CN110442898B - 一种输电线塔健康状况模型在线优化方法 - Google Patents

一种输电线塔健康状况模型在线优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种输电线塔健康状况模型在线优化方法，所述方法包括：初始化输电线塔健康状况模型；控制输电线塔开始使用；获取输电线塔健康状况数据；根据输电线塔健康状况数据对比结果决定输电线塔健康状况模型；获取影响输电线塔健康状况因素的数据；通过判断影响输电线塔健康状况因素的数据决定输电线塔全生命周期健康状况模型。本发明通过更新输电线塔健康状况数据并且进行输电线塔健康状况模型的迭代更新，可以获得输电线塔全生命周期健康状况模型，便于对输电线塔进行全面的研究和监测。

Description

一种输电线塔健康状况模型在线优化方法
技术领域
本发明属于输电线塔技术领域，特别涉及一种输电线塔健康状况模型在线优化方法。
背景技术
输电线塔是支持高压或超高压架空送电线路的导线和避雷线的构筑物。按其形状一般分为：酒杯型、猫头型、上字型、干字型和桶型五种，按用途分有：耐张塔、直线塔、转角塔、换位塔(更换导线相位位置塔)、终端塔和跨越塔等。输电线塔具有大柔性、小阻尼等特点，并且对风敏感，因此风灾是输电线塔损失的主要成因。
目前，为了便于对输电线塔进行研究，提出了一种输电线塔健康状况模型，但在应用的过程中，初始设定的输电线塔健康状况模型输出值与实际输电线塔健康状况存在偏差，不适用于输电线塔全生命周期的健康状况，因此有必要对模型结构和参数进行在线优化。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种输电线塔健康状况模型在线优化方法，所述方法包括：
初始化输电线塔健康状况模型；
控制输电线塔开始使用；
获取输电线塔健康状况数据；
根据输电线塔健康状况数据对比结果决定输电线塔健康状况模型；
获取影响输电线塔健康状况因素的数据；
通过判断影响输电线塔健康状况因素的数据决定输电线塔全生命周期健康状况模型。
进一步地，所述输电线塔健康状况数据包括输电线塔实时产生的健康状况数据和输电线塔健康状况模型输出的数据。
进一步地，所述输电线塔实时产生的健康状况数据包括输电线塔上传感器反馈的数据和人工巡检反馈的数据。
进一步地，所述根据输电线塔健康状况数据对比结果决定输电线塔健康状况模型包括：
输电线塔健康状况模型输出的数据与输电线塔实时产生的健康状况数据误差小于设定的阈值：按照现有输电线塔健康状况模型继续运行；
输电线塔健康状况模型输出的数据与输电线塔实时产生的健康状况数据误差不小于设定的阈值：根据最新输电线塔实时产生的健康状况数据调整输电线塔健康状况模型的参数和结构，返回所述获取输电线塔健康状况数据。
进一步地，所述影响输电线塔健康状况因素包括风力和输电线塔寿命。
进一步地，所述通过判断影响输电线塔健康状况因素的数据决定输电线塔全生命周期健康状况模型包括：
风力达到对输电线塔损伤强度：更新输电线塔健康状况数据并根据最新输电线塔实时产生的健康状况数据调整输电线塔健康状况模型的参数和结构，返回所述获取输电线塔健康状况数据；
风力未达到对输电线塔损伤强度：判断输电线塔寿命大小。
进一步地，所述判断输电线塔寿命大小包括：
输电线塔寿命达到设计寿命：根据已有数据改善输电线塔健康状况模型形成输电线塔全生命周期健康状况模型；
输电线塔寿命未达到设计寿命：按照现有输电线塔健康状况模型继续运行，返回所述获取影响输电线塔健康状况因素的数据。
进一步地，形成所述输电线塔全生命周期健康状况模型时结束输电线塔健康状况模型优化并归档。
本发明通过更新输电线塔健康状况数据并且进行输电线塔健康状况模型的迭代更新，可以获得输电线塔全生命周期健康状况模型，便于对输电线塔进行全面的研究和监测。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明输电线塔健康状况模型在线优化方法流程图；
图2示出了本发明输电线塔健康状况模型在线优化过程流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种输电线塔健康状况模型在线优化方法，如图1示出了本发明输电线塔健康状况模型在线优化方法流程图，所述方法包括以下步骤：
步骤一；初始化输电线塔健康状况模型；即输电线塔的健康状况是初始状况(完全健康)，同时，输电线塔的健康状况模型也是初始状况模型，包括模型的参数和结构。
步骤二；控制输电线塔开始使用；
步骤三；获取输电线塔健康状况数据；具体的，所述输电线塔健康状况数据包括输电线塔实时产生的健康状况数据和输电线塔健康状况模型输出的数据。进一步地，所述输电线塔实时产生的健康状况数据包括输电线塔上传感器反馈的数据和人工巡检反馈的数据。
步骤四；根据输电线塔健康状况数据对比结果决定输电线塔健康状况模型；具体的，所述根据输电线塔健康状况数据对比结果决定输电线塔健康状况模型包括：
输电线塔健康状况模型输出的数据与输电线塔实时产生的健康状况数据误差小于设定的阈值：按照现有输电线塔健康状况模型继续运行；
输电线塔健康状况模型输出的数据与输电线塔实时产生的健康状况数据误差不小于设定的阈值(阈值是根据杆塔设计的结构强度确定的)：根据最新输电线塔实时产生的健康状况数据调整输电线塔健康状况模型的参数和结构，返回所述获取输电线塔健康状况数据。
步骤五；获取影响输电线塔健康状况因素的数据；具体的，所述影响输电线塔健康状况因素包括风力和输电线塔寿命。
步骤六；通过判断影响输电线塔健康状况因素的数据决定输电线塔全生命周期健康状况模型。具体的，所述通过判断影响输电线塔健康状况因素的数据决定输电线塔全生命周期健康状况模型包括：
风力达到对输电线塔损伤强度：更新输电线塔健康状况数据并根据最新输电线塔实时产生的健康状况数据调整输电线塔健康状况模型的参数和结构，返回所述获取输电线塔健康状况数据；
风力未达到对输电线塔损伤强度：判断输电线塔寿命大小。
进一步地，所述判断输电线塔寿命大小包括：
输电线塔寿命达到设计寿命：根据已有数据改善输电线塔健康状况模型形成输电线塔全生命周期健康状况模型，其中已有数据为输电线塔不同运行时期的实际健康状况数据；
输电线塔寿命未达到设计寿命：按照现有输电线塔健康状况模型继续运行，返回所述获取影响输电线塔健康状况因素的数据。
形成所述输电线塔全生命周期健康状况模型时结束输电线塔健康状况模型优化并归档。
示例性的，图2示出了本发明输电线塔健康状况模型在线优化过程流程示意图，如图2所示：
第一步：控制输电线塔开始使用。当输电线塔开始使用时，默认输电线塔的健康状态是初始状态(完全健康)，同时，杆塔的健康状态模型也是初始状态，包括模型的参数和结构，即式(1)。
第二步：更新输电线塔健康状况数据。将新获取的输电线塔的健康状态数据替换原先的数据。当输电线塔的健康状态是初始状态(完全健康)时，不需更新输电线塔健康状况数据。
第三步：根据最新数据调整健康状况模型的参数和结构。根据最新的数据调整参数和结构后，形成新的健康状况模型。当输电线塔的健康状态是初始状态(完全健康)时，不需调整健康状况模型的参数和结构，即式(1)。
新的健康状况模型是在初始输电线塔健康状况模型的基础上不断迭代更新得到的。具体的，初始输电线塔健康状况模型是根据输电线塔结构面弯矩关于时间的累积量、输电线塔本身的结构、材料、外界环境变量、建成使用年龄、老化过程等综合考虑而建立的，其中指标为：输电线塔健康指数--TLTHI(Transmission Line Tower Health Index)可用输电线塔健康状况模型表示：
Figure BDA0002095681420000051
式(1)中，t是时间，z为高度，Meff(t)为有效摧毁弯矩；Ageeff(t)为SMTHPt有效老化方程；Meff(t)与Ageeff(t)之间存在着耦合关系，A和B为调整参数，表示两种不同的机制造成的输电线塔老化结果；M1为设计风荷作用在输电线塔上的结构面弯矩；MR为结构面的抗弯抗力；rud表示冗余参数，当M1(z,t)>rud MR(z)发生时，表明输电线塔受风载荷的影响至少在某一点其截面弯矩超出了包含冗余的额定设计值，倒塔情况极有可能发生，却也并不是绝对(假设rud＝1.2)。但是，在这种情况下，我们即假设塔本身的健康状况已经为“0”，需要全面的检修、恢复。其中，Meff(t)详细的定义可以参照以下公式(2)和(3)：
Figure BDA0002095681420000052
式中H为输电线塔总高度。
Figure BDA0002095681420000061
SMTHPt有效老化方程Ageeff(t)的详细表述如下式(4)：
Ageeff(t)＝f(Structure,Material，Temperature，Humidity，PH) (4)
式中，Structure为结构索引；Material为材料索引；两个索引参数定位不同设计标准下的输电线塔特性。Temperature为空气温度；Humidity为空气湿度；PH为空气酸碱度系数。不同系数条件下，关于时间的积累产生不同的输电线塔老化效果。而输电线塔的当下的老化速度又与输电线塔健康指数耦合，但是为了简化分析和初步建模的需求，在这里，我们假设这种耦合关系可以被忽略。
在输电线塔结构当中，存在着输电线塔和输电线之间的震动相互影响，构成了一个相互耦联的非线性体系。因此，输电线塔塔身受设计风载荷产生的结构面弯矩效应由直接作用在输电线塔塔身的力和由输电线作用在塔身上的力共同组成。当时刻t确定时，M1(z，t)的值仅与高度有关，当输电线塔高度z确定时，z定义为所需计算截面高度z0，则t时刻所求z0高度处受风载荷作用产生的弯矩可定义为M1(z0)，M1(z0)可用以下公式(5)表示：
Figure BDA0002095681420000062
式中，z0为计算截面的高度；F(z)为输电线塔塔身的等效设计风荷载，F(z)受高度变化影响，表达式如下式(6)：
Figure BDA0002095681420000063
式中，ρair为空气密度，ωmax(z)为输电线塔z高度处风载荷的最大基本风速，Cflg为空气动力体型系数，Cdyn为动力响应因子，Af为杆塔的迎风面积。
静力作用下处于平衡状况的输电线体系，其拉力的水平分量相互抵消，竖直分量增加了结构重量，此时的拉力并不产生结构面的弯矩。在设计风载荷作用下，输电线产生顺风向位移和形变，沿导线方向分量由于绝缘子的存在而相互平衡；但是，垂直输电线方向的分量作用下，产生输电塔结构面的弯矩。可以通过有限元建模，进行输电线的静力学分析，从而求取塔身截面弯矩。
但是，经过有限元进行力学分析取得输电线塔结构面弯矩的方式消耗大量计算资源，时间成本非常高，不利于风灾下输电线塔的实时评估和预测。需要根据力学分析、经验公式以及离线实验数据库得出简单的，便于实时分析和计算的解析公式，来解决这一问题。
在输电线塔的弯矩作用下，解构截面的抗弯抗力沿高度呈指数分布。因此，结构面的抗弯抗力MR可用以下公式(7)表示：
MR(z)＝αe-βz+γ (7)
式中，α、β、γ为待定参数，不同的输电线塔会有不同的特性，需要分别进行有限元分析，或者力学试验测试对待定参数进行拟合。
调整系数B可被定义为下式(8)：
Figure BDA0002095681420000071
式中，选用一种标准的输电线塔结构、材料，选取理想的老化环境空气，示例性的，以温度25℃，湿度60％，酸碱度为中性PH＝7为例，但不限于此，Ttotal为理想环境和静止风条件下输电线塔额定全生命设计周期，即此时间后，由于结构老化和疲劳的作用，输电线塔已经不能支撑额定风荷载对应的截面弯矩。
调整系数A可被定义为下式(9)：
Figure BDA0002095681420000081
式中，Mfall(z)为风载荷Ffall下对应的塔截面弯矩，为常数；Ffall在塔全生命周期内均匀的通过一个水平方向施加于塔身，并恰好在塔设计寿命结束的那一刻Ttotal导致某一横截面不能支撑实时弯矩的倒塔现象。此过程的力Ffall可以通过多物理量耦合有限元分析获得，从而得出A的数值解。到此，输电线塔的健康状况建模结束。
第四步：判断模型输出与实际健康状况误差是否小于设定阈值。模型输出为目前现有的输电线塔健康状况模型输出的数据，实际健康状况为输电线塔实时产生的健康状况数据，包括输电线塔上传感器反馈的数据和人工巡检反馈的数据。示例性的，以目前现有的输电线塔健康状况模型输出的数据为m，实际健康状况为输电线塔实时产生的健康状况数据为n，阈值为w为例进行说明，当|m-n|>＝w时，返回第三步，根据输电线塔实时产生的健康状况数据n来调整目前现有的输电线塔健康状况模型的参数和结构，从而形成新的输电线塔健康状况模型。再次执行第四步，迭代更新优化输电线塔健康状况模型，直到|m-n|<w时，结束迭代，执行第五步。
第五步：按照现有健康状况模型运行。输电线塔健康状况模型经过迭代更新后，暂时形成最新的输电线塔健康状况模型，输电线塔按照此最新的输电线塔健康状况模型继续运行。
第六步：判断风力是否达到对输电线塔损伤强度。在输电线塔按照目前最新的输电线塔健康状况模型继续运行时，对风力的强度进行判断。当风力达到对输电线塔损伤强度时，返回第二步，更新输电线塔健康状况数据，再次对输电线塔健康状况模型进行迭代更新，直到风力未达到对输电线塔损伤强度，形成进一步优化的输电线塔健康状况模型；当风力未达到对输电线塔损伤强度时，执行第七步。
第七步：判断输电线塔是否达到设计寿命。当输电线塔未达到设计寿命时，返回第五步，按照目前最新的输电线塔健康状况模型继续运行，直到输电线塔达到设计寿命；当输电线塔达到设计寿命时，执行第八步。
第八步：根据已有数据改善输电线塔全生命周期健康状况模型。对目前最新的输电线塔健康状况模型做最后的更新，形成输电线塔全生命周期健康状况模型。
第九步：模型优化结束并归档。
本发明中相同的符号表示相同的意思。
本发明通过更新输电线塔健康状况数据并且进行输电线塔健康状况模型的迭代更新，可以获得输电线塔全生命周期健康状况模型，便于对输电线塔进行全面的研究和监测。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种输电线塔健康状况模型在线优化方法，其特征在于，所述方法包括：
初始化输电线塔健康状况模型；
控制输电线塔开始使用；
获取输电线塔健康状况数据；
根据输电线塔健康状况数据对比结果决定输电线塔健康状况模型；
获取影响输电线塔健康状况因素的数据；
通过判断影响输电线塔健康状况因素的数据决定输电线塔全生命周期健康状况模型，包括：风力达到对输电线塔损伤强度：更新输电线塔健康状况数据并根据最新输电线塔实时产生的健康状况数据调整输电线塔健康状况模型的参数和结构，返回所述获取输电线塔健康状况数据；
风力未达到对输电线塔损伤强度：判断输电线塔寿命大小，包括：输电线塔寿命达到设计寿命：根据已有数据改善输电线塔健康状况模型形成输电线塔全生命周期健康状况模型；
输电线塔寿命未达到设计寿命：按照现有输电线塔健康状况模型继续运行，返回所述获取影响输电线塔健康状况因素的数据。
2.根据权利要求1所述的输电线塔健康状况模型在线优化方法，其特征在于，所述输电线塔健康状况数据包括输电线塔实时产生的健康状况数据和输电线塔健康状况模型输出的数据。
3.根据权利要求2所述的输电线塔健康状况模型在线优化方法，其特征在于，所述输电线塔实时产生的健康状况数据包括输电线塔上传感器反馈的数据和人工巡检反馈的数据。
4.根据权利要求1-3任一所述的输电线塔健康状况模型在线优化方法，其特征在于，所述根据输电线塔健康状况数据对比结果决定输电线塔健康状况模型包括：
输电线塔健康状况模型输出的数据与输电线塔实时产生的健康状况数据误差小于设定的阈值：按照现有输电线塔健康状况模型继续运行；
输电线塔健康状况模型输出的数据与输电线塔实时产生的健康状况数据误差不小于设定的阈值：根据最新输电线塔实时产生的健康状况数据调整输电线塔健康状况模型的参数和结构，返回所述获取输电线塔健康状况数据。
5.根据权利要求1-3任一所述的输电线塔健康状况模型在线优化方法，其特征在于，所述影响输电线塔健康状况因素包括风力和输电线塔寿命。
6.根据权利要求1所述的输电线塔健康状况模型在线优化方法，其特征在于，形成所述输电线塔全生命周期健康状况模型时结束输电线塔健康状况模型优化并归档。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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