一种输电铁塔风致应变计监测布设方法和系统与流程

1.本发明涉及输电线路防灾减灾技术领域，具体涉及一种输电铁塔风致应变计监测布设方法和系统。


背景技术：

2.大风是对输配电线路威胁较大的一种自然灾害。强风暴(龙卷风、台风、飑线风等)能够导致输电线路闪络、雷击跳闸等，严重时会造成输电线路杆塔的倒塔。为了提高输电铁塔抗风可靠性，准确高效识别铁塔风荷载作用下的真实应力应变状态至关重要。输电铁塔往往结构复杂，塔材种类繁多，实际监测过程中无法对每根杆件布置应变监测传感器。通常，根据经验或者规范给出的设计工况，建模计算某几个特殊风向下(例如0
°
、45
°
和90
°
风向)的铁塔风致响应分布，再根据计算结果选取受力较大的塔材位置，布设监测传感器(如应变传感器)。但是，现实中的风速具有方向性，输电铁塔的风致响应极值与来流风向和铁塔方位有关。因此，经验性地试算假定，无法准确识别铁塔最有可能发生较大风致响应的位置，影响应变传感器布置效果和监测工作的准确性，直接威胁监测铁塔的运行安全。综上所述，本专利基于输电铁塔周边的气象风向数据，提出了一种考虑了风向效应的精细化输电铁塔风致应变监测布设方法。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种输电铁塔风致应变计监测布设方法和系统，本发明根据拟监测铁塔所处地区的风向气象统计资料，结合概率加权思想，适用于铁塔精细化监测的应变传感器布设，该方法包括以下步骤：(1)根据监测地区的气象资料，划分风向区间，计算各风向区间的大风发生概率；(2)通过有限元建模，计算铁塔在每个风向区间的风致响应；(3)将每个风向区间下的较大风致响应与该风向区间的大风发生概率相乘，得到考虑风向效应的风致响应结果；(4)对比分析各个杆件考虑风向效应的风致响应结果，选出较大值对应的杆件作为应变监测位置。上述方法的优势在于不再主观地确定铁塔的风致应变监测位置，而是基于气象统计资料，通过定量的有限元计算与概率加权的方法，为合理高效的应变监测布设提供了理论基础和实践依据。
4.本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：
5.本发明提供了一种输电铁塔风致应变计监测布设方法，包括：
6.按风向角度将全风向分成多个风向区间，根据监测地区的气象资料，计算每个风向区间内风速超过设定阈值的大风发生概率；
7.通过有限元建模，计算模型铁塔各杆件在每个风向区间的风致响应；
8.基于各杆件在每个风向区间的风致响应以及各风向区间内的大风发生概率，确定安装应变计的杆件以及应变计安装的位置。
9.优选的，所述按风向角度将全风向分成多个风向区间，根据监测地区的气象资料，计算每个风向区间内风速超过设定阈值的大风发生概率，包括：
10.按风向角度将全风向等分成多个风向区间；
11.从监测地区的历史气象资料中筛选风速超过设定阈值的大风数据作为大风样本数据；
12.基于大风样本数据计算每个风向区间内的大风发生概率。
13.优选的，所述基于大风样本数据计算每个风向区间内的大风发生概率的计算式为：
[0014][0015]
其中，p
i
为第i个风向区间大风发生概率，n
i
为第i个风向区间大风样本数，m为全风向的大风样本数。
[0016]
优选的，所述通过有限元建模，计算模型铁塔各杆件在每个风向区间的风致响应，包括：
[0017]
基于监测铁塔及铁塔上各杆件建立有限元计算模型；
[0018]
在每个风向区间内对模型铁塔施加风荷载；
[0019]
计算得到模型铁塔中各杆件在每个风向区间的风致响应。
[0020]
优选的，所述基于各杆件在每个风向区间的风致响应以及各风向区间内的大风发生概率，确定安装应变计的杆件以及应变计安装的位置，包括：
[0021]
基于各杆件在每个风向区间的风致响应以及各风向区间内的大风发生概率确定铁塔中各杆件在各风向区间的加权风致响应；
[0022]
对比分析每个加权风致响应，选出较大值所对应杆件以及风向区间作为安装应变计的杆件以及应变计安装的位置。
[0023]
优选的，所述铁塔中各杆件在各风向区间的加权风致响应的计算式为：
[0024]
f
i,j,weighted
＝f
i,j
×
p
i
[0025]
其中，f
i,j,weighted
为铁塔中第j个杆件在第i个风向区间的加权风致响应，f
i,j
为铁塔中第j个杆件在第i个风向区间的风致响应，p
i
为第i个风向区间大风发生概率。
[0026]
优选的，所述对比分析每个加权风致响应，选出较大值所对应杆件以及风向区间作为安装应变计的杆件以及应变计安装的位置，包括：
[0027]
对每个加权风致响应降序排列；
[0028]
选出较大值所对应杆件以及风向区间作为应变计监测位置；
[0029]
在所述应变计监测位置安装风致应变计。
[0030]
优选的，所述设定阈值为17m/s。
[0031]
基于同一发明构思，本发明还提供了一种输电铁塔风致应变计监测布设系统，包括：数据统计模块、模型模拟模块和确定位置模块；
[0032]
所述数据统计模块，用于按风向角度将全风向分成多个风向区间，根据监测地区的气象资料，计算每个风向区间内风速超过设定阈值的大风发生概率；
[0033]
所述模型模拟模块，用于通过有限元建模，计算模型铁塔各杆件在每个风向区间的风致响应；
[0034]
所述确定位置模块，用于基于各杆件在每个风向区间的风致响应以及各风向区间内的大风发生概率，确定安装应变计的杆件以及应变计安装的位置。
[0035]
优选的，所述确定位置模块包括：运算单元和安装确定单元；
[0036]
所述运算单元，用于基于各杆件在每个风向区间的风致响应以及各风向区间内的大风发生概率确定铁塔中各杆件在各风向区间的加权风致响应；
[0037]
所述安装确定单元，用于对比分析每个加权风致响应，选出较大值所对应杆件以及风向区间作为安装应变计的杆件以及应变计安装的位置。
[0038]
与最接近现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0039]
1、本发明提出了一种输电铁塔风致应变计监测布设方法和系统，包括：按风向角度将全风向分成多个风向区间，根据监测地区的气象资料，计算每个风向区间内风速超过设定阈值的大风发生概率；通过有限元建模，计算模型铁塔各杆件在每个风向区间的风致响应；基于各杆件在每个风向区间的风致响应以及各风向区间内的大风发生概率，确定安装应变计的杆件以及应变计安装的位置；本发明在确定监测位置时，不用进行大量的主观设计工况试算，免去了大量无效计算，提高了测点选取的处理效率。
[0040]
2、本发明考虑风向效应并结合铁塔方位，定量确定不同风向下杆件的加权风致响应，据此布置的监测点，具有明确的理论依据，可靠性更高。
[0041]
3、本发明能够有效避免无效监测点的布置和应变传感器的浪费，进而有效控制了成本。
附图说明
[0042]
图1：本发明的输电铁塔风致应变计监测布设方法流程图；
[0043]
图2：本发明的实施步骤要点图；
[0044]
图3：本发明的风玫瑰图；
[0045]
图4：本发明的输电塔模型图及杆件编号；
[0046]
图5：本发明的输电铁塔风致应变计监测布设系统基本结构图；
[0047]
图6：本发明的输电铁塔风致应变计监测布设系统详细结构图。
具体实施方式
[0048]
为了更好地理解本发明，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、完整地描述。
[0049]
实施例1
[0050]
本发明提供了一种输电铁塔风致应变计监测布设方法，如图1所示，包括：按风向角度将全风向分成多个风向区间，根据监测地区的气象资料，计算每个风向区间内风速超过设定阈值的大风发生概率；
[0051]
通过有限元建模，计算模型铁塔各杆件在每个风向区间的风致响应；
[0052]
基于各杆件在每个风向区间的风致响应以及各风向区间内的大风发生概率，确定安装应变计的杆件以及应变计安装的位置。
[0053]
所述按风向角度将全风向分成多个风向区间，根据监测地区的气象资料，计算每个风向区间内风速超过设定阈值的大风发生概率，包括：
[0054]
按风向角度将全风向等分成多个风向区间；
[0055]
从监测地区的历史气象资料中筛选风速超过设定阈值的大风数据作为大风样本
数据；
[0056]
基于大风样本数据计算每个风向区间内的大风发生概率。
[0057]
所述基于大风样本数据计算每个风向区间内的大风发生概率的计算式为：
[0058][0059]
其中，p
i
为第i个风向区间大风发生概率，n
i
为第i个风向区间大风样本数，m为全风向的大风样本数。
[0060]
所述通过有限元建模，计算模型铁塔各杆件在每个风向区间的风致响应，包括：
[0061]
基于监测铁塔及铁塔上各杆件建立有限元计算模型；
[0062]
在每个风向区间内对模型铁塔施加风荷载；
[0063]
计算得到模型铁塔中各杆件在每个风向区间的风致响应。
[0064]
所述基于各杆件在每个风向区间的风致响应以及各风向区间内的大风发生概率，确定安装应变计的杆件以及应变计安装的位置，包括：
[0065]
基于各杆件在每个风向区间的风致响应以及各风向区间内的大风发生概率确定铁塔中各杆件在各风向区间的加权风致响应；
[0066]
对比分析每个加权风致响应，选出较大值所对应杆件以及风向区间作为安装应变计的杆件以及应变计安装的位置。
[0067]
所述铁塔中各杆件在各风向区间的加权风致响应的计算式为：
[0068]
f
i,j,weighted
＝f
i,j
×
p
i
[0069]
其中，f
i,j,weighted
为铁塔中第j个杆件在第i个风向区间的加权风致响应，f
i,j
为铁塔中第j个杆件在第i个风向区间的风致响应，p
i
为第i个风向区间大风发生概率。
[0070]
所述对比分析每个加权风致响应，选出较大值所对应杆件以及风向区间作为安装应变计的杆件以及应变计安装的位置，包括：
[0071]
对每个加权风致响应降序排列；
[0072]
选出较大值所对应杆件以及风向区间作为应变计监测位置；
[0073]
在所述应变计监测位置安装风致应变计。
[0074]
所述设定阈值为17m/s。
[0075]
具体的，如图2所示的一种输电铁塔风致应变计监测布设方法，有助于提高输电铁塔风致应变监测布设的合理性和准确性。
[0076]
确定监测铁塔所在地的各风向区间大风发生概率：
[0077]
选取拟监测输电铁塔所在地区距离最近、地貌条件最相似的气象站作为气象数据来源。基于气象数据，将整个全风向等分成i个区间。根据通常气象规范要求，瞬时风速大于17m/s(或8级风)以上的风可被认定为大风。据此，从气象数据中统计得到每个风向区间内的大风样本数，记为n
i
，其中i代表所属风向区间。由此可以得到每个风速区间内的大风发生概率(p
i
)，如下式所示，
[0078][0079]
其中m为全风向区间的极大风速样本总数。
[0080]
计算各个风向区间内的铁塔风致响应：
[0081]
通过建立拟监测铁塔的有限元计算模型，并对模型施加对应的角度风荷载，计算得到各个风向区间内的铁塔风致响应结果，记为f
i,j
，其中i和j分别代区间和铁塔杆件号。
[0082]
各个风向区间内的角度风荷载参考现行《架空输电线路荷载规范》(dl/t5551-2018)给出的角度风荷载分配表(表4.2.10)取值，表中未列出的风向情况，采用线性插值的方法确定。
[0083]
计算考虑风向效应的铁塔风致响应：
[0084]
基于上面两步的计算结果，分别获得了每个风向区间内的大风发生概率p
i
和铁塔结构各个杆件在相应风向区间内的风致响应f
i,j
。根据条件概率和加权的思想，可以得到在某一风向的条件下最可能发生的铁塔加权风致响应结果(f
i,j,weighted
)，如下式所示。
[0085]
f
i,j,weighted
＝f
i,j
×
p
i
[0086]
由此可以计算得到在所有风向区间内铁塔所有杆件的加权风致响应结果(f
i,j,weighted
)，再降序排列，即可得到考虑风向效应前提下的铁塔最不利响应结果。
[0087]
确定布设铁塔风致应变计监测点：
[0088]
根据考虑风向效应前提下的铁塔最不利响应结果，考虑监测目的和经济性要求，选取一定数量杆件位置作为监测点，并严格按照操作步骤进行安装。
[0089]
实施例2
[0090]
现应用具体实例介绍一种输电铁塔风致应变计监测布设方法。
[0091]
确定监测铁塔所在地的各风向区间大风发生概率：
[0092]
选取拟监测输电铁塔所在地区距离最近、地貌条件最相似的气象站作为气象数据来源。基于该数据集1951年1月以来统计的极大风速及其风向的日值数据，将整个全风向等分成16个区间，每个区间角度范围是22.5
°
。通常气象观测中，认为瞬时风速大于17m/s以上的风称为大风。据此，以某地近十年的极值风速及其方向数据为基础，可以得到该地风速玫瑰图，如图3所示。统计得到每个风向区间内的大风样本数，记为n
i
，其中i代表所属风向区间(如n，nne，w等，以n方向为起点，按顺时针顺序排列，共16个)。由此可以得到每个风速区间内的大风发生概率(p
i
)，如下式所示，
[0093][0094]
其中m为全风向区间的极大风速样本总数。此时，m取为3650，进而通过统计每个风向区间内大风样本个数n
i
得到相应区间的大风发生概率，如表1所示。
[0095]
计算各个风向区间内的铁塔风致响应：
[0096]
以福建某输电塔为监测对象，如图4所示，建立了铁塔的有限元仿真分析模型，在nw风向(i＝15)工况下，计算了铁塔杆件风致响应(应力比)，f
15,j
。为方便展示，按照降序排序，给出了前18个应力较大的杆件信息及其受力结果，如表2所示。
[0097]
计算考虑风向效应的铁塔风致响应：
[0098]
将nw风向下得到的铁塔杆件风致响应与该风向下的大风发生概率p
15
相乘，即可得到该风向下，考虑了风向效应的铁塔风致响应，如表2所示。类似地，重复上述步骤，可以得到16个风向区间下的铁塔所有杆件考虑风向效应的风致响应结果。
[0099]
确定布设铁塔风致应变计监测点：
[0100]
基于上述计算结果，可以得到全风向(16个风向)的铁塔所有杆件考虑风向效应的
最不利风致响应。考虑监测目的和经济性要求，选取一定数量可能发生较大风致响应的杆件位置作为监测点，并严格按照操作步骤进行安装。
[0101]
本发明所提出的一种输电铁塔风致应变计监测布设方法具有如下优点：(1)在确定监测位置时，不用进行大量的主观设计工况试算，免去了很多无效计算，提高了测点选取的处理效率；(2)考虑风向效应并结合铁塔方位，定量确定不同风向下杆件的风致响应结果，据此布置的监测点，具有明确的理论依据，可靠性更高；(3)能够有效避免无效监测点的布置和应变传感器的浪费，一定程度上控制成本，力求好钢用在刀刃上。
[0102][0103]
表1各风向区间的大风发生概率
[0104][0105]
表2 nw风向下的输电塔杆件应力比及考虑风向效应的风致响应
[0106]
实施例3
[0107]
基于同一发明构思，本发明还提供了一种输电铁塔风致应变计监测布设系统，由
于这些设备解决技术问题的原理与输电铁塔风致应变计监测布设方法相似，重复之处不再赘述。
[0108]
该系统基本结构如图5所示，包括：数据统计模块、模型模拟模块和确定位置模块；
[0109]
所述数据统计模块，用于按风向角度将全风向分成多个风向区间，根据监测地区的气象资料，计算每个风向区间内风速超过设定阈值的大风发生概率；
[0110]
所述模型模拟模块，用于通过有限元建模，计算模型铁塔各杆件在每个风向区间的风致响应；
[0111]
所述确定位置模块，用于基于各杆件在每个风向区间的风致响应以及各风向区间内的大风发生概率，确定安装应变计的杆件以及应变计安装的位置。
[0112]
输电铁塔风致应变计监测布设系统详细结构如图6所示。
[0113]
所述数据统计模块包括：划分单元，筛选单元和概率计算单元；
[0114]
所述划分单元，用于按风向角度将全风向等分成多个风向区间；
[0115]
所述筛选单元，用于从监测地区的历史气象资料中筛选风速超过设定阈值的大风数据作为大风样本数据；
[0116]
所述概率计算单元，用于基于大风样本数据计算每个风向区间内的大风发生概率。
[0117]
所述模型模拟模块包括：建立模型单元，施加风荷载单元和计算风致响应单元；
[0118]
所述建立模型单元，用于基于监测铁塔及铁塔上各杆件建立有限元计算模型；
[0119]
所述施加风荷载单元，用于在每个风向区间内对模型铁塔施加风荷载；
[0120]
所述计算风致响应单元，用于计算得到模型铁塔中各杆件在每个风向区间的风致响应。
[0121]
所述确定位置模块包括：运算单元和安装确定单元；
[0122]
所述运算单元，用于基于各杆件在每个风向区间的风致响应以及各风向区间内的大风发生概率确定铁塔中各杆件在各风向区间的加权风致响应；
[0123]
所述安装确定单元，用于对比分析每个加权风致响应，选出较大值所对应杆件以及风向区间作为安装应变计的杆件以及应变计安装的位置。
[0124]
所述安装确定单包括：排列子单元，选择子单元和安装子单元；
[0125]
所述排列子单元，用于对每个加权风致响应降序排列；
[0126]
所述选择子单元，用于选出较大值所对应杆件以及风向区间作为应变计监测位置；
[0127]
所述安装子单元，用于在所述应变计监测位置安装风致应变计。
[0128]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0129]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序
指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0130]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0131]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0132]
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。