風是導致輸電線路振動的主要因素。不同的風速會使輸電線路產生不同形式的振動，對輸電線路造成不同程度的危害。在輸電線路設計之初，對線路所在區(qū)域風速的測算就顯得尤為重要。而隨著我國電力需求的不斷增長，建在山區(qū)的輸電線路工程將越來越多，風速的測算就更為關鍵。
和建筑、橋梁一樣，輸電線路設計中關于風速的測算在國內外都有相關規(guī)范。但是由于山區(qū)地形復雜多變，規(guī)范中給出的設計風速修正系數(shù)計算公式或修正方法往往與實際情況差異較大。設計人員在判別地形地貌、坡度、風向時，容易受個人主觀因素影響。這往往會造成設計風速取值不準確，會帶來潛在的斷線、跳閘，甚至斷桿、倒塔風險，或者大大降低線路的經濟性。有沒有一種客觀、量化的方法，使山區(qū)輸電線路設計中的風速測算有據(jù)可依？
設計輸電線路時，測算風速有哪些途徑
要解決設計山區(qū)輸電線路時對風速測算不準的問題，有3條途徑，分別是現(xiàn)場實測、風洞試驗和數(shù)值仿真。
現(xiàn)場實測是獲取山區(qū)風場修正系數(shù)最為準確的方法。設計人員需要在山區(qū)不同位置布設風速監(jiān)測設備，獲取這一地形條件下的真實風速修正系數(shù)。但現(xiàn)場實測成本高、周期長，實測周期內較難采集到風速超過20米/秒的樣本。在受季風影響顯著的地區(qū)，設計人員也難以獲得足夠的某些風向角下的實測數(shù)據(jù)，不利于全面掌握風速變化規(guī)律。
與現(xiàn)場實測相比，風洞試驗成本適中、周期較短。風洞試驗就是在風洞實驗室里，制作一定縮尺比的山地沙盤模型，在風洞中進行360度風向角下任意點位處的風速量測，能夠有目的地探索研究風速沿空間分布的規(guī)律，彌補現(xiàn)場實測對規(guī)律性研究的不足。但風洞試驗也有局限性。受限于風洞斷面尺寸，山地模型的縮尺比一般在1:500以上。地表以上10米（縮尺后只有2厘米）高度處的設計風速容易受到模型表面摩擦的影響，且常規(guī)測量設備無法同步測量多個空間點位處的風速。
數(shù)值模擬方法是利用計算機求解流體動力學方程，了解風流過山地后受到的擾動等影響。仿真分析時，設計人員需要根據(jù)數(shù)據(jù)建立地表曲面模型，也就是告知相關軟件風是在什么樣的固體邊界表面流動的；還要在這個固體邊界表面建立數(shù)以百萬計的連續(xù)空間多面體，用于等效空氣氣團的質量、勢能和動能（即流體動力學中所說的流體網格）。通過這種數(shù)值化處理，人們看不見的風就能在計算機中變成數(shù)以千萬計的數(shù)值方程。這些方程的求解精度很大程度上依賴于流體網格的尺寸大小。網格尺寸越小、數(shù)量越多，求解精度越高。近年來，隨著計算機技術和數(shù)值算法的飛速發(fā)展，計算機所能支持的流體網格數(shù)量越來越多，求解精度也不斷提升，數(shù)值模擬也越來越受到推崇。
現(xiàn)有方法測算結果不夠精確，急需更優(yōu)解決方案
上述3種途徑應用于山區(qū)輸電線路設計中的風速測算時，又都存在著一些問題。和橋梁、建筑相比，輸電線路綿延里程漫長，有數(shù)量眾多的山區(qū)塔位需要確定風速，開展現(xiàn)場實測顯然是不現(xiàn)實的。風洞試驗投入的成本較高，即使是針對少量重要線路段，開展所需制作的山地模型的成本和工作量，也是無法接受的。
與現(xiàn)場實測、風洞試驗相比，數(shù)值模擬方法能夠減少人力和資源的投入，節(jié)約成本，易于開展山地風場整體和局部的規(guī)律性分析。在橋梁、建筑等點狀分布的小區(qū)域分析中，數(shù)值模擬方法已具備一定精度的流體網格劃分及數(shù)值方程解算能力。但對綿延里程漫長的輸電線路，一次性進行整個線路段的流體網格劃分和方程解算是不可能實現(xiàn)的。而分段模擬的自動化程度又很低，需耗費大量人力為山地曲面建模并劃分空間多面體，人工成本過高。
上述問題的存在，導致山區(qū)輸電線路設計中的風速測算只能采取比較籠統(tǒng)的處理方法，即在臨近平原地區(qū)氣象臺站的設計風速基礎上提高10%。然而，這種做法多數(shù)情況下不夠經濟。隨著輸配電價改革的逐步深入，對輸電線路建設成本的控制會越來越嚴格，保守設計的成本空間將越來越小。
在這種背景下，只能通過更為精準的差異化設計，來降低自身成本，適應市場變化。特殊情況下，設計風速提高10%的安全裕度仍然不足，有可能帶來一定的安全隱患。例如，山區(qū)線路段風偏跳閘次數(shù)明顯高于平原，倒塔斷桿事故也偶有發(fā)生。風速測算還有沒有更優(yōu)的解決方案？
自適應模擬技術：讓風速測算有據(jù)可依
中國電力科學研究院在國家電網有限公司多個科技項目的支持下，開展了山區(qū)風場相關的現(xiàn)場實測、風洞試驗、數(shù)值模擬及規(guī)范對比等工作。綜合考慮各種途徑的優(yōu)缺點，數(shù)值模擬是解決山區(qū)輸電線路設計時風速測算問題的可行途徑。
針對目前的數(shù)值模擬自動化程度低、專業(yè)限制性強等問題，中國電科院研發(fā)了基于流體網格智能生成的自適應模擬方法，提高了山區(qū)高差較大區(qū)域內流體網格與地表曲面的契合程度，實現(xiàn)了流體網格數(shù)量與數(shù)值仿真求解精度的合理平衡配置，并通過人機交互控制降低了數(shù)值模擬的專業(yè)限制，使設計人員掌握山區(qū)輸電線路風場仿真分析不再遙遠。
中國電科院還編制了一套計算機輔助處理算法，幫助設計人員分析預設塔位處的風速數(shù)據(jù)，形成預設塔位處風速修正系數(shù)360度雷達圖，可掃描360度風向角度下的最大設計風速，提醒設計人員可能存在風險的設計塔位和荷載工況。
該方法具有自動化程度高、地表模型分辨率高、計算求解穩(wěn)定、人機交互功能全面等特點。經驗證，自適應模擬所得仿真分析結果與實測數(shù)據(jù)吻合較好、且專業(yè)門檻低。即使是沒有相關專業(yè)背景的技術人員，也能在短期培訓后，熟練地掌握操作流程，自主完成山區(qū)地形選取、流場網格劃分、流體動力計算、仿真結果查詢、設計風速修正等工作。
隨著山區(qū)輸電線路里程的不斷增長，不管是出于降低成本提高企業(yè)競爭力的目的，還是為了降低山區(qū)輸電線路的安全風險和運維壓力，更準確地測算風速都十分必要。因此，自適應模擬技術有望成為山區(qū)輸電線路設計的配套支撐技術。
（作者單位及供圖：中國電科院）
