一种电网工程微地形大风数值模拟方法和系统与流程

本发明属于电网工程微地形气象领域，具体涉及一种电网工程微地形大风数值模拟方法和系统。

背景技术：

1、微地形在遇到一定条件下的气象因子时，会在小范围内产生综合巨变，使得该区域内出现极端天气情况，如瞬时大风、严重覆冰等，这种天气现象往往范围很小，只会影响一小部分地区，但是一旦出现，会给电网系统稳定运行产生严重威胁，甚至影响电网安全。当输电线路建设在地形复杂、高差悬殊的微地形山区中时，输电线路工作环境气象条件十分恶劣，而气象站因人民生活需要，一般建设于在城市人口密集地区，离实际线路走廊有一定距离，因此气象站观测记录难以反映沿线垭口、峡谷、分水岭等局部微地形点的实际气象情况。

2、在影响电网安全运行的自然灾害中，风灾是较为严重的一种，就目前情况来看，电网受灾主要是受风荷载的大小的影响，这也与风荷载的设计有着密切的关系。电网线路都是长期暴露于自然环境当中，随着时间的迁移，线路本身历经风吹雨打存在一定程度的老化与磨损，而大风天气无疑是加剧了这种损伤，当线路遭遇持续的大风天气时自身实际的承受风荷载将会大打折扣，这就大大地增加了线路损伤的风险，更加容易造成线路故障。

3、当前线路规划建设规程对微地形、微气象的设计没有量化的标准，同时加上观测条件的限制，少有完善的微地形的气象资料。目前国内外对微地形区域风速与地形关系缺乏有效分析，如何对微地形进行识别并把握微地形地段风速和相关气象站风速之间的规律以及微地形风速变化的特征，为线路设计提供更加可靠的设计风速成果，在有效降低工程造价的同时减少事故，提高送电线路抗灾能力，是一项亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、针对现有方法的不足，本发明提供一种电网工程微地形大风数值模拟方法、系统、电子设备和计算机可读存储介质，研究微地形区域微地形风速变化规律，准确地对微地形区域输电线路的设计或者运维进行精细化气象预测。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种电网工程微地形大风数值模拟方法，包括如下步骤：

4、获取微地形区域的地形数据及地表粗糙度数据，收集微地形区域气象数据；

5、结合微地形区域的地形数据及地表粗糙度数据，进行网格剖分，建立大气边界层微尺度风流场模型：

6、基于微地形区域的气象数据，根据所述大气边界层微尺度风流场模型，进行微地形区域风场变化规律的大风数值模拟，得到微地形区域的风速变化规律；

7、基于微地形区域的风速变化规律，对微地形区域输电线路的设计或者运维进行精细化气象预测。

8、优选地，所述大气边界层微尺度风流场模型包括大气边界层高度模型、入口风廓线模型、地表边界条件模型、湍流模型、风速概率分布模型，上述模型公式分别为：

9、大气边界层高度模型：

10、zh＝cu*/f

11、式中，u*为摩擦速度，c为与热稳定度等级相关的经验参数，f为科里奥利参数，取值为f＝2ωsinφ，ω为地球自转的角速度，φ为纬度；

12、入口风廓线模型：

13、

14、式中，κ为冯卡门常数，z为地表高度，z0为粗糙长度，l为依赖于热稳定度计算的monin-obukhov长度；

15、ψ(z/l)为monin-obukhov函数，定义为：

16、|l|>1500m时，(z/l)＝0；

17、-1500m<l<0m时，

18、0m<l<1500m时，ψ(z/l)＝-5(z/l)；

19、地表边界条件模型：

20、fs＝-ρcsut|u|

21、式中，ρ为空气密度，cs为标准阻力和摩擦系数，仅与网格处的粗糙度有关，u为下边界层的速度，ut为下边界层的切向速度；

22、湍流模型：

23、

24、式中，rif为通量richarson数，k为卡门常数，lt是湍流混合长度，l0是一个临界值，z表示地表高度，l表示monin-obukhov长度，cμ是湍流动能方程里湍流动能转化为热内能的部分，b1是从风动实验得到的经验性参数，sm为中间量；

25、风速概率分布模型：

26、

27、其中，vhub为计算高度风速，k为weibull分布的形状参数，a为weibull分布的尺度参数。

28、优选地，所述微地形区域为垭口、峡谷或者分水岭。

29、优选地，所述气象数据包括风向、风速、气温和气压参数。

30、优选地，所述地形数据为地形高程数据。

31、一种电网工程微地形大风数值模拟系统，包括：

32、数据获取模块，用于获取微地形区域的地形数据及地表粗糙度数据，收集微地形区域气象数据；

33、模型构建模块，用于结合微地形区域的地形数据及地表粗糙度数据，进行网格剖分，建立大气边界层微尺度风流场模型：

34、数值模拟模块，用于基于微地形区域的气象数据，根据所述大气边界层微尺度风流场模型，进行微地形区域风场变化规律的大风数值模拟，得到微地形区域的风速变化规律；

35、预测模块，用于基于微地形区域的风速变化规律，对微地形区域输电线路的设计或者运维进行精细化气象预测。

36、一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述电网工程微地形大风数值模拟方法。

37、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行所述电网工程微地形大风数值模拟方法。

38、本发明的积极有益效果：

39、本发明结合微地形区域的地形数据及地表粗糙度数据，进行网格剖分，进行流体力学风流场模拟即定向模拟，建立大气边界层微尺度风流场模型，该模型可以识别不同格式的地形数据及地表粗糙度数据，并实现对其自动化网格划分；通过大气边界层微尺度风流场模型，利用微地形区域的气象数据进行微地形区域风场变化规律的大风数值模拟，得到微地形区域的风速变化规律，即得到湍流强度、入流角、风加速因数与微地形区域风速分布的关系，进而对微地形区域的风速进行预测，建立了一种获取微地形区域大风变化规律的数值模拟方法，为输变电工程的选址、设计提供技术支撑，为微地形区域的电网工程运维减轻压力及成本，同时提升电力气象预测的准确度，最大限度地减轻微地形环境内的微气象可能造成的损失，能够为电网工程规划提供参考依据，提升电网工程防灾减灾能力，保障电网工程安全稳定运行。

技术特征：

1.一种电网工程微地形大风数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种电网工程微地形大风数值模拟方法，其特征在于，所述大气边界层微尺度风流场模型包括大气边界层高度模型、入口风廓线模型、地表边界条件模型、湍流模型、风速概率分布模型，上述模型公式分别为：

3.根据权利要求1所述的一种电网工程微地形大风数值模拟方法，其特征在于，所述微地形区域为垭口、峡谷或者分水岭。

4.根据权利要求1所述的一种电网工程微地形大风数值模拟方法，其特征在于，所述的气象数据包括风向、风速、气温和气压参数。

5.根据权利要求1所述的电网工程微地形大风数值模拟方法，其特征在于，所述地形数据为地形高程数据。

6.一种电网工程微地形大风数值模拟系统，其特征在于，包括：

7.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-5中任一项所述电网工程微地形大风数值模拟方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求1-5中任一项所述电网工程微地形大风数值模拟方法。

技术总结
本发明属于电网工程微地形气象领域，具体涉及一种电网工程微地形大风数值模拟方法。所述模拟方法包括如下步骤：获取微地形区域的地形数据及地表粗糙度数据，收集微地形区域气象数据；结合微地形区域的地形数据及地表粗糙度数据，进行网格剖分，建立大气边界层微尺度风流场模型：基于微地形区域的气象数据，根据所述大气边界层微尺度风流场模型，进行微地形区域风场变化规律的大风数值模拟，得到微地形区域的风速变化规律；基于微地形区域的风速变化规律，对微地形区域输电线路的设计或者运维进行精细化气象预测。本发明建立了一种获取微地形区域的大风变化规律的数值模拟方法，为输变电工程的选址、设计提供技术支撑，保障电网工程安全稳定运行。

技术研发人员：姚德贵,王津宇,李哲,梁允,卢明,王超,柯佳颖,苑司坤,高阳,李帅,崔晶晶,王华阳,张帅领,蒋硕颜,张妍妍,杨亚东,汪保明,张险峰,高首都,王松江,郭军辉,丁吾鹏,张石友
受保护的技术使用者：国网河南省电力公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1