基于GIS的云南電網雷電信息分析系統研究

黃 然 錢國超 徐肖偉

（云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南昆明650217）

0 引言

雷擊會引起架空輸電線路跳閘，威脅電網的安全可靠運行，所以建立雷電觀測裝置的重要性不言而喻。目前，國內外通過在桿塔/建筑物安裝引雷針、火箭引雷等手段積累自然雷擊參數[1]，并使用行波監測裝置獲取雷擊線路暫態參數[2]。美、中、法、日等國還在全國建立起雷電定位系統[3-4]，截至目前，云南全省范圍內已安裝雷電定位系統44套，可探測全網雷電數據。雷電定位系統（也稱雷電監測系統或雷電定位監測系統）是一套結合了電磁遙測技術、衛星技術、地理信息技術、計算機應用技術等科技的全自動、大面積、高經度、實時雷電監測系統，能實時測量雷電發生的時間、方位、極性、強度、回擊次數等多項雷電參數。該系統在云南電網已運行近十年，積累了大量雷電監測數據，為雷電參數特征分析應用系統提供了有力的數據保障。

1 云南電網雷電信息分析系統簡介

經過多年的發展和完善，云南省雷電定位系統已經在全省各地建立起來，積累了大量的雷電監測數據，可以充分利用這些數據進行各種雷電參數的分析研究，包括雷電日、雷電小時、地閃密度Ng、地面落雷密度γ、雷電流幅值累積概率分布P（＞I）、回擊次數、正極性比率等。鑒于雷電定位系統自動監測的雷電數據量巨大，為了方便、快捷地對雷電參數進行統計，以雷電定位系統的監測數據為基礎開發了這套云南電網雷電信息分析系統。不同于原有雷電定位系統中附帶的統計模塊，它為從雷電定位系統測量數據統計樣本分析，到完整的區域雷電參數統計、輸電線路走廊雷電參數統計提供了全套方案，為防雷設計、評估提供了基礎和平臺。

2 云南電網雷電信息統計分析原理及方法

雷電特征量反映的是一個區域雷電活動的強弱，通過對大量雷電特質參數的分析總結出重要區域雷電活動規律特征[5]，建立科學規范的雷電特征量統計分析方法，從而為電力系統制定針對性保護策略，降低通道雷擊風險提供數據基礎。該系統中統計雷電特征參數包括：雷電日、雷電小時、地閃密度Ng、地面落雷密度γ、地閃總數、正極性比率、平均電流、雷電流幅值累積概率曲線和表達式、雷電流幅值比率曲線等。

統計區域/線路的雷電特征量即統計每條雷電數據中心點位置，并將該條雷電數據定義為一個要素點，然后把區域/線路（緩沖區）抽象成一個面狀要素，這樣就可在一個地理坐標系或投影坐標系下判斷點狀要素和面狀要素之間的空間關系。當點狀要素和面狀要素幾何關系為相交時，則說明此落雷數據處于該區域內，在統計時把該落雷數計算進去。

對雷電參數進行統計有兩種方法，一種為按行政區域或特定區域（線路緩沖區、手動繪制統計區域）進行統計，另外一種則將該區域劃分為不同網格大小進行統計。分網格法就是將行政區域分成若干連續的面積近似的虛擬小格，通過與雷電數據的位置關系數出每格中雷電參數，這樣就可以用若干個在二維空間上連續分布的小格來描述某一區域內雷電參數的地理分布情況，精確度可以自行設定，通常分級分色來描述地理分布規律。利用網格的區域統計時，網格越小越能真實地反映出該區域內的雷電分布情況。而采用區域統計雖然在管理和習慣上比較方便，但是在統計時由于行政區域輪廓很不規則，將導致統計結果不夠精確，無法真實地反映該區域的落雷情況。

雷電特征量統計分析方法有：常規數理統計、滑動平均分析、聚類統計和渲染分析。首先統計總數、最大值、最小值、平均值、數值分布，然后根據統計值生成特定報告。渲染分析則是將要素的屬性值劃分為不同的等級，其中該系統地閃密度的分級為國網地閃密度圖劃分標準及自然分級，然后再用不同的顏色標示，這樣就可以非常直觀地反映出該區域的雷電分布情況。

3 云南電網雷電信息統計系統功能設計

基于云服務的新一代雷電信息分析系統能大幅度提高雷電監測數據的利用率及利用深度，生成可直接指導區域及線路防雷工作的有效數據，不斷完善系統應用功能。主要功能技術要求如下：

（1）對每一個用戶分配系統權限，簡單分為三種級別權限進行自由排列組合，可查詢分析數據，可導出數據，可編輯數據。

（2）危險雷電密度分布在地閃密度分布和雷電流幅值分布的基礎上繪制，是雷害風險分布圖的基礎。對于不同電壓等級、不同雷害性質，具有不同的危險電流段，繪制各類危險電流段內的地閃的密度分布，得到相應的危險雷電密度分布。

（3）可對重要線路走廊的雷電活動進行評價，并按周、月、年提供雷電活動評估報告；或根據用戶需求定制相關模板，并在計算分析后自動生成區域/線路雷電活動分析報告。

（4）分析多個行政區、線路走廊、線路走廊區塊、點位緩沖區、網格、自定義多邊形內的某種類型的數據樣本，通過比較多個區域之間的雷電日、雷電小時、密度等參數得到雷電活動在這多個區域組成的大區域上的空間分布規律。

（5）分析一個行政區、線路走廊、線路走廊區塊、點位緩沖區、網格、自定義多邊形內的某種類型的數據樣本，按月、按年來比較雷電日、雷電小時、密度、比率等參數，得到該區域雷電活動在時間上的分布規律。

（6）在分析點、線等對象時，先定義一個緩沖區；為了研究輸電線路沿線雷電活動規律，系統針對輸電線路提供了對線路緩沖區沿線按長度等分的功能；為了研究線路的引雷寬度，提供了建立多級緩沖區的功能。

圖1 雷害風險計算邏輯圖

4 基于GIS的云南電網雷電信息統計系統設計

由于雷電數據樣本巨大，并且雷電數據本身具有空間屬性，所以必須選用一個高效的、功能強大的GIS平臺來處理這海量的數據，以它為基礎擴展出雷電參數分析功能模塊，最終構成分析軟件。美國ESRI公司是專業開發地理信息系統的廠家，是目前世界上GIS的三大廠家之一，其開發的ArcObjects是當前最優秀的GIS軟件之一。其組件提供了大量的通用的統計程序與統計方法，方便雷電系統進行相關的分析與直觀顯示。它還提供了獨立COM組件的產品ArcGIS Engine，方便進行再開發。

數據上傳、下載均通過Web Service接口進行通信，該技術能使運行在不同機器上的不同應用無須借助附加的、專門的第三方軟件或硬件，就可以相互交換數據或集成，大大方便了應用接口的開發。

通過對雷電日、雷電小時、地閃密度Ng、地面落雷密度γ、地閃總數、正極性比率、平均電流等各種雷電參數的統計，對采集的信息進行時間、空間、電流不同維度的分析，統計結果有Excel表、Word報告、gif圖片、圖層文件等形式。

5 基于GIS的云南電網雷電信息統計系統應用

系統可根據不同需求，選擇不同大小網格，即統計精度，可得出同一區域不同分析結果。網格分析統計運行結束后，在“雷電數據分析系統”圖層欄中出現所選區域各年及平均年的網格分析結果，這些結果文件存儲在“保存到”指定路徑下，自動命名規則為：在“網格分析”對話框中“保存到”方框中的指定名稱后加上“（網格大小年份）”。

危險雷電密度分布在地閃密度分布和雷電流幅值分布的基礎上繪制，是雷害風險分布圖的基礎。對于不同電壓等級、不同雷害性質，具有不同的危險電流段，繪制各類危險電流段內的地閃的密度分布，得到相應的危險雷電密度分布。其計算邏輯圖如圖1所示。

危險雷電密度分布的分級方法建立在地閃密度分級基礎上，以地閃密度等級劃分時的3個分割點（分別為A級與B1級的分割點、B2級與C1級的分割點、C2級與D1級的分割點）對應的地閃密度Ng值，以及當地雷電流幅值累積概率分布P（＞I）為依據，得到繞擊危險雷電密度分布中相應的3個分割點值，然后根據得到的反擊危險雷電密度分布中相應的3個分割點值，分別將繞擊危險雷電密度分布和反擊危險雷電密度分布劃分成4個等級，作為雷害風險分布圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級區域劃分的基礎。

將線路走廊劃分成一系列小段，統計各個小區段內的雷電參數，這樣多個區段內雷電參數的分布即可反映線路走廊沿線雷電活動規律的變化。任務完成后，在圖層欄左側自動顯示出結果圖層文件，在主窗口中則顯示出劃分的緩沖區結果。線路沿線地閃密度空間分布按不同分色圖顯示出來，不同的顏色代表不同的密度值范圍，所代表的范圍值顯示在左側圖層欄該圖層下，也可通過“+圖例”按鈕讓其顯示在主窗口中。

6 結語

我們在地理信息系統平臺上根據雷電定位系統測量數據統計樣本開發出了一套雷電信息統計軟件，該系統作為雷電數據展示、管理、統計平臺，提供了區域雷電參數統計、輸電線路走廊雷電參數統計等多個功能模塊，為探索區域雷電發生規律及防雷設計提供了堅實的基礎。

[1]谷山強，陳維江，向念文，等.一次自然雷擊過程的光學觀測分析[J].高電壓技術，2014，40（3）：683-689.

[2]彭向陽，錢冠軍，李鑫，等.架空輸電線路跳閘故障智能診斷[J].高電壓技術，2012，38（8）：1965-1972.

[3]陳家宏，張勤，馮萬興，等.中國電網雷電定位系統與雷電監測網[J].高電壓技術，2008，34（3）：425-431.

[4]陳維江，陳家宏，谷山強，等.中國電網雷電監測與防護亟待研究的關鍵技術[J].高電壓技術，2008，34（10）：2009-2015.

[5]陳家宏，鄭家松，馮萬興，等.雷電日統計方法[J].高電壓技術，2006，32（11）：115-118.