一種基于三維導地線模型模擬現(xiàn)實情景的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于三維導地線模型模擬現(xiàn)實情景的方法，包括以下步驟：1)利用懸鏈線方程在三維空間建立線纜的模型；2)使用物理方法建立貼近現(xiàn)實的導地線模型；3)求解現(xiàn)實情景下導地線模型的靜態(tài)解；本發(fā)明方法具有展示三維效果、更加貼近現(xiàn)實、能夠?qū)δＰ瓦M行受力計算和空間位置分析、模擬線纜在覆冰等各類氣象條件下的真實空間位置情況、模擬多跳線和脫冰跳躍等情景以及有助于風偏時安全距離的計算等優(yōu)點，可廣泛用于輸電線路的模擬。
【專利說明】一種基于三維導地線模型模擬現(xiàn)實情景的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種輸電線路模擬方法，特別是關(guān)于一種基于三維導地線模型模擬現(xiàn) 實情景的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 導地線模型指架空輸電線路中所使用的導線、地線、0PGW(光纖復(fù)合架空地線）等 不同線纜，以及用于連接線纜與桿塔的絕緣子串、金具等相關(guān)裝置的三維模型。建立導地線 模型時，需要考慮環(huán)境因素對導地線模型空間姿態(tài)的影響，以及由空間姿態(tài)變化所引起的 絕緣子串及金具空間相對位置變化的情況，對于導地線模型還需要考慮多分裂情況下每根 導地線的空間位置關(guān)系。
[0003] 現(xiàn)階段導地線模型的建立普遍使用三維建模軟件，由具備相關(guān)軟件使用技術(shù)的專 門人員根據(jù)工程設(shè)計圖紙進行結(jié)構(gòu)化建模。建模時首先確定線纜在空間中掛點的位置，然 后根據(jù)相鄰兩掛點之間使用的直線或弧線進行結(jié)構(gòu)化建模。因結(jié)構(gòu)化建模時所采用的三維 導地線模型缺少設(shè)備參數(shù)和設(shè)計參數(shù)，因而無法對導地線模型進行受力計算及空間位置分 析，因此，僅僅能夠用于三維效果展示，而實用價值則大打折扣。在工程設(shè)計成果的基礎(chǔ)上 進行建模，一方面因增加輸電工程設(shè)計的工作量，而大大延長工程設(shè)計周期；另一方面，建 模人員缺乏相關(guān)專業(yè)知識的儲備，同時還受限于建模軟件的功能而只能使用直線模型示意 性的表現(xiàn)導地線模型，遇到分裂導線、硬跳線和多跳線等復(fù)雜模型則無從下手，所建模型質(zhì) 量無法保證。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種不僅能夠展示三維效果，還能對導地線 模型進行受力計算和空間位置分析，且使建立的導地線模型更加貼近現(xiàn)實的基于三維導地 線模型模擬現(xiàn)實情景的方法。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種基于三維導地線模型模擬現(xiàn)實 情景的方法，包括以下步驟：1)利用懸鏈線方程在三維空間建立線纜的模型：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于三維導地線模型模擬現(xiàn)實情景的方法，包括以下步驟： 1) 利用懸鏈線方程在三維空間建立線纜的模型：
式中，Pt是線纜上任一點的空間坐標；Ph是懸鏈線坐標系原點的空間坐標；X(l、y(l是線 纜最低點的坐標值，單位是m ;x、y是線纜任意一點坐標值，單位是m ; γ是線纜所受比載的 大小，單位是N/m · mm2 ; σ ^是線纜最低點應(yīng)力大小，單位是N/mm2 ;vtX、vtZ分別是X、Z軸 的向量； 2) 使用物理方法建立貼近現(xiàn)實的導地線模型 導地線模型指的是線纜和絕緣子串一體化的模型；假設(shè)絕緣子串為剛性直棒結(jié)構(gòu)，且 在鐵塔上的掛點固定不動，絕緣子串在線纜拉力、自重力、冰重力和風力等的作用下在靜態(tài) 時達到杠桿平衡；假設(shè)自重力、冰重力和風力作用在絕緣子串中心、線纜拉力作用在絕緣子 串下端，那么絕緣子串達到杠桿平衡時，合作用力向量與絕緣子串方向平行； 絕緣子串合作用力模型為： 絕緣子串合作用力=線纜拉力+(自重力+冰重力+風力）/2 (2) 絕緣子串方向的模型為： 絕緣子串方向=絕緣子串下端點位置-絕緣子串上端點位置 （3) 絕緣子串上端點的位置為絕緣子串在鐵塔上的掛點，絕緣子串下端點的位置根據(jù)所述 步驟1)的公式1)獲得； 3) 求解現(xiàn)實情景下導地線模型的靜態(tài)解 根據(jù)所述步驟2)可知第j次計算第i個絕緣子串達到杠桿平衡時合作用力向量vtF，_ 為：
式中，vtCi為第i段線纜所受自重力、冰重力和風力的合力向量，單位是N ; 、ν'/β/_ | 分別為第j次計算第i段線纜兩端掛點的拉力向量，單位是Ν ; 根據(jù)所述步驟2)可知第j次計算第i個絕緣子串方向向量W//為：
ρ/β,'為第j次計算第i個絕緣子串下端點的坐標；ptUi為第j次計算第i個絕緣子串 上端點的坐標； 根據(jù)式所述式（4)和式（5)計算所有絕緣子串對應(yīng)的合作用力向量和絕緣子串方向向 量，進而計算各絕緣子串合作用力向量vtF與絕緣子串方向向量vtl的夾角，獲取夾角最大 的絕緣子串；將最大夾角與預(yù)設(shè)值相比較，若最大夾角小于預(yù)設(shè)值，則認為導地線模型達到 平衡狀態(tài)，否則調(diào)整第i個絕緣子串下端點的位置，進行第j+Ι次計算，直到導地線模型達 到平衡狀態(tài)。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于三維導地線模型模擬現(xiàn)實情景的方法，其特征在于： 所述步驟1)包括以下步驟： ① 獲取線纜兩端的掛點ptl和pt2,并計算線纜的比載向量vt γ ; ② 建立懸鏈線坐標系，具體為：以線纜的比載向量vt γ的反方向為Z軸，掛點ptl到 Pt2向量減去Z軸方向上分量后的向量為X軸，使用右手法則得到出Y軸，構(gòu)成右手直角坐 標系，稱為懸鏈線坐標系，懸鏈線坐標系的表達式如下：
式中，vtX、vtY、vtZ分別是X、Y、Z軸的向量；normal (_vt γ )是比載向量vt γ反方向 的單位向量；normal ((pt2-ptl)-(pt2-ptl) · vtZ · vtZ)是掛點 ptl 到 pt2 向量減去 Z 軸 方向上分量后的單位向量； ③ 通過標準懸鏈線方程計算懸鏈線坐標系內(nèi)線纜任意一點的坐標，標準懸鏈線方程 為：
式中，X(I、yci是線纜最低點的坐標值，單位是m ;x、y是線纜任意一點坐標值，單位是m ; Y是線纜所受比載的大小，單位是N/m · mm2 ; %是線纜最低點應(yīng)力大小，單位是N/mm2 ; 線纜在懸鏈線坐標系下的XZ軸平面上構(gòu)成標準二維懸鏈線且在懸鏈線坐標系Y軸上 的分量永遠為零，所以，通過式（7)計算得到的線纜任意一點在懸鏈線坐標系內(nèi)的坐標值 為：
④ 使用坐標系轉(zhuǎn)換函數(shù)將線纜任意一點的坐標轉(zhuǎn)換到三維空間坐標系內(nèi)，以生成線纜 上任意一點的三維坐標，從而得到三維導地線模型：
式中，Pt是導地線上任一點的空間坐標；Ph是懸鏈線坐標系原點的空間坐標；利用三 維線纜模型即可將線纜上所有點轉(zhuǎn)換為三維空間坐標。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于三維導地線模型模擬現(xiàn)實情景的方法，其特征在 于：所述步驟2)中線纜拉力的求解方法如下：通過已有技術(shù)得到線纜上任意一點的應(yīng)力 向量的懸鏈線坐標（〇 a, 〇, sinh( γ / σ Q(x-xQ)))，轉(zhuǎn)換到三維空間為σ?！?vtX+sinh( γ / 〇 q(X-Xq) )*vtZ，將在三維空間求解得到的應(yīng)力乘以線纜的橫截面面積即可得到線纜拉力。
4. 如權(quán)利要求2所述的一種基于三維導地線模型模擬現(xiàn)實情景的方法，其特征在 于：所述步驟2)中線纜拉力的求解方法如下：通過已有技術(shù)得到線纜上任意一點的應(yīng)力 向量的懸鏈線坐標（〇 a, 〇, sinh( γ / σ Q(x-xQ)))，轉(zhuǎn)換到三維空間為σ?！?vtX+sinh ( γ / 〇Q(X-X(l)) · vtZ，將在三維空間求解得到的應(yīng)力乘以線纜的橫截面面積即可得到線纜拉 力。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的種基于三維導地線模型模擬現(xiàn)實情景的方法，其 特征在于：所述步驟3)包括以下步驟： ① 確定已知參數(shù)，已知各絕緣子串上端點位置為ptlV ptUp ......、ptUN;已知絕緣子 串所受自重力、冰重力、風力合力向量為vtC。、vtQ、......、vtCN ;各段線纜所受比載向量為 ν? Υ 〇λ ν? Υ 1 λ ......、ν? Υ ν-1，^度為 1。、丄1、......、In-1 ; ② 求解具體情景下線纜懸鏈線方程和線纜對絕緣子串的拉力，記第j次計算時當前 絕緣子串下端點初始位置為MAi、p/A、……、/^>(，則第i段線纜兩端掛點分別為 p/D/、，所受比載向量為vt γ i，長度為li，據(jù)此可以得到第i段線纜的懸鏈線公式， 求解所有段線纜的懸鏈線公式；根據(jù)第i段線纜的懸鏈線公式能夠得到第i段線纜對兩端 掛點piD/、辦￡匕的拉力分別為vG/、v/5/，進而計算所有段線纜對其兩端掛點的拉力； ③ 判斷具體情景下導地線模型的狀態(tài)，具體情景下第i個絕緣子串所受外力有vtCi、 和，由于認為vtCi作用在絕緣子串中心，ν?穿和v境&作用在絕緣子串下端，故當 絕緣子串達到杠桿平衡時合作用力vtF^_為： vtC vtF/ = ^ 1 +vtS- +vtB/_l (9 ) 已知具體情景下第i個絕緣子串方向向量v///為： ν'"/ （10) 根據(jù)式（9)和式（10)計算所有絕緣子串對應(yīng)的合作用力和絕緣子串的方向，進而計算 各絕緣子串合作用力vtF與絕緣子串方向vtl的夾角，獲取夾角最大的絕緣子串；將最大夾 角與預(yù)設(shè)值相比較，若最大夾角小于預(yù)設(shè)值，則認為導地線模型達到平衡狀態(tài)，即可得到具 體情景下線纜的空間位置和絕緣子串受力情況，否則進行下一步； ④ 假定上一步中夾角最大的絕緣子串的下標為k。根據(jù)第j次計算得到的絕緣子串合 作用力〃G7,假定前后絕緣子串下端點^0/+1固定不動，調(diào)整此絕緣子串下端點 位置為P<+1，使得調(diào)整后此絕緣子串合作用力與絕緣子串方向ri/f1的夾角小于 預(yù)設(shè)值，聯(lián)合其它絕緣子串下端的位置，得到第j+Ι次計算時所有絕緣子串下端點的初始 位置p/ΑΓ 1、/M/11、……、/〃叱1，跳轉(zhuǎn)至步驟②，直到導地線模型達到平衡狀態(tài)。
【文檔編號】G06F17/50GK104102763SQ201410232050
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】盛大凱, 隗剛, 齊立忠, 胡勁松, 胡君慧, 郄鑫, 李晉, 韓念遐 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院, 北京道亨時代科技有限公司