一种感应取能磁芯的电磁-力学协同设计方法、系统及装置与流程

本技术涉及输电线路在线取能及结构设计，具体涉及一种感应取能磁芯的电磁-力学协同设计方法、系统及装置。

背景技术：

1、在输电线路在线监测领域，感应取能装置利用线路电流产生的交变磁场为监测终端供电。现有的感应取能磁芯设计通常采用串行流程，即先根据目标功率完成磁芯结构和绕组参数的电磁设计，再在设备安装阶段对附加载荷引起的线路弧垂进行校核。这种“先设计、后校核”的模式存在显著缺陷：一方面，当目标功率较大时，往往通过增大单体磁芯尺寸来实现，导致装置以集中载荷形式挂载于线路某一点，极易造成档距中心附加弧垂超标，影响线路对地安全距离和运行可靠性；另一方面，现有设计中二次侧匝数常作为独立自由变量参与优化，容易出现满足数值目标但不满足励磁电抗或并联补偿等物理约束的方案，导致工程可制造性差。

2、因此，亟需一种能够在设计阶段同步考虑线路力学安全与电磁性能匹配的设计方案。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的感应取能装置电磁设计与线路力学校核分离导致附加弧垂超标及设计方案工程可行性差的问题，本技术通过一种感应取能磁芯的电磁-力学协同设计方法、系统及装置，实现在磁芯设计过程中同步引入输电线路附加弧垂约束，并将二次侧匝数映射为受物理约束控制的响应变量，从而获得兼顾取能功率与线路力学安全的优化设计方案。

2、为实现上述目的，本技术采用如下技术方案：

3、本技术提供一种感应取能磁芯的电磁-力学协同设计方法，包括：获取输电线路参数，所述输电线路参数包括线路力学参数、允许附加弧垂增量、线路电流范围和目标总输出功率；基于励磁补偿条件，将二次侧匝数映射为由磁芯几何参数和磁芯材料参数确定的响应变量；基于感应取能磁芯电磁模型和输电线路附加弧垂模型，以单模块磁芯结构参数、模块数量和各模块沿所述输电线路的挂载坐标作为联合设计变量进行联合求解，得到候选设计方案；其中，所述联合求解的约束条件包括所述允许附加弧垂增量；从所述候选设计方案中选取满足所述目标总输出功率和所述允许附加弧垂增量的目标设计方案，并输出所述目标设计方案对应的磁芯制造参数和分布式挂载参数。

4、作为一种实施方式，所述联合设计变量包括磁芯内半径、磁芯外半径、磁芯高度、所述模块数量以及各模块沿所述输电线路档距方向的所述挂载坐标；所述约束条件还包括：档距中心附加弧垂或最大附加弧垂不超过所述允许附加弧垂增量。

5、作为一种实施方式，所述输电线路附加弧垂模型采用集中载荷影响线叠加方式计算多个感应取能磁芯模块对跨内任意位置竖向位移的贡献，并以跨内最大附加位移作为所述最大附加弧垂；

6、当第个感应取能磁芯模块作为集中载荷挂载于所述输电线路坐标处时，在跨内任意位置产生的附加竖向位移满足：

7、当时，；

8、当时，；

9、多个模块作为分布式附加载荷时的总附加竖向位移满足：

10、；

11、其中，为第个模块的附加载荷，为所述输电线路的水平张力，为所述输电线路的档距，为所述模块数量。

12、作为一种实施方式，所述基于励磁补偿条件，将二次侧匝数映射为由磁芯几何参数和磁芯材料参数确定的响应变量，包括：基于目标励磁电抗要求，或基于并联补偿电容与励磁支路的阻抗匹配关系，使所述二次侧匝数由所述磁芯几何参数和所述磁芯材料参数确定。

13、作为一种实施方式，当基于所述目标励磁电抗要求时，所述二次侧匝数满足：

14、；

15、其中，为目标励磁电抗，为平均磁路长度，为线路电流角频率，为真空磁导率，为有效磁导率，为有效截面积，表示整数化处理；当基于所述并联补偿电容与励磁支路的阻抗匹配关系时，所述二次侧匝数满足：

16、；

17、其中，为所述并联补偿电容。

18、作为一种实施方式，所述联合求解的目标包括总输出功率最大、总功率质量比最大和最大附加弧垂最小；或者，所述联合求解的目标包括：在总输出功率不低于所述目标总输出功率且最大附加弧垂不超过所述允许附加弧垂增量的条件下，实现总质量最小化。

19、作为一种实施方式，所述挂载坐标受到模块最小间距、线路金具避让区、档距端部安全区和安装作业空间约束。

20、作为一种实施方式，所述候选设计方案通过枚举搜索、约束规划、启发式优化或多目标进化算法获得；所述从所述候选设计方案中选取满足所述目标总输出功率和所述允许附加弧垂增量的目标设计方案，包括：在相同总质量或相同总功率条件下，对集中式单模块挂载方案与分布式多模块挂载方案进行弧垂对比，并基于对比结果选取所述目标设计方案。

21、此外，本技术还提供了一种感应取能磁芯的电磁-力学协同设计系统，包括：参数获取模块，用于获取输电线路参数，所述输电线路参数包括线路力学参数、允许附加弧垂增量、线路电流范围和目标总输出功率；匝数映射模块，用于基于励磁补偿条件，将二次侧匝数映射为由磁芯几何参数和磁芯材料参数确定的响应变量；联合求解模块，用于基于感应取能磁芯电磁模型和输电线路附加弧垂模型，以单模块磁芯结构参数、模块数量和各模块沿所述输电线路的挂载坐标作为联合设计变量进行联合求解，得到候选设计方案；其中，所述联合求解的约束条件包括所述允许附加弧垂增量；方案输出模块，用于从所述候选设计方案中选取满足所述目标总输出功率和所述允许附加弧垂增量的目标设计方案，并输出所述目标设计方案对应的磁芯制造参数和分布式挂载参数。

22、此外，本技术还提供了一种模块化感应取能装置，包括多个沿输电线路档距方向分布安装的感应取能磁芯模块、汇流供电单元和安装固定单元；每个所述感应取能磁芯模块包括可围设于输电导线外侧的磁芯、绕设于所述磁芯上的二次侧绕组以及与所述二次侧绕组连接的整流或补偿电路；多个所述感应取能磁芯模块的挂载坐标根据输电线路附加弧垂约束确定，使多个所述感应取能磁芯模块形成分布式附加载荷；多个所述感应取能磁芯模块共同向负载或储能单元供电，且每个所述感应取能磁芯模块的内半径、外半径、高度和所述二次侧绕组的匝数满足由目标励磁电抗或并联补偿条件确定的物理约束关系；多个所述感应取能磁芯模块在满足目标总输出功率的同时，使所述输电线路的档距中心附加弧垂或最大附加弧垂不超过预设允许值。

23、有益效果：

24、本技术提供的技术方案，通过将输电线路附加弧垂增量直接纳入感应取能磁芯的设计过程作为联合求解的约束条件，打破了传统“先电磁设计、后力学校核”的串行模式。这种电磁-力学协同设计机制使得单模块磁芯结构参数、模块数量及挂载坐标能够在满足取能功率需求的同时，主动适应线路力学安全要求，避免了因集中载荷过大导致的弧垂超标问题，提高了装置的运行安全性。

25、本技术将二次侧匝数从独立的自由优化变量转变为由励磁补偿条件和磁芯几何参数确定的响应变量，确保了设计出的磁芯参数天然满足励磁电抗或并联补偿的物理匹配要求，消除了理论最优解与工程可实现解之间的偏差，显著提升了磁芯制造的可行性和电气性能的稳定性。

26、本技术通过联合优化模块数量和挂载坐标，利用分布式载荷替代传统的单点集中载荷，在相同总取能功率下有效降低了档距中心附加弧垂和最大附加弧垂。同时，输出的分布式挂载参数可直接指导现场安装，兼顾了线路安全距离裕度裕度与安装作业的便利性。