在非稳态下击暴流作用下的临界风速和倒塌模式;针对初步加强后输电塔的薄弱部位,制定深度加强方案,使输电塔达到设计风速要求,提高输电线路的稳定性和安全性,结果表明增大输电塔薄弱构件截面是一种经济有效的加强方案。

关键词： 集成学习   优化算法   输电线路   反击跳闸率   绕击跳闸率  

摘要： 雷击是造成输电线路故障的主要原因之一,防雷分析是评估线路防雷策略的基础,其结果可用于指导调整防雷策略。通过分析当地地形特点下输电线路的雷电反击特性和绕击特性,可以为该区域的输电线路设计提供重要参考。现有常用计算输电线路绕击跳闸率方法和反击跳闸率方法有规程法、电气几何模型法和电磁暂态仿真法。规程法在计算过程中对雷击过程做了过多简化,计算误差较大;电气几何模型法和电磁暂态仿真法的建模过程复杂,计算量大。因此,本文提出一种基于神经网络预测高压输电线路跳闸率的方法,通过对神经网络进行训练,并基于优化算法的动态组合及模型集成提高其预测精度,使其根据影响输电线路跳闸率各因素的定量变化,对反击跳闸率和绕击跳闸率进行快速、准确的预测。此方法较电气几何模型法和电磁暂态仿真法省去了复杂的模型搭建过程,较规程法提高计算精度约40.6%。本文的主要研究内容和成果如下: (1)本文通过四种不同规模的公开数据集对机器学习中常用的优化算法进行测试,对比分析四种算法的计算速度和收敛性,并相应提出通过将优化算法进行动态组合,以进一步提高算法性能。基于Back Propagation(BP)神经网络对单一优化算法与组合优化算法进行测试,发现使用组合优化算法的BP神经网络预测效果均优于使用单一优化算法的BP神经网络。组合优化算法中,Momentum+Adam组合优化算法具有最优效果。 (2)本文将基于组合优化算法的BP神经网络、支持向量机和随机森林三种预测模型使用Stacking集成策略组成集成学习预测模型,在单一预测模型的基础上进一步提高预测效果。基于上述四种数据集测试三种预测模型和集成学习预测模型的预测能力,并与基于集成学习预测模型进行对比。结果表明,基于组合优化算法的集成学习预测模型具有最佳预测效果。 (3)本文将基于组合优化算法的集成学习预测模型用于输电线路雷击跳闸率预测模型,基于集成学习预测110 kV、220 kV、500 kV三种电压等级的输电线路的反击跳闸率和绕击跳闸率。结果表明,相比于传统计算方法,集成学习预测模型在省去复杂建模过程的同时,可以更为准确高效地预测雷击跳闸率,也较使用单一预测模型的平均预测误差率降低约5.1%。

关键词： 输电线路   山火预估模型   BP神经网络   遗传算法  

摘要： 本文提出一种基于改进遗传算法优化的BP神经网络输电线路山火预估模型，该模型通过将可能会引起山火的一些气象、环境和人为等影响因子作为BP神经网络的输入，通过改进的遗传算法来优化BP神经网络各层间的权值和阈值，使得新改进的网络模型预测精准度更高、收敛速度更快。通过MATLAB仿真发现新提出的改进算法相对于BP神经网络算法、GA-BP神经网络算法、AGA-BP算法在山火预估准确率和算法收敛速度等方面有了很大的提升。

关键词： 调谐半波长交流输电   多重雷击   过电压   差异化防雷   直击雷   雷电侵入波   地形地貌  

摘要： 在全球能源互联和国家“双碳”的背景下,清洁能源发电所占比例持续上升,而清洁能源中水电主要分布在我国云南、四川和西藏等地,风电、光伏主要分布在新疆、内蒙和青海等地,由此可见清洁能源主要分布在我国西部地区,而像江浙沪、京津冀和大湾区等负荷中心大多集中在我国东部沿海地区,所以我国能源分布与经济中心分布的格局决定我国急需远距离、大容量且电压等级比较高的送电通道。调谐半波长输电技术作为一种稳定性、经济性和输电能力极好的远距离输电技术,具有很好的应用前景。但国际大电网委员会发布的CIGRE TB 549报告中指出云地闪中超过80%是多重雷击,因此多重雷击严重影响了调谐半波长输电线路的稳定运行,但目前尚未有针对调谐半波长输电线路遭受多重雷击之后的过电压进行分析,并根据地形不同给出相应的差异化防雷策略。本文首先进行了调谐半波长输电线路和多重雷击进行了建模,然后基于实验室现有的雷击浪涌分析平台和电磁暂态波形输出平台,考虑了多重雷击对调谐电路、输电线路、断路器等过电压的仿真与分析,最后介绍了绕反击防雷保护的计算方法,又有针对性的给出了4种地形下针对绕击和反击不同的防雷措施,最后又给出了垭口、山脊、山谷和水域4种地形下不同避雷器的配置方案,最后经过RTDS进行仿真验证发现对于多重雷击造成的过电压有明显的抑制效果。基于特高压示范工程搭建的调谐半波长输电线路模型,在此模型基础上,介绍了断路器模型、避雷器模型等,并介绍了多重雷击的机理,并依据这些机理选取了本文所采用的雷电流模型。依据上述这些模型,通过RTDS对多重雷击线路侧和站端进行仿真测试,本文首先研究了直击雷和雷电侵入波对调谐电路过电压的影响,得出了CLC调谐电路内部的过电压水平整体低于LCL,调谐电路的雷击相两侧的过电压比内部相邻测点要高,最后验证了降低杆塔接地电阻可以减小雷电侵入波对调谐电路的过电压影响;本文还研究了多重雷击对线路过电压进行了分析,通过RTDS进行仿真,得出了输电线路可能会出现非雷击处的过电压比雷击处要严重的结论,原因是调谐半波长输电线路过长且多重雷击击间间隔时间较短造成了波折反射的叠加和累积;本文最后对多重雷击断路器的过电压进行了研究分析,重点研究了多重雷击对断路器触头之间过电压的影响以及给后续自动重合闸造成的危害。通过仿真与分析,得出了当断路器恰好处于熄弧过程中,此时断路器的分闸过电压恰好还存在,后续雷击造成的过电压刚好在断路器触点上进行电压叠加,使得断路器触头过电压极高,有可能造成断路器损坏,此刻,如果自动重合闸装置投入,可能会误判为系统存在永久性故障,使得自动重合闸装置闭锁。基于多重雷击对调谐半波长输电系统站端和线路侧过电压的仿真与分析,且由于半波长输电线路属于超远距离输电线路,沿线会经过垭口、山脊、山谷和水域4种容易发生雷击的地区,基于某地区某年山脊、山谷、垭口和水域4种地形的雷电流分布,有针对性地对山脊、山谷、垭口和水域4种地区进行了雷电流幅值概率分布地计算,最后基于4种地形的特点及其雷电流概率分布曲线,给出了4种地形差异化防绕击和防反击策略,若4种地形已经实施来差异化防绕击和防反击策略,但在遭受强雷时过电压仍不满足在规程范围内,则需进行避雷器配置,本文给出了在某种情形下的4种地形的避雷器差异化配置方案,并用RTDS仿真验证了4种避雷器差异化配置方案的可行性,最后得出4种避雷器差异化配置方案在遭受雷击后其线路皆满足过电压在规程允许范围内。

关键词： 新能源   输电线路   储能   风险度量   投资组合   混合整数线性规划  

摘要： 构建以风电、光伏等新能源为主体的安全高效的能源体系成为电力系统的未来发展趋势,如何充分挖掘“源-网-荷-储”各侧灵活性以提升新能源的消纳能力成为支撑能源电力低碳转型的关键。新能源富集区域协同优化规划输电网络及储能,有利于提升系统灵活性,实现新能源高效经济汇聚外送。但新能源出力的不确定性给电力系统的输储协同规划带来了更多的风险,如何合理权衡输储规划过程中的经济性以及风险性,已成为新型电力系统建设的关注焦点。论文采用条件风险价值作为风险量化工具,刻画输储规划方案在新能源出力与负荷需求不确定条件下的风险成本,以系统净投资运行成本和风险成本加权最小为目标,计及系统潮流约束、常规机组运行约束、外送功率约束与储能系统运行约束等约束,面向新能源富集外送区域建立外送输电通道和储能的协调优化规划模型;同时,为提升条件风险价值的尾部风险计算精度,论文建立基于条件风险价值特性需求的场景聚类模型,通过余缺平衡度指标决策场景周期天数,充分考虑邻近多日余缺均衡协调可能性以高效提取极端场景特征,同时通过引入聚类有效性判断指标决策聚类数,判断K-means聚类有效性以保证聚类效果,建立了含场景周期天数和聚类数双参数迭代判定的规划场景聚类生成模型;并基于多日协调的场景法将含条件风险价值的输储随机规划模型转化为混合整数线性规划模型,便于模型求解。结合我国北方某新能源汇集地区的电力系统实际情况进行算例分析。算例仿真结果表明,考虑源、荷不确定性带来的投资风险,针对新能源汇聚外送地区进行输储协调优化规划,有利于增加新能源外送、提升新能源消纳,带来环境效益以及经济效益;模型可度量不同风险厌恶程度对输电容量及储能容量配比方案的影响,可实现输储规划容量与极端场景尾部风险的耦合量化调控分析,有利于提升输储协调规划效率和经济性。综上,针对新能源富集外送电网,在规划中合理考虑风险特征,有利于更好的权衡输储投资过程中的经济性与风险性,推动绿色低碳、清洁高效的电网建设。

关键词： 复杂背景   输电线路   阈值分割   异物检测  

摘要： 中国的输电线路是随着国家电力事业的发展而不断发展的,当下中国超高压输电线路的技术水平已经达到了国际领先水平。随着中国输电线路的发展,输电线路上会因为自然或者人为影响使输电线路上出现各种异物,如附着类异物鸟巢、塑料袋等和悬挂类异物风筝、气球等。这些异物会导致线路的短路、火灾、断电等问题。传统的巡检方式主要是通过人工进行输电线巡检,这种巡检方式工作量大、效率低且精度低。因此通过无人机技术结合图像处理技术对输电线路进行巡检的方式逐渐成为主流。针对输电线异物识别图像处理算法,目前的算法领域往往只能应对附着类或悬挂类一种异物。能同时对附着类异物以及悬挂类异物两种异物进行有效检测是一大难题。针对这一问题,本文提出了能同时检测两类异物的识别方法。本文的主要研究内容如下: (1)输电线路图像的预处理部分,介绍无人机系统结构,分析图像的灰度化处理;介绍图像采集过程图片噪声来源,研究了噪声的类型与滤波算法并结合噪声类型使用自适应中值滤波算法对灰度图像进行去噪处理; (2)输电线及异物区域提取部分,分析图像的阈值分割算法并采用改进Otsu对图像进行阈值分割;介绍形态学滤波方法并采用形态学闭运算对二值图像去噪滤波;滤波后图像采用倾斜矫正结合Hough直线变换提取直线段,设计直线筛选条件得到输电线路,并通过线路端点坐标划分输电线区域与非输电线区域;同时采用连通域轮廓提取,设计连通域轮廓初步筛选条件提取异物区域轮廓; (3)输电线路异物识别检测部分,针对附着类以及悬挂类异物在输电线路图像中的特征,通过筛选后轮廓端点坐标判定轮廓所在区域;根据区域特征对两类异物设计不同白点率,通过白点率的判定输出识别结果;最后对算法进行实验验证分析。 本文所提出的异物检测识别方法可以实现对复杂背景下附着类异物和悬挂类异物的识别,为输电线路两类异物同时识别提出新的解决方法。完善了输电线路的智能巡检,促进了输电线异物检测识别方向的发展。