CN108090285A - 一种适用于复杂地形输电线路风灾监测的微气象观测布点方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于复杂地形输电线路风灾监测的微气象观测布点方法。该方法依据历史灾情资料统计分析，提出基于规则的空间叠加方法，综合中尺度天气预报模式中不同高度风场模拟和地理信息***空间分析方法，实现区域内输电线路微气象观测站点选择，并利用布点观测及模型模拟，可实时动态掌握区域内不同高度风场分布情况，监测输电线路塔站遭受风灾分布情况，为确保电力安全运行提供技术保障，形成一套完整的室内综合模拟分析与野外实际踏勘相结合的选点技术流程。有效解决无法预测区域内输电线路遭受风灾后该塔站出现断电的问题。本发明方案新颖，布点结果代表性强，可为输电线路大风气象灾害监测网络布设提供技术支撑，且易于推广及实施。

Description

一种适用于复杂地形输电线路风灾监测的微气象观测布点 方法

技术领域

本发明涉及一种微气象观测领域。具体是指一种适用于复杂地形输电线路风灾监测的微气象观测布点方法。该方法提出一种基于复杂地形塔站进行空间叠加，能够快速实现从众多的输电线路塔站中选择出最具代表性的复杂地形条件下的输电线路塔站作为风场监测点，便于微气象观测仪器安装，为输电线路安全运营提供预警。

背景技术

山地地形的风场不同于平坦地貌条件的风场，山区的复杂地形会显著改变近地层流动风风速在垂直方向的分布以及湍流结构，从而形成山区地形所特有的风场结构特征，如越山风、峡谷风等。当气流流经山峰时，由于受到山峰的阻挡，气流会从山峰的顶部和两侧绕流，气流被加速。当气流从平坦开阔地貌进入峡谷时，由于过流断面的面积减少，气流的速度会加快，形成峡谷风场的“狭管效应”。

随着我国电力行业的飞跃式发展，电力传输需求的不断增大，各种超高压、大跨越输电杆塔不断投入建设和使用，这种大跨越输电杆塔通常修建于山区地势较高的位置（如山顶），当前众多输电线路布设于复杂山区，而山区复杂地形地貌所导致的风场加速效应对输电杆塔的抗风性能造成非常严重的不利影响。瞬时风速对输电线路安全造成隐患。如何降低风灾对输电线路引起的突发性停电、确保输电线路及其下游工农业用电安全。通常一个区域内的输电线路塔站众多，如何从数量庞大的输电线路塔站中选择出有限的、最具代表性的塔站作为搭载微气象观测***的平台，实现区域内风场科学合理监测，进而为气象数值模式提供风场预警的准确的同化资料成为目前输电线路气象监测的难点，也是电力行业亟待需要解决的问题。

目前国内外的规范中，对于山地风场特性的规定大多比较简单，一般通过采用风速增大输电塔站系数来考虑山地风场环境，给出的近似估算公式通常仅适用于二维情况，给出山坡正迎风面和背风面的风速剖面数据，并没有考虑在整个山体三维情况下的数据，也缺乏专门针对两个山体形成的“峡谷风效应”进行研究。

对复杂山地地形的风场特性进行研究和预警预报的基础是布设大量的自动微气象站，从而实现气象条件实时变化条件下，准确合理把握山丘及峡谷地形下的风荷载特征及其对输电塔的风荷载作用，对保证山区输电线路的安全使用和运营具有重要的意义。

发明内容

为了解决电力行业瞬时风速对输电线路安全造成隐患，本发明的目的在于提供一种适用于复杂地形输电线路风灾监测的微气象观测布点方法。该方法首先基于电网输电线路及其风灾监测历史资料，综合利用高程分级、地貌单元、坡度坡向、地表覆被、平均风速和平均风向等要素，建立代表性塔站选取规程，综合利用空间叠加分析方法，实现区域内代表性塔站选择，从而简化微气象仪器安装流程，便于检测整个区域内风场分布，为区域内输电线路安全提供技术支撑。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种适用于复杂地形输电线路风灾监测的微气象观测布点方法，包括以下步骤：

① 收集区域内气象台站常规监测数据，包括：风速、风向、温度、降水、气压以及区域内高精度地形地貌数据、土壤、植被、土地利用/覆被（LUCC）等资料，区域内卫星遥感资料（植被指数（NDVI）、叶面积指数(LAI)、地表反照率等），以及区域内所有输电线路电塔数据以及电塔历史风灾事故资料；

② 依据地形地貌资料进行海拔分区，分区采用等差500m进行分级，同时对地形地貌数据区域内的坡度、坡向数据进行摸底，统计分析历史电塔风灾事故发生率，建立坡度分级数据库；

③ 依据气象台站多年统计资料，选择大风事故塔作为事故区观测站点，并根据各塔杆高度和附近风速、风向地形地理条件进行加密观测；

④ 选山区，地形复杂的风口、垭口、分水岭、山顶突出处、迎风坡作为输电线路风灾多发生山区及复杂地形的观测作为站点；

⑤ 对②③④选择的观测站点进行叠加，通过求交集所得的站点满足区域选择，基于叠加结果，优选供电、通信良好，交通便利作为站点；

⑥ 优选站点的结果与模型模拟结果的交叉进行野外实地踏勘验证，最终确定监测站点空间分布方案；

⑦ 对输电线路塔站备选点进行气象传感器安装，连续运营，长期观测。

本发明的优点：

1、本发明通过对区域内输电线路塔站历史灾情、区域内近地层风场分布、灾害多发地，电塔风灾事故发生率、高山复杂地形区梯度输电线路所处的海拔高度进行分析统计，然后对区内分析统计所有输电线路塔站进行叠加，从数万个塔站中选择出有限的、具有代表性的站点，并对选择的站点野外实地踏勘，实现了一种复杂环境条件下，输电线路风灾微气象观测站点网络布点设计方案。该方案可适用于我国不同区域内输电线路风灾监测工作，同时也可作为覆冰等自然灾害观测网络，具有较好的适用性和可扩展性。

2、本发明通过利用中尺度天气数值预报模式(WRF)进行数值模拟、地理信息***(GIS)的空间分析等方法相结合，室内微气象站点布点选取与野外实地踏勘相结合的选点方法，科学合理的集成数值预报模式（WRF），极大提高了选点效率，实现区域内风场科学合理监测，降低了人力成本和经费成本。

3、本发明针对复杂地区输电线路微气象监测，为高寒地区输电线路气象灾害监测站点的快速选取提供了新思路，有效提高复杂下垫面、地形区微气象监测网络构建工作流程，减少野外踏勘工作量，提高布点工作效率，节约人力和财力成本。本发明利用微气象观测仪对区域内风场进行监测，并利用气象数值模式对区域内风场进行预测，从而实现对输电线路风场尤其是大风进行预警。本方法可推广到其他行业，为不同行业气象灾害监测台站建设提供服务。

附图说明

图1为本发明基于集合点的空间叠加法示意图。图中 ； 。

图2为本发明输电线路风灾监测布点流程图。

图3为本发明微气象观测点高程分布图。

图4为本发明微气象观测网点与大风风场预测分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案再作进一步的说明：

一种适用于复杂地形输电线路风灾监测的微气象观测布点方法，包括以下步骤：

1、布点方案

为实现科学合理的高精度复杂地形区风场分布预警，先查阅该区域内气象台站常规监测资料，获取最新美国国家环境预报中心（National Centers for EnvironmentalPrediction，NCEP）提供的全球分析资料（Final Operational Global Analysis，简称FNL，该资料比再分析资料具有更高的时间、空间分辨率）作为数值模式模拟的初始场，利用WRF模式模拟研究区的近地层风场分布情况，输出指定时间内近地层10米高度上的最大风和平均风；之后将风场分布数据、输电线路塔站数据、高程分区数据等输入到GIS***中；采用本发明提出的基于自然空间叠加法寻找最优布点区域；综合交通便利性、无线通讯信号稳定性等要素，确定最终指定区域内输电线路微气象布点方案。基于电网输电线路及其风灾监测数据依托于输电线路塔站的微气象观测***，包括：风速、风向、温度、湿度、大气压、降水六要素，将获取的微气象观测数据作为数值预报模式的真实资料，利用同化技术输入到数值气象模式（WRF）中，从而为输电线路塔站的建立提供实时数据资料基础，获得更为准确的模拟风场信息，为区域内输电线路风灾防治提供科学的技术支撑。

2、实施步骤

选择区域内输电线路塔站作为反映区域内风场分布的微气象观测架设平台，本方法提出一种基于规则与空间叠加相结合的输电线路风场监测微气象观测布点方法。该方法通过以下规程来实现：

①输电线路塔站的选择

依据区域内高程分级、平均风向、最大风速、地表覆盖、坡度坡向、地貌单元，从数量众多的输电线路塔站中选择出最具代表的输电线路塔站作为微气象观测平台近地层风场分布，利用WRF模式预测功能预测风场分布尤其是近地层（20m、50m高度）风场分布（平均风向、最大风速），基于地理信息***空间分析功能建立区域内高程分级、坡度坡向、地形地貌单元分区，为从数量众多的输电线路塔站中选择出最具代表的输电线路塔站作为微气象观测平台的依据，这些依据包括：

（1）大风事故塔站作为备选塔站。依据多年统计资料，选择此事故塔作为事故区观测站点，并根据各塔杆高度和附近地形地理条件进行加密观测，在塔杆上架设两层观测装置进行风速梯度观测，同时在附近小风区架设部分站点和海拔落差约500米的塔杆，架设部分站点，形成海拔梯度观测。

（2）高山复杂地形区梯度观测。输电线路风灾多发生在山区，地形复杂，设置的观测站点密度考虑每个站点代表的地域范围，其中首选风口、垭口、分水岭、山顶突出处、迎风坡作为观测站点。当电力塔观测站点海拔落差较大时，将最高点、最低点以及中间点作为梯度观测，研究地形影响对风速变化的影响。风灾多发生在峡谷地区，沿河谷走向上、下风向分别布设微气象监测站点。

（3）模拟大风区加密观测。根据WRF模拟的大风区和有观测资料的实际大风多发区分布情况，在大风多发区设微气象观测站点，并根据线路密集程度和海拔落差情况，做海拔梯度观测，同时可进行风速梯度观测。

（4）不同高程均匀分布观测。根据输电线路所处的海拔高度情况，在垂直方向上均匀选取出具有不同海拔高度层的自动气象站点形成不同高程的观测站网。由GIS数据获得区域海拔最高处和海拔最低处，并以500米进行分级，分解后的不同海拔梯度内确保有监测点。

②监测点空间化表达

将①中的选择的监测点各类数据以空间图层的形式进行表达，其中输电线路塔站以矢量点的形式在空间存储，其他各类信息则首先空间栅格数据的方式进行进入，并完成数据预处理，之后转换为空间矢量格式进行空间分析。

③基于监测点的空间叠加方法

将①中以监测点空间图层的形式进行表达的各类要素（包括输电线路塔站、风场数据、地形地貌数据等）进行叠加。这些叠加的点通过求交集的方法实现同时满足所述依据区域的选择点，基于点的空间数据叠加分析方法如图1所示，从众多输电线路塔站中选择最佳的布点，作为微气象观测仪安装的平台。

④选择最优区域

基于点的空间数据叠加，通过求交集的方法，从区域的选择点中选择最佳的布点区域，作为选择输电线路塔站的最优区域，

⑤最优塔站选择

基于最优选择区域，输电线路塔站的选择要结合当地的交通、移动信号等，从最优塔站区域中择优选择安装便利、通讯信号稳定的塔站作为微气象观测***安装平台。观测结果作为同化资料，用于WRF模式精细化风场模拟；观测结果中，对不合理数据进行相应处理，剔除掉原始数据中的无效数据，选择相关系数最好的测点和气象站为参考，插补有效数据。

3、气象传感器安装

根据《地面气象观测规范》和电力行业设计的标准，气象传感器安装在塔杆上，高度统一为距离地面10米的位置，故要求塔杆周围10米高度附近及以上无遮挡，如无大树，并且符合安全带电作业要求。通信良好指架设地点有CDMA/GPRS信号；其次，对事故区和大风区加密的铁塔风速梯度观测，架设10米和20米两层观测平台。

根据以上选点方法，本发明对云南大理输电线路微气象观测网络进行测算，结合实地考察结果和微气象装置仪器数量（35台），从近2万个塔站中选出37个站点，其中7个站点进行铁塔风速梯度观测，取得很好的预警效果，保证了大理输电线路的安全。图2给出33个塔杆分布图（洱海边35KV线路的4个铁塔没显示）。从图3中可以看出利用微气象观测仪对具有不同海拔高度层的输电线路自动气象站点进行不同高程观测，从而实现对输电线路风场尤其是大风进行预警。图4中可见所选的观测铁塔在春季最大风场上的分布。

Claims (1)

1.一种适用于复杂地形输电线路风灾监测的微气象观测布点方法，包括以下步骤：

① 收集区域内气象台站常规监测数据，包括：风速、风向、温度、降水、气压以及区域内高精度地形地貌数据、土壤、植被、土地利用/覆被(LUCC)资料，区域内卫星遥感资料，以及区域内所有输电线路电塔数据以及电塔历史风灾事故的资料；

② 依据地形地貌资料进行海拔分区，分区采用等差500m进行分级，同时对地形地貌数据区域内的坡度、坡向数据进行摸底，统计分析历史电塔风灾事故发生率，建立坡度分级档案；

③ 依据多年气象台站统计资料，选择大风事故塔事故区观测作为站点，并根据各塔杆高度和附近风速、风向地形地理条件进行加密观测；

④ 选山区，地形复杂的风口、垭口、分水岭、山顶突出处、迎风坡作为输电线路风灾多发生区，复杂地形的观测作为站点；

⑤ 对②③④选择的观测站点进行叠加，通过求交集所得的站点满足区域选择，基于叠加结果，优选供电、通信良好，交通便利作为站点，建立数据库；

⑥ 优选站点的结果与模型模拟结果的交叉进行野外实地踏勘验证，最终确定监测站点空间分布方案；

⑦ 对输电线路塔站备选点进行气象传感器安装，连续运营，长期观测。