架空輸電線路覆冰厚度預(yù)測技術(shù)研究

黃俊杰,胡丹暉，王文爍，方 圓

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.國家電網(wǎng)公司高壓電氣設(shè)備現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430077）

架空輸電線路覆冰厚度預(yù)測技術(shù)研究

黃俊杰1,2,胡丹暉1,2，王文爍1,2，方 圓1,2

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.國家電網(wǎng)公司高壓電氣設(shè)備現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430077）

通過統(tǒng)計(jì)和分析歷年輸電線路覆冰案例，根據(jù)氣象和地理規(guī)律，提出一種基于氣象信息的輸電線路覆冰厚度預(yù)測方法。利用氣象模式預(yù)報(bào)資料、氣象臺(tái)站觀測資料和地形地貌信息，對冷空氣中心路徑預(yù)報(bào)，并通過覆冰氣象地理模型預(yù)報(bào)未來一段時(shí)間出現(xiàn)覆冰的區(qū)域和線路，給出輸電線路覆冰厚度預(yù)報(bào)值。另外采用高精度的地理信息資料訂正冰厚，實(shí)現(xiàn)輸電線路覆冰厚度預(yù)報(bào)。系統(tǒng)在湖北電網(wǎng)部署以來，多次準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了覆冰發(fā)生區(qū)域和輸電線路冰厚，為線路運(yùn)維人員防災(zāi)應(yīng)急處置爭取了寶貴時(shí)間。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，本方法預(yù)測輸電線路覆冰厚度準(zhǔn)確度高、實(shí)用性強(qiáng)，具有推廣價(jià)值，同時(shí)也為開發(fā)輸電線路舞動(dòng)、雷電等災(zāi)害預(yù)報(bào)系統(tǒng)積累了經(jīng)驗(yàn)。

輸電線路；覆冰；預(yù)報(bào)；氣象地理信息

0 引言

近年來，隨著氣候變化的加劇，以覆冰為代表的各類極端惡劣天氣的發(fā)生范圍、頻率和強(qiáng)度都呈顯著增加趨勢[1-2]。隨著我國電網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大，輸電線路發(fā)生覆冰事故的頻率和危害程度呈明顯增加的趨勢，給電網(wǎng)系統(tǒng)造成了大范圍的破壞，經(jīng)濟(jì)損失巨大[3-4]。輸電線路覆冰已經(jīng)成為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重大威脅。

利用常規(guī)氣象預(yù)報(bào)信息，結(jié)合地形特征預(yù)測輸電線路覆冰厚度，可以為有關(guān)部門制定應(yīng)急預(yù)案，開展防災(zāi)應(yīng)急處置爭取時(shí)間，減少覆冰災(zāi)害造成的損失。實(shí)現(xiàn)防冰災(zāi)工作由被動(dòng)搶險(xiǎn)向主動(dòng)防御，由事后分析向事前預(yù)測的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，可以為有針對性的采取線路防冰差異化設(shè)計(jì)和改造提供依據(jù)，增強(qiáng)輸電線路抗冰災(zāi)能力[5]。

本文結(jié)合湖北電網(wǎng)實(shí)際情況，提出一種基于氣象預(yù)報(bào)信息的輸電線路覆冰厚度預(yù)測方法，利用氣象模式預(yù)報(bào)資料和高精度的地理信息，對架空輸電線路覆冰厚度及發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，實(shí)現(xiàn)湖北電網(wǎng)輸電線路覆冰短期和臨近預(yù)報(bào)。

1 輸電線路覆冰機(jī)理分析

輸電線路覆冰一般發(fā)生在冬季，其形成與很多因素有關(guān)，如溫度、濕度、風(fēng)速、地形、海拔高度等。但是覆冰的發(fā)生有其特定的天氣系統(tǒng)，高濕和低溫是其最為主要的兩個(gè)因素，而高濕又是一個(gè)決定性的因素。

為找出導(dǎo)致湖北輸電線路覆冰的主要天氣系統(tǒng)，分析了湖北電網(wǎng)1 533 d的輸電線路覆冰典型個(gè)例氣流來向軌跡。所選用的模型為HySplit軌跡分析模型，所用資料為NCEP逐日再分析資料，分析的基準(zhǔn)點(diǎn)為武漢氣象站觀測點(diǎn)，計(jì)算覆冰發(fā)生時(shí)100 kPa向前24 h的氣流來向，并對其結(jié)果進(jìn)行聚類分析，覆冰主要影響天氣系統(tǒng)信息如圖1所示。

圖1 典型覆冰天氣系統(tǒng)軌跡聚類結(jié)果Fig.1 Typical icing weather system trajectories clustering

從圖1可知，覆冰發(fā)生時(shí)，影響系統(tǒng)以偏北、偏東氣流為主。根據(jù)氣流方向和速度不同，共有3類主導(dǎo)天氣系統(tǒng)，其中來自于東北路的天氣系統(tǒng)居多，占比63%。東北路冷空氣的典型特征是其水汽含量較為豐富，同樣水汽較為豐富的天氣系統(tǒng)是第1類西路冷空氣，由于其主體經(jīng)過西南地區(qū)，會(huì)攜帶部分西南地區(qū)的暖濕氣流影響湖北，也是容易造成覆冰的典型天氣系統(tǒng)，而這兩類高濕型的天氣系統(tǒng)占主導(dǎo)天氣系統(tǒng)的比例達(dá)到87%。

1.1 輸電線路覆冰厚度氣象模型

通過研究輸電線路覆冰樣本和氣象臺(tái)站電線覆冰樣本數(shù)據(jù)，得到輸電線路覆冰厚度氣象模型[6]。但是按照覆冰觀測規(guī)范，所記錄的覆冰樣本是在覆冰達(dá)到最大時(shí)進(jìn)行的觀測記錄。而覆冰的形成是一個(gè)增長過程，在觀測之前，其已經(jīng)開始逐漸形成并增長，當(dāng)開始觀測記錄時(shí)，覆冰增長的條件已經(jīng)被破壞，進(jìn)入到逐步消融階段，因此，利用觀測同期的氣象記錄來進(jìn)行擬合，無法反映出覆冰形成時(shí)的真實(shí)氣象條件。一個(gè)覆冰過程一般在2～3 d之間，因此建模時(shí)考慮使用覆冰觀測當(dāng)日和前兩日的氣象因子。

經(jīng)過回歸分析，建立導(dǎo)線覆冰厚度與相關(guān)性高的氣象要素之間的關(guān)系模型為

式中：Y為輸電線路等值覆冰厚度（mm）。需要注意的是，等值覆冰厚度指離地10 m高，26.8 mm線徑導(dǎo)線上的密度為0.9 g/cm3的覆冰厚度；x1為前2 d平均氣溫（℃）；x2為前1 d最高氣溫（℃）；x3為前1 d最低氣溫（℃）；x4為當(dāng)天水汽壓（hPa）；x5為前1 d相對濕度（%）；x6為前2 d最小相對濕度（%）；x7為前2 d降雨量（0.1 mm）；x8為前2 d平均風(fēng)速（0.1 m/s）。

覆冰的形成不僅與氣象要素密切相關(guān)，與局地地形因子也有緊密聯(lián)系。因此，氣象模型要與實(shí)際情況相符，還必須經(jīng)地形修訂。

1.2 輸電線路覆冰模型地形訂正

分析湖北省高海拔氣象臺(tái)站歷史覆冰厚度觀測資料，可知覆冰厚度整體上是隨著海拔高度的增加而增大。在海拔200 m以下區(qū)域，覆冰厚度與海拔高度無顯著關(guān)系；而海拔200 m以上時(shí)，覆冰厚度隨海拔增加的關(guān)系非常明顯，海拔高度成為影響輸電線路覆冰厚度的主導(dǎo)因素；當(dāng)海拔達(dá)2 000 m以上時(shí)，覆冰厚度增加不明顯。

在海拔高度200～2 000 m的區(qū)域，建立輸電線路覆冰厚度和海拔高度回歸模型

其中DEM為海拔高度(m)。當(dāng)DEM＞2 000 m時(shí)，式（2）中的DEM值仍取2 000 m。

1.3 輸電線路覆冰模型地形因子訂正

通過對輸電線路冰厚與地形因子的相關(guān)性進(jìn)行分析計(jì)算，選用的訂正地形因子為坡向、起伏度和坡度變率三個(gè)。采用多元線性回歸方法，最終建立的地形訂正模型如下：

式中：x1為坡向；x2為起伏度；x3為坡度變率。

經(jīng)驗(yàn)證，地形訂正后的冰厚擬合值與觀測值的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.87，且通過了0.001顯著性檢驗(yàn)水平，經(jīng)過地形訂正后的覆冰模型，結(jié)果不僅從趨勢走向上更為一致，還能重現(xiàn)實(shí)況中出現(xiàn)的極端值。

2 輸電線路覆冰厚度預(yù)測方法

2.1 輸電線路覆冰厚度預(yù)測原理

輸電線路腹部厚度預(yù)測是利用天氣形勢分析、預(yù)報(bào)結(jié)果，結(jié)合覆冰厚度計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)對輸電線路覆冰狀況的判斷和預(yù)測。

特定天氣形勢的配置對覆冰的出現(xiàn)可以起到預(yù)判的作用。通過對湖北地區(qū)雨雪冰凍災(zāi)害的分析，發(fā)現(xiàn)以下5種天氣形勢特征極易導(dǎo)致輸電線路覆冰災(zāi)害的出現(xiàn)：（1）大氣環(huán)流持續(xù)異常，中高緯阻塞高壓長時(shí)間位于西西伯利亞，副熱帶高壓偏西偏北；（2）環(huán)流系統(tǒng)較為深厚；（3）西風(fēng)帶南支槽穩(wěn)定維持且十分活躍，將大量水汽輸送至我國南方地區(qū)；（4）一條準(zhǔn)靜止鋒長期穩(wěn)定維持于長江流域；（5）上空存在逆溫層。

1）天氣形勢

分析近年來湖北省覆冰過程中天氣背景場，發(fā)現(xiàn)其共同點(diǎn)為：受來自中國西北向東南推進(jìn)冷鋒的影響，氣溫降低到0℃以下，地面形勢場多次冷鋒過境，大量的過冷水滴與物體碰凍，產(chǎn)生雨凇霧凇。850 hPa高度場中覆冰觀測站受冷高壓和冷溫度槽控制，500 hPa表現(xiàn)為西南氣流提供水汽。因此，冷空氣的南下是導(dǎo)致覆冰情況出現(xiàn)的主要原因。

如2010年1月21～25日覆冰過程，21日14時(shí)位于我國西北部的冷高壓攜帶著冷鋒進(jìn)一步向東南方向移動(dòng)，于21日20時(shí)左右到達(dá)覆冰觀測站，大股冷空氣被不斷輸送南下。22日8時(shí)到25日14時(shí)西北部形成的冷鋒不斷向東南部輸送，覆冰觀測站一直處于冷高壓控制和冷鋒影響下，隨后大陸冷高壓東移入海，寒潮過程宣告結(jié)束。

2）邊界層特征

與我國北方冬季氣候干燥，輸電線路上以積雪為主不同，湖北地區(qū)輸電線路覆冰以凍雨形成的雨淞、霧淞為主。

溫度高于0℃的暖空氣層覆蓋在冷空氣上，雪花（冰晶）在下落過程中經(jīng)過暖層融化為液滴，然后在經(jīng)過近地面冷層過程中變成過冷卻液滴，當(dāng)其碰到低于0℃的架空輸電線路表面時(shí)，在導(dǎo)線周圍凝結(jié)而形成覆冰。當(dāng)較強(qiáng)的冷空氣南下遇到暖濕氣團(tuán)時(shí)，冷空氣楔入暖空氣下方，近地層氣溫驟降到零度以下，暖濕空氣被抬升，并成云致雨，這種凍雨多出現(xiàn)在暖鋒面一側(cè)，凍雨出現(xiàn)時(shí)高空為逆溫層結(jié)，且存在氣溫高于0℃的暖層。

3）氣象要素特征

通過分析湖北電網(wǎng)輸電線路覆冰資料，可總結(jié)出輸電線路覆冰的氣象要素特征為：（1）雨雪天氣維持，量級(jí)偏弱。一方面維持覆冰發(fā)生發(fā)展需要的水分，另一方面，小量級(jí)雨水下落速度較緩，有利于輸電線路覆冰的發(fā)生和發(fā)展。（2）氣溫日較差小，且平均溫度接近0℃。氣溫日較差小，說明不斷有冷空氣補(bǔ)充，且天氣陰沉，是輸電線路覆冰維持和不斷增長的必要條件。

4）數(shù)據(jù)來源

輸電線路覆冰厚度預(yù)測采用EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，即歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）0.25°×0.25°數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品。其具有較高的時(shí)空分辨率，且預(yù)報(bào)頻次高和預(yù)報(bào)物理量種類多的特征可以為輸電線路覆冰厚度計(jì)算模型提供足夠的物理參數(shù)。

5）預(yù)測結(jié)果訂正

輸出結(jié)果訂正是利用凍雨出現(xiàn)的邊界層特征和覆冰出現(xiàn)的氣象要素閾值對覆冰厚度預(yù)測結(jié)果進(jìn)行訂正，以避免錯(cuò)誤預(yù)測覆冰出現(xiàn)的情況。

2.2 冷高壓影響范圍的預(yù)報(bào)

對湖北全省區(qū)域進(jìn)行格點(diǎn)化，每個(gè)格點(diǎn)代表1 km×1 km范圍。對不同格點(diǎn)區(qū)域的氣壓和氣溫變化進(jìn)行分析，當(dāng)出現(xiàn)區(qū)域性增壓和降溫明顯出現(xiàn)時(shí)，即認(rèn)為冷高壓開始影響我國，對比該區(qū)域氣壓大小，得到冷高壓中心的經(jīng)緯度，并實(shí)時(shí)對其進(jìn)行預(yù)報(bào)，給出冷高壓中心的移動(dòng)路徑，預(yù)估其影響湖北的時(shí)間。

選用EC細(xì)網(wǎng)格資料中的氣壓數(shù)據(jù)，采用相減的方法（03點(diǎn)的變壓為03的預(yù)報(bào)值減去00的初始值；06點(diǎn)的變壓為06的預(yù)報(bào)值減去03的預(yù)報(bào)值，以此類推）來判斷各個(gè)格點(diǎn)處3 h變壓（2 hPa以上)；選用地面氣溫資料，與氣壓一樣采用相減的方法，不過計(jì)算的是24 h變溫。當(dāng)3 h變壓大于2 hPa，24 h變溫小于-5℃時(shí)，認(rèn)為受冷高壓影響。

2.3 覆冰厚度預(yù)報(bào)

對覆冰是否出現(xiàn)和冰厚大小的預(yù)報(bào)主要通過2種預(yù)報(bào)方案，一種預(yù)報(bào)時(shí)效為12～72 h，時(shí)間步長為3 h，每12 h更新一次預(yù)報(bào)結(jié)果；另一種預(yù)報(bào)時(shí)效為0～12 h，時(shí)間步長為3 h，每6 h更新一次預(yù)報(bào)結(jié)果，更新頻次的增加能夠有效提高0～12 h預(yù)報(bào)時(shí)效相應(yīng)結(jié)果的準(zhǔn)確率。與此同時(shí)，分別利用模式預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合覆冰模型對湖北省的覆冰可能出現(xiàn)區(qū)域及冰厚的大小進(jìn)行判斷，直至冷空氣完全消散或移出湖北境內(nèi)。

當(dāng)平均氣溫大于3℃，格點(diǎn)的冰厚取值為0 mm，小于0℃，則覆冰可能出現(xiàn),各個(gè)時(shí)刻，相應(yīng)格點(diǎn)計(jì)算得到的冰厚要進(jìn)行累加，不過一旦出現(xiàn)氣溫大于3℃，則該格點(diǎn)的冰厚歸0。當(dāng)日08:00開始預(yù)報(bào)今后72 h的覆冰情況所使用的是前一天20:00的初始場。采用式（1）、（2）的覆冰厚度計(jì)算模型和式（3）的地形訂正模型，結(jié)合氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，就可以得出輸電線路覆冰的預(yù)報(bào)值。

獲得覆冰預(yù)報(bào)結(jié)果后需要利用凍雨出現(xiàn)的邊界層特征和氣象要素閾值進(jìn)行預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的篩選，對于不符合覆冰出現(xiàn)條件的地區(qū)，需要將覆冰厚度預(yù)估結(jié)果訂正為0。

3 應(yīng)用實(shí)例

基于上述輸電線路覆冰預(yù)報(bào)分析方法，開發(fā)了湖北電網(wǎng)輸電線路覆冰災(zāi)害預(yù)報(bào)系統(tǒng)。按照電網(wǎng)對災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警無縫化銜接的要求，預(yù)警系統(tǒng)采用了后臺(tái)數(shù)據(jù)自動(dòng)切換的方法，確保前臺(tái)的用戶在時(shí)間連續(xù)性上不會(huì)出現(xiàn)間斷。

由氣象部門每日定時(shí)定點(diǎn)向電力部門傳送輸電線路覆冰預(yù)報(bào)所需數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品資料，并檢查資料的正確性與完整性。數(shù)據(jù)經(jīng)安全隔離裝置進(jìn)入電力內(nèi)網(wǎng)后，結(jié)合用于地形訂正分析的地理信息資料和輸電線路坐標(biāo)，生成并發(fā)布覆冰預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

圖2為系統(tǒng)在2015年1月30日20:00系統(tǒng)發(fā)出的未來24 h湖北電網(wǎng)輸電線路覆冰風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域預(yù)報(bào)結(jié)果。按覆冰風(fēng)險(xiǎn)大小分為3級(jí)，其中三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)最高，由圖可知未來24 h鄂西大部分地區(qū)為覆冰二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。同時(shí)，系統(tǒng)對存在覆冰風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的輸電線路覆冰厚度進(jìn)行了計(jì)算，如±800 kV復(fù)奉線鄂西段覆冰為10～15 mm。經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證，預(yù)報(bào)值與現(xiàn)場情況相符。

圖2 覆冰預(yù)報(bào)結(jié)果Fig.2 Icing forecast results

將輸電線路覆冰厚度預(yù)報(bào)結(jié)果與設(shè)計(jì)冰厚比較，一旦出現(xiàn)預(yù)報(bào)冰厚接近或超過設(shè)計(jì)冰厚，系統(tǒng)將報(bào)警，為輸電線路防冰應(yīng)急處理提供決策依據(jù)。

4 結(jié)論

本文通過對輸電線路覆冰機(jī)理分析，得到輸電線路覆冰厚度的氣象模型，并考慮了地理因素對輸電線路覆冰的影響。在此基礎(chǔ)上提出了基于氣象信息的輸電線路覆冰厚度預(yù)報(bào)方法，并實(shí)現(xiàn)了輸電線路覆冰厚度預(yù)報(bào)平臺(tái)的搭建。經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，本方法能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)輸電線路覆冰區(qū)段和覆冰厚度，及時(shí)發(fā)出冰災(zāi)預(yù)警，為線路運(yùn)維人員防災(zāi)應(yīng)急處置爭取了寶貴時(shí)間。同時(shí)，也為輸電線路舞動(dòng)、雷害等氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)。

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Research of Icing Thickness Forecast of Transmission Lines

HUANG Junjie1,2,HU Danhui1,2,WANG Wenshuo1,2,FANG Yuan1,2

(1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China;2.Key Laboratory of High-voltage Field-test Technique of State Grid,Wuhan Hubei 430077,China)

By summarizing weather and geographical laws of the transmission lines icing over the years,a new icing thickness forecast method for transmission line is proposed in this paper based on the weather information.Using the meteorological model forecast data,weather station observa?tions and topography information,the path of cold air center is forecasted.The region and transmis?sion lines which would appear icing are forecasted by the meteorological and geographic model.The value of ice thickness on the transmission lines is obtained,which is revised by the high-preci?sion geographic information.The forecast of the transmission lines icing thickness is realized.Since the system is deployed in Hubei power grid,the region and the icing thickness of transmis?sion lines are predicted accurately,valuable time has been gained for the operation and mainte?nance personnel for the disaster prevention and emergency response.This method has high accura?cy,and is suitable for application and dissemination.It also accumulates experience for the other disaster forecasting system.

transmission lines;icing;forecast;weather and geographical information

TM75

A

1006-3986(2016)12-0001-04

10.19308/j.hep.2016.12.001

2016-11-05

黃俊杰（1976），男，湖北荊州人，博士，高級(jí)工程師。