電力氣象服務系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)①

袁興德, 張 亞, 王傳輝, 丁國香(安徽省公共氣象服務中心, 合肥 230031)

電力氣象服務系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)①

袁興德, 張 亞, 王傳輝, 丁國香
(安徽省公共氣象服務中心, 合肥 230031)

氣象條件對電力安全生產(chǎn)有著顯著的影響, 開展電力氣象服務研究具有重要意義. 以用戶需求為導向,結合氣象數(shù)據(jù)特征, 對于實況和臨近預報, 采用氣象站對應的泰森多邊形, 對于短期預報和預警, 采用區(qū)縣行政區(qū)劃, 分別對輸電線路和變電站進行切分, 建立最近鄰關系; 同時, 設計氣象綜合影響等級規(guī)范, 提高服務的精細度. 利用GIS和數(shù)據(jù)庫技術, 建成一套能夠提供監(jiān)測實況、臨近預報、短期預報、預警信號、歷史查詢和服務材料等信息的電力氣象服務系統(tǒng). 業(yè)務應用結果表明, 系統(tǒng)運行穩(wěn)定, 能夠提升氣象服務水平, 保障電力系統(tǒng)安全.

電力氣象服務; GIS; 泰森多邊形; 氣象綜合影響等級; 系統(tǒng)設計

近年來, 安徽省電網(wǎng)建設不斷加快, 擁有輸電線路約3.4萬公里, 發(fā)電量和用電量也不斷攀升, 2014年安徽省全社會發(fā)電累計2033.9億千瓦時, 同比增長2.84%, 全社會用電量累計1585億千瓦時, 同比增長3.74%. 全國范圍內(nèi)電力供需持續(xù)增長, 電力資源分布不均, 大量輸電線路不斷建設, 保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的壓力越來越大[1,2]. 電力生產(chǎn)、輸送、運維與氣象條件有著密不可分的關系, 一方面, 氣象災害的頻發(fā)給電網(wǎng)的安全運行帶來很大威脅, 如雷電、暴雨、大風、凍雨等極端天氣均可能導致電力設備和線路損壞;另一方面, 氣象條件變化也會對電力生產(chǎn)調(diào)度產(chǎn)生很大影響, 如氣溫的變化直接影響電力需求的起伏[3-5].全球氣候變暖是不爭的事實, 未來熱帶氣旋、強降水等極端天氣氣候事件將變得更加頻繁、更加劇烈[6,7]. 我國地形地貌復雜多樣, 近年來, 極端天氣事件呈頻次增多、強度增大的趨勢, 電網(wǎng)輸電線路常常損失嚴重, 如2008年中國南方低溫雨雪冰凍災害, 造成了大面積輸電線路倒塌, 直接導致受災區(qū)域生產(chǎn)生活陷入癱瘓[8,9].

李華偉等開展了電力氣象服務平臺研究, 實現(xiàn)了監(jiān)測預警、文字圖片材料顯示、電力設備查詢[10]; 于萬榮開展了山西省電力氣象服務系統(tǒng)研究, 以天氣預報、火情監(jiān)測和山西氣候為主要功能模塊, 實現(xiàn)了服務產(chǎn)品以行政區(qū)劃為單元的簡單顯示[11]; 張靜等設計了存儲、制作和發(fā)布子系統(tǒng), 實現(xiàn)了服務產(chǎn)品的Web展示[12]. 目前, 相關研究尚沒有將氣象信息精確的反演到電力部門重點關注的輸電線路和變電站上, 本文通過氣象與電力部門的緊密合作, 設計開發(fā)了面向電力管理、生產(chǎn)和運維等部門的專業(yè)化電力氣象服務系統(tǒng). 系統(tǒng)已投入業(yè)務應用, 運行穩(wěn)定, 服務高效.

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)基于開放的在線地圖應用服務技術, 采用B/S架構模式, 運用.NET框架, 結合GIS技術和Flex技術, 搭建了數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)接口層、應用層、表現(xiàn)層等四層邏輯結構, 如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體框圖

考慮用戶的業(yè)務需求和系統(tǒng)的易用性, 將系統(tǒng)劃分為系統(tǒng)界面、監(jiān)測實況、臨近預報、短期預報、預警信號、歷史查詢、服務材料、聯(lián)系我們、系統(tǒng)設置等功能模塊, 如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

監(jiān)測實況: 提供對輸電線路和變電站產(chǎn)生高影響的監(jiān)測實況數(shù)據(jù)[13], 包括氣溫、風速、風向、相對濕度、氣壓和1小時降雨量等氣象要素, 并逐小時更新.每段輸電線路根據(jù)實況影響等級以對應顏色進行顯示,提供直觀的用戶體驗.

臨近預報: 提供未來6小時逐小時的臨近預報數(shù)據(jù), 包括氣溫、風速、風向和1小時降雨量等氣象要素, 并逐小時滾動更新.

短期預報: 提供未來1-3天逐天的短期預報數(shù)據(jù),包括天氣現(xiàn)象、高低溫、風向和風力等氣象要素, 并逐天滾動更新.

預警信號: 提供當前存在的氣象預警信號, 并實時更新.

2 系統(tǒng)關鍵技術

2.1 輸電線路頂點化處理

安徽省內(nèi)氣象站眾多, 為了提升氣象服務的精細化程度, 需要將輸電線路分成小段; 另一方面, 每一小段輸電線路的天氣條件不盡相同, 為了便于在地圖上著色顯示, 需要將輸電線路進行頂點化處理.

首先, 選出靠近輸電線路的氣象站, 利用ArcGIS軟件中的Create Thiessen Ploygons工具生成泰森多邊形圖層[14], 保證每個多邊形內(nèi)的輸電線路和氣象站距離最近, 這樣即可建立每段輸電線路和每個氣象站的一一對應關系. 舉例說明, 圖3中曲線O0O4為輸電線路, A、B、C、D為輸電線路附近的氣象站, 虛線為A、B、C、D任意兩點間線段的中垂線, O1、O2、O3為輸電線路與虛線的交點, 這樣輸電線路O0O1距離D站最近, 以此類推.

圖3 利用泰森多邊形的線路分段示意圖

然后, 利用Intersect工具將初始輸電線路在行政區(qū)劃圖層上切分, 得到具有屬地信息的輸電線路圖層.再次利用Intersect工具將切分后的輸電線路在泰森多邊形圖層上切分, 由于一條輸電線路可能兩次或兩次以上進入同一個多邊形內(nèi), 導致切分結果出現(xiàn)兩段或兩段以上不連續(xù)的輸電線路作為一個整體, 即只有一個ID屬性值, 因此需要進一步利用Multipart To Singlepart工具進行拆分處理.

最后, 利用Feature Vertices To Points工具獲取每小段輸電線路的頂點, 再利用Add XY Coordinates工具添加每個頂點的經(jīng)緯度信息, 為在地圖上分段著色顯示輸電線路提供必要的數(shù)據(jù)基礎.

以上處理過程, 利用ArcGIS ModelBuilder生成的處理模型, 如圖4所示. 當未來行政區(qū)劃變更、氣象站或輸電線路增減時, 利用該模型可實現(xiàn)系統(tǒng)的快速重建, 有利于提高系統(tǒng)的可用性、可擴展性和可移植性.

圖4 輸電線路頂點化處理模型圖

2.2 氣象綜合影響等級

不同等級電力設施的氣象條件設計標準是不同的[15,16], 本研究將建立一套規(guī)范的閾值設計方案. 在充分研究相關資料的基礎上, 結合電力與氣象專家意見, 制定如下規(guī)范. (1)將氣象綜合影響等級設定為4級,并對每一級設定對應的顏色, 如表1所示. (2)甄別出對電力設施會產(chǎn)生顯著影響的氣象要素[13], 實況數(shù)據(jù)包括氣溫、風速、降雨量等氣象要素, 預報數(shù)據(jù)包括氣溫、風速、天氣現(xiàn)象等氣象要素. (3)針對4級輸電線路和3級變電站, 逐級逐氣象要素設置每一級氣象影響等級的閾值范圍. (4)對于每段輸電線路和每個變電站,選取其氣象要素中的最高影響等級為氣象綜合影響等級.

表1 氣象綜合影響等級及對應顏色表

閾值規(guī)范的合理設計, 有利于提高系統(tǒng)的易用性,提升氣象服務的專業(yè)化水平.

2.3 基于存儲過程的數(shù)據(jù)接口

系統(tǒng)顯示涉及的數(shù)據(jù)量龐大, 處理操作復雜, 因此數(shù)據(jù)接口設計對優(yōu)化系統(tǒng)性能尤為關鍵. 存儲過程是一組存儲在數(shù)據(jù)庫中的完成特定功能的SQL語句集,具有高效、簡便和安全的特點. 本研究采用存儲過程作為數(shù)據(jù)接口, 僅以數(shù)字作為唯一參數(shù), 用于區(qū)分數(shù)據(jù)處理過程. 存儲過程分別針對輸電線路和變電站實現(xiàn)地理屬性和電力等級屬性的檢索、各類氣象數(shù)據(jù)的檢索、各種氣象要素數(shù)值的氣象影響等級判定和顏色匹配、氣象綜合影響等級的顏色判別, 以及氣象圖標的匹配. 該數(shù)據(jù)接口設計有利于提高數(shù)據(jù)處理效率,降低數(shù)據(jù)的耦合性, 增強系統(tǒng)的健壯性.

3 系統(tǒng)應用

該系統(tǒng)是氣象部門開展電力氣象服務的重要手段,目前系統(tǒng)已建成并投入業(yè)務使用. 應用結果表明, 系統(tǒng)運行穩(wěn)定, 功能齊全, 信息豐富, 能夠滿足用戶需求. 系統(tǒng)的推廣應用, 既能夠改進電力氣象服務質(zhì)量,提高氣象部門的社會效益; 又能夠提升電力調(diào)度水平,降低氣象災害造成的各項損失, 提高電力部門的經(jīng)濟效益. 系統(tǒng)界面協(xié)調(diào)美觀, 如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)界面圖

4 結語

電力氣象服務系統(tǒng)具有以下特點: (1)實現(xiàn)了電力設施、氣象數(shù)據(jù)和在線地圖的有效疊加顯示; (2)系統(tǒng)展現(xiàn)信息豐富, 結構設計合理, 用戶體驗良好; (3)數(shù)據(jù)訪問接口耦合性低, 移植性高, 便于推廣應用. 將該系統(tǒng)應用于電力氣象服務業(yè)務中, 能夠幫助用戶快速、精確的掌握天氣條件對電力設施的影響情況, 有利于電力部門提高防范氣象風險的能力, 提高電力運營的社會和經(jīng)濟效益. 因此, 該系統(tǒng)具有良好的應用價值.

1 譚顯東,韓新陽,馮義,郭利杰,單葆國.2014年中國電力供需回顧及2015年預測.中國電力,2015,48(4):1–5.

2 王春亮,宋藝航.中國電力資源供需區(qū)域分布與輸送狀況.電網(wǎng)與清潔能源,2015,31(1):69–74.

3 傅新姝,談建國.基于濾波技術的上海日最大電力負荷氣象預報模型.氣象科技,2015,43(6):1209–1212.

4 溫華洋,田紅,唐為安,魯俊.安徽省電線積冰標準冰厚的氣象估算模型.應用氣象學報,2011,22(6):747–752.

5 郭崇蘭.杭州市極端氣象因子與工業(yè)電力消費關聯(lián)研究[碩士學位論文].南京:南京信息工程大學,2014.

6 趙宗慈,羅勇,黃建斌.極端天氣與氣候事件受到全球變暖影響嗎?氣候變化研究進展,2014,10(5):388–390.

7 IPCC. Climate change 2014: Impacts, adaptation and vulnerability. Contribution of Working Group II to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, UK and New York, USA: Cambridge University Press, 2014.

8 任福民,高輝,劉綠柳,等.極端天氣氣候事件監(jiān)測與預測研究進展及其應用綜述.氣象,2014,40(7):860–874.

9 劉熙明,許愛華.降雪與凍雨天氣研究回顧.氣象與減災研究,2008,31(4):59–64.

10 李華偉,周照.電力氣象服務平臺研究.氣象研究與應用, 2012,33(S1):291–293.

11 于萬榮.山西省電力氣象服務系統(tǒng)研究[碩士學位論文].成都:電子科技大學,2012.

12 張靜,郭廣,保廣裕.青海電力專業(yè)氣象預報服務產(chǎn)品制作及發(fā)布集成系統(tǒng)的開發(fā).青海電力,2015,34(4):11–14,36.

13 萬協(xié)成,劉甜甜,楊玲,李學敏,鄧曉春.湖南電力氣象服務效益評估分析.科技傳播,2011,9:108–109.

14 邢超,李斌.ArcGIS學習指南:ArcToolbox.北京:科學出版社,2010.

15 中國電力企業(yè)聯(lián)合會.GB50545–2010 110kV～750kV架空輸電線路設計規(guī)范.北京:人民出版社,2010.

16 中國電力企業(yè)聯(lián)合會.GB50790–2013±800kV直流架空輸電線路設計規(guī)范.北京:中國計劃出版社,2013.

Design and Implementation of the Meteorological Service System for Electricity Industry

YUAN Xing-De, ZHANG Ya, WANG Chuan-Hui, DING Guo-Xiang
(Public Meteorological Service Center of Anhui Province, Hefei 230031, China)

Meteorological conditions have a significant impact on the safe production of electric power, which is of great significance to carry out the research of the electricity meteorological service. Oriented by the user’s demand, combined with features of meteorological data, thiessen polygon corresponding weather station is used in live and nowcasting, and district and county administrative divisions is used in short-term forecasts and early warnings, to divide transmission lines and substations respectively, and then establish nearest neighbor relations. At the same time, meteorological comprehensive influence grade standard is designed to improve the fineness of service. A system of electricity meteorological service is built by GIS and database technology, which includes information about live monitoring, nowcasting, short-term predicting, signal of warning, historical queries, service material and so on. The results of the business application show that the system is stable, and is able to enhance the level of meteorological services, ensure the safety of power system.

power meteorological services; GIS; thiessen polygon; meteorological comprehensive influence grade; system design

安徽省氣象局科技發(fā)展基金(KM201412)

2016-07-22;收到修改稿時間:2016-08-18

10.15888/j.cnki.csa.005679