強對流預(yù)警技術(shù)在電網(wǎng)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用研究

李 帥 李 哲 梁 允 崔晶晶

（河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450052）

強對流天氣指的是發(fā)生突然、天氣劇烈、破壞力極大，常伴有雷雨大風(fēng)、冰雹、龍卷風(fēng)、局部強降雨等強烈對流性的災(zāi)害天氣，是具有重大殺傷性的災(zāi)害天氣之一。對電網(wǎng)而言，強對流天氣可能導(dǎo)致變電站停運、倒塔、線路雷擊跳閘、導(dǎo)線舞動等突發(fā)狀況發(fā)生。河南省位于中國中東部，是全國強對流天氣高發(fā)區(qū)之一，夏季強對流天氣對電網(wǎng)穩(wěn)定運行和安全生產(chǎn)的影響較為嚴(yán)重，其中影響范圍較大有：2007年夏季開封地區(qū)發(fā)生強對流天氣，造成多基輸電桿塔倒塔；2009年夏季商丘地區(qū)強對流天氣風(fēng)速達11級，造成10kV以上電壓等級多條輸電線路跳閘；2012年7月開封地區(qū)強對流天氣造成多條線路跳閘等。因此如何建立一種有效的強對流預(yù)警運行機制顯得尤為重要［1-2］。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)八、九十年代，天氣預(yù)報的主要服務(wù)對象仍以農(nóng)林牧業(yè)和公共服務(wù)為主，進入21世紀(jì)以來，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大和延伸，災(zāi)害性天氣對電網(wǎng)安全運行的影響越來越大，電力氣象服務(wù)也逐漸受到電力部門和氣象部門的重視。

對于電力氣象領(lǐng)域的研究，全球范圍內(nèi)一些科研機構(gòu)已經(jīng)開展了電力與氣象相結(jié)合的研究。如美國Northeast Regional Climate Center，利用天氣預(yù)報模型（WRF）和Ramer降水型算法對電網(wǎng)進行了短期積冰預(yù)測。加拿大等國家研究部門也利用天氣因素進行負荷預(yù)測等工作。國內(nèi)方面，近年來各網(wǎng)省電力公司加強與氣象部門合作，積極開展針對強降水、雷電、大風(fēng)、冰雹、覆冰、舞動、地質(zhì)災(zāi)害等與電網(wǎng)生產(chǎn)密切相關(guān)的氣象現(xiàn)象的預(yù)警技術(shù)、預(yù)警模型和預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)：2010年，國網(wǎng)江蘇省電力公司部署了覆蓋江蘇全省的電網(wǎng)氣象監(jiān)測與分析系統(tǒng)；2010年，國網(wǎng)福建省電力公司與福建省氣象臺合作開發(fā)了福建電網(wǎng)氣象信息預(yù)警系統(tǒng)；2010年，北京市電力公司調(diào)通中心氣象展示平臺正式投入運行等。目前國內(nèi)一些重要氣象部門，如中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，已經(jīng)前瞻性地將電力氣象預(yù)測預(yù)警作為一個重要方向，嘗試前期研究及氣象信息在電網(wǎng)中的應(yīng)用［3-4］。

2 基于多普勒氣象雷達的夏季強對流預(yù)警方法介紹

2.1 基于多普勒氣象雷達的三維拼圖技術(shù)介紹

通過已經(jīng)建成的新一代天氣雷達網(wǎng)獲得所需雷達基數(shù)據(jù)，將極坐標(biāo)系下的空間分辨率不均勻的雷達資料插值到統(tǒng)一的笛卡爾坐標(biāo)系下形成空間分辨率均勻的網(wǎng)格點資料，根據(jù)需求選擇笛卡爾坐標(biāo)網(wǎng)格的分辨率和范圍，并將笛卡爾坐標(biāo)反算成球面坐標(biāo)，以便將獲得的雷達基數(shù)據(jù)和其他觀測資料進行拼圖處理。

2.1.1 笛卡爾坐標(biāo)反算球坐標(biāo)

設(shè)三維網(wǎng)格中任意網(wǎng)格單元的坐標(biāo)為（αg，βg，hg），其中αg為緯度，βg為經(jīng)度，hg為高度。雷達天線所在點的坐標(biāo)為（αr，βr，hr），其中αr為緯度，βr為經(jīng)度，hr為高度。使用雷達波束傳播和大圓幾何學(xué)理論確定網(wǎng)格單元相對于雷達點的極坐標(biāo)位置（r，a，e），其中r為斜距，a為方位角，e為仰角。然后將球坐標(biāo)系下的雷達反射率因子值內(nèi)插到笛卡爾坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度高度網(wǎng)格點上。

2.1.2 三維拼圖方法

在拼圖網(wǎng)格的很多區(qū)域，有來自多個雷達的資料重疊區(qū)，在拼圖網(wǎng)格中的每個網(wǎng)格單元的反射率因子值可以通過下面公式得到：

其中fm（i）是網(wǎng)格單元i的合成反射率值，fna（i）是在網(wǎng)格單元i處來自第n個雷達的分析值，wn是給分析值fna（i）的權(quán)重，Nrad是在網(wǎng)格單元i處有分析值的總的雷達個數(shù)。為了避免噪聲的干擾，反射率小于0dBZ的格點被認(rèn)為是無回波的點。如果Nrad=0，那么網(wǎng)格單元不被任何一個雷達覆蓋，該網(wǎng)格單元的fm（i）被賦一個缺值符號［5］。如果Nrad=1，那么網(wǎng)格單元的值就等于那個雷達在該網(wǎng)格單元的值。如果Nrad＞1，那么就使用多個雷達分析值的權(quán)重平均。

2.2 利用新一代天氣雷達數(shù)據(jù)識別地面大風(fēng)的方法

在新一代天氣雷達三維拼圖基礎(chǔ)上，利用雷達回波三維結(jié)構(gòu)特征及其變化來預(yù)警強對流系統(tǒng)產(chǎn)生的地面大風(fēng)。三維拼圖系統(tǒng)對河南省多部雷達進行三維拼圖，計算得到回波強度的三維格點數(shù)據(jù)，并利用強對流系統(tǒng)回波分塊跟蹤方法（SCIT），將雷達回波進行分塊，并計算出每塊對流系統(tǒng)的回波面積、體積、風(fēng)暴最大反射率因子MCR、風(fēng)暴最大垂直積分液態(tài)含水量MVIL、回波頂高ET、VIL隨時間變率DVIL（相鄰兩個體掃VIL變化）、風(fēng)暴體移動速度SPEED、VIL密度VILD：MVIL/（風(fēng)暴頂-風(fēng)暴底）和風(fēng)暴最大反射率因子下降高度DCRH等參量。應(yīng)用雷達三維組網(wǎng)數(shù)據(jù)和地面加密自動站風(fēng)場資料，統(tǒng)計分析了對流性地面大風(fēng)的6個主要雷達識別指標(biāo)：風(fēng)暴最大反射率因子、風(fēng)暴最大垂直積分液態(tài)含水量、垂直積分液態(tài)含水量（VIL）隨時間變率、風(fēng)暴最大反射率因子下降高度、風(fēng)暴體移動速度和VIL密度等參數(shù)。根據(jù)雷達識別指標(biāo)和地面大風(fēng)的相關(guān)性，給出了識別指標(biāo)的隸屬函數(shù)和權(quán)重系數(shù)，建立了具有模糊邏輯的對流性地面大風(fēng)識別方法。

圖1 地面大風(fēng)識別算法框圖

2.3 利用新一代天氣雷達數(shù)據(jù)識別冰雹的方法

與地面大風(fēng)類似，該方法是在新一代天氣雷達三維拼圖基礎(chǔ)上，利用雷達回波三維結(jié)構(gòu)特征及其變化來預(yù)警強對流系統(tǒng)產(chǎn)生的地面冰雹的方法。三維拼圖系統(tǒng)對河南省多部雷達進行三維拼圖，計算得到回波強度的三維格點數(shù)據(jù)，并利用強對流系統(tǒng)回波分塊跟蹤方法（SCIT），將雷達回波進行分塊，并計算出每塊對流系統(tǒng)的回波面積、體積、風(fēng)暴最大反射率因子MCR、風(fēng)暴最大垂直積分液態(tài)含水量MVIL、回波頂高ET、VIL隨時間變率DVIL（相鄰兩個體掃VIL變化）、風(fēng)暴體移動速度SPEED、VIL密度VILD：MVIL/（風(fēng)暴頂-風(fēng)暴底）和風(fēng)暴最大反射率因子下降高度DCRH等參量。與地面大風(fēng)不同的是，冰雹識別的物理量為如下5個參量：風(fēng)暴最大反射率因子MCR；風(fēng)暴最大垂直積分液態(tài)含水量MVIL；回波頂高ET；VIL密度VILD：MVIL/（風(fēng)暴頂-風(fēng)暴底）；風(fēng)暴質(zhì)心高度HMCR：強回波高度相對于0℃和-20℃等溫線高度的位置［6］。根據(jù)雷達識別指標(biāo)和冰雹的相關(guān)性，給出了識別指標(biāo)的隸屬函數(shù)和權(quán)重系數(shù)，建立了具有模糊邏輯的冰雹識別方法。

2.4 雷達和自動站聯(lián)合估測局地強降水的方法

根據(jù)地物遮擋情況，確定每個數(shù)據(jù)點的回波強度，自動站數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量控制和與雷達數(shù)據(jù)進行時間和空間匹配后，形成一一對應(yīng)的雨量和回波強度數(shù)據(jù)點，通過最小二乘擬合得到Z-R關(guān)系，再根據(jù)混合掃描回波強度，計算得到瞬時的雨強，通過時間累計得到1h雨量。

利用回波跟蹤方法，計算得到每個回波塊的移動方向和速度，根據(jù)計算的當(dāng)前的雨強，進行0～2h的外推，并經(jīng)過時間累計，即可得到降水量的預(yù)報結(jié)果。

圖2 雷達自動站降水估測模塊框圖

3 強對流預(yù)警技術(shù)與河南電網(wǎng)GIS融合

3.1 強對流預(yù)警數(shù)據(jù)預(yù)處理

強對流預(yù)警計算模型通過對多普勒雷達基數(shù)據(jù)和實時雷電定位數(shù)據(jù)的計算，分別得到強降水預(yù)警計算結(jié)果、大風(fēng)預(yù)警計算結(jié)果和冰雹預(yù)警計算結(jié)果。為優(yōu)化數(shù)據(jù)計算過程保障數(shù)據(jù)的即時性和有效性，建立網(wǎng)格數(shù)量和坐標(biāo)固化機制，將每種預(yù)警計算固定為500×500個網(wǎng)格點，覆蓋河南全境。

3.2 強對流預(yù)警信息GIS地圖展示

強對流預(yù)警是一個實時動態(tài)變化的過程，因此需要在電網(wǎng)GIS的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，增加動態(tài)展示強對流預(yù)警的功能。將強對流預(yù)警數(shù)據(jù)采用分等級合并的方式通過Flex方法繪制到GIS地圖圖層上。強對流預(yù)警數(shù)據(jù)與電網(wǎng)GIS系統(tǒng)相結(jié)合，建立基于電網(wǎng)GIS的強對流預(yù)警影響設(shè)備關(guān)聯(lián)計算模型，通過河南電網(wǎng)線路與變電站等設(shè)備通過經(jīng)緯度坐標(biāo)和強對流預(yù)警網(wǎng)格進行圖形化匹配計算，從而計算出哪些電網(wǎng)設(shè)備會受到強對流預(yù)警網(wǎng)格影響，并根據(jù)預(yù)警等級來定義影響等級。

圖3 強對流天氣預(yù)警GIS展示界面

3.3 強對流預(yù)警對電網(wǎng)設(shè)備的影響分析和預(yù)警信息發(fā)送

河南電網(wǎng)覆蓋范圍廣、設(shè)備眾多、運行維護工作量大，目前只對220kV及以上電網(wǎng)設(shè)備進行分析。基于電網(wǎng)GIS的強對流預(yù)警模型針對每個電網(wǎng)設(shè)備所在的強對流預(yù)警網(wǎng)格進行計算和判斷，如果電網(wǎng)設(shè)備在某一個強對流預(yù)警網(wǎng)格內(nèi)，或者穿過該網(wǎng)格，則認(rèn)為電網(wǎng)設(shè)備受到強對流天氣的影響，否則認(rèn)為沒有受到影響。

圖4 影響設(shè)備列表

根據(jù)生成的預(yù)警信息，設(shè)計靈活的強對流預(yù)警短信息訂閱、生成和發(fā)送機制。強對流預(yù)警短信息生成服務(wù)實時偵測強對流預(yù)警數(shù)據(jù)，每次有新的強對流預(yù)警出現(xiàn)后，通過強對流預(yù)警影響設(shè)備分析模型計算后，服務(wù)會根據(jù)用訂閱條件設(shè)置情況，生成訂閱的預(yù)警信息，并依據(jù)發(fā)送規(guī)則將短信息發(fā)送至訂閱用戶手機。

4 基于多普勒氣象雷達三維拼圖的夏季強對流預(yù)警技術(shù)驗證

圖5 8月1日1：00雷電預(yù)警發(fā)布截圖

2013年度夏期間，河南省強對流天氣頻發(fā)。全省除許昌外17個地市均出現(xiàn)7級以上大風(fēng)，最高風(fēng)力達到9～10級。8月份以來，全省落雷14.89萬次，是2012年同期的2.8倍。僅8月1日一天，全省落雷5.4萬次，為近五年來最高值。8月1日強對流過程對河南焦作、三門峽地區(qū)電網(wǎng)設(shè)備造成很大影響，大風(fēng)造成的異物碰線和雷擊等故障共造成220kV及以上輸電線路跳閘3條次，郊區(qū)配網(wǎng)受損嚴(yán)重。以下幾個時間對強對流預(yù)警系統(tǒng)進行了驗證。

圖6 8月1日03:36強降雨預(yù)警發(fā)布截圖

表1 線路跳閘時刻氣象預(yù)警信息匯總表

表2 跳閘線路匯總表

在8月1強對流過程中，3條線路在跳閘前均通過系統(tǒng)在該地發(fā)布了“大風(fēng)、強降水、雷電”等強對流預(yù)警信息。有效地改變了原來氣象預(yù)報時間不準(zhǔn)確、地理位置不精確等關(guān)鍵性問題，為電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)，氣象精細化預(yù)警提供了技術(shù)保障。

5 結(jié)語

2009年至今，全球范圍內(nèi)因氣候原因造成的電網(wǎng)故障，影響超過10萬人的達28次，占電網(wǎng)大面積停電事故總量的56%。國內(nèi)也發(fā)生了多次因氣象原因?qū)е碌拇竺娣e停電事故，其中影響范圍較大有：2008年以湖南省為主的冰災(zāi)，造成大規(guī)模電網(wǎng)故障，據(jù)統(tǒng)計本次冰災(zāi)共造成367萬條線路停運，電網(wǎng)直接經(jīng)濟損失154.5億元。2009年7月1日至5日，廣西出現(xiàn)大范圍強降雨，造成廣西電網(wǎng)10kV以上線路跳閘243條，停運配變（臺區(qū)）3362臺，等等。可見加強氣象預(yù)警技術(shù)在電網(wǎng)中的研究與應(yīng)用是十分必要的，準(zhǔn)確有效地將氣象預(yù)警信息與電網(wǎng)生產(chǎn)結(jié)合起來，不但能提升電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)能力和電網(wǎng)企業(yè)運營效益，而且能保障廣大居民用電可靠性。

［1］周寧，熊小伏.電力氣象技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，2015.

［2］大氣科學(xué)辭典編委會.大氣科學(xué)辭典［M］.北京：氣象出版社.1994.

［3］常越，陳德生.多普勒天氣雷達與雷電預(yù)警關(guān)系研究［J］.氣象與環(huán)境科學(xué)，2010，33（1）:36-39.

［4］俞小鼎.強對流天氣的多普勒天氣雷達探測和預(yù)警［J］.氣象科技進展，2012，1（3）：72-73.

［5］陳秋萍，陳齊川，劉錦繡，等.應(yīng)用衛(wèi)星、雷達資料的強對流天氣預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)［J］.氣象科技，2012，39（5）:545-551.

［6］吳國銳，李淑清，馮小劍.暴雨及強對流天氣預(yù)警系統(tǒng)［J］.廣東氣象，2003（4）:29-30.