強(qiáng)對(duì)流預(yù)警技術(shù)在電網(wǎng)生產(chǎn)過(guò)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(qiáng)對(duì)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(qiáng)降雨等強(qiáng)烈對(duì)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(duì)電網(wǎng)而言，強(qiáng)對(duì)流天氣可能導(dǎo)致變電站停運(yùn)、倒塔、線路雷擊跳閘、導(dǎo)線舞動(dòng)等突發(fā)狀況發(fā)生。河南省位于中國(guó)中東部，是全國(guó)強(qiáng)對(duì)流天氣高發(fā)區(qū)之一，夏季強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)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(kāi)封地區(qū)發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣，造成多基輸電桿塔倒塔；2009年夏季商丘地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣風(fēng)速達(dá)11級(jí)，造成10kV以上電壓等級(jí)多條輸電線路跳閘；2012年7月開(kāi)封地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣造成多條線路跳閘等。因此如何建立一種有效的強(qiáng)對(duì)流預(yù)警運(yùn)行機(jī)制顯得尤為重要［1-2］。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)八、九十年代，天氣預(yù)報(bào)的主要服務(wù)對(duì)象仍以農(nóng)林牧業(yè)和公共服務(wù)為主，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和延伸，災(zāi)害性天氣對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響越來(lái)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(duì)于電力氣象領(lǐng)域的研究，全球范圍內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)展了電力與氣象相結(jié)合的研究。如美國(guó)Northeast Regional Climate Center，利用天氣預(yù)報(bào)模型（WRF）和Ramer降水型算法對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行了短期積冰預(yù)測(cè)。加拿大等國(guó)家研究部門也利用天氣因素進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)等工作。國(guó)內(nèi)方面，近年來(lái)各網(wǎng)省電力公司加強(qiáng)與氣象部門合作，積極開(kāi)展針對(duì)強(qiáng)降水、雷電、大風(fēng)、冰雹、覆冰、舞動(dòng)、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(guó)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(cè)與分析系統(tǒng)；2010年，國(guó)網(wǎng)福建省電力公司與福建省氣象臺(tái)合作開(kāi)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(tái)正式投入運(yùn)行等。目前國(guó)內(nèi)一些重要?dú)庀蟛块T，如中國(guó)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(cè)預(yù)警作為一個(gè)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(dá)的夏季強(qiáng)對(duì)流預(yù)警方法介紹

2.1 基于多普勒氣象雷達(dá)的三維拼圖技術(shù)介紹

通過(guò)已經(jīng)建成的新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)獲得所需雷達(dá)基數(shù)據(jù)，將極坐標(biāo)系下的空間分辨率不均勻的雷達(dá)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(diǎn)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(dá)基數(shù)據(jù)和其他觀測(cè)資料進(jìn)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(dá)天線所在點(diǎn)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(dá)波束傳播和大圓幾何學(xué)理論確定網(wǎng)格單元相對(duì)于雷達(dá)點(diǎn)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(dá)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(diǎn)上。

2.1.2 三維拼圖方法

在拼圖網(wǎng)格的很多區(qū)域，有來(lái)自多個(gè)雷達(dá)的資料重疊區(qū)，在拼圖網(wǎng)格中的每個(gè)網(wǎng)格單元的反射率因子值可以通過(guò)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(lái)自第n個(gè)雷達(dá)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(dá)個(gè)數(shù)。為了避免噪聲的干擾，反射率小于0dBZ的格點(diǎn)被認(rèn)為是無(wú)回波的點(diǎn)。如果Nrad=0，那么網(wǎng)格單元不被任何一個(gè)雷達(dá)覆蓋，該網(wǎng)格單元的fm（i）被賦一個(gè)缺值符號(hào)［5］。如果Nrad=1，那么網(wǎng)格單元的值就等于那個(gè)雷達(dá)在該網(wǎng)格單元的值。如果Nrad＞1，那么就使用多個(gè)雷達(dá)分析值的權(quán)重平均。

2.2 利用新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)識(shí)別地面大風(fēng)的方法

在新一代天氣雷達(dá)三維拼圖基礎(chǔ)上，利用雷達(dá)回波三維結(jié)構(gòu)特征及其變化來(lái)預(yù)警強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生的地面大風(fēng)。三維拼圖系統(tǒng)對(duì)河南省多部雷達(dá)進(jìn)行三維拼圖，計(jì)算得到回波強(qiáng)度的三維格點(diǎn)數(shù)據(jù)，并利用強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)回波分塊跟蹤方法（SCIT），將雷達(dá)回波進(jìn)行分塊，并計(jì)算出每塊對(duì)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(shí)間變率DVIL（相鄰兩個(gè)體掃VIL變化）、風(fēng)暴體移動(dòng)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(dá)三維組網(wǎng)數(shù)據(jù)和地面加密自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)資料，統(tǒng)計(jì)分析了對(duì)流性地面大風(fēng)的6個(gè)主要雷達(dá)識(shí)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(shí)間變率、風(fēng)暴最大反射率因子下降高度、風(fēng)暴體移動(dòng)速度和VIL密度等參數(shù)。根據(jù)雷達(dá)識(shí)別指標(biāo)和地面大風(fēng)的相關(guān)性，給出了識(shí)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(duì)流性地面大風(fēng)識(shí)別方法。

圖1 地面大風(fēng)識(shí)別算法框圖

2.3 利用新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)識(shí)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(dá)三維拼圖基礎(chǔ)上，利用雷達(dá)回波三維結(jié)構(gòu)特征及其變化來(lái)預(yù)警強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生的地面冰雹的方法。三維拼圖系統(tǒng)對(duì)河南省多部雷達(dá)進(jìn)行三維拼圖，計(jì)算得到回波強(qiáng)度的三維格點(diǎn)數(shù)據(jù)，并利用強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)回波分塊跟蹤方法（SCIT），將雷達(dá)回波進(jìn)行分塊，并計(jì)算出每塊對(duì)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(shí)間變率DVIL（相鄰兩個(gè)體掃VIL變化）、風(fēng)暴體移動(dòng)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(shí)別的物理量為如下5個(gè)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(qiáng)回波高度相對(duì)于0℃和-20℃等溫線高度的位置［6］。根據(jù)雷達(dá)識(shí)別指標(biāo)和冰雹的相關(guān)性，給出了識(shí)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(shí)別方法。

2.4 雷達(dá)和自動(dòng)站聯(lián)合估測(cè)局地強(qiáng)降水的方法

根據(jù)地物遮擋情況，確定每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的回波強(qiáng)度，自動(dòng)站數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制和與雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間和空間匹配后，形成一一對(duì)應(yīng)的雨量和回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過(guò)最小二乘擬合得到Z-R關(guān)系，再根據(jù)混合掃描回波強(qiáng)度，計(jì)算得到瞬時(shí)的雨強(qiáng)，通過(guò)時(shí)間累計(jì)得到1h雨量。

利用回波跟蹤方法，計(jì)算得到每個(gè)回波塊的移動(dòng)方向和速度，根據(jù)計(jì)算的當(dāng)前的雨強(qiáng)，進(jìn)行0～2h的外推，并經(jīng)過(guò)時(shí)間累計(jì)，即可得到降水量的預(yù)報(bào)結(jié)果。

圖2 雷達(dá)自動(dòng)站降水估測(cè)模塊框圖

3 強(qiáng)對(duì)流預(yù)警技術(shù)與河南電網(wǎng)GIS融合

3.1 強(qiáng)對(duì)流預(yù)警數(shù)據(jù)預(yù)處理

強(qiáng)對(duì)流預(yù)警計(jì)算模型通過(guò)對(duì)多普勒雷達(dá)基數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)雷電定位數(shù)據(jù)的計(jì)算，分別得到強(qiáng)降水預(yù)警計(jì)算結(jié)果、大風(fēng)預(yù)警計(jì)算結(jié)果和冰雹預(yù)警計(jì)算結(jié)果。為優(yōu)化數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程保障數(shù)據(jù)的即時(shí)性和有效性，建立網(wǎng)格數(shù)量和坐標(biāo)固化機(jī)制，將每種預(yù)警計(jì)算固定為500×500個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，覆蓋河南全境。

3.2 強(qiáng)對(duì)流預(yù)警信息GIS地圖展示

強(qiáng)對(duì)流預(yù)警是一個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，因此需要在電網(wǎng)GIS的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，增加動(dòng)態(tài)展示強(qiáng)對(duì)流預(yù)警的功能。將強(qiáng)對(duì)流預(yù)警數(shù)據(jù)采用分等級(jí)合并的方式通過(guò)Flex方法繪制到GIS地圖圖層上。強(qiáng)對(duì)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(qiáng)對(duì)流預(yù)警影響設(shè)備關(guān)聯(lián)計(jì)算模型，通過(guò)河南電網(wǎng)線路與變電站等設(shè)備通過(guò)經(jīng)緯度坐標(biāo)和強(qiáng)對(duì)流預(yù)警網(wǎng)格進(jìn)行圖形化匹配計(jì)算，從而計(jì)算出哪些電網(wǎng)設(shè)備會(huì)受到強(qiáng)對(duì)流預(yù)警網(wǎng)格影響，并根據(jù)預(yù)警等級(jí)來(lái)定義影響等級(jí)。

圖3 強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警GIS展示界面

3.3 強(qiáng)對(duì)流預(yù)警對(duì)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(yùn)行維護(hù)工作量大，目前只對(duì)220kV及以上電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行分析。基于電網(wǎng)GIS的強(qiáng)對(duì)流預(yù)警模型針對(duì)每個(gè)電網(wǎng)設(shè)備所在的強(qiáng)對(duì)流預(yù)警網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算和判斷，如果電網(wǎng)設(shè)備在某一個(gè)強(qiáng)對(duì)流預(yù)警網(wǎng)格內(nèi)，或者穿過(guò)該網(wǎng)格，則認(rèn)為電網(wǎng)設(shè)備受到強(qiáng)對(duì)流天氣的影響，否則認(rèn)為沒(méi)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(jì)靈活的強(qiáng)對(duì)流預(yù)警短信息訂閱、生成和發(fā)送機(jī)制。強(qiáng)對(duì)流預(yù)警短信息生成服務(wù)實(shí)時(shí)偵測(cè)強(qiáng)對(duì)流預(yù)警數(shù)據(jù)，每次有新的強(qiáng)對(duì)流預(yù)警出現(xiàn)后，通過(guò)強(qiáng)對(duì)流預(yù)警影響設(shè)備分析模型計(jì)算后，服務(wù)會(huì)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(jī)。

4 基于多普勒氣象雷達(dá)三維拼圖的夏季強(qiáng)對(duì)流預(yù)警技術(shù)驗(yàn)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(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)。全省除許昌外17個(gè)地市均出現(xiàn)7級(jí)以上大風(fēng)，最高風(fēng)力達(dá)到9～10級(jí)。8月份以來(lái)，全省落雷14.89萬(wàn)次，是2012年同期的2.8倍。僅8月1日一天，全省落雷5.4萬(wàn)次，為近五年來(lái)最高值。8月1日強(qiáng)對(duì)流過(guò)程對(duì)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(gè)時(shí)間對(duì)強(qiáng)對(duì)流預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖6 8月1日03:36強(qiáng)降雨預(yù)警發(fā)布截圖

表1 線路跳閘時(shí)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(qiáng)對(duì)流過(guò)程中，3條線路在跳閘前均通過(guò)系統(tǒng)在該地發(fā)布了“大風(fēng)、強(qiáng)降水、雷電”等強(qiáng)對(duì)流預(yù)警信息。有效地改變了原來(lái)氣象預(yù)報(bào)時(shí)間不準(zhǔn)確、地理位置不精確等關(guān)鍵性問(wèn)題，為電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)，氣象精細(xì)化預(yù)警提供了技術(shù)保障。

5 結(jié)語(yǔ)

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(guò)10萬(wàn)人的達(dá)28次，占電網(wǎng)大面積停電事故總量的56%。國(guó)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(jì)本次冰災(zāi)共造成367萬(wàn)條線路停運(yùn)，電網(wǎng)直接經(jīng)濟(jì)損失154.5億元。2009年7月1日至5日，廣西出現(xiàn)大范圍強(qiáng)降雨，造成廣西電網(wǎng)10kV以上線路跳閘243條，停運(yùn)配變（臺(tái)區(qū)）3362臺(tái)，等等?？梢?jiàn)加強(qiáng)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(lái)，不但能提升電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)能力和電網(wǎng)企業(yè)運(yùn)營(yíng)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(guó)電力出版社，2015.

［2］大氣科學(xué)辭典編委會(huì).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(dá)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(qiáng)對(duì)流天氣的多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)和預(yù)警［J］.氣象科技進(jìn)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(dá)資料的強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)［J］.氣象科技，2012，39（5）:545-551.

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