CN105184492B - 基于三维数字地球的电网抵御台风灾害仿真分析预警*** - Google Patents
基于三维数字地球的电网抵御台风灾害仿真分析预警*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于三维数字地球的电网抵御台风灾害仿真分析与预警***，该***包括信息展示模块、地理数据服务模块、电网数据服务模块、气象数据模块及电网预警分析模块。本发明使用三维数字地球作为显示载体，将电网设备、气象环境与地理环境有机结合在一起，清晰地展示了电网的多层次空间结构，同时也展示了电网与地理环境间、电网与气象环境间的联系与影响；在三维环境中营造气象环境，并在三维电网中架设了可以模拟风偏摆动、风偏放电与断线垂落等现象的仿真导线；电网预警分析使用台风数值预报数据并根据区域地形对其进行修正，在提高准确度的同时提升了计算效率，可预测台风对电网可能造成的影响，为电网抵御台风灾害提供了有力支持。
Description
技术领域
本发明涉及电网防灾减灾领域，主要涉及电力设施抵御台风灾害的分析与预警，以及基于三维数字地球环境的电网与大气环境可视化、分析预警可视化。
背景技术
数字地球：一个以地球坐标为依据的、具有多分辨率的海量数据和多维显示的地球虚拟***。
三维可视化：利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成三维图形或图像在屏幕上显示出来。
地理信息***：即GIS，在计算机硬、软件***支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术***。
数值天气预报：根据大气实际情况，在一定初值和边值条件下，通过大型计算机作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学方程组，预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法。
电网防灾减灾***：以GIS为平台,面向管理和决策层的可视化信息***,用于电力部门的电网状况查询、电网灾害预警等工作。
在申请号为2008100710202的发明专利中公开了一种基于地理信息***GIS的电网综合防灾减灾***，在该专利中基于Web GIS技术将电网信息、电网运行环境信息以及基础地理信息有效地集成起来，在地理信息平台Geosurf上进行展示，通过各应用***的集成、交互，从而具有强大的分析、预报、决策等功能。
现有技术中的存在缺点：
（1）基于二维地理信息***只能以二维形式展示电网形态，对线路走廊、交叉跨越以及周边地理环境、地形地貌等无法直观了解。
（2）现有方案以气象专业符号为主展示台风气象数据，缺乏真实感，不便于非气象专业人员理解，难以为电网灾害指挥人员提供有效的支撑。
（3）虽能将气象信息与电网***关联，但未建立台风对电网影响的有效分析方法，不能及时有效评估台风对电网的影响，使关联的气象信息对电网预警起不到实质作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于三维数字地球的电网抵御台风灾害仿真分析与预警***，该***基于三维数字地球平台展示电网设备、大气环境，实时发布台风预警与电网预警，为电网抗御台风提供数据支持与决策辅助。
本发明通过以下技术方案实现：基于三维数字地球的电网抵御台风灾害仿真分析与预警***，其特征在于，包括：信息展示模块，所述信息展示模块提供三维数字地球、三维电网、三维气象环境、气象专题图及电网预警功能，为***提供三维虚拟现实浏览环境；地理数据服务模块，所述地理数据服务模块为所述信息展示模块与电网预警分析模块提供地理数据服务；电网数据服务模块，所述电网数据服务模块为所述信息展示模块与电网预警分析模块提供电网基础数据服务；气象数据模块，所述气象数据模块包含气象数据处理与气象数据服务两项功能；所述气象数据处理通过专用通道接收气象局推送的各类气象数据并根据预警分析及显示需要对数据进行标准化与三维可视化等处理；所述气象数据服务功能为所述信息展示模块与电网预警分析模块提供气象数据服务；以及电网预警分析模块，所述电网预警分析模块根据台风数值预报数据、DEM数字高程以及电网设备台账数据，综合预警加权等级进行电网预警分析，得到电网预警信息并通过信息展示模块发布；电网预警信息包括台风动态预警、线路影响预警、风偏预警及杆塔风荷载预警。
在本发明一实施例中，所述三维数字地球功能提供由高清卫星影像与DEM数字高程构成的三维地球；所述三维电网功能提供从宏观网架结构至局部杆塔组件的多层次可视化电网，所述多层次可视化电网由与真实电力设备相同比例的三维模型组成，各模型间有着与真实电网设备相同的空间位置关系与拓扑结构，三维电网的导线与真实导线有相似的物理特性；所述三维气象环境功能根据各地区天气预报、气象自动站数据和红外云图数据展示风、雨、雷电、云、雪等气象环境，在台风影响时间内显示台风三维结构、路径、风圈等台风信息；所述气象专题图功能提供雷达图、降水量、气温分布、风场分布、天气预报等天气实况图以及台风路径预测、台风未来影响区等数值预报图，其中，降水量、气温分布、风场分布以三维曲面方式显示，其他专题图在三维数字地球上叠加显示，与信息展示模块的其他功能互不影响；所述电网预警功能用于显示由电网预警分析模块生成的预警信息，包括预警文字与预警特效两种显示方式，所述预警文字用于精确显示预警目标、预警内容、预警涉及数值与阈值，预警特效用于在三维数字地球上指示预警目标位置及区域范围。
在本发明一实施例中，所述地理数据服务包括高清卫星影像服务、DEM数字高程服务、行政区划服务、交通信息服务及地标服务。
在本发明一实施例中，所述电网基础数据服务包括变电站、输电线路、杆塔、金具、绝缘子、导地线的台账数据；电网故障、缺陷、运行的实时数据；三维线路、三维杆塔及附属设备、三维变电站的电网三维模型数据。
在本发明一实施例中，气象数据处理功能由气象局数据推送触发，其触发后还包括以下步骤：
步骤一：接收到推送数据后，自动对数据进行标准化处理；步骤二：当推送的数据为自动站数据时，提取风场、降水、温度等相关数据绘制风场分布图、降水分布图与温度分布图；步骤三：当推送的数据为红外云图数据时，使用云顶温度转高度法对云图进行三维可视化处理并构建三维云图模型；步骤四：当推送的数据为雷达数据时，对数据进行坐标系转换与矩阵化处理并构建三维台风模型；步骤五：当推送的数据为台风数值预报数据时，提取风场、降水等相关数据构建预测风场分布图与预测降水分布图；提取台风预测路径区数据并启动电网预警分析模块。
进一步的，电网预警分析由气象数据模块触发，其触发后还包括以下步骤：S1：当气象局发布台风预警及相关信息时同步发布台风动态预警，在信息展示模块对台风进行可视化标记并跟踪；当气象局取消台风预警时***解除台风动态预警；S2:从电网数据模块获取用户指定的预警线路坐标数据，从气象数据模块获取台风数值预报数据;S3:对台风数值预报中的台风预测路径区与待预警线路警戒区进行空间叠加分析，当分析结果中两区出现重叠时获取重叠区线路信息并发布相应线路影响预警；当分析结果中曾发布预警区域不再重叠时解除相应线路影响预警；S4:使用受影响线路杆塔坐标对台风数值预报风场数据进行插值，得到受影响线路杆塔的预测风速风向时间序列；S5:从地理数据模块获取杆塔所在高程，从电网数据模块获取受影响线路杆塔所处地形分类并折算为地形粗糙度，对风速风向时间序列进行修正；S6:从电网数据模块获取受影响线路杆塔的绝缘子、导线等台账数据，使用修正风速风向时间序列计算导线及绝缘子模拟风偏值；S7:将得到的导线与绝缘子模拟风偏值与相应阈值进行对比，当模拟风偏值超过阈值时根据超出比例综合该线路预警加权、数值预报时间加权发布相应级别的风偏预警；当曾发布风偏预警的导线与绝缘子模拟风偏值低于阈值时解除风偏预警；S8:从电网数据模块获取影响区内线路杆塔物理参数及空间分布数据，使用修正风速风向时间序列计算杆塔模拟风荷载；S9:将得到的杆塔模拟风荷载与相应阈值进行对比，当模拟风荷载值超过阈值时根据超出比例综合该线路预警加权、数值预报时间加权发布相应级别的杆塔风荷载预警；当曾发布风荷载预警杆塔模拟风荷载低于阈值时解除杆塔风荷载预警。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：使用三维数字地球作为显示载体，将电网设备、气象环境与地理环境有机结合在一起，清晰地展示了电网的多层次空间结构，同时也展示了电网与地理环境间、电网与气象环境间的联系与影响；以通过粒子特效与物理引擎技术相结合，在三维环境中营造了风、雨、雷电、云、雪等气象环境，并在三维电网中架设了可以模拟风偏摆动、风偏放电与断线垂落等现象的仿真导线，给人以身临其境的直观感受；电网预警分析使用台风数值预报数据并根据区域地形对其进行修正，在提高准确度的同时大幅提升了计算效率，可预测未来72小时内台风对电网可能造成的影响，为电网抵御台风灾害提供了有力支持。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明预警分析流程图。
图3为本发明一实施例的实施网络架构图。
图4为本发明***逻辑架构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明提供基于三维数字地球的电网抵御台风灾害仿真分析与预警***，该***包括信息展示模块、地理数据服务模块、电网数据服务模块、气象数据模块及电网预警分析模块，结构原理框图参见图1.
其中：所述信息展示模块提供三维数字地球、三维电网、三维气象环境、气象专题图及电网预警功能，为***提供三维虚拟现实浏览环境；所述地理数据服务模块为所述信息展示模块与电网预警分析模块提供地理数据服务；所述电网数据服务模块为所述信息展示模块与电网预警分析模块提供电网基础数据服务；所述气象数据模块包含气象数据处理与气象数据服务两项功能；所述气象数据处理通过专用通道接收气象局推送的各类气象数据并根据预警分析及显示需要对数据进行标准化与三维可视化等处理；所述气象数据服务功能为所述信息展示模块与电网预警分析模块提供气象数据服务；所述电网预警分析模块根据台风数值预报数据、DEM数字高程以及电网设备台账数据，综合预警加权等级进行电网预警分析，得到电网预警信息并通过信息展示模块发布；电网预警信息包括台风动态预警、线路影响预警、风偏预警及杆塔风荷载预警。
所述三维数字地球功能提供由高清卫星影像与DEM数字高程构成的三维地球；所述三维电网功能提供从宏观网架结构至局部杆塔组件的多层次可视化电网，所述多层次可视化电网由与真实电力设备相同比例的三维模型组成，各模型间有着与真实电网设备相同的空间位置关系与拓扑结构，三维电网的导线与真实导线有相似的物理特性；所述三维气象环境功能根据各地区天气预报、气象自动站数据和红外云图数据展示风、雨、雷电、云、雪等气象环境，在台风影响时间内显示台风三维结构、路径、风圈等台风信息；所述气象专题图功能提供雷达图、降水量、气温分布、风场分布、天气预报等天气实况图以及台风路径预测、台风未来影响区等数值预报图，其中，降水量、气温分布、风场分布以三维曲面方式显示，其他专题图在三维数字地球上叠加显示，与信息展示模块的其他功能互不影响；所述电网预警功能用于显示由电网预警分析模块生成的预警信息，包括预警文字与预警特效两种显示方式，所述预警文字用于精确显示预警目标、预警内容、预警涉及数值与阈值，预警特效用于在三维数字地球上指示预警目标位置及区域范围。
所述地理数据服务包括高清卫星影像服务、DEM数字高程服务、行政区划服务、交通信息服务及地标服务。
所述电网基础数据服务包括变电站、输电线路、杆塔、金具、绝缘子、导地线的台账数据；电网故障、缺陷、运行的实时数据；三维线路、三维杆塔及附属设备、三维变电站的电网三维模型数据。
在本发明一实施例中，气象数据处理功能由气象局数据推送触发，其触发后还包括以下步骤：
步骤一：接收到推送数据后，自动对数据进行标准化处理；步骤二：当推送的数据为自动站数据时，提取风场、降水、温度等相关数据绘制风场分布图、降水分布图与温度分布图；步骤三：当推送的数据为红外云图数据时，使用云顶温度转高度法对云图进行三维可视化处理并构建三维云图模型；步骤四：当推送的数据为雷达数据时，对数据进行坐标系转换与矩阵化处理并构建三维台风模型；步骤五：当推送的数据为台风数值预报数据时，提取风场、降水等相关数据构建预测风场分布图与预测降水分布图；提取台风预测路径区数据并启动电网预警分析模块。
进一步的，电网预警分析由气象数据模块触发，其触发后还包括以下步骤：S1：当气象局发布台风预警及相关信息时同步发布台风动态预警，在信息展示模块对台风进行可视化标记并跟踪；当气象局取消台风预警时***解除台风动态预警；S2:从电网数据模块获取用户指定的预警线路坐标数据，从气象数据模块获取台风数值预报数据;S3:对台风数值预报中的台风预测路径区与待预警线路警戒区进行空间叠加分析，当分析结果中两区出现重叠时获取重叠区线路信息并发布相应线路影响预警；当分析结果中曾发布预警区域不再重叠时解除相应线路影响预警；S4:使用受影响线路杆塔坐标对台风数值预报风场数据进行插值，得到受影响线路杆塔的预测风速风向时间序列；S5:从地理数据模块获取杆塔所在高程，从电网数据模块获取受影响线路杆塔所处地形分类并折算为地形粗糙度，对风速风向时间序列进行修正；S6:从电网数据模块获取受影响线路杆塔的绝缘子、导线等台账数据，使用修正风速风向时间序列计算导线及绝缘子模拟风偏值；S7:将得到的导线与绝缘子模拟风偏值与相应阈值进行对比，当模拟风偏值超过阈值时根据超出比例综合该线路预警加权、数值预报时间加权发布相应级别的风偏预警；当曾发布风偏预警的导线与绝缘子模拟风偏值低于阈值时解除风偏预警；S8:从电网数据模块获取影响区内线路杆塔物理参数及空间分布数据，使用修正风速风向时间序列计算杆塔模拟风荷载；S9:将得到的杆塔模拟风荷载与相应阈值进行对比，当模拟风荷载值超过阈值时根据超出比例综合该线路预警加权、数值预报时间加权发布相应级别的杆塔风荷载预警；当曾发布风荷载预警杆塔模拟风荷载低于阈值时解除杆塔风荷载预警。具体流程图参见图2。
图3为本发明一具体实施例的实施网络架构图，该架构包括三维数字地球客户端、地理信息服务器、电网数据服务器、气象数据服务器、网页信息服务器、气象数据处理服务器和预警分析服务器。图4为本发明逻辑架构图。
三维数字地球客户端基于EV-Globe构建。其通过获取地理信息服务器上的高清卫星影像及DEM数字高程重建三维地形；通过获取电网数据服务器的变电站、线路、杆塔等电网设备三维模型构造三维电网；通过获取气象数据服务器的各类气象数据，将气象数据以二维或三维形式展示，其中二维部分使用多层贴图叠加至三维地形，三维部分使用静态三维模型或粒子特效置入三维空间；通过获取预警分析服务器上的导线风偏等计算数据，使用物理引擎生成导线风偏摆动、风偏放电和断线垂落等动画；通过http协议访问网页信息服务器，将各类查询统计数据通过网页形式嵌入三维气泡窗口中，分离数据层与表现层，增强了***架构的灵活性。
地理信息服务器采用GeoServer服务端，支持WMS、WCS、WFS、等常用网络地图服务协议，为三维数字地球客户端提供高清卫星影像、DEM数字高程及其他地理数据。该服务端使用分布式部署，可有效提高三维数字地球客户端地理数据响应速度。
电网数据服务器采用PostGIS空间数据库引擎，按照空间、时间、专题组织为空间数据库。库内存有变电站、输电线路、杆塔、金具、绝缘子、导地线等设备台账、空间信息及三维模型，同时存有电网故障、缺陷、运行等实时数据。
气象数据服务器为***提供气象数据支持服务，包括气象专题图所需的气象实况数据、三维气象环境所需的三维模型以及预警分析服务器所需的台风数值预报数据。
气象数据处理服务器通过专用通道接收气象局推送的所有气象数据，根据***需要对不同气象数据执行标准化、插值与修正、网格化和三维重建等处理，并把成果保存到气象数据服务器。
预警分析服务器获取气象数据服务器中的气象数据和电网数据服务器中的电网台账数据，经过预警计算与分析，根据默认预警规则及用户自定义预警规则生成各项预警信息并发布给三维数字地球客户端。
网页信息服务器采用Asp.Net和组件化技术，通过访问电网数据服务器为三维数字地球客户端提供地理、电网、气象、预警等数据的查询统计功能。
综上所述，本发明提供的上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.基于三维数字地球的电网抵御台风灾害仿真分析预警***，其特征在于，包括：
信息展示模块，所述信息展示模块提供三维数字地球、三维电网、三维气象环境、气象专题图及电网预警功能，为***提供三维虚拟现实浏览环境；
地理数据服务模块，所述地理数据服务模块为所述信息展示模块与电网预警分析模块提供地理数据服务；
电网数据服务模块，所述电网数据服务模块为所述信息展示模块与电网预警分析模块提供电网基础数据服务；
气象数据模块，所述气象数据模块包括气象数据处理与气象数据服务两项功能；所述气象数据处理通过专用通道接收气象局推送的各类气象数据并根据预警分析及显示需要对数据进行标准化与三维可视化处理；所述气象数据服务功能为所述信息展示模块与电网预警分析模块提供气象数据服务；
以及电网预警分析模块，所述电网预警分析模块根据台风数值预报数据、DEM数字高程以及电网设备台账数据，综合预警加权等级进行电网预警分析，得到电网预警信息并通过信息展示模块发布；电网预警信息包括台风动态预警、线路影响预警、风偏预警及杆塔风荷载预警；
气象数据处理功能由气象局数据推送触发，其触发后还包括以下步骤：
步骤一：接收到推送数据后，自动对数据进行标准化处理；
步骤二：当推送的数据为自动站数据时，提取风场、降水、温度绘制风场分布图、降水分布图与温度分布图；
步骤三：当推送的数据为红外云图数据时，使用云顶温度转高度法对云图进行三维可视化处理并构建三维云图模型；
步骤四：当推送的数据为雷达数据时，对数据进行坐标系转换与矩阵化处理并构建三维台风模型；
步骤五：当推送的数据为台风数值预报数据时，提取风场、降水数据构建预测风场分布图与预测降水分布图；提取台风预测路径区数据并启动电网预警分析模块；
电网预警分析由气象数据模块触发，其触发后还包括以下步骤：
S1：当气象局发布台风预警及相关信息时同步发布台风动态预警，在信息展示模块对台风进行可视化标记并跟踪；当气象局取消台风预警时***解除台风动态预警；
S2:从电网数据模块获取用户指定的预警线路坐标数据，从气象数据模块获取台风数值预报数据；
S3:对台风数值预报中的台风预测路径区与待预警线路警戒区进行空间叠加分析，当分析结果中两区出现重叠时获取重叠区线路信息并发布相应线路影响预警；当分析结果中曾发布预警区域不再重叠时解除相应线路影响预警；
S4:使用受影响线路杆塔坐标对台风数值预报风场数据进行插值，得到受影响线路杆塔的预测风速风向时间序列；
S5:从地理数据模块获取杆塔所在高程，从电网数据模块获取受影响线路杆塔所处地形分类并折算为地形粗糙度，对风速风向时间序列进行修正；
S6:从电网数据模块获取受影响线路杆塔的绝缘子、导线的台账数据，使用修正风速风向时间序列计算导线及绝缘子模拟风偏值；
S7:将得到的导线与绝缘子模拟风偏值与相应阈值进行对比，当模拟风偏值超过阈值时根据超出比例综合该线路预警加权、数值预报时间加权发布相应级别的风偏预警；当曾发布风偏预警的导线与绝缘子模拟风偏值低于阈值时解除风偏预警；
S8:从电网数据模块获取影响区内线路杆塔物理参数及空间分布数据，使用修正风速风向时间序列计算杆塔模拟风荷载；
S9:将得到的杆塔模拟风荷载与相应阈值进行对比，当模拟风荷载值超过阈值时根据超出比例综合该线路预警加权、数值预报时间加权发布相应级别的杆塔风荷载预警；当曾发布风荷载预警杆塔模拟风荷载低于阈值时解除杆塔风荷载预警。
2.根据权利要求1所述的基于三维数字地球的电网抵御台风灾害仿真分析预警***，其特征在于：三维数字地球功能提供由高清卫星影像与DEM数字高程构成的三维地球；
三维电网功能提供从宏观网架结构至局部杆塔组件的多层次可视化电网，所述多层次可视化电网由与真实电力设备相同比例的三维模型组成，各模型间有着与真实电网设备相同的空间位置关系与拓扑结构，三维电网的导线与真实导线有相似的物理特性；
三维气象环境功能根据各地区天气预报、气象自动站数据和红外云图数据展示以下气象环境：风、雨、雷电、云、雪；在台风影响时间内显示以下台风信息：台风三维结构、路径、风圈；
气象专题图功能提供天气实况图及数值预报图；天气实况图包括：雷达图、降水量、气温分布、风场分布、天气预报；数值预报图包括：台风路径预测、台风未来影响区，其中，降水量、气温分布、风场分布以三维曲面方式显示，其他专题图在三维数字地球上叠加显示，与信息展示模块的其他功能互不影响；
所述电网预警功能用于显示由电网预警分析模块生成的预警信息，包括预警文字与预警特效两种显示方式，所述预警文字用于精确显示预警目标、预警内容、预警涉及数值与阈值，预警特效用于在三维数字地球上指示预警目标位置及区域范围。
3.根据权利要求1所述的基于三维数字地球的电网抵御台风灾害仿真分析预警***，其特征在于：所述地理数据服务包括高清卫星影像服务、DEM数字高程服务、行政区划服务、交通信息服务及地标服务。
4.根据权利要求1所述的基于三维数字地球的电网抵御台风灾害仿真分析预警***，其特征在于：所述电网基础数据服务包括变电站、输电线路、杆塔、金具、绝缘子、导地线的台账数据；电网故障、缺陷、运行的实时数据；三维线路、三维杆塔及附属设备、三维变电站的电网三维模型数据。
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