輸電線路電子區(qū)域風(fēng)害分布圖繪制方法研究

申元，馬儀，李昊，周仿榮，馬御棠，方賢才

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650000；2.武漢市智勤創(chuàng)億信息技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430070）

0 前言

電力系統(tǒng)風(fēng)害分布圖是指導(dǎo)輸電線路進(jìn)行防風(fēng)設(shè)計的基礎(chǔ)，正確的電力系統(tǒng)風(fēng)害分布圖能指導(dǎo)線路根據(jù)風(fēng)害區(qū)等級進(jìn)行因地制宜的防風(fēng)工作。云南電網(wǎng)目前已存在的大量輸電線路風(fēng)偏跳閘故障分析資料表明，主要由于瞬時風(fēng)速過大導(dǎo)致產(chǎn)生線路風(fēng)偏過大，造成絕緣子串搖擺角角度超過設(shè)計值，導(dǎo)線與桿塔構(gòu)件安全間隙不足產(chǎn)生放電，跳閘故障主要原因是在線路設(shè)計時對線路所經(jīng)地區(qū)微地形、微氣象特點考慮不周，導(dǎo)致輸電線路抗風(fēng)能力較??；另外一方面，對于輸電線路而言，瞬時強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)烈地方性風(fēng)也是造成輸電線路風(fēng)偏跳閘的主要原因[3-4]，而傳統(tǒng)的風(fēng)區(qū)圖則主要考慮基本風(fēng)速因素，因此已不能滿足云南電網(wǎng)防風(fēng)工作的需要。

結(jié)合云南電網(wǎng)公司在防風(fēng)工作中的實際經(jīng)驗，本文介紹了利用計算機(jī)軟件和GIS 技術(shù)構(gòu)建區(qū)域風(fēng)害圖繪制規(guī)則庫來實現(xiàn)自動繪制區(qū)域風(fēng)害分布圖，提出在繪制風(fēng)害圖的時候除了要參考基本風(fēng)速等外因外，還要參考瞬時風(fēng)速、微地形微氣象因素以及輸電線路本身防風(fēng)能力的強(qiáng)弱等內(nèi)部因素及其動態(tài)變化特征，并探討了采用計算機(jī)自動成圖+ 人工修訂模式來解決運行經(jīng)驗對區(qū)域風(fēng)害圖繪制的影響。

1 區(qū)域風(fēng)害圖繪制規(guī)則庫劃分

本文按照《Q GDW 11005-2013 風(fēng)區(qū)分級標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)區(qū)分布圖繪制規(guī)則》、《GB50545—2010 110 kV ～750 kV 架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》、《DL/T 5158—2012 電力工程氣象勘測技術(shù)規(guī)程》、《南方電網(wǎng)公司輸電線路防風(fēng)設(shè)計技術(shù)規(guī)范》，確定區(qū)域風(fēng)害圖繪制過程中的可變因子和不可變因子以及量化規(guī)則，具體劃分如下：

1）將區(qū)域風(fēng)害分布圖的繪制規(guī)則整理為五個大類和20 個小類，其中五個大類是在線監(jiān)測規(guī)則庫、微地形地理分區(qū)規(guī)則庫、歷史風(fēng)場分布及演變規(guī)則庫、線路抗風(fēng)能力與校核規(guī)則庫、運行經(jīng)驗規(guī)則庫，20 個小類如下表所示：

表1 規(guī)則庫劃分表

2）將五個大類和20 個小類的規(guī)則庫以樹形結(jié)構(gòu)存儲在數(shù)據(jù)表中，其中每個小類的規(guī)則定義了規(guī)則的影響范圍、規(guī)則的處理方式、規(guī)則的權(quán)重等參數(shù)，這些參數(shù)都是可以自定義的；規(guī)則庫還定義了固定規(guī)則和可變規(guī)則，系統(tǒng)成圖前可以對這些規(guī)則參數(shù)和規(guī)則本身進(jìn)行修改。

3）設(shè)計每個規(guī)則的數(shù)學(xué)處理邏輯以及與成圖流程的接口規(guī)范，以便系統(tǒng)成圖的時候可以調(diào)用這些邏輯來成圖，詳細(xì)見2.1 的描述。

2 基本算法和成圖GIS引擎算法

2.1 風(fēng)害圖繪制規(guī)則庫的基本算法

區(qū)域風(fēng)害圖繪制智能規(guī)則庫引擎由在線監(jiān)測規(guī)則庫、微地形地理分區(qū)規(guī)則庫、歷史風(fēng)場分布及演變規(guī)則庫、線路抗風(fēng)能力與校核規(guī)則庫、運行經(jīng)驗規(guī)則庫五部分組成，其規(guī)則算法描述如下：

1）基本風(fēng)速和瞬時風(fēng)速根據(jù)定量計算值和《Q GDW 11005-2013 風(fēng)區(qū)分級標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)區(qū)分布圖繪制規(guī)則》里的風(fēng)速等級評價標(biāo)準(zhǔn)來定；WRF 歷史風(fēng)場和大渦風(fēng)場是其他項目的研究成果，用來作為風(fēng)區(qū)圖和風(fēng)害圖的修訂因素，主要是考慮到為線路預(yù)留設(shè)計裕度，加強(qiáng)線路防風(fēng)能力；

2）微地形地理分區(qū)包括如路堤、特大橋梁、埡口、峽谷、山區(qū)的風(fēng)口、峽管效應(yīng)等微地形路段，線路經(jīng)過這些地形路段時瞬時風(fēng)速增加1.23—1.70 倍，這是一種風(fēng)速和高度增加的效應(yīng)。如果線路與大風(fēng)風(fēng)向夾角垂直，輸電線路受大風(fēng)微氣象條件下瞬時風(fēng)速和橫風(fēng)因數(shù)合力影響，氣動力顯著增大，線路發(fā)生斷線倒塔和風(fēng)害跳閘的可能性明顯增加。因此線路防風(fēng)要依據(jù)不同類型大風(fēng)特征、不同地形制定，可以據(jù)此對前面確定的等級進(jìn)行局部適度調(diào)整，將易引發(fā)風(fēng)害故障的地形地貌區(qū)域的風(fēng)害等級提升一級。微氣象則主要參考微氣象在線監(jiān)測系統(tǒng)，如果監(jiān)測的微氣象值大于所在風(fēng)害等級，則需要將原來的風(fēng)害等級提升到微氣象監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測風(fēng)速所對應(yīng)的等級；

3）線路抗風(fēng)能力主要是考慮對于輸電線路防風(fēng)校核后其本身的抗風(fēng)能力因素，如果在風(fēng)害圖上所代表的風(fēng)害等級高于線路本身的抗風(fēng)能力，則以線路區(qū)域風(fēng)害圖的風(fēng)害等級為標(biāo)準(zhǔn)；而風(fēng)害圖上所代表的風(fēng)害等級低于線路本身的抗風(fēng)能力，則可以將線路區(qū)域風(fēng)害圖上的等級提高一個等級，直至到滿足線路抗風(fēng)能力為準(zhǔn)，這主要是為以后的設(shè)計預(yù)留裕度，從而達(dá)到指導(dǎo)線路防風(fēng)設(shè)計的目的；

4）運行經(jīng)驗主要是依據(jù)輸電線路的風(fēng)偏隱患點以及采用的防風(fēng)措施等而定，根據(jù)運行經(jīng)驗，可將潛在的風(fēng)偏隱患點附近區(qū)域的風(fēng)害等級提升一級，加強(qiáng)線路導(dǎo)地線、絕緣子金具、塔型荷載、結(jié)構(gòu)的選型和基礎(chǔ)及附屬設(shè)施的加固，并嚴(yán)格遵守輸電線路導(dǎo)線對地距離及交叉跨越的規(guī)定；

5）在線監(jiān)測規(guī)則庫主要包括微氣象監(jiān)測和風(fēng)偏跳閘故障監(jiān)測及風(fēng)偏跳閘預(yù)警，線路微氣象監(jiān)測點能夠返回線路上實時的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，可用來實時更新風(fēng)區(qū)風(fēng)害的等級；而風(fēng)害跳閘率和風(fēng)害事故記錄，則可以將風(fēng)害故障點附近區(qū)域的風(fēng)害等級提升一級；而風(fēng)偏跳閘預(yù)警點則可以在其附近將風(fēng)害等級提升一個等級。

2.2 GIS計算算法引擎原理

在我們定義好上面這些區(qū)域風(fēng)害分布圖繪制規(guī)則的算法之后，然后由這些規(guī)則通過GIS緩沖、截切、疊置算法生成這些規(guī)則的專題圖，并對這些規(guī)則進(jìn)行GIS 建模和GIS 圖層融合技術(shù)，生成電子區(qū)域風(fēng)害分布圖草圖，如下是原理框圖：

圖1 基于規(guī)則庫生成風(fēng)害圖的原理框圖

2.2.1 引擎原理說明

1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理：首先準(zhǔn)備好各種成圖的數(shù)據(jù)：包括行政電子地圖、基本風(fēng)速、瞬時風(fēng)速、微地形、微氣象、線路風(fēng)偏跳閘、線路防風(fēng)臺賬、線路防風(fēng)能力校核、WRF 及大渦風(fēng)場等歷史數(shù)據(jù)，可以用整理好的excel 文件的方式導(dǎo)入系統(tǒng)，也可以直接通過系統(tǒng)的錄入界面錄入，存儲到引擎數(shù)據(jù)庫中。

2）規(guī)則專題圖生成：繪制規(guī)則庫引擎在接受到成圖的指令后，會根據(jù)用戶選中的規(guī)則庫類別及選中的規(guī)則項，運用GIS 緩沖區(qū)算法并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)生成各個規(guī)則庫類別的專題圖。

3）圖層融合及生成風(fēng)害圖草圖：根據(jù)GIS技術(shù)，首先加載歷史的風(fēng)場分布圖，然后疊加各個專題圖，并用GIS 融合算法，對相應(yīng)的圖層融合處理,然后對各個風(fēng)害等級圖層進(jìn)行拼接最后生成風(fēng)害圖草圖。

4）規(guī)則權(quán)重的考慮：首先在每個規(guī)則中根據(jù)云南的區(qū)域特征增加相應(yīng)的規(guī)則置信度，這樣在每個生成的專題圖要素中就會有相應(yīng)的規(guī)則權(quán)重，在圖層融合和拼接的時候，這些權(quán)重重的圖層就排在前面作為首要考慮因素。

5）對于圖層中跳級、尖端的處理等，目前系統(tǒng)沒有進(jìn)行自動處理，主要以提供風(fēng)害圖編輯器通過手工修訂的方式來進(jìn)行處理，但是對小圖斑的融合、小碎點的消除則系統(tǒng)部分進(jìn)行自動處理。

2.2.2 GIS算法詳細(xì)解釋

1）GIS 反距離權(quán)重插值算法：是GIS 生成柵格圖形的一種算法，基于插值區(qū)域內(nèi)部樣本點的相似性，計算與到鄰近區(qū)域樣點的加權(quán)平均值來估算出單元格的值，進(jìn)而插值得到一個表面。

2）GIS 緩沖區(qū)算法：是GIS 生成矢量圖形的一種算法，可以以點要素、線要素、面狀要素等為基礎(chǔ)，對這些要素的邊界按照設(shè)定的緩沖距離對原來的要素圖形進(jìn)行擴(kuò)充，最后生成的是面狀的矢量圖形。

3）GIS 建模算法：本方法描述的GIS 建模算法指的是對由輸入數(shù)據(jù)和相應(yīng)規(guī)則庫生成的規(guī)則庫專題圖進(jìn)行疊加的模型，主要根據(jù)這些專題圖內(nèi)的風(fēng)害等級屬性進(jìn)行分組，然后根據(jù)這些屬性進(jìn)行圖形的疊加。

4）GIS 融合算法：本方法描述的GIS 融合算法指的是對疊加好的專題圖進(jìn)行融合，使得它們成為一張圖。

3 輸電線路區(qū)域風(fēng)害圖自動繪制

3.1 繪制原理與依據(jù)

1）區(qū)域風(fēng)害圖的繪制是基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件來展開的；

2）依據(jù)如下規(guī)則劃分風(fēng)害等級

風(fēng)害等級劃分主要依據(jù)基本風(fēng)速、瞬時風(fēng)速、運行經(jīng)驗、高海拔地區(qū)的微地形微氣象、線路防風(fēng)能力等內(nèi)外因素綜合考慮，將輸電線路風(fēng)害等級分為5 個等級；

3）根據(jù)《Q GDW 11005-2013 風(fēng)區(qū)分級標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)區(qū)分布圖繪制規(guī)則》里5.2.1 氣象資料來選取與成圖相關(guān)的具體氣象要素信息；

4）采用《Q GDW 11005-2013 風(fēng)區(qū)分級標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)區(qū)分布圖繪制規(guī)則》附錄A 中公式A.1進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速換算；然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速和瞬時風(fēng)速關(guān)系進(jìn)行換算，在本系統(tǒng)中我們提供擬合公式如下：

V3s=1.7612*V10m-0.5922，V10m 為10 分鐘最大風(fēng)速，V3s 為3 秒瞬時風(fēng)速。這個公式為我們在系統(tǒng)提供參數(shù)調(diào)整功能。

5）采用Q GDW 11005-2013 風(fēng)區(qū)分級標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)區(qū)分布圖繪制規(guī)則》附錄A 中公式A.14 計算各氣象臺站不同重現(xiàn)期基本風(fēng)速及瞬時風(fēng)速；

6）經(jīng)過如下規(guī)則庫：風(fēng)場分布及演變規(guī)則庫、微地形與微氣象規(guī)則庫、線路抗風(fēng)能力規(guī)則庫、運行經(jīng)驗規(guī)則庫的GIS 修正和人工輔助修改，最后形成正式的風(fēng)害圖；

7）風(fēng)害圖生成之后能以數(shù)據(jù)庫形式以及shape 文件格式供在線監(jiān)測平臺、PMS 等其他系統(tǒng)調(diào)用，并可以在系統(tǒng)直接打印或者輸出為圖片，PDF 等各種格式。

3.2 區(qū)域風(fēng)害圖智能成圖算法模型

結(jié)合3.1 的原則，風(fēng)害圖智能成圖算法模型如下圖所示：

圖2 風(fēng)害圖智能成圖算法模型

3.3 區(qū)域風(fēng)害圖計算機(jī)自動成圖流程

根據(jù)3.2 的描述，區(qū)域風(fēng)害分布成圖計算機(jī)繪制算法流程圖如圖3。

繪制流程具體過程：

1）收集省各氣象站歷年的風(fēng)場海拔數(shù)據(jù)、風(fēng)速計離地/離平臺高度數(shù)據(jù)、觀測平臺高度數(shù)據(jù)、累年年平均風(fēng)速、累年年極大風(fēng)速、累年年極大風(fēng)速出現(xiàn)時間、風(fēng)向以及各風(fēng)向頻率觀測數(shù)據(jù)等氣象要素數(shù)據(jù)；

2）收集項目西北院負(fù)責(zé)研究出的微地形風(fēng)場模式數(shù)據(jù)，并綜合（1）收集的數(shù)據(jù)，對比兩者的平均最大風(fēng)速、極大風(fēng)速的取值范圍，采取取大優(yōu)先的原則，對重疊數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，形成項目所需要的平均最大風(fēng)速和極大風(fēng)速數(shù)據(jù)；

3）收集本省已建線路設(shè)計風(fēng)速資料，歷年輸電線路風(fēng)速情況資料（調(diào)查點的經(jīng)緯度、海拔高度、極值風(fēng)速）；

4）按公式（1）標(biāo)準(zhǔn)高度風(fēng)速換算公式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速換算：

式中，z：風(fēng)速儀實際高度，vz：風(fēng)速儀觀測風(fēng)速，α：空曠平坦地區(qū)粗糙度指數(shù)，取0.16；

5）確定基本風(fēng)速時，按當(dāng)?shù)貧庀笈_、站10 min 時平均的年最大風(fēng)速作樣本，并采用極值I 型分布作為概率模型，極值I 型概率分布，分布函數(shù)為：

式中：u—分布的位置函數(shù)，即其分布的眾值；α—分布的尺度函數(shù)。

觀測期為n 年，變量zi可以按照下式計算：

如果需要考慮實際的觀測數(shù)量，需要給出n個觀測值時參數(shù)C1和C2的值。

平均重現(xiàn)期為T的最大風(fēng)速XR可按下式確定：

同以上原理計算各個重現(xiàn)期3 s 瞬時風(fēng)速數(shù)據(jù)，然后利用擬合法擬合出10 Min 平均風(fēng)速和3 s 瞬時風(fēng)速的公式，然后統(tǒng)一用系統(tǒng)定義的擬合公式重新計算得出各個氣象站的3 s 瞬時風(fēng)速；

6）采用GIS 反距離權(quán)重插值算法將不同重現(xiàn)期風(fēng)速插值生成不同的柵格風(fēng)害分布圖草圖；將風(fēng)害分布圖柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成矢量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行碎多邊形、邊界鋸齒平滑、拓?fù)潋炞C等圖形處理；

圖3 風(fēng)害分布圖計算機(jī)繪制算法流程

7）疊加WRF 和大渦風(fēng)場專題圖層，比較歷史風(fēng)場數(shù)據(jù)的差異，按照取大優(yōu)先、預(yù)留充分裕度的原則局部調(diào)整風(fēng)害等級；疊加微地形微氣象專題圖層，比較微地形地區(qū)及微氣象特征區(qū)，局部調(diào)整風(fēng)害等級；疊加線路防風(fēng)校核的能力數(shù)據(jù)及相關(guān)桿塔線路圖層，比較線路防風(fēng)能力與外部最大風(fēng)速因素，局部調(diào)整風(fēng)害等級；疊加風(fēng)災(zāi)事故點專題圖層，比較風(fēng)災(zāi)事故點的實測風(fēng)速與風(fēng)害圖所示的基本風(fēng)速值及瞬時風(fēng)速值，局部調(diào)整風(fēng)害等級；

8）利用系統(tǒng)的風(fēng)害分布圖編輯功能，根據(jù)人工運行經(jīng)驗、風(fēng)偏跳閘故障資料修正風(fēng)害分布草圖；將草圖轉(zhuǎn)換為正式的風(fēng)害分布圖。

3.4 電子區(qū)域風(fēng)害分布圖的優(yōu)點

1）形成了區(qū)域風(fēng)害圖繪制的智能規(guī)則庫，能夠量化區(qū)域風(fēng)害圖繪制規(guī)則庫，并隨時調(diào)整這些規(guī)則，以便生成出不同效果的區(qū)域風(fēng)害分布圖供電網(wǎng)防風(fēng)專責(zé)根據(jù)運行經(jīng)驗來挑選，智能化程度較高。

2）由于該引擎基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)，借助該引擎生成的區(qū)域風(fēng)害圖信息可以即時更新和共享。

3）防風(fēng)工作人員可以利用GIS 提供的強(qiáng)大的圖形處理功能實現(xiàn)區(qū)域風(fēng)害分布圖的人工輔助自動繪制和風(fēng)害分析，為制定各項計劃和決策提供科學(xué)依據(jù)。

3.5 運行經(jīng)驗對區(qū)域風(fēng)害圖自動繪制影響

在傳統(tǒng)風(fēng)害圖繪制工作中，人工運行經(jīng)驗對各個區(qū)域的風(fēng)害等級的判斷是非常重要的，電力系統(tǒng)風(fēng)害圖繪制規(guī)程中也明確規(guī)定當(dāng)各風(fēng)速圖和運行經(jīng)驗在判斷風(fēng)害等級的時候產(chǎn)生沖突，則以運行經(jīng)驗為主。因此，風(fēng)害圖繪制工作中必須重視運行經(jīng)驗對風(fēng)害圖繪制工作的影響。

首先，系統(tǒng)已經(jīng)將部分運行經(jīng)驗如風(fēng)偏跳閘故障、風(fēng)偏跳閘率、歷史風(fēng)場分布等指標(biāo)量化為相關(guān)的繪制規(guī)則庫，運行經(jīng)驗已經(jīng)在風(fēng)害圖智能成圖過程中發(fā)揮部分作用，其權(quán)重值一般也是最大的。

其次，考慮到無法利用計算機(jī)表達(dá)的運行經(jīng)驗也會對成圖產(chǎn)生影響，本文提出了計算機(jī)智能成圖+ 人工修訂模式來確定最后生成的風(fēng)害圖，即在程序算法上另外提供了一個對風(fēng)害圖進(jìn)行人工修訂的子模塊，使得風(fēng)害圖在計算機(jī)自動生成之后，人工還可以修訂計算機(jī)自動生成的風(fēng)害圖，達(dá)到最后的風(fēng)害圖能夠表達(dá)線路防風(fēng)運行經(jīng)驗的效果。

對于系統(tǒng)自動生成的風(fēng)害分布圖，當(dāng)發(fā)現(xiàn)其與實際運行經(jīng)驗不符的時候則可以打開風(fēng)害修訂界面手工進(jìn)行修訂。

4 結(jié)束語

1）介紹了一種新的輸電線路區(qū)域風(fēng)害圖繪制思路和方法，從計算機(jī)軟件的角度對區(qū)域風(fēng)害圖繪制規(guī)則庫進(jìn)行分類和量化，進(jìn)行了區(qū)域風(fēng)害圖的計算機(jī)自動繪制和風(fēng)害自動分析，改進(jìn)和優(yōu)化了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)防風(fēng)工作流程。

2）基于實際的輸電線路區(qū)域風(fēng)害圖繪制應(yīng)用案例，采用基于計算機(jī)軟件和GIS 技術(shù)來表達(dá)區(qū)域風(fēng)害圖繪制規(guī)則并將其固化為計算機(jī)程序算法是可行的，能夠準(zhǔn)確表達(dá)風(fēng)害分布圖不僅要考慮內(nèi)因還要考慮外因要求。

3）考慮到區(qū)域風(fēng)害圖繪制工作中還有部分工作要依賴于人工運行經(jīng)驗，本文提出了計算機(jī)自動成圖+ 人工修訂模式來解決這部分的問題，使得本方法在電力系統(tǒng)區(qū)域風(fēng)害圖繪制工作中更具備可操作性。