Optimization of guyed transmission line towers with geometric nonlinearity

Abstract

As torres de linhas de transmissão (TLTs) são uma parte fundamental do sistema de transporte de eletricidade. Devido à sua produção em escala industrial, a mesma estrutura é utilizada diversas vezes em uma linha de transmissão (LT). Neste intuito, as torres estaiadas de TLTs têm sido empregadas como importantes alternativas em uma família de estruturas, principalmente por serem leves e fáceis de serem adaptadas emterrenos planos. Ainda assim, um levantamento abrangente da literatura revela que estudos de otimização sobre esses tipos de suportes não foram encontrados. À esta falta, a explicação mais lógica refere-se principalmente devido ao seu importante comportamento geométrico não linear, tornando caro o tempo de solução computacional. Dentro deste contexto, este trabalho apresenta uma estrutura geral para a otimização do tamanho e da forma de TLTs monomastro estaiados. O algoritmo não linear é escrito em um ambiente MATLAB por meio de um script desenvolvido internamente. Uma estratégia de controle adaptativo é empregada nos estágios de previsão e correção para definir as etapas incrementais. Essa técnica permite lidar com o problema não linear, especialmente com os elementos de cabo que suportam apenas tração (elementos do tipo tension-only), sem que haja tempo computacional excessivo para atingir a convergência. A otimização é realizada usando o Backtracking Search Algorithm (BSA) devido à sua flexibilidade para lidar com variáveis discretas requeridas no problema. Um modelo real de TLT estaiada é tomado como referência e os resultados finais podem alcançar uma economia de custos de até 4,8 % quando comparado à configuração obtida no processo de otimização dimensional.

Abstract: Transmission line towers (TLTs) are a fundamental part of the electricity transport system. Due to its industrial-scale production, the same support is used several times on a transmission line (TL). Therefore, guyed TLTs towers have been employed as important alternatives in a family of structures, especially because they are light and easy to be adapted in flat terrains. Even so, a comprehensive literature survey reveals that optimization studies on these types of supports cannot be found, to the best of the author?s knowledge. This is mainly explained due to their important geometrical nonlinear behavior, making the computational solution time expensive. Within this context, this work presents a general framework for the size and shape optimization of mono mast guyed TLTs. The nonlinear solver is written in a MATLAB environment through an in-house script. An adaptative control strategy is employed in both predictor and corrector stages to define the incremental steps. It allows dealing with the nonlinear problem, especially the tension-only elements (guy elements), without burning excessive computational time to achieve convergence. The optimization is performed using the Backtracking Search Algorithm (BSA) because of its flexibility to deal with discrete variables required in the problem. A real-world guyed TLT is taken as a reference, and the final results could reach saving costs up to 4.8% when compared to the original design obtained by the size optimization process.