CN102254239A - 基于微地形风场分布及台风叠加效应的电网风灾预警*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于微地形风场分布及台风叠加效应的电网风灾预警***，属于电网自然灾害防减治领域，其要点在于：包括气象数据采集子***，风灾风速预报的计算机子***，电网预警信息处理的计算机子***，电网风灾评估处理的计算机子***以及信息发布子***，上述各子***依次信号电连接。优点在于，采集电网覆盖区内气象观测站点的时效气象数据，并进行标准化预处理，接着基于理论建模和数值模拟相结合的手段，建立大风统计诊断模型和数值模型，分析大风对各主要线路、铁塔和变电站的影响程度，结合气象部门大风预警等级的相关规定，发布相应的大风预警信息报告。具有精度高，准确性好，实时反应快，为大风灾害预防和电网规划提供决策支持等优点。

Description

基于微地形风场分布及台风叠加效应的电网风灾预警***

技术领域

    本发明涉及基于微地形风场分布及台风叠加效应的电网风灾预警***，属于电网自然灾害防减治领域。

背景技术

我国是世界上受热带气旋影响最严重的国家之一，平均每年有7-8个热带气旋在我国沿海登陆，最多的年份达12个，最少的也有3个。有些热带气旋尽管没有登陆，但是仍然会对沿海造成较大影响。我国海岸线较长，从海南到辽宁，广阔的沿海地区都会受到登陆热带气旋的影响。尤其福建、广东等省份为登陆热带气旋影响的重灾区。登陆热带气旋带来的强风和暴雨给当地的经济和人民生命财产造成重大损失。受欧亚大陆和热带海洋的交替影响，该区域天气气候复杂多变，灾害性天气（如台风）频发，该区域尤其处于台风路径上，登陆和影响区域的台风十分频繁，凡登陆、影响粤闽浙沿海和在南海北部活动的热带气旋，都会引起局地瞬时强风（极风）的出现，这种风灾极易导致电网覆盖区域内电力工程和设备的巨大损失。此外，以亚热带海洋气候为背景，结合该地特有的复杂地形地貌而形成的近地层风的特征，将对区域内电网输电***的抗风安全和工程设计投资估算产生重要影响。

纵观国内外，20世纪以来数值模式和数值模拟的研究有了长足的发展。其中一个重要进展在于数值模式的设计不再仅仅关注大气内部的发展，对于大气的边界过程的描述日益精确化。特别是针对大气的边界过程模式发展的大型观测项目的实施，有效地改进了数值模式的模拟能力和精度，能够真实再现区域的气候和天气特征。针对风的数值模拟在国内近年来才逐步发展起来，例如利用GUIDE简单模式，考虑地形对风速的影响，进行了复杂地形风速的数值模式，取得较精确的风场分布特征；利用GUIDE模式，结合卫星遥感地理信息获得的三维地形，综合评估了局地风分布的方法；并进一步分析了在理想地形条件下，准静力模式对复杂地形水平风场的模拟能力，研究了复杂地形条件下，风能资源的评估方法问题；袁春红等（2004）利用中尺度气象模式MM5较成功的模拟了近海区域的风场分布；李晓燕和余志（2005）发现将海洋站逐时测风资料、卫星微波遥感散射计风场反演资料，经过MM5的同化技术处理，进而利用MM5的较高时空分辨率的模式设计方案，模拟的风场分布对风场模拟具有一定的改善作用；龚强等（2006）研究了MM5模式在风普查中的应用试验表明，MM5 模式对大范围区域风场的宏观评估具有很好的参考和应用价值；Dobesch H等（2005）以吉林省为研究对象，利用WASP模式，完成了近lkm分辨率的、距地面60m高度的风速的计算与制图；穆海振等（2006）利用TAPM数值模式对上海地区的风场作了数值模拟计算，经过同步的气象站观测资料的订正，获得分辨率为3km 的上海全年平均风速和风功率密度分布信息。在国际上，近年来更加重视统计－数值模式相结合的方法，利用中尺度数值模式、微尺度数值模式，以及统计分析相结合的方法，逐步提高局地风分布的时空分辨率，目前国外已经对风的测试与评估开发出许多的测试设备和评估软件。

另外在我国东南沿海的电网覆盖区域，电力构筑物等电力输送***高度都在大气边界层内（1km左右），因此主要受到低层大气的影响。低层大气中的大气运动形式主要表现为湍流运动，湍流风变化特性和发生规律的研究是结构风工程中的重要基础课题。风荷载是构筑物所承受的主要荷载之一，因此，正确分析结构风致振动的前提是对风特性的各种参数进行准确的定义和模拟，准确把握风的湍流特性在电力结构工程的抗风研究及设计应用中具有重要作用。

但是，现有技术中缺乏将高时空分辨率的局地风分布与电网覆盖区域的电力构筑物分布重叠以获得各电力构筑物处的风速预报，进而保障电网运行安全、提高大风灾害预报预测能力和灾害应急处置能力的电网风灾预警***。

发明内容

本发明的目的提供一种基于微地形风场分布及台风叠加效应的电网风灾预警***，能以足够的精度，准确地预测预报出电网覆盖区内各电力构筑物的大风（极风）灾害情况，并实时反应电网运行风险状况，为大风灾害预防和电网规划提供决策支持。

本发明的目的是通过以下途径来实现的：

基于微地形风场分布及台风叠加效应的电网风灾预警***，其要点在于：该预警***包括：气象数据采集子***，风灾风速预报的计算机子***，电网预警信息处理的计算机子***，电网风灾评估处理的计算机子***以及信息发布子***，上述各子***依次信号电连接，气象数据采集子***采集辖区电网覆盖区内多个气象观测站点提供的时效气象数据送入风灾风速预报的计算机子***；获得覆盖辖区电网范围的风灾风场分布及风速各预报值信号并送入电网预警信息处理的计算机子***，与基于空间地理信息的电力构筑物分布进行对应获得各电力构筑物处的风速预报值信号并送入电网风灾评估处理的计算机子***，与各相应电力构筑物的设计风速进行比较并通过其中的计算机损毁概率模型获得可在信息发布子***进行直观发布显示的电力构筑物损毁概率、电力构筑物预警等级等信号。

本发明可以表征电力构筑物的空间地理信息具有微地形特征或属性，将其与风灾风场分布对应后可获得微地形风场分布及台风叠加效应，这种叠加效应后的预报风速可能更真实的体现该电力构筑物的真实所受风速，因此，本发明不但可以预报各电力构筑物的风速、灾害等情况，而且预报精度高，准确性好。

本发明的目的还可以通过以下途径来实现。

电网预警信息处理的计算机子***中存储有地理信息模块，气象数据与地理信息***展示模块，风圈制作模块、气象数据处理模块以及参数设置模块，其中地理信息模块实现基本的GIS视图功能和风、温度、雨量及台风预报路径色标显示功能，气象数据与地理信息***展示模块可以同时或单独展示自动站提供的数据信息（极大风、一小时雨、整点温度和海平面气压）、台风路径信息以及一种自定义的数值预报格式信息，风圈制作模块根据大风区级别对应的色块，填充由点击生成的多个点组成的闭合多边形，并且多边形进行平滑处理为闭合曲线而制作风圈。

风灾风速预报的计算机子***中包括依次信号电连接的气象采集数据标准化处理***和风灾成灾模型处理***，气象采集数据标准化处理***中存储有气象数据质量控制和处理标准数据库，其将气象数据采集子***送入的时效气象数据处理成标准化气象数据并提供给风灾成灾模型处理***。

风灾成灾模型处理***包括统计诊断模型处理***和数值预报模型处理***，统计诊断模型处理***和数值预报模型处理***分别插接在气象采集数据标准化处理***和电网预警信息处理的计算机子***之间，同时，数值预报模型处理***一信号输出端还与统计诊断模型处理***一信号输入端连接，数值预报模型处理***中存储有有关气象场、地形场、局地观测场、局地地形场和土地利用信息等数据信息，输入的标准化的气象观测数据与该等数据信息组合并处理后生成具一定边界层高度的近地层、预报时效较统计诊断模型处理***长的辖区电网分布区域内高分辨率逐时风场信息，并分别送入统计诊断模型处理***和电网预警信息处理的计算机子***，统计诊断模型处理***将输入的标准化的气象观测数据与辖区电网分布区域内高分辨率逐时风场信息共同计算处理后生成气象数据采集子***中各地面观察站未来1天或两天的平均、最大和极大风速的预报值信息数据并送入电网预警信息处理的计算机子***。

统计诊断模型处理***预报得到的是未来24小时的各站点的日平均、最大和极大风速，因使用大量的观测资料和模式数据，预报精度较高较稳定，但只能进行定点评估；数值预报模型处理***得到的是未来72小时的高分辨率逐时空间风场，但易受初值场影响，可通过结合观测资料同化处理提高其预报精度。本***是结合两者的优点，即可得到空间范围内高分辨率的风矢量场，又可对有测站的点或重点关注的站点进行定点评估，更精确地得到其预报风速的变化。

气象采集数据标准化处理***，对采集的各种气象数据进行质量控制和标准化预处理；统计诊断模型处理***，利用历史和实时气象数据预测电网覆盖区内的风场时空分布特征；数值预报模型处理***，通过数值模拟实时预报电网覆盖区内的大风（极风）灾害情况；信息发布子***，通过各种通讯平台及其他平台实时发布电网覆盖区内大风预警信息。

数值预报模型处理***的具体计算处理过程是，在天气预报模式（WRF）3 km数值产品的数据信息基础上，结合动力降尺度技术数据信息，运行大气边界层模块数据信息（CALMET），最后输出水平分辨率达100m×100m、边界层高度100米内的近地层、预报时效达72小时的辖区电网分布区域内高分辨率逐时风场信息。

统计诊断模型处理***的具体计算处理过程是：利用偏最小二乘回归方法结合模式预报方法（PLS-MOS）建立气象数据采集子***中各地面观察站的大风统计诊断模型，将分别读入的标准化的气象观测数据与辖区电网分布区域内高分辨率逐时风场信息共同计算处理后生成气象数据采集子***中各地面观察站未来1天的平均、最大和极大风速的预报值信息数据。

风灾风速预报的计算机子***中还包括有校验模块处理***，校验模块处理***分别与统计诊断模型处理***和数值预报模型处理***形成闭环电连接，统计诊断模型处理***和数值预报模型处理***分别将预报风速信号值数据信息输入校验模块处理***与实测风速进行对比，对比结果反馈给各自***以修正调整各自的模型参数。

气象数据采集子***所包括的各气象观测站由依次电信号连接的气象要素传感器、数据采集处理器和数据传输通信模块等组成，直流稳压电源为上述各组成提供电源。

综上所述，本发明首先通过气象数据采集***实时采集电网覆盖区内多个气象观测站点的时效气象数据，然后通过气象数据采集标准化处理***，对采集的各种气象数据进行质量控制和标准化预处理，接着基于理论建模和数值模拟相结合的手段，建立大风统计诊断模型和数值模型，根据电力部门各主要线路、铁塔和变电站的地理位置，分析大风对其影响程度，结合气象部门大风预警等级的相关规定，发布相应的大风预警信息报告。具有精度高，准确性好，实时反应快，为大风灾害预防和电网规划提供决策支持等优点。

附图说明

图1为本发明的基于微地形风场分布及台风叠加效应的电网风灾预警***整体框架示意图；

图2为本发明的电网风灾预警***的统计诊断模型处理***处理流程示意图；

图3为本发明的电网风灾预警***的数值预报模型处理***处理流程示意图；

图4为本发明的电网风灾预警***的气象数据采集子***具体组成示意图；

图5为本发明的电网风灾预警***的电网预警信息处理的计算机子***具体组成示意图；

图6为本发明的电网风灾预警***的电网风灾评估处理的计算机子***处理流程示意图。

具体实施方式

最佳实施例：

参照附图1，基于微地形风场分布及台风叠加效应的电网风灾预警***，其要点在于：该预警***包括：气象数据采集子***，风灾风速预报的计算机子***，电网预警信息处理的计算机子***，电网风灾评估处理的计算机子***以及信息发布子***，上述各子***依次信号电连接，气象数据采集子***利用辖区电网覆盖区内多个气象观测站点提供的时效气象数据送入风灾风速预报的计算机子***；获得覆盖辖区电网范围的风灾风场分布及风速各预报值信号并送入电网预警信息处理的计算机子***，与基于空间地理信息的电力构筑物分布进行对应获得各电力构筑物处的风速预报值信号并送入电网风灾评估处理的计算机子***，与各相应电力构筑物的设计风速进行比较并通过其中的计算机损毁概率模型获得可在信息发布子***进行直观发布显示的电力构筑物损毁概率、电力构筑物预警等级等信号。

其中，风灾风速预报的计算机子***中包括依次信号电连接的气象采集数据标准化处理***和风灾成灾模型处理***，气象采集数据标准化处理***中存储有气象数据质量控制和处理标准数据库，其将气象数据采集子***送入的时效气象数据处理成标准化气象数据并提供给风灾成灾模型处理***。风灾成灾模型处理***包括统计诊断模型处理***、数值预报模型处理***和校验模块处理***，统计诊断模型处理***和数值预报模型处理***分别插接在气象采集数据标准化处理***和电网预警信息处理的计算机子***之间，同时，数值预报模型处理***一信号输出端还与统计诊断模型处理***一信号输入端连接，校验模块处理***分别与统计诊断模型处理***和数值预报模型处理***形成闭环电连接。

进一步具体阐述所述的各处理***和计算机子***。

参照附图2，统计诊断模型采用PLS-MOS方法建立了大风统计诊断预报模型，其中PLS即偏最小二乘算法（Partial least-squares，简称PLS），回归分析选取各因子的回归系数并建立预报方程。PLS回归分析主要适用于多因变量对多自变量的回归建模，并可以有效地解决许多用普通多元回归无法解决的问题。MOS是模式输出统计（Model Output Statistics，简称MOS）法，具体做法是从数值预报模式的归档资料中选取预报因子向量，求出预报量的同时或近于同时预报关系式。PLS-MOS 的参数主要在预报因子的选择和建模样本数量上。PLS-MOS选择了WRF模式基本输出变量作为预报因子。

程序初始化，读取相关参数，进一步读入模式数据，进行相应插值，并分别读入的标准化的气象观测数据与辖区电网分布区域内高分辨率逐时风场信息，判断并剔除无观测或缺省数据，利用偏最小二乘回归方法结合模式预报方法（PLS-MOS）建立气象数据采集子***中各地面观察站的大风统计诊断模型，计算处理后生成气象数据采集子***中各地面观察站未来1天的平均、最大和极大风速的预报值信息数据，然后进行交叉有效性检验，交叉有效性检验方法的目的在于判断h个成分的回归方程是否优于h-1个成分的回归方程，增加1个新的成分后，能否对模型的预测功能有明显的改进。统计诊断模型针对校验后给出结果进行PLS-MOS预报。

参照附图3，数值预报模型的基本思路是：首先应用动力降尺度分析方法，利用全球数值模式或再分析资料提供的初始、边界条件，驱动中、小尺度气象数值模式耦合的大风评估与预报***，提供1-3km分辨率的中尺度风场和100-200m分辨率的微尺度风场，随后对模拟结果进行统计降尺度分析，实现对大风资源跟踪监测、预报和评估。在本模型研究中，诊断风场模块由两步完成，如图3所示。首先，WRF输出的1km分辨率风场作为第一插值场输入到CALMET中，即将WRF的1km预报结果插值到CALMET诊断模式分辨率为100m×100m的网格上，经过地形的动力学影响、倾斜气流和阻塞效应等的调整；其次，利用观测资料对其进行客观分析，得到高分辨率、多层次的近地层高分辨率风场。利用以偏最小二乘法为核心的MOS方法等统计模型对模拟结果进一步做统计降尺度分析，定点评估和预报风速的变化。

其中，大尺度气象场：空间和时间分辨率比较大的气象要素（如气温、气压、位势高度等）的分布场。如：NCEP等。

局地观测场：局地部分地区得到的观测台站资料（真实场）。

中尺度地形场：空间网格比较密集的地形参数分布场。

局地地形场：空间网格非常密集的地形参数分布场。

土地利用：人为对土地表面的处理和利用状况信息。（如耕地、水库、城市化等）

参照附图4，气象数据采集子***所包括的各气象观测站由依次电信号连接的气象要素传感器、数据采集处理器和数据传输通信模块等组成，直流稳压电源为上述各组成提供电源。

数据采集处理器的核心是中央微处理器，其主要功能是数据采集、数据处理、数据存储和数据传输。数据采集处理器从气象要素传感器采集数据，通过A/D转换处理，将原始的模拟信号转换成计算机可读取的格式（数字格式，二进制码），配合相应的软件，中央微处理器根据特定的算法对数据进行处理，处理过并按规定格式形成的数据临时存储在内置存储器或存储卡里，这些存储模块通常带有备份电池，具有较高的可靠性。微处理器中还有一个24小时实时时钟，自身备有电池，即使在设备停电的情况下也能准确走时，用于保证自动站设备运行过程中的时间同步。

处理过的数据通过数据传输通信模块和无线通信网络传送到远处的中心站。数据传输有卫星通信、移动通信、有线电话网通信、甚高频通信、光纤通信等多种方式可供使用。目前气象部门的自动气象站数据传输多采用无线移动通信和光纤通信。

参照附图5，电网预警信息处理的计算机子***基于风灾预警信息管理***，存储有如下信息模块：

1、地理信息模块：实现基本的GIS视图功能和***基本操作功能：可以实现电子地图图层显示关闭的控制功能；在地图上对风、温度、雨量及台风预报路径进行色标显示；可以设置数值预报显示透明度。

2、气象数据与地理信息***展示模块

1）能够同时或单独展示自动站提供的数据信息（极大风，一小时雨，整点温度和海平面气压）、台风路径信息以及一种自定义的数值预报格式信息；

2）控制台风路径的显示和隐藏以及实况数据显示隐藏和自定义数值预报数据显示和隐藏；

3）叠加的气象要素，弹出小气泡窗口查看其属性；

4）自动站数据叠加后还可以单独控制极大风、一小时雨、整点温度和海平面气压几种数据的显示和隐藏；

5）台风路径叠加后，可以单独控制台风预报路径的显示和隐藏；

6）自定义数值预报按层和时效过滤后进行叠加显示。

3、风圈制作工具模块：大风区制作***根据大风区级别对应的色块，填充由点击生成的多个点组成的闭合多边形，并且多边形进行平滑处理为闭合曲线；

4、气象数据处理模块以及参数设置模块。

参照附图6，电网风灾评估处理的计算机子***，以各线路的输电杆塔为例，根据电网预警信息处理的计算机子***得到的风圈等级数据，基于电网GIS不规则查询方式查询10级风圈内的线路杆塔，根据杆塔坐标点鱼计算格点对应查数据表，从而对应格点的数值预报数据，然后根据杆塔处的预报风速与杆塔的设计风速比对，基于杆塔损毁概率模型评估并给出线路杆塔的预警等级。

本发明未述部分与现有技术相同。

Claims (6)

1.基于微地形风场分布及台风叠加效应的电网风灾预警***，其特征在于：该预警***包括：气象数据采集子***，风灾风速预报的计算机子***，电网预警信息处理的计算机子***，电网风灾评估处理的计算机子***以及信息发布子***，上述各子***依次信号电连接，气象数据采集子***采集辖区电网覆盖区内多个气象观测站点提供的时效气象数据送入风灾风速预报的计算机子***；获得覆盖辖区电网范围的风灾风场分布及风速各预报值信号并送入电网预警信息处理的计算机子***，与基于空间地理信息的电力构筑物分布进行对应获得各电力构筑物处的风速预报值信号并送入电网风灾评估处理的计算机子***，与各相应电力构筑物的设计风速进行比较并通过其中的计算机损毁概率模型获得可在信息发布子***进行直观发布显示的电力构筑物损毁概率、电力构筑物预警等级等信号。

2.根据权利要求1所述的基于微地形风场分布及台风叠加效应的电网风灾预警***，其特征在于，电网预警信息处理的计算机子***中存储有地理信息模块，气象数据与地理信息***展示模块，风圈制作模块、气象数据处理模块以及参数设置模块，其中地理信息模块实现基本的GIS视图功能和风，温度，雨量，及台风预报路径色标显示功能，气象数据与地理信息***展示模块可以同时或单独展示自动站提供的数据信息（极大风、一小时雨、整点温度和海平面气压）、台风路径信息以及一种自定义的数值预报格式信息，风圈制作模块根据大风区级别对应的色块，填充由点击生成的多个点组成的闭合多边形，并且多边形进行平滑处理为闭合曲线而制作风圈。

3.根据权利要求1所述的基于微地形风场分布及台风叠加效应的电网风灾预警***，其特征在于，风灾风速预报的计算机子***中包括依次信号电连接的气象采集数据标准化处理***和风灾成灾模型处理***，气象采集数据标准化处理***中存储有气象数据质量控制和处理标准数据库，其将气象数据采集子***送入的时效气象数据处理成标准化气象数据并提供给风灾成灾模型处理***。

4.根据权利要求3所述的基于微地形风场分布及台风叠加效应的电网风灾预警***，其特征在于，风灾成灾模型处理***包括统计诊断模型处理***和数值预报模型处理***，统计诊断模型处理***和数值预报模型处理***分别插接在气象采集数据标准化处理***和电网预警信息处理的计算机子***之间，同时，数值预报模型处理***一信号输出端还与统计诊断模型处理***一信号输入端连接，数值预报模型处理***中存储有有关气象场、地形场、局地观测场、局地地形场和土地利用信息等数据信息，输入的标准化的气象观测数据与该等数据信息组合并处理后生成具一定边界层高度的近地层、预报时效较统计诊断模型处理***长的辖区电网分布区域内高分辨率逐时风场信息，并分别送入统计诊断模型处理***和电网预警信息处理的计算机子***，统计诊断模型处理***将输入的标准化的气象观测数据与辖区电网分布区域内高分辨率逐时风场信息共同计算处理后生成气象数据采集子***中各地面观察站未来1天或两天的平均、最大和极大风速的预报值信息数据并送入电网预警信息处理的计算机子***。

5.根据权利要求4所述的基于微地形风场分布及台风叠加效应的电网风灾预警***，其特征在于，风灾成灾模型处理***中还包括有校验模块处理***，校验模块处理***分别与统计诊断模型处理***和数值预报模型处理***形成闭环电连接，统计诊断模型处理***和数值预报模型处理***分别将预报风速信号值数据信息输入校验模块处理***与实测风速进行对比，对比结果反馈给各自***以修正调整各自的模型参数。

6.根据权利要求1所述的基于微地形风场分布及台风叠加效应的电网风灾预警***，其特征在于，气象数据采集子***所包括的各气象观测站由依次电信号连接的气象要素传感器、数据采集处理器和数据传输通信模块等组成，直流稳压电源为上述各组成提供电源。

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