基于经验正交函数分析的典型舞动微地形的分类方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于经验正交函数分析的典型舞动微地形的分类方法及系统，该方法包括：收集设定区域范围的第一分辨率的数字高程数据和的历史输电线路舞动跳闸数据；以每个舞动跳闸点为中心，划定方格，得到对应方格内的地形高度数据矩阵；根据地形高度数据矩阵进行经验正交函数分析，将地形高度数据矩阵分解为表征空间模态分布的空间矩阵和表征顺序的时间矩阵；空间矩阵的前面N个特征向量就是提取出的N个典型微地形模态；从表征顺序的时间矩阵中提取出前N个特征向量对应的时间系数，根据第1到N特征向量的时间系数，将微地形区域划分为N类，得到微地形区域的微地形类别。本发明可以在不预设地形种类条件下，提取典型舞动微地形地形特征。

说明书

技术领域

本发明涉及电网防护技术领域，尤其涉及一种基于经验正交函数分析的典型舞动微地形的分类方法及系统。

背景技术

架空输电线路舞动是指轻度覆冰的输电线路在风的激励作用下发生的一种低频且大振幅的自激振荡。稳定的风激励是线路舞动发生的必要条件，因此输电线路舞动多发生在风速稳定的平坦开阔地区(如湖北中部、河南中部、环渤海地区)。但是，实际生产中发现，在一些丘陵山区地区，由于局地地形影响，导致风向、风速变化，在一些局地微地形区域输电线路也容易发生舞动。

但是，目前的研究只是提出了舞动微地形概念，具体哪些地形是易舞动微地形，这些舞动微地形有什么特征，目前还不清楚，因此，无法有效支撑微地形区域输电线路舞动预测。亟需典型舞动微地形的分类方法。

发明内容

本发明提供了一种基于经验正交函数分析的典型舞动微地形的分类方法及系统，用以解决目前典型舞动微地形分类不清楚，以及需要先预设地形种类条件，才能进行典型舞动微地形分类的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于经验正交函数分析的典型舞动微地形的分类方法，包括以下步骤：

收集设定区域范围的第一分辨率的数字高程数据和的历史输电线路舞动跳闸数据；

根据输电线路动跳闸次数以及舞动跳闸点的经纬度，建立舞动中心位置数据集合；

以每个舞动跳闸点为中心，划定方格，得到对应方格内的地形高度数据矩阵；

根据地形高度数据矩阵进行经验正交函数分析，将地形高度数据矩阵分解为表征空间模态分布的空间矩阵和表征顺序的时间矩阵；空间矩阵的前面N个特征向量就是提取出的N个典型微地形模态；从表征顺序的时间矩阵中提取出前N个特征向量对应的时间系数，根据第1到N特征向量的时间系数，将微地形区域划分为N类，得到微地形区域的微地形类别。

优选地，以每个舞动跳闸点为中心，划定方格，得到对应方格内的地形高度数据矩阵；包括：

以每个舞动跳闸点为中心，划定一个第一范围的方格，方格的轴向为南北方向和东西方向，得到对应方格内的第一地形高度数据矩阵H1；

以每个舞动跳闸点为中心，划定一个第二范围的方格，方格的轴向为南北方向和东西方向，得到对应方格内第二地形高度数据矩阵H2；第二范围小于第一范围。

优选地，在得到对应方格内的第一地形高度数据矩阵H1之后，且在进行根据地形高度数据矩阵进行经验正交函数分析之前，方法还包括步骤：

针对t处舞动跳闸对应的t个第一地形高度数据矩阵H1，根据舞动跳闸点周围的平坦情况，将t处历史舞动跳闸分成了t1处平坦区域舞动跳闸和t2处微地形区域舞动跳闸。

优选地，从第二地形高度数据矩阵H2中选出t2处微地形区域舞动跳闸对应的t2个第二地形高度数据矩阵H2作为微地形区域高度数据矩阵H3；

根据固定排序规则，将微地形区域高度数据矩阵H3变换为矩阵H4(t2,D)，在矩阵H4(t2,D)中，t2表征t2处微地形舞动，D表征第二范围的方形区域内、第一分辨率的所有点的高程数据；

矩阵H4(t2,D)作为进行经验正交函数分析的地形高度数据矩阵。

优选地，第一范围为3km×3km；第二范围为900m×900m；第一分辨率为30m。

本发明还提供一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一方法的步骤。

本发明具有以下有益效果：

本发明的基于经验正交函数分析的典型舞动微地形的分类方法及系统，可以在不预设地形种类条件下，提取典型舞动微地形地形特征，实现典型舞动微地形种类分类和识别，该方法思路清晰，实用性强，准确率高。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例1的基于经验正交函数分析的典型舞动微地形的分类方法的流程示意图；

图2是本发明优选实施例2的山西48处舞动微地形区域周围900*900范围地形基于经验正交函数分析得到的前四个特征向量；顺序依次为(a)(b)(c)(d)，中间菱形表征跳闸点位置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

参见图1，本实施例的基于经验正交函数分析方法的典型舞动微地形的分类方法，包括以下步骤：

(1)基础数据收集。

收集特定区域范围的30米分辨率的数字高程数据和该地区历史输电线路舞动跳闸数据。包括舞动跳闸点的位置，跳闸次数和对应的时间和舞动跳闸点的经纬度。

(2)舞动微地形区域地形数据处理。

根据输电线路舞动跳闸点位置，建立了舞动中心位置数据集合T(t,2)，其t为历史舞动跳闸点的次数，2为跳闸点的经度和纬度。

以每个舞动跳闸点为中心，划定一个3km×3km的方格，方格的轴向为南北方向和东西方向，在这个3km×3km的方格内，地形数据分辨率为30米，因此得到一组地形高度数据矩阵H1(t,100，100)，其中t表示t处历史舞动跳闸，100和100表征纬向和经向的100个点地形高度数据。

以每个舞动跳闸点为中心，划定一个900m×900m的方格，方格的轴向为南北方向和东西方向，在这个900m×900m的方格内，地形数据分辨率为30米，因此得到一组地形高度数据矩阵H2(t,30，30)，其中t表示t处历史舞动跳闸，30和30表征纬向和经向的30个点地形高度数据。

(3)舞动微地形区域起伏情况判识。

实施时，还可以优选进行舞动微地形区域起伏情况判识。例如对步骤(2)中地形高度数据矩阵H1(t,100，100)进行处理，针对t个舞动跳闸位置，找出每个舞动跳闸位置周围中100*100个网格中的最低地形高度Hmin(t)和最高地形高度Hmax(t)，判断最高地形和最低地形的差值△H(t)＝Hmax(t)-Hmin(t)，如果△H(t)≤20米，认为这个舞动跳闸点周围平坦，如果△H(t)>20米，认为这个舞动跳闸点周围有微地形。经过该方式处理，将t处历史舞动跳闸过程分成了t1处平坦区域舞动跳闸和t2处微地形区域舞动跳闸，t1和t2之和等于t。

(4)基于经验正交函数分析提取典型舞动微地形类型。

经过步骤(3)的初步判断，选出了t2处微地形区域舞动跳闸，由于舞动微地形区域一般只有几百米，因此使用900m×900m的区域数据进行后续判识。得到了微地形区域高度数据矩阵H3(t2,30,30)。

根据固定排序规则，将矩阵H3(t2,30,30)变换为矩阵H4(t2,900)，在矩阵H4中，t2表征t2处微地形舞动，900表征900m×900m的方形区域内、30米分辨率的900个点。

将矩阵H4进行经验正交函数分析，将H4分解为表征空间模态分布的空间矩阵V(900，900)和表征顺序的时间矩阵T(t2,t2)，即：

H4(t2,900)＝V(900,900)×T(t2,t2)

其中，空间矩阵V(900，900)的前面N个特征向量就是提取出的N个典型微地形模态，一般来说，前N个特征向量对总方差的累计解释要超过60％，一般N不超过8。

(5)舞动微地形类型判识和数据库建立。

从表征顺序的时间矩阵T(t2,t2)中提取出前N个特征向量对应的时间系数TN(t2,N),根据t2次微地形区域第1到N特征向量的时间系数，将t2次微地形区域划分为N类，得到t2次微地形区域的微地形类别，建立微地形数据库。

实施例2：

本实施例的以中国山西某区域范围为例。本实施例的基于经验正交函数分析方法的典型舞动微地形分类方法，包括以下步骤：

(1)基础数据收集。

收集中国山西区域范围的30米分辨率的数字高程数据，收集近十年山西地区输电线路舞动跳闸数据。

(2)舞动微地形区域地形数据处理。

根据近十年山西地区的输电线路舞动跳闸点位置，建立了舞动中心位置数据集合T(69,2)，其69为历史舞动跳闸次数，2为跳闸点的经度和纬度。

以每个舞动跳闸点为中心，划定一个3km×3km的方格，方格的轴向为南北方向和东西方向，在这个3km×3km的方格内，地形数据分辨率为30米，因此得到一组地形高度数据矩阵H1(69,100，100)，其中69表示69次历史舞动跳闸，100和100表征纬向和经向的100个点地形高度数据。

以每个舞动跳闸点为中心，划定一个900m×900m的方格，方格的轴向为南北方向和东西方向，在这个900m×900m的方格内，地形数据分辨率为30米，因此得到一组地形高度数据矩阵H2(69,30，30)，其中69表示69次历史舞动跳闸，30和30表征纬向和经向的30个点地形高度数据。

(3)舞动微地形区域起伏情况判识。

对步骤(2)中地形高度数据矩阵H1(69,100，100)进行处理，针对69个舞动跳闸位置，找出每个舞动过程中100*100个网格中的最低地形高度Hmin(t)和最高地形高度Hmax(t)，判断最高地形和最低地形的差值△H(t)＝Hmax(t)-Hmin(t)，如果△H(t)≤20米，认为这个舞动跳闸点周围平坦，如果△H(t)>20米，认为这个舞动跳闸点周围有微地形。经过该方式处理，将69次历史舞动跳闸过程分成了21次平坦区域舞动跳闸和48次微地形区域舞动跳闸。

(4)基于经验正交函数分析提取典型舞动微地形类型。

经过步骤(3)的初步判断，选出了48处微地形区域舞动跳闸，由于舞动微地形区域一般只有几百米，因此使用900m×900m的区域数据进行后续判识。得到了微地形区域高度数据矩阵H3(48,30,30)。

根据固定排序规则，将矩阵H3(48，30,30)变换为矩阵H4(48,900)，在矩阵H4中，48表征48处微地形舞动，900表征900m×900m的方形区域内、30米分辨率的900个点。

将矩阵H4进行经验正交函数分析，将H4分解为表征空间模态分布的空间矩阵V(900，900)和表征顺序的时间矩阵T(48，48)，即：

H4(48,900)＝V(900,900)×T(48,48)

其中，空间矩阵V(900，900)的前面4个特征向量就是提取出的4个典型微地形模态，第一个特征向量为独立高山山顶，第二个特征向量为东西向山坡的北坡(迎风坡)，第三个特征向量为峡谷，第四个特征向量为垭口，前4个特征向量对总方差的累计解释为79％。

(5)舞动微地形类型判识和数据库建立

参见图2，从表征顺序的时间矩阵T(48，48)中提取出前4个特征向量对应的时间系数TN(48，4),根据48处微地形区域前4特征向量的时间系数，将48处微地形区域划分为4类，得到48次微地形区域的微地形类别，建立了山西某地区舞动微地形数据库。

综上可知，本发明可以在不预设地形种类条件下，提取典型舞动微地形地形特征，实现典型舞动微地形种类分类和识别，该方法思路清晰，实用性强，准确率高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。