基于CFD台风风场的输电杆塔风压分布图构建方法及系统与流程

本发明涉及电力输电线路防灾，尤其涉及基于cfd台风风场的输电杆塔风压分布图构建方法及系统，可应用于输电杆塔抗风设防规划与风灾风险评估工作。

背景技术：

1、我国东南沿海地区台风活动频繁，输电杆塔作为电力传输网络的核心基础设施，易受台风风灾影响发生结构损伤甚至倒塌，进而引发大范围供电中断。输电杆塔风压分布图是开展线路路径规划、杆塔抗风设计及风灾风险管控的重要技术依据，能够为不同区域的杆塔设防标准制定提供数据支撑，对保障电力系统稳定运行具有重要的工程意义。

2、目前台风风压分布评估通常以瞬时最大风速换算得到的极值风压作为核心指标，主要关注瞬时强风引发的杆塔倾覆风险。而台风作用过程涵盖不同风速等级的持续作用，长时大风带来的累积疲劳效应同样会对杆塔结构造成损伤，单一极值风压指标难以全面体现台风对杆塔的综合致灾作用，使得风压分布图与实际灾损情况的匹配度存在不足，难以充分支撑输电杆塔精细化的抗风设防工作。

技术实现思路

1、为了弥补以上不足，本发明提供了基于cfd台风风场的输电杆塔风压分布图构建方法及系统，旨在改善现有技术中采用单一极值风压作为评估指标时，难以全面体现台风过程的综合致灾效应，所得风压分布图与杆塔实际灾损情况匹配度不足，无法充分支撑输电杆塔精细化抗风设防的问题。

2、第一方面，本发明提供了如下技术方案，基于cfd台风风场的输电杆塔风压分布图构建方法，包括以下步骤：

3、s1、数据预处理：采集目标区域多源基础数据并执行标准化处理，得到空间匹配的基础数据集；

4、s2、网格自适应：基于所述基础数据集解析地形几何特征并结合杆塔重要等级，生成双因子驱动的自适应计算网格；

5、s3、风场cfd模拟：基于参数化风场模型与所述自适应计算网格执行数值模拟，得到近地表风速时程数据集；

6、s4、气动映射计算：调用标准塔型气动系数库，将所述近地表风速时程数据集映射为杆塔结构风压时程数据集；

7、s5、等效风压换算：基于多损伤模式耦合评估准则，对所述杆塔结构风压时程数据集进行换算得到等效累积风压，并推算不同重现期的等效累积风压空间分布数据；

8、s6、闭环校准迭代：将所述等效累积风压空间分布数据与基准数据比对，分层调整风场参数与气动参数并迭代计算至收敛，输出收敛后的等效累积风压空间分布数据；

9、s7、分级成图输出：基于所述收敛后的等效累积风压空间分布数据，结合塔型差异化分级阈值划分风压等级，生成风压分区分布图。

10、通过采用上述技术方案：基于多损伤模式耦合评估准则换算得到等效累积风压指标，可综合体现台风作用下杆塔的疲劳累积损伤与极值倾覆风险，相较于单一极值风压更贴合实际致灾特性；采用地形几何特征与杆塔重要等级双因子驱动的自适应计算网格，在保障关键区域模拟精度的同时兼顾整体计算效率；通过闭环迭代分层校准风场与气动参数，可缩小模拟结果与实际工况的偏差；结合塔型差异化分级阈值输出的风压分布图，可直接匹配不同塔型的抗风设防需求，具备较好的工程适配性。

11、较佳的，步骤s2中，所述自适应计算网格通过以下方式生成：从所述基础数据集中提取地形高程数据，计算地形曲率与坡度并识别风压敏感区域，划分初始网格加密等级；再提取杆塔点位的结构重要等级，根据杆塔重要等级对包含杆塔点位的区域对应提升网格加密精度。

12、较佳的，步骤s3中，所述近地表风速时程数据集通过以下方式生成：从所述基础数据集中提取台风气象参数，基于参数化风场模型计算得到高空梯度风场；分别结合土地利用数据计算地表粗糙度修正因子、结合地形数据计算地形修正因子；先通过所述地表粗糙度修正因子、后通过所述地形修正因子对所述高空梯度风场依次执行边界层修正。

13、较佳的，步骤s4中，所述杆塔结构风压时程数据集通过以下方式映射得到：提取所述近地表风速时程数据集中对应杆塔点位的逐时刻近地表风速；匹配所述标准塔型气动系数库中对应塔型的风载体型系数；采用风攻角修正系数与风速区间修正系数对所述风载体型系数进行修正后，逐时刻计算杆塔各部位的实际风压。

14、较佳的，步骤s5中，所述等效累积风压通过以下方式换算得到：将杆塔结构风压时程按风压幅值划分为多个区间，统计各区间持续时长；分别计算风致疲劳损伤量与极值倾覆损伤量，耦合得到总损伤量；基于损伤等效原则，将总损伤量折算为设定基准时长下对应的恒定风压值，得到等效累积风压；基于历史台风样本的等效累积风压建立极值分布模型，推算不同重现期的等效累积风压空间分布数据。

15、较佳的，步骤s6中，所述闭环校准迭代通过以下方式执行：所述基准数据包括历史灾损等级数据与实测风压数据；按地形类型与塔型分类，分别统计等效累积风压的分级结果与历史灾损等级数据的匹配度、以及等效累积风压数值与实测风压数据的偏差量，形成偏差特征；根据偏差特征对应调整cfd模拟的地形修正因子、以及标准塔型气动系数库的局部修正系数；基于调整后的参数重复执行步骤s3至步骤s5的计算，直至所述匹配度与偏差量均满足预设收敛条件。

16、较佳的，步骤s7中，所述塔型差异化分级阈值通过以下方式设置：对应不同塔型分别设置轻度损伤、重度损伤、倒塌三个破坏等级的风压阈值；对应不同重现期分别设置阈值调整系数，采用对应重现期的阈值调整系数对目标塔型各破坏等级的风压阈值进行修正；匹配目标塔型与目标重现期后，对收敛后的等效累积风压空间分布数据执行等级划分。

17、第二方面，本发明提供以下技术方案，基于cfd台风风场的输电杆塔风压分布图构建系统，所述系统包括：

18、预处理模块，用于采集目标区域多源基础数据并执行标准化处理，输出基础数据集；

19、网格生成模块，连接所述预处理模块，用于接收所述基础数据集，解析地形几何特征并结合杆塔重要等级，输出双因子驱动的自适应计算网格；

20、风场模拟模块，连接所述网格生成模块，用于接收所述自适应计算网格，基于参数化风场模型执行cfd数值模拟，输出近地表风速时程数据集；

21、气动映射模块，连接所述风场模拟模块，用于接收所述近地表风速时程数据集，调用标准塔型气动系数库执行映射计算，输出杆塔结构风压时程数据集；

22、风压换算模块，连接所述气动映射模块，用于接收所述杆塔结构风压时程数据集，基于多损伤模式耦合评估准则换算等效累积风压，输出不同重现期的等效累积风压空间分布数据；

23、校准迭代模块，连接所述风压换算模块，同时与所述风场模拟模块、气动映射模块信号连接，用于接收所述等效累积风压空间分布数据，与基准数据比对后分层调整参数并迭代计算至收敛，输出收敛后的等效累积风压空间分布数据；

24、分级成图模块，连接所述校准迭代模块，用于接收所述收敛后的等效累积风压空间分布数据，结合塔型差异化分级阈值划分风压等级，生成风压分区分布图。

25、较佳的，所述网格生成模块包括：

26、地形解析单元，用于接收所述基础数据集，从中提取地形高程数据，计算地形曲率与坡度并识别风压敏感区域，输出地形特征参数；

27、等级划分单元，连接所述地形解析单元，用于接收所述地形特征参数，根据地形复杂程度划分初始网格加密等级，输出初始加密等级信息；

28、网格调整单元，连接所述等级划分单元，用于接收所述初始加密等级信息，结合杆塔点位的结构重要等级调整网格加密精度，输出最终的自适应计算网格。

29、较佳的，所述校准迭代模块包括：

30、数据比对单元，用于接收所述等效累积风压空间分布数据，与基准数据按地形类型与塔型分类比对，统计偏差特征并输出偏差统计结果；

31、参数调整单元，连接所述数据比对单元，用于接收所述偏差统计结果，分层调整地形修正因子与气动局部修正系数并输出参数调整指令；

32、迭代控制单元，连接所述参数调整单元，同时与所述风场模拟模块、气动映射模块信号连接，用于接收所述参数调整指令，控制风场模拟至风压换算的流程重复计算，判断等效累积风压的分级匹配度与数值偏差均满足预设收敛条件时，输出收敛后的等效累积风压空间分布数据。

33、本发明具有如下有益效果：

34、1、本发明中，基于多损伤模式耦合评估准则换算得到等效累积风压，并以此推算不同重现期的空间分布数据，可同时反映风致疲劳损伤与极值倾覆损伤的综合致灾效应，相较于单一极值风压指标更贴合台风作用下杆塔的实际受载情况，有助于提升风压分布图的工程参考价值。

35、2、本发明中，采用地形几何特征与杆塔重要等级双因子驱动的自适应计算网格，可针对风压敏感地形区域与高等级杆塔点位定向提升计算精度，同时控制全域整体计算量级，在保障关键区域模拟精度的前提下兼顾整体计算效率。

36、3、本发明中，设置闭环校准迭代环节，结合历史灾损等级数据与实测风压数据分层调整风场参数与气动参数，通过多轮迭代收敛优化计算结果，可缩小模拟值与实际工况的偏差，提升风压分布数据的准确性与可靠性。

37、4、本发明中，通过标准塔型气动系数库完成环境风场到杆塔结构风压的映射，并采用塔型差异化分级阈值完成等级划分，输出的风压分布图可直接匹配不同塔型的抗风设防需求，减少工程应用中的二次折算环节。