氣象災害風險智能分析及預警系統

楊笑宇，張　勝，王守琴，孫新德

（1.南瑞集團北京科東公司，北京　100192；2.華中電網有限公司，武漢　430000）

氣象災害風險智能分析及預警系統

楊笑宇1，張勝2，王守琴1，孫新德2

（1.南瑞集團北京科東公司，北京100192；2.華中電網有限公司，武漢430000）

氣象災害是影響電力系統穩定運行的一個重要因素。通過對電力設備故障與氣象災害之間的關系進行研究，建立故障數據庫，找到引起故障的主要氣象因素，建立從氣象災害到電網設備故障的數據映射模型，結合電網地理信息系統繪制電網氣象災害區劃圖。

氣象災害；設備故障；氣象預警；色斑圖；文本解析

0　引言

近年來，隨著電網規模的不斷擴大和延伸，雷電、冰凍、暴（雨）雪、臺風等災害性天氣［1］對電網安全運行的影響也越來越大。華中電網所處的地理環境和氣象條件復雜，災害天氣對電網的影響嚴重。統計數據表明，由于災害天氣（線路覆冰、雷擊、大風等）所造成的線路跳閘次數占總量的60%以上。為了應對災害天氣、提高電網安全運行水平，開展惡劣氣象災害預警的研究是十分必要的。

在實時氣象監測方面，電網公司通過安裝監測裝置，實現對局部地區天氣高精度監測。但監測點的部署僅在相對較小的區域，覆蓋率低，安裝維護極為艱難，設備可靠性偏低。另外，自然條件和設施費用的制約，使得提高微氣象覆蓋范圍難度很大。在氣象預報方面，由于氣象部門無法針對災害天氣進行長期、非常規手段（加密觀測等）預報，并且地方氣象部門由于技術水平和計算條件的制約，只提供定性的氣象預報，在預報精度（氣象、地理位置等）方面還遠遠無法滿足電力公司對災害天氣預報的要求。在氣象與電網關聯方面，氣象信息與電網的聯系不夠緊密，無法用地理信息系統（GIS）等先進技術和手段準確地提供電網輸電線路和設備所處位置的氣象信息。因此，迫切需要從已有的、粗粒度的氣象數據中，獲得對電網設備的及時、準確預警，建設一套集成度高、功能全面、與電網緊密結合的電網氣象信息預警系統［2］。

本系統基于GIS地理信息平臺［3-5］，以全景化、多角度方式展示電網設備的空間地理位置、網絡拓撲結構、設備狀態和氣象等信息；通過對電網運行過程中因氣象災害引發的輸電線路和設備故障進行全面分析，建立電網氣象災害風險智能分析及預警模型。系統結合氣象實時信息、氣象預報信息及災害預警信息，利用色斑圖生成算法［6］、插值算法［7］、文本解析算法［8］，對可能受到影響的輸電線路和設備進行預警，為降低災害性天氣對電網安全穩定運行和可靠供電帶來的不利影響提供技術支持。

1　系統算法簡介

1.1色斑圖生成算法

系統中基于GIS的色斑圖分為2種，基于行政區矢量輪廓進行著色和基于等值線進行著色。基于政區矢量輪廓的色斑圖，重點在于獲取行政區輪廓。行政區包括省、市、區、縣，輪廓用一系列二維坐標點描述，需要使用程序解析shp文件后保存成系統所需的xml格式文件。基于等值線的色斑圖，首先獲取氣象采集站點的數據，并將華中區域劃分成m×n的網格；使用反距離加權算法對網格點進行插值；連接網格的對角線，獲得2×m×n個Delaunay三角形，在所有的三角形中追蹤等值線，并在邊界三角形上添加數值變大的方向向量；根據向量的方向，確定等值線兩側的區域顏色，得到色斑圖。

基于行政區矢量輪廓的色斑圖是根據對某地區的氣象預報，在地理信息平臺上進行塊著色，因此，使用唯一可識別的代碼“地名”來標識地理對象，即“地名”在地圖上所指示的地區范圍，建立地名與GIS平臺上矢量區域的映射，從而將文件或數據庫中的地名信息轉換成可以被用于GIS的地理對象。

1.2預警文件解析算法

中文分詞算法包括很多種，其中基于字符串匹配的分詞算法，又被稱為機械分詞方法、基于詞典的分詞方法［9］，是按照一定的策略將需要分析的漢字字符串與一個足夠大、內容足夠豐富的詞典中的詞進行匹配。如果在掃描的過程中匹配到某個字符串，則表示識別出一個字符串。該方法的關鍵點包括詞典、文本的掃描順序和字符串匹配的原則。詞典定義了所關心目標字符串的集合，文本的掃描順序包括正向、反向和雙向掃描，匹配原則包括最大匹配、最小匹配、逐詞匹配和最佳匹配。

考慮到項目中所涉及氣象預警文件的特點，經過反復代碼測試，系統使用基于詞典的正向最大匹配分詞算法和正則表達式匹配相結合的方法，從文本中提取關鍵信息。

1）詞典建立。詞典包括：地名詞典、暴雨等級詞典。同時定義正則表達式，其中，正則表達式主要用來匹配時間（××××年××月××日）、風力（10級）等。

2）正則表達式匹配。正則表達式用來匹配具有一定規律，但不能進行簡單枚舉字符串匹配的信息。

3）分詞算法選擇。經過反復代碼測試，最終選擇準確度和效率適中的正向最大減字分詞算法。

4）分詞結果重組。使用分詞算法得到類似“湖南、南部、大暴雨”的序列之后，需要將地名與方位、氣象條件組合，把“湖南、南部、大暴雨”組合成 “湖南南部-＞大暴雨”，以便與行政區矢量圖結合繪制色斑圖。

1.3矢量圖形相交計算

系統涉及的矢量圖形包括多邊形 （矢量輪廓）、折線（線路）、點（廠站），其相對位置關系判斷方法也不盡相同。

判斷一條折線與多邊形交點的個數，延伸到系統中，即計算線路與地區輪廓的交集：對每一條線路和每一個地區輪廓，確定每兩個桿塔之間的直線段與地區輪廓是否相交，如果相交，將線路在此交點處進行分割，生成兩條子線路，以此類推，直到線路末尾；判斷每一條子線路與輪廓的位置關系，保留判斷結果在輪廓內的子線路作為線路與輪廓的交集。

2　預警模型

線路預警結果集基于氣象預報、預警文件、天氣實況、線路參數、線路故障生成。由于從不同類型數據表中獲取的數據格式和表示方式存在差異，首先將氣象數據映射到每個設備預警專題上，映射關系如表1所示。

根據時間和綜合預警類型獲取對應表格中的氣象數據，確定設備預警等級與氣象情況的對應關系，如表2所示。

表1　氣象專題與設備預警映射表

氣象臺預警和預報數據以行政區為單位，根據設備與地區輪廓的交集計算出受影響的線路和線路段，結合氣象數據及表1～2，映射得到設備的預警等級；歷史實況數據以氣象采集站點為單位，使用反距離加權插值算法對每個線路段進行氣象數據插值，再根據插值結果和表1～2中所對應的等級進行線路段預警等級的映射。最后，將根據氣象臺預警、預報和歷史實況得到的設備預警進行合并。

表2　氣象專題與設備預警等級定義表

與歷史災害信息結合，對以往易發生故障的設備適當提高預警等級，以達到重點提醒的目的。

3　系統架構

3.1技術架構

系統采用B/S架構，方便用戶使用web瀏覽器進行應用訪問。前臺展示使用富客戶端FLEX技術，以多樣化的方式展示系統內容。后臺使用面向對象的java技術進行數據訪問和業務邏輯處理，很好地銜接了底層數據和用戶需求，底層數據來源于氣象系統數據庫和預警文件。氣象災害風險智能分析及預警系統技術架構如圖1所示。

圖1　氣象災害風險智能分析及預警系統技術架構

3.2功能架構

系統從不同的數據源獲取數據，經過數據的抽取，轉換得到統一格式數據，然后根據預警模型對數據進行再次計算得到預警結果，最后以色斑圖、表格、圖表等多樣化的形式展示氣象災害預警結果。系統功能結構如圖2所示。

圖2　系統功能結構

數據采集功能。系統從多個系統中獲取所需數據，包括：氣象檢測分析系統、雷電定位系統、覆冰檢測系統、電網GIS平臺數據、OMS系統、調度數據平臺。數據來源較多，格式也不盡相同，為了保證系統運行數據的正確性，準確定義數據源到系統數據的映射關系和精度是非常有必要的。例如，從氣象系統數據庫中獲得的原始氣象預報數據以文本形式描述，格式很不固定，為了能在地圖上以色斑圖形式展示，需要提取文本中的關鍵字。關鍵字的提取借助預警文件解析技術，從類似“雷陣雨轉多云”的字段中解析出最惡劣的氣象條件“雷陣雨”，并重新組織格式存儲到數據庫中。

信息展示與查詢功能。系統基于華中地理信息平臺展示500 kV電網設備分布情況，提供行政圖與地理圖的切換，支持在地圖上按照實際的GPS坐標繪制包括桿塔在內的電網設備，使用色斑圖的方式展示天氣實況、預報、預警信息，展示設備檢修、異常情況，提供未來24 h、48 h、72 h、96 h指定區域的天氣預測信息，提供動畫播放天氣變化情況，提供氣象數據的查詢、輸出，支持數據導出功能（包括表格、文本、圖片等格式），支持系統的全屏查看功能。

氣象災害區劃圖生成功能。系統支持按照氣象專題、故障發生次數、故障常發地點生成區劃圖，具備按照災害高發時段統計信息和歷史災害數據查詢功能，提供災害區劃圖按照最新年度數據自動更新功能。

氣象災害風險分析預警功能。系統可以接受氣象部門發出的氣象預警信息，根據信息內包含的地區自動解析判斷GIS地圖上預警信息所在區域；使用預警模型計算，輸出預警范圍內的所有500 kV及以上輸電線路，在系統界面突出顯示。

預警修正功能。系統能收集實況氣象觀測資料并自動解析、整理、存儲和展示功能，不斷完善豐富歷史設備故障信息數據庫；通過實際電網故障和預警結果的比對，評估氣象臨界條件的準確度并進行修正。

表3　線路故障與預警結果對比

告警和預警功能。系統不僅支持在GIS圖上顯示預警信息，同時具備預警數據推送功能，自動推送至電網運行綜合告警模塊，推送的內容包括氣象災害類型和受影響的線路，同時為了方便用戶查看完整的預警數據，文件中還提供系統訪問鏈接。

4　系統應用

系統已經在國家電網華中調度分中心試運行。在系統上線運行期間根據氣象臺發布的強對流天氣預警消息、天氣預報等氣象數據，對輸電線路及設備進行多次、準確預警。預警結果展示方式如圖3所示。系統支持根據預警類型和時間切換相應的氣象和設備預警數據，并在地圖上顯示。預警結果與線路實際故障對比，如表3所示。經過將故障實際發生情況與系統綜合預警結果對比發現，實際線路故障均已在事前由系統準確預警，對電網故障起到了積極的預警和防范作用。

圖3　系統界面展示

5　結語

電網氣象災害風險智能分析及預警系統在上線運行期間，運行平穩，數據搜集準確，數據處理正確，數據傳輸及時。迎峰度夏期間，該系統多次對受災害性天氣影響的輸電線路及設備進行預警，結果正確，為保證華中電網安全穩定運行提供了可靠的技術支持。

［1］薛麗芳，王亦寧，謝凱，等.基于防災預警電網氣象信息系統的設計與實現［J］.水電自動化與大壩監測，2013，37（2）：5-8.

［2］成濤，劉建平，鄧曉春.湖南電力專業氣象預報預警信息平臺在湖南電網的應用［J］.湖南電力，2011（S1）：147-149.

［3］胡慶武，陳亞男，周洋，等.開源GIS進展及其典型應用研究［J］.地理信息世界，2009，2（1）：46-55.

［4］馬敏孜.基于GIS的輸電網生產管理信息綜合展現平臺的設計［J］.電工技術，2008（11）：19-21.

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［6］賈宏元，趙光平，孫銀川，等.基于Surfer Automation對象技術的等值線自動繪圖方法研究與應用［J］.計算機系統應用，2006，15 （7）：21-24.

［7］馮錦明，趙天保，張英娟.基于臺站降水資料對不同空間內插方法的比較［J］.氣候與環境研究，2004（6）：261-277.

［8］戴澤軍，苗春生，禹偉，等.一種繪制地面天氣圖及要素場等值線方法［J］.南京氣象學院報，2003，26（1）：130-135.

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［10］李升.電網預警及應急調度指揮系統的設計與開發［D］.北京：華北電力大學，2009.

Intelligent Analysis and Early Warning System of Meteorological Disaster Risk

YANG Xiaoyu1，ZHANG Sheng2，WANG Shouqin1，SUN Xinde2
（1.NARI Group Company Beijing Branch，Beijing 100192，China；2.Central China Power Grid Co.，Ltd.，Wuhan 430000，China）

The meteorological disaster is an important factor affecting the stability of power system operation.In this paper，the relationship between faults of power equipment and meteorological disasters is studied.Through establishing the fault database，finding the main meteorological factors causing failure，the data mapping model from meteorological disaster to power grid equipment fault is built.Finally the meteorological disaster zoning map of the grid is displayed combined with the grid GIS.

meteorological disaster；device fault；meteorological warning；color map；text analysis

TM732

A

1007-9904（2016）07-0021-04

2016-02-02

楊笑宇（1984），男，工程師，從事調度信息化管理系統的研究與開發工作。