基于氣象精細(xì)化數(shù)據(jù)的電網(wǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙彥陽(yáng)，惠小東，金鑫

（南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東廣州 510670）

電力行業(yè)在我國(guó)發(fā)展中作為對(duì)氣象存在高敏感性及信息需求性的行業(yè)之一，氣象變化會(huì)很大程度影響電網(wǎng)事業(yè)的生產(chǎn)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)。隨著近年來(lái)各類(lèi)因素所致，大霧、臺(tái)風(fēng)、高低溫、強(qiáng)對(duì)流等惡劣天氣狀況頻發(fā)，給電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大挑戰(zhàn)，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、降低氣象災(zāi)害帶來(lái)的影響也提出了更高技術(shù)要求[1-3]。隨著電網(wǎng)運(yùn)行、氣象災(zāi)害預(yù)警領(lǐng)域研究的逐漸深入，通過(guò)大量探索也獲得了一定成果，但仍然存在技術(shù)局限，表現(xiàn)在僅僅以來(lái)源單一的氣象數(shù)據(jù)作為依據(jù)，無(wú)法保證獲取互補(bǔ)氣象數(shù)據(jù)[4-5]，自然不能對(duì)氣象天氣的詳細(xì)衍變實(shí)時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。再加上在電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行特定氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)上也比較欠缺，所以目前僅僅可以做到初步預(yù)報(bào)電網(wǎng)運(yùn)行氣象災(zāi)害，無(wú)法全面保障電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[6]。

1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

基于氣象精細(xì)化數(shù)據(jù)的電網(wǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要在電網(wǎng)系統(tǒng)中能夠關(guān)聯(lián)顯示實(shí)時(shí)災(zāi)害天氣及氣象預(yù)報(bào)信息，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：

1）與自動(dòng)氣象站、天氣數(shù)值預(yù)報(bào)、多普勒雷達(dá)等氣象數(shù)據(jù)源成功接入，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)氣象災(zāi)害，并對(duì)氣象變化過(guò)程詳細(xì)展示[7]；

2）搭建電網(wǎng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，結(jié)合氣象精細(xì)化數(shù)據(jù)，包括災(zāi)害天氣、地理、電網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)，對(duì)氣象災(zāi)害的具體影響范圍進(jìn)行直觀判斷[8]；

3）可以滿足電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中的提前、精準(zhǔn)、抗災(zāi)、減災(zāi)等氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警；

4）可以為省電力、城市供電、檢修分公司提供詳細(xì)的氣象數(shù)據(jù)，服務(wù)于電網(wǎng)運(yùn)行災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)警。

2 系統(tǒng)總架構(gòu)

文中設(shè)計(jì)基于氣象精細(xì)化數(shù)據(jù)的電網(wǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，主要包括了四大系統(tǒng)功能組成（見(jiàn)圖1），分別為基礎(chǔ)層、平臺(tái)層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)需要運(yùn)用光纖連接跨越的氣象部門(mén)、電力內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)氣象精細(xì)化數(shù)據(jù)的采集、解析、發(fā)布[9]。在各企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的氣象數(shù)據(jù)傳輸均由MIS 網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，并運(yùn)用HTTP/TCP 協(xié)議傳輸氣象數(shù)據(jù)。

圖1 電網(wǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

基礎(chǔ)層主要包含數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、算例服務(wù)器、智能終端等。

平臺(tái)層包含各類(lèi)在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)、電網(wǎng)管理平臺(tái)、氣象局公共服務(wù)中心、GIS 和調(diào)度運(yùn)行平臺(tái)。

數(shù)據(jù)層主要包含數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)等數(shù)據(jù)處理服務(wù)。

應(yīng)用層包含細(xì)分模塊，進(jìn)行終端預(yù)警顯示。

3 關(guān)鍵數(shù)據(jù)庫(kù)建立

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)

3.1 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)

專(zhuān)業(yè)GIS 具備基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，想要實(shí)現(xiàn)GIS空間分析就要建立基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)要包含以下內(nèi)容：不同比例尺行政圖、地形圖、地質(zhì)文本等，以及省、市、縣、鎮(zhèn)、交通線、海岸、水系、地形等高線、建筑物、主要機(jī)構(gòu)、學(xué)校、醫(yī)院等信息。

3.2 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)

由于氣象異常產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害情況，會(huì)不可避免地破壞輸配電網(wǎng)內(nèi)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，因此地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)在電網(wǎng)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可缺少。該數(shù)據(jù)庫(kù)源于遙感影像、物探、化探獲得的電網(wǎng)運(yùn)行所覆蓋的主要地形地貌、地質(zhì)單元、地質(zhì)巖層、泥石流、凍土、水庫(kù)、區(qū)域礦產(chǎn)、地面沉降等相關(guān)信息。

3.3 氣象數(shù)據(jù)庫(kù)

設(shè)計(jì)基于氣象精細(xì)化數(shù)據(jù)的電網(wǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，氣象數(shù)據(jù)庫(kù)作為精細(xì)化監(jiān)測(cè)預(yù)警的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，氣象情況直接決定了電網(wǎng)是否所受氣象災(zāi)害影響[10-12]。所以該系統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)庫(kù)信息主要源于地面監(jiān)測(cè)、多普勒觀察、歷史數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感所得的詳細(xì)數(shù)據(jù)。包括了地方降水強(qiáng)度、范圍、時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、大氣溫、最低和最高溫、大氣壓、大氣密度、風(fēng)力、雷電量級(jí)、活動(dòng)范圍、分布定位、臺(tái)風(fēng)影響范圍、年均降雨量等信息。

3.4 電網(wǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)

電網(wǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)在設(shè)計(jì)中的主要數(shù)據(jù)信息包括不同電力設(shè)備結(jié)構(gòu)、材料類(lèi)型、電網(wǎng)設(shè)施以及不同設(shè)備在電網(wǎng)運(yùn)行差異條件中的限值與各參數(shù)值。

3.5 建立系統(tǒng)各數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)障礙溝通共享機(jī)制

在設(shè)計(jì)基于氣象精細(xì)化數(shù)據(jù)電網(wǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中，需要由不同部門(mén)管理不同數(shù)據(jù)庫(kù)，因此需要構(gòu)建各數(shù)據(jù)庫(kù)之間的溝通共享機(jī)制。尤其應(yīng)當(dāng)重視有密切業(yè)務(wù)聯(lián)系的合作部門(mén)，制定合作框架，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)接口，滿足無(wú)障礙溝通共享數(shù)據(jù)信息[13]。

4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)功能

在該次基于氣象精細(xì)化數(shù)據(jù)的電網(wǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要系統(tǒng)功能包括以下三部分。

4.1.1 氣象數(shù)據(jù)采集

經(jīng)過(guò)氣象自動(dòng)觀測(cè)、雷達(dá)、預(yù)報(bào)和強(qiáng)對(duì)流、大霧與紅外等云圖發(fā)布的不同形式氣象原始數(shù)據(jù)全面采集，向數(shù)據(jù)解析模塊實(shí)現(xiàn)安全可靠傳輸。自動(dòng)觀測(cè)站設(shè)計(jì)15 min 的數(shù)據(jù)采集周期，6 h 的格點(diǎn)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)采集周期，均為實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)，全省、單站的不同雷達(dá)采集數(shù)據(jù)周期為1 h，衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)采集的靜止衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)周期為1 h。

4.1.2 氣象數(shù)據(jù)解析

以采集的差異化、不同采集周期下的氣象數(shù)據(jù)，成功解析原始數(shù)據(jù)為預(yù)設(shè)格式文件數(shù)據(jù)，并將所獲數(shù)據(jù)寫(xiě)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器內(nèi)。數(shù)據(jù)解析的預(yù)設(shè)文件格式如下：XML 格式（自動(dòng)觀測(cè)、站點(diǎn)）；TXT（氣象預(yù)警）；二進(jìn)制（全省雷達(dá)、衛(wèi)星云圖）；shp（單站雷達(dá)）[14-16]。

4.1.3 氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警

氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地展示氣象實(shí)況、相關(guān)預(yù)警數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析氣象災(zāi)害會(huì)影響的電網(wǎng)資源。分析氣象災(zāi)害下包括氣象、臺(tái)風(fēng)、內(nèi)澇、雷電、山火、覆冰、地震和地質(zhì)等自然災(zāi)害預(yù)測(cè)的電網(wǎng)運(yùn)行。最終通過(guò)GIS 系統(tǒng)采用單值圖、色斑圖、統(tǒng)計(jì)圖等不同形式，將監(jiān)測(cè)區(qū)域的氣象變化情況實(shí)時(shí)展示，從而為電網(wǎng)運(yùn)行氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)模型提供詳細(xì)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)來(lái)源。

4.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于氣象精細(xì)化數(shù)據(jù)的電網(wǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，運(yùn)用了層次軟件結(jié)構(gòu)，由上至下分別包括了氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解析、存儲(chǔ)、地理信息和氣象信息的發(fā)布、展示與應(yīng)用層（見(jiàn)圖3）。

圖3 電網(wǎng)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

考慮到系統(tǒng)在應(yīng)用中的差異化需求，采用軟件結(jié)構(gòu)為C/S、B/S 混合結(jié)構(gòu)，將C/S 結(jié)構(gòu)應(yīng)用于系統(tǒng)客戶端維護(hù)，B/S 結(jié)構(gòu)應(yīng)用于普通端。經(jīng)過(guò)GIS 平臺(tái)設(shè)計(jì)存放數(shù)據(jù)庫(kù)為Oracle，運(yùn)用桌面程序處理文件完成數(shù)據(jù)解析，并開(kāi)發(fā)語(yǔ)言Flex 技術(shù)，滿足系統(tǒng)的頻繁訪問(wèn)氣象數(shù)據(jù)計(jì)算需求。

4.2.1 準(zhǔn)確定位系統(tǒng)脆性部位

運(yùn)用氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)定位氣象災(zāi)害時(shí)，主要以各數(shù)據(jù)庫(kù)采集的詳細(xì)氣象數(shù)據(jù)資料為依據(jù)，獲取在以往氣象資料庫(kù)內(nèi)的典型災(zāi)害參數(shù)，向氣象災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)中輸入數(shù)值后，提取電網(wǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的電網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)[17]。經(jīng)該系統(tǒng)模型求解閾值通過(guò)數(shù)學(xué)模型仿真分析，可以計(jì)算獲得相應(yīng)的區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行脆性部位分布位置并成功定位，經(jīng)GIS系統(tǒng)能夠?qū)Υ嘈圆课凰谖恢糜煽梢暬敵龉δ苣K展示。

4.2.2 災(zāi)中災(zāi)后災(zāi)害應(yīng)急決策

在氣象預(yù)警系統(tǒng)中，輸入電網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中已經(jīng)發(fā)生和正在進(jìn)行的氣象災(zāi)害情況的相關(guān)特征參數(shù)，包括臺(tái)風(fēng)風(fēng)力、運(yùn)行的路線和速度、變化規(guī)律、降水持續(xù)時(shí)長(zhǎng)、降水量和降水強(qiáng)度等詳細(xì)數(shù)據(jù)[18]。可以運(yùn)用GIS 模型庫(kù)的數(shù)據(jù)模型，以及氣象災(zāi)害統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型詳細(xì)分析氣象數(shù)據(jù)，通過(guò)GIS 展示獲取的不同比例尺地質(zhì)分布情況、災(zāi)害等級(jí)、強(qiáng)風(fēng)強(qiáng)降雨、災(zāi)害范圍等，快速準(zhǔn)確定位了電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的氣象災(zāi)害，有力保證了電網(wǎng)系統(tǒng)的災(zāi)后快速恢復(fù)（見(jiàn)圖4）[19]。

圖4 精細(xì)化預(yù)警氣象災(zāi)害流程

5 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一款基于氣象精細(xì)化數(shù)據(jù)的電網(wǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，能夠科學(xué)合理地安排電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)氣象災(zāi)害可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)、預(yù)警，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、保障社會(huì)發(fā)展意義重大。