山地各位置风速剖面定量描述方法、风速确定方法及系统

摘要

本发明提供的山地各位置风速剖面定量描述方法、风速确定方法及系统，包括：基于山地刚体边界模型进行流场仿真分析，确定风速剖面数据提取点位主导风向及风速序列；根据主动风向与山地选取点位的相对位置关系确定风速剖面类型及对应的风速剖面目标函数；根据各风速剖面类型将对应的风速序列和风速剖面目标函数进行拟合，得到风速剖面目标函数中的参数，进而确定各风速剖面类型计算式，然后利用风速剖面类型对应的风速剖面类型计算式计算输电铁塔塔身任意处的风载荷；目的就在于建立能够准确反映复杂山地地表地形变化对风速沿高度分布的影响，能够准确计算塔身风荷载，进而提高复杂山地条件下铁塔安全性和经济性。

说明书

技术领域

本发明涉及输电线路防灾减灾领域，具体涉及一种山地各位置风速剖面定量描述方法、风速确定方法及系统。

背景技术

输电铁塔风荷载沿塔身高度方向分布不均匀，且主要是受风速剖面的影响。在复杂山地条件下，处于山峰不同位置处的风速剖面，其在山体表面以上100m高度范围内，由于受到了较强的地表地形影响，不同高度处的风速呈现出区别于传统幂指数剖面的情况，甚至出现在低空30～70m高度处的风速急剧增加后又缓慢减小的情况。这些复杂情况的发生，使得复杂山地条件下的塔身风荷载与常规设计计算时采用的剖面发生了很大的变化，也给铁塔安全带来了很多隐患。因此，有必要对复杂山地条件下山体不同位置处的风速剖面进行描述，以提高复杂山地条件下铁塔风荷载取值的精确性和铁塔自身的安全性，以及铁塔建设成本的经济性。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的问题，本发明提供一种山地各位置风速剖面定量描述方法，包括：

基于预先构建的山地刚体边界模型进行流场仿真分析，确定风速剖面数据提取点位主导风向及风速序列；

根据主动风向与山地选取点位的相对位置关系确定风速剖面类型；

根据风速剖面类型的形状确定所述风速剖面类型对应的风速剖面目标函数；

根据各风速剖面类型将对应的风速序列和风速剖面目标函数进行拟合，得到所述风速剖面目标函数中的参数，进而确定各风速剖面类型计算式，对山地各位置风速剖面进行定量描述。

优选的，所述山地刚体边界模型的构建包括，包括：

提取山地的地表高程数据，在风场仿真分析软件中，生成刚体地表边界模型；

利用风场仿真分析软件，对山地刚体边界上层的风场进行网格划分；

针对多种风况，对流场仿真分析的参数进行设置。

优选的，所述基于预先构建的山地刚体边界模型进行流场仿真分析，确定风速剖面数据提取点位主导风向及风速序列，包括：

基于山地任意位置处定义风速提取点，利用所述预先构建的山地刚体边界模型，在定义的各种工况下，提取不同时间跨度内x方向和y方向的向上风速序列；

对所述风速提取点的不同时间跨度内x方向和y方向的向上风速序列进行矢量合成，得到所述风速提取点的主导风向，及所述主导风向上的向上风速序列。

优选的，在所述根据风速剖面类型的形状确定所述风速剖面类型对应的风速剖面目标函数，之前还包括：

分别针对各风速剖面类型对所述风速剖面数据进行归类，形成所述风速剖面类型对应的风速序列。

优选的，所述风速剖面目标函数，包括：

基于迎风侧山坡的风速剖面形状确定的第一风速剖面目标函数、基于山顶确定的第二风速剖面目标函数和基于背风侧山坡确定的第三风速剖面目标函数；

其中风速剖面类型包括：迎风侧山坡、山顶和背风侧山坡。

优选的，所述第一风速剖面目标函数的计算式如下：

式中，H

优选的，所述第二风速剖面目标函数的计算式如下：

式中，z

优选的，所述第三风速剖面目标函数的计算式如下：

式中，z

基于同一种发明构思，本发明还提供一种山地各位置风速剖面定量描述系统，包括：

获取模块，用于基于预先构建的山地刚体边界模型进行流场仿真分析，确定风速剖面数据提取点位主导风向及风速序列；

分速剖面分类模块，用于根据主动风向与山地选取点位的相对位置关系确定风速剖面类型；

函数对应模块，用于根据风速剖面类型的形状确定所述风速剖面类型对应的风速剖面目标函数；

拟合模块，用于根据各风速剖面类型将对应的风速序列和风速剖面目标函数进行拟合，得到所述风速剖面目标函数中的参数，进而确定各风速剖面类型计算式。

基于同一种发明构思，本发明还提供一种风速确定方法，包括：

获取输电铁塔所在的位置及塔身的高度以及梯度风高度和所述梯度风高度处的风速；

基于所述输电铁塔所在的位置确定风速剖面类型；

基于塔身的高度以及梯度风高度和所述梯度风高度处的风速，利用所述风速剖面类型对应的风速剖面类型计算式计算所述输电铁塔塔身处的风载荷；

其中，风速剖面类型计算式为利用权利要求1至8任一项所述的山地各位置风速剖面定量描述方法确定的。

基于同一种发明构思，本发明还提供一种风速确定系统，包括：

风速获取模块，用于获取输电铁塔所在的位置及塔身的高度以及梯度风高度和所述梯度风高度处的风速；

类型确定模块，用于基于所述输电铁塔所在的位置确定风速剖面类型；

风载荷计算模块，用于基于塔身的高度以及梯度风高度和所述梯度风高度处的风速，利用所述风速剖面类型对应的风速剖面类型计算式计算所述输电铁塔塔身处的风载荷；

其中，风速剖面类型计算式为利用权利要求1至8任一项所述的山地各位置风速剖面定量描述方法确定的。

本发明的有益效果为：

1、本专利提出了一种山地各位置风速剖面定量描述方法及系统，包括：基于预先构建的山地刚体边界模型进行流场仿真分析，确定风速剖面数据提取点位主导风向及风速序列；根据主动风向与山地选取点位的相对位置关系确定风速剖面类型；根据风速剖面类型的形状确定所述风速剖面类型对应的风速剖面目标函数；根据各风速剖面类型将对应的风速序列和风速剖面目标函数进行拟合，得到所述风速剖面目标函数中的参数，进而确定各风速剖面类型计算式。目的就在于建立能够准确反映复杂山地地表地形变化对风速沿高度分布的影响；

2、本发明提供了一种风速确定方法及系统，包括：获取输电铁塔所在的位置及塔身的高度以及梯度风高度和所述梯度风高度处的风速；基于所述输电铁塔所在的位置确定风速剖面类型；基于塔身的高度以及梯度风高度和所述梯度风高度处的风速，利用所述风速剖面类型对应的风速剖面类型计算式计算所述输电铁塔塔身处的风载荷；其中，风速剖面类型计算式为利用权利要求1至8任一项所述的山地各位置风速剖面定量描述方法确定的，利用本发明能够准确计算塔身风荷载，进而提高复杂山地条件下铁塔安全性和经济性；

3、本发明提供的技术手段，能够实现对复杂山地不同位置处风速剖面的精细化分类和定量化描述，为准确计算复杂山地内输电线路铁塔塔身风荷载提供了技术手段，这使得在适当提高建设成本的前提下，大幅提高山区输电线路安全性成为可能。

附图说明

图1本发明山地各位置风速剖面定量描述方法流程图；

图2复杂山地刚体边界模型；

图3复杂山地刚体边界上层风场网格划分；

图4设置风速剖面提取点位；

图5a迎风侧幂指数型风速剖面数据；

图5b山顶葫芦状风速剖面数据；

图5c背风侧漏斗壁型风速剖面数据；

图6a葫芦状风剖面曲线拟合结果；

图6b漏斗壁型风剖面曲线拟合结果；

图7本发明山地各位置风速剖面定量描述系统框图；

图8本发明风速确定方法流程图；

图9本发明风速确定系统框图。

具体实施方式

本发明提供的技术方案可用于分析复杂山地不同位置处风速剖面变化曲线，精确定量计算山体不同位置处的塔身风荷载。

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

实施例1：

本发明提供一种复杂山地不同位置处风速剖面的定量描述方法，如图1所示，包括：

S1：基于预先构建的山地刚体边界模型进行流场仿真分析，确定风速剖面数据提取点位主导风向及风速序列；

S2根据主动风向与山地选取点位的相对位置关系确定风速剖面类型；

S3根据风速剖面类型的形状确定所述风速剖面类型对应的风速剖面目标函数；

S4根据各风速剖面类型将对应的风速序列和风速剖面目标函数进行拟合，得到所述风速剖面目标函数中的参数，进而确定各风速剖面类型计算式，对山地各位置风速剖面进行定量描述

具体实现步骤及分析方法如下：

S1基于预先构建的山地刚体边界模型进行流场仿真分析，确定风速剖面数据提取点位主导风向及风速序列，包括；

(1)建立复杂山地刚体边界模型，对山地刚体边界模型之上，对流场网格进行划分，设置流场仿真分析的计算参数，并进行流场仿真分析。

(2)在使用者关心的复杂山地位置处，设置风速剖面数据提取点位，并提取所关心的高度范围内的不同时间跨度范围内，水平方向风速数据序列U

S2根据主动风向与山地选取点位的相对位置关系确定风速剖面类型，包括

根据主动风向与复杂山地选取点位的相对位置关系，确定其从属于迎风侧山坡、背风侧山坡以及山顶，这三类位置关系中哪一类，并将所有同属一类的风速剖面数据U

S3根据风速剖面类型的形状确定所述风速剖面类型对应的风速剖面目标函数，包括；

(1)对于迎风侧山坡，风速剖面形状十分接近幂指数函数曲线的形状，故采用公式(1)所示的目标函数，对该位置在不同时刻获取的风速剖面进行拟合。

式中，H

(2)对于山顶，风速剖面形状十分接近葫芦状函数曲线的形状，故采用公式(2)所示的目标函数，对该位置在不同时刻获取的风速剖面进行拟合。

式中，V

(3)对于背风侧山坡，风速剖面形状十分接近漏斗壁函数曲线的形状，故采用公式(3)所示的目标函数，对该位置在不同时刻获取的风速剖面进行拟合。

式中，z

4.根据各风速剖面类型将对应的风速序列和风速剖面目标函数进行拟合，得到所述风速剖面目标函数中的参数，进而确定各风速剖面类型计算式，对山地各位置风速剖面进行定量描述，包括：

采用非线性最小二乘拟合方法，对同属一类的多个风速序列U

实施例2：

基于某山区复杂山地地形风速剖面定量化描述，进行专利实例应用介绍。

表1

(1)提取复杂山地的地表高程数据，在风场仿真分析软件中，生成刚体地表边界模型如图2所示。

(2)在风场仿真分析软件中，对复杂山地刚体边界上层的风场进行网格划分如图3所示。

(3)按照如表1所示的求解选项，对流场仿真分析的参数进行设置。

(4)风场仿真分析完成后，如图4所示，根据使用者需要，在复杂山地任意位置处定义风速提取点，提取任意10min时段内U

(5)根据使用者所选监控点位与风向的相对位置关系，对如图5a所示的迎风侧幂指数型风速剖面数据进行归类；对如图5b所示的山顶葫芦状风速剖面数据进行归类；对如图5c所示的背风侧漏斗壁型风速剖面数据进行归类。

(6)分别针对迎风侧山坡、山顶和背风侧山坡的目标函数型式，编制非线性最小二乘拟合程序，实现对步骤(5)中完成归类的风速剖面数据进行多个不同时刻样本的统一拟合，并确定目标函数中待定系数。

(7)经拟合，图6a给出了葫芦状风剖面曲线拟合结果、图6b给出了漏斗壁型风剖面曲线拟合结果，这两组非幂指数风剖面函数式的拟合曲线结果，拟合效果良好。并最终确定了迎风侧山坡、山顶和背风侧山坡的目标函数型式中的待定系数，形成了如式(4)所示的复杂山地风速剖面量化表达函数式。

实施例3：

基于实现上述方法，本发明还提供了一种山地各位置风速剖面定量描述系统，如图7所示，包括：

获取模块，用于基于预先构建的山地刚体边界模型进行流场仿真分析，确定风速剖面数据提取点位主导风向及风速序列；

分速剖面分类模块，用于根据主动风向与山地选取点位的相对位置关系确定风速剖面类型；

函数对应模块，用于根据风速剖面类型的形状确定所述风速剖面类型对应的风速剖面目标函数；

拟合模块，用于根据各风速剖面类型将对应的风速序列和风速剖面目标函数进行拟合，得到所述风速剖面目标函数中的参数，进而确定各风速剖面类型计算式，对山地各位置风速剖面进行定量描述。

上述各模块实现的功能同实施例1和2这里不再累述。

实施例4

本发明还提供一种风速确定方法，利用本发明提供的各种风速剖面类型计算式可以准确计算任意复杂山地输电铁塔塔身任意处的风载荷，进而提高复杂山地条件下铁塔安全性和经济性。

如图8所示，本实施例提供的风速确定方法包括：获取输电铁塔所在的位置及塔身的高度以及梯度风高度和所述梯度风高度处的风速；基于所述输电铁塔所在的位置确定风速剖面类型；基于塔身的高度以及梯度风高度和所述梯度风高度处的风速，利用所述风速剖面类型对应的风速剖面类型计算式计算所述输电铁塔塔身处的风载荷；其中，风速剖面类型计算式为利用权利要求1至8任一项所述的山地各位置风速剖面定量描述方法确定的，利用本发明能够准确计算塔身风荷载，进而提高复杂山地条件下铁塔安全性和经济性。

风速剖面类型计算式的具体设计方法如上述实施例所示，这里不再赘述。

实施例5

为了实现实施例4的方法，本发明还提供一种风速确定系统，如图9所示，包括：

风速获取模块，用于获取输电铁塔所在的位置及塔身的高度以及梯度风高度和所述梯度风高度处的风速；

类型确定模块，用于基于所述输电铁塔所在的位置确定风速剖面类型；

风载荷计算模块，用于基于塔身的高度以及梯度风高度和所述梯度风高度处的风速，利用所述风速剖面类型对应的风速剖面类型计算式计算所述输电铁塔塔身处的风载荷；

其中，风速剖面类型计算式为利用权利要求1至8任一项所述的山地各位置风速剖面定量描述方法确定的。

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。

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。

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。

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。