基于WebGIS的雷暴天氣的電網(wǎng)防災(zāi)研究

李文路 季 民 孫 勇 楊 凡

(1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590;2.青島市氣象局，山東 青島 266590)

基于WebGIS的雷暴天氣的電網(wǎng)防災(zāi)研究

李文路1季 民1孫 勇1楊 凡2

(1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590;2.青島市氣象局，山東 青島 266590)

改進氣象服務(wù)技術(shù)是中國氣象局重點發(fā)展的技術(shù)之一。利用氣象部門的多普勒天氣雷達、大氣電場儀、閃電定位儀和自動氣象站等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用雷達回波外推方法，以提高局地雷暴天氣對電網(wǎng)影響的預(yù)測水平為目標，建立了切實可行的災(zāi)害應(yīng)急方案和有效應(yīng)對措施，構(gòu)建了一個基于WebGIS的雷暴天氣安全防護系統(tǒng)。該系統(tǒng)在氣象服務(wù)中具有較高應(yīng)用價值。

雷暴天氣 WebGIS 電網(wǎng) 防災(zāi) 預(yù)警

1 引言

隨著全球氣候的變化，電力系統(tǒng)面臨著各種高敏感性天氣災(zāi)害的嚴重挑戰(zhàn)，如雷電、暴雨、臺風(fēng)、洪澇、低溫冰凍以及高溫高濕等，這些天氣嚴重影響到資源利用率以及電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的問題[1]。青島市作為沿海開放城市，近二十年來國民經(jīng)濟建設(shè)得到了迅猛發(fā)展，電力建設(shè)也有了飛速發(fā)展。但由于我市地處沿海丘陵地帶，氣象條件復(fù)雜，惡劣的氣候條件和天氣現(xiàn)象對電網(wǎng)設(shè)備的破壞是非常大的，需要將氣象信息融入電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)中，雖然很多城市已經(jīng)構(gòu)建了氣象在電網(wǎng)中應(yīng)用系統(tǒng)，但國內(nèi)主要開展的是關(guān)于冰凍天氣對電力行業(yè)的影響評估分析等，對其它高敏感性天氣研究不多，未涉及雷暴天氣下電網(wǎng)的全面安全防護。

WebGIS是Internet與GIS(地理信息系統(tǒng))的結(jié)合產(chǎn)物，在海洋、農(nóng)業(yè)、交通等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，在氣象服務(wù)中更是得到了高度的重視[2]-[6]。但是傳統(tǒng)WebGIS大多以SOAP(Simple Object Access Protocol簡單對象獲取協(xié)議技術(shù))為核心，對于服務(wù)間的互操作實現(xiàn)十分不利且沒有考慮地理信息數(shù)據(jù)具有空間參考海量存儲等特點[7]。而Flex是一種在Web上創(chuàng)建并豐富Internet程序(RIA)的技術(shù)，能夠很好地與服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫結(jié)合，具有高度互動性和豐富的用戶體驗。

因此，根據(jù)以上分析，結(jié)合Flex和WebGIS的優(yōu)點，針對青島市建立了電力氣象服務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)利用氣象部門的多普勒天氣雷達、大氣電場儀、閃電定位儀和自動氣象站等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用目前較為先進的雷達回波外推方法，特別針對電力方面建立天氣災(zāi)害預(yù)警功能，并預(yù)測和顯示電力負荷趨勢、天氣趨勢、天氣極值等功能，重點提高局地雷暴天氣對電網(wǎng)影響的預(yù)測水平，形成一個基于WebGIS的雷暴天氣安全防護系統(tǒng)，降低氣象及衍生災(zāi)害對電網(wǎng)的破壞程度，提高城市電網(wǎng)預(yù)防氣象災(zāi)害的能力。

2 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)主要是基于WebGIS技術(shù)、圖像技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Flex技術(shù)等，采用B/S的方式進行系統(tǒng)的研制開發(fā)。系統(tǒng)在GIS服務(wù)器上發(fā)布地圖服務(wù)，實現(xiàn)地圖訪問和空間定位功能，使用SQL數(shù)據(jù)庫管理氣象信息和電力信息數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)交換平臺抽取氣象數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，部分氣象數(shù)據(jù)需要通過FTP服務(wù)器、通信數(shù)據(jù)庫、青島市氣象臺中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)庫抽取，利用Flex整合地理信息與電網(wǎng)信息，進行綜合展示。系統(tǒng)主要分為三大模塊：基礎(chǔ)模塊、分析模塊、預(yù)警模塊。這些模塊功能采用了Flex富客戶端界面展示方式，提高了用戶體驗的滿意度。通過氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測及雷達實時數(shù)據(jù)的變化產(chǎn)生的相關(guān)預(yù)警信息，以高亮顯示或發(fā)送短信提醒的方式完成對電力數(shù)據(jù)的警示功能，使用戶能夠?qū)﹄娏ΡＵ虾途€路維護做出及時的決策和調(diào)度。

青島市電力氣象服務(wù)系統(tǒng)采用三層軟件結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)層、中間層和應(yīng)用層，如圖1所示。

數(shù)據(jù)層的主要內(nèi)容為基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、基本氣象數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)、雷達基本數(shù)據(jù)和雷達衍生數(shù)據(jù)、電力數(shù)據(jù)等，所有數(shù)據(jù)的處理在規(guī)范上一致，保證數(shù)據(jù)的各個標準的統(tǒng)一，從而實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的疊加。

中間層主要包括可視化服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、應(yīng)用分析服務(wù)和管理服務(wù)。利用Flex和ArcGIS Server軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的組織、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)顯示控制等相關(guān)功能和服務(wù)，滿足管理的需求。

應(yīng)用層是系統(tǒng)用戶即青島市電力部門的實際操作的界面，在本系統(tǒng)中應(yīng)用層為瀏覽器，使用通用瀏覽器顯示該系統(tǒng)的相關(guān)功能，主要包括：顯示基于GIS的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、電力部門重要設(shè)施、線路等信息；對雷暴等高敏感性氣象的顯示、統(tǒng)計與分析；使用雷達回波外推算法，預(yù)警雷電、局地強對流天氣發(fā)展的趨勢，能夠?qū)崿F(xiàn)各類高敏感性天氣的提前預(yù)警功能。

3 系統(tǒng)主要模塊

3.1 系統(tǒng)基礎(chǔ)模塊建設(shè)

利用網(wǎng)絡(luò)地理信息(WebGIS)系統(tǒng)，建設(shè)青島地區(qū)電力氣象地理信息支撐平臺，利用精確經(jīng)緯度定位數(shù)據(jù)，實時顯示青島地區(qū)電力系統(tǒng)重要設(shè)施、線路等，同時疊加顯示多普勒雷達圖中有關(guān)的氣象信息(如降水強度、移動方向等)，電力設(shè)施周邊自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)(如氣溫、濕度、風(fēng)向、風(fēng)力等)，大氣電場儀、閃電定位儀等雷電監(jiān)測信息。信息數(shù)據(jù)地圖分GIS地理信息層、自動站實況數(shù)據(jù)層、報警數(shù)據(jù)層、雷達數(shù)據(jù)層、雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)層五個圖層設(shè)計，可根據(jù)需要選擇其中的一個或多個圖層突出顯示，完成對電力設(shè)施的外部運行環(huán)境，尤其針對敏感氣象要素進行實時監(jiān)控，并根據(jù)疊加的多普勒雷達等實時探測資料對短期內(nèi)的天氣變化進行預(yù)測，利用實況和預(yù)測信息，為電力用戶提供有力的氣象依據(jù)和決策支持。

3.2 系統(tǒng)分析模塊建設(shè)

采用C#編程，應(yīng)用傳統(tǒng)電力負荷預(yù)測方法[8]，自動調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的氣象預(yù)報要素值，計算出短期電力負荷預(yù)測值，并存入負荷預(yù)測值數(shù)據(jù)表中以待前臺頁面調(diào)用。建立基于青島地區(qū)氣象條件的負荷預(yù)測分析模式，能夠分析、判斷和評估各種雷暴天氣對電網(wǎng)運行的影響程度，輸出應(yīng)對措施的建議產(chǎn)品。根據(jù)青島地區(qū)電力負荷和氣象要素歷史數(shù)據(jù)資料，建立負荷預(yù)測背景數(shù)據(jù)分析表，并運用回歸法等負荷預(yù)測方法，在后臺獲取輸入的短期預(yù)報要素數(shù)據(jù)后，在前臺Web應(yīng)用頁面自動生成短期用電負荷預(yù)測曲線，負荷曲線可根據(jù)實況要素數(shù)據(jù)進行修訂。形成雷暴天氣[9](如：雷電、暴雨、寒潮、冰雪、大風(fēng)等)的重點區(qū)域分布圖，并在系統(tǒng)中進行調(diào)用，便于在電網(wǎng)設(shè)施建設(shè)和設(shè)計時提供應(yīng)對雷暴天氣的決策。

3.3 系統(tǒng)預(yù)警模塊建設(shè)

依據(jù)災(zāi)害評估結(jié)果和對相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)進行分析，建立雷暴氣象要素與電力設(shè)施影響程度等級之間的關(guān)系模型，在后臺數(shù)據(jù)庫建立雷暴氣象要素臨界值與電力設(shè)施受影響等級關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)表。當(dāng)一個或多個復(fù)合氣象要素達到臨近值時，電力調(diào)度人員在終端Web頁面會接收到聲光形式的提醒信息并輸出作業(yè)建議信息，提示災(zāi)害性天氣所影響到的電力設(shè)施和應(yīng)該采取的防御措施。

4 天氣電力負荷評估方法

針對青島地區(qū)氣象特點，研究電力雷暴天氣的分布情況和預(yù)警條件(如暴雨、風(fēng)力、雷電等符合何種條件，易導(dǎo)致電力線路出現(xiàn)舞動、損壞現(xiàn)象)，并提前發(fā)出預(yù)警，在相關(guān)系統(tǒng)中標注出可能發(fā)生災(zāi)害或損失的重點區(qū)域。

通過氣象與電力部門的密切聯(lián)動，對災(zāi)后受損情況進行定性分析，并進行災(zāi)害性氣象因子與電力運行及設(shè)施受災(zāi)關(guān)系的模型化分析研究，劃分不同的電力受損等級，如表1所示，并確定對應(yīng)的n(n>=1)個綜合氣象敏感值的要素值范圍。

表1 電力受損等級

選取青島地區(qū)近10年的電力負荷和氣象要素歷史資料，在分離氣象敏感負荷的基礎(chǔ)上，運用多元線性自回歸算法、逐步回歸分析方法等多種預(yù)測方法，進行短期用電量預(yù)測和日最大用電量預(yù)測，建立數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)方程式，并進行C#程序編程。應(yīng)用組合預(yù)測的思想，建立最優(yōu)組合預(yù)測模型和遞歸等權(quán)組合預(yù)測模型，進行中長期(如每周、每月)用電峰值的預(yù)測。并根據(jù)周期性理論和信息增益法所顯示的“節(jié)假日”屬性對結(jié)果所造成的負面影響，進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，來有效避免節(jié)假日數(shù)據(jù)對整體準確率的影響。

5 系統(tǒng)功能運行效果

5.1 雷達數(shù)據(jù)查詢與顯示

雷達數(shù)據(jù)查詢包括雷達基本數(shù)據(jù)(回波頂高(基數(shù)據(jù))、組合反射率、組合反射率(基數(shù)據(jù))、0.5度仰角R、1.5度仰角R、2.4度仰角R、垂直液態(tài)水含量、垂直液態(tài)水含量密度、垂直液態(tài)水含量(基數(shù)據(jù))、降水估計等)和雷達衍生數(shù)據(jù)(降水預(yù)報、反射率因子回波預(yù)報、風(fēng)暴追蹤等)的查詢。這些數(shù)據(jù)的查詢方式以實時最新數(shù)據(jù)和選擇歷史文件查看為主。以雷達回波基數(shù)據(jù)為例，顯示效果如圖2所示，該圖為多種要素圖層疊加效果圖，其中，彩色面狀圖層代表回波頂高基數(shù)據(jù)，紫色線要素圖層代表輸電線和配電線數(shù)據(jù)，不同顏色(根據(jù)風(fēng)場數(shù)據(jù)的大小以不同顏色如藍色、橙色、紅色等高亮顯示預(yù)警)的點要素圖層為實時的風(fēng)場數(shù)據(jù)。

5.2 TITAN電力預(yù)警

TITAN電力預(yù)警是使用雷達回波外推算法[11]，預(yù)警雷電、局地強對流天氣的發(fā)展趨勢。通過顯示TITAN數(shù)據(jù)，將當(dāng)前風(fēng)暴、未來30分鐘風(fēng)暴、未來60分鐘風(fēng)暴與電力數(shù)據(jù)、地理空間信息疊加顯示，輸出不同編號的電線的作業(yè)建議信息和預(yù)警信息，電線的作業(yè)建議信息是針對當(dāng)前風(fēng)暴，提示需要對該信息中的電線編號作出調(diào)度調(diào)整，以便減少風(fēng)暴對其的破壞程度；作業(yè)預(yù)警信息顯示的內(nèi)容是針對未來30分鐘、60分鐘風(fēng)暴所影響到的電線作出預(yù)警提示，促使電業(yè)部門提前做好調(diào)度工作，減少或避免風(fēng)暴災(zāi)害的發(fā)生。如圖3所示(若選中輸出產(chǎn)品的電線編號所在行，在地圖上將該電線以高亮閃爍的形式顯示)。

5.3 電力負荷趨勢

電力負荷趨勢以曲線圖的表達形式展示，調(diào)用電力負荷預(yù)測方法計算的電力負荷數(shù)據(jù)表，將青島市近一個月的電力負荷表示出來，其中橫軸代表時間，縱軸代表電力負荷數(shù)。如圖4所示，在當(dāng)前氣象條件下，通過該曲線圖為用戶直觀地呈現(xiàn)近一個月的電力負荷的變化趨勢，為電力部門的電網(wǎng)管理提供依據(jù)，為電力部門下一步的調(diào)度提供信息基礎(chǔ)。

5.4 雷暴天氣災(zāi)害統(tǒng)計

天氣現(xiàn)象統(tǒng)計主要包括：5年暴雨次數(shù)、閃電定位、大霧天數(shù)、平均降雪量、降雪天數(shù)、大于32℃、32-35℃、28-32℃、<-10℃、<-5℃、-5-0℃、<= 0℃、0-3℃等可選項。以閃電定位為例，系統(tǒng)以格網(wǎng)的形式顯示青島市近5年的閃電次數(shù)，每個格網(wǎng)中的值代表該格網(wǎng)所在區(qū)域近五年的閃電次數(shù)的統(tǒng)計。如圖5所示：

閃電往往會使輸電線路和變電站不斷地發(fā)生“閃絡(luò)跳閘”，所以極易造成大面積停電或者擊壞電器設(shè)備等重大事故。通過統(tǒng)計歷史數(shù)據(jù)和與輸電線在地理位置的疊加顯示，直觀顯示出易發(fā)閃電的電線區(qū)域。這樣，方便電力部門提前對該區(qū)域電線的調(diào)度和管理工作。

暴雨對供電系統(tǒng)的危害也很大。處在河網(wǎng)沼澤、水土流失地段和跨越江河輸電線路的桿塔基礎(chǔ)常被洪水沖蝕，發(fā)生桿塔倒塌、線路斷線。而雨雪冰凍天氣給電網(wǎng)帶來的危害最為巨大，凍雨、大雪和冰凌有可能壓斷輸電線纜。如2010年1月2日(北京時)，青島地區(qū)出現(xiàn)寒潮天氣，由于溫度低、濕度大，輸電線路結(jié)冰嚴重，以及冷空氣帶來的大風(fēng)，使電網(wǎng)線路出現(xiàn)了嚴重的“舞動”現(xiàn)象，極大程度上危害了電網(wǎng)運行安全。

因此，對這些易觸發(fā)電力災(zāi)害的雷暴天氣現(xiàn)象進行統(tǒng)計、高亮顯示重點區(qū)域，并對其進行風(fēng)險評估是十分必要，也是可行的。

6 結(jié)論

在青島市電力氣象服務(wù)系統(tǒng)中，采用的多普勒雷達、自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)、閃電定位儀等數(shù)據(jù)均為自動化采集和存儲，數(shù)據(jù)源比較可靠，由于保密需要，電力數(shù)據(jù)為部分測試數(shù)據(jù)。

(1)系統(tǒng)建立了集中存儲管理的數(shù)據(jù)庫，便于與電力和氣象聯(lián)機分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)倉庫連接，有利于電力業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成應(yīng)用和高效率工作。

(2)基于Flex的WebGIS系統(tǒng)，通過Web Service方式和Web網(wǎng)頁兩種方式顯示實時氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)和雷暴天氣安全防護信息。

(3)整個系統(tǒng)框架采用多層分布式架構(gòu)，平臺運行穩(wěn)定、負載平衡，客戶端基本不用維護，系統(tǒng)維護成本相對較低，安全性較高。

(4)結(jié)合全市電網(wǎng)及重點設(shè)施信息數(shù)據(jù)，根據(jù)雷達回波外推算法，輸出未來時間內(nèi)電網(wǎng)及重點設(shè)施預(yù)警和建議信息。

(5)根據(jù)雷暴天氣的特點劃出重點區(qū)域，并進行相應(yīng)的風(fēng)險評估。

由于電力數(shù)據(jù)不足，系統(tǒng)還需要根據(jù)不同情況的電力數(shù)據(jù)反復(fù)運行檢驗，以提高電網(wǎng)防護的安全性、準確性。實踐表明，電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，是經(jīng)濟穩(wěn)定快速發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，在此基礎(chǔ)上加強我市電網(wǎng)雷暴等高敏感天氣預(yù)警方法的研究和軟件系統(tǒng)的構(gòu)建，具備良好的外部條件和推動經(jīng)濟發(fā)展的重要意義。

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Research of Disaster Prevention of Power Network Based on Web GIS for Thunderstorm Weather

LI Wen-lu1, JI Min1, SUN Yong1, YANG Fan2

(1.College of Surveying Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao Shandong 266590，China;2. Qingdao Municipal Meteorological Bureau of Shandong Province, Qingdao Shandong 266003,China)

The improvement of the meteorological service technology is one of the hot pursuit for China Meteorological Bureau .The purpose of this paper is to focus on improving the forecast level of local thunderstorm weather for power network and establishing practical disaster emergency plans and effective response measures, by using real time monitoring data of doppler weather radar, atmospheric electric field meter, lightning locator and automatic weather station of meteorological department, and adopting the advanced radar echo extrapolation method. Finally, thunderstorm weather for power network security system based on WebGIS has been formed. It has high application value in meteorological service.

thunderstorm weather; WebGIS; power network; disaster prevention; early warning

2016-06-24

P208

B

1007-3000(2016)06-5