CN108152867B - 输电线路的台风预警***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种输电线路的台风预警***及方法，涉及电力***技术领域，用于对经过输电线路的台风进行精细预警，以降低输电线路的倒塔断线风险，并为风灾倒塔设计校核提供风速依据。所述台风预警***包括台风数据输入单元，与台风数据输入单元信号连接的风场模型生成单元，与风场模型生成单元信号连接的计算流体力学单元，与计算流体力学单元信号连接的风险预警单元，以及分别与风场模型生成单元和风险预警单元信号连接的台风影响线路集。所述台风预警方法利用上述台风预警***对经过输电线路的台风进行预警。本发明提供的台风预警***及方法用于对电网风灾的监测及预警。
Description
技术领域
本发明涉及电力***技术领域，尤其涉及一种输电线路的台风预警***及方法。
背景技术
输电线路是电力***的重要组成部分，其安全性直接关系到国家经济建设和人民生活，因此，保证输电线路正常可靠运行是至关重要的。但由于输电线路具有杆塔高、跨距大、杆塔柔性强等特点，再加之导地线和绝缘子串的几何非线性以及塔线之间的耦合作用，使得输电线路对台风的激振作用非常敏感，容易出现倒塔断线现象。因此，对位于台风多发区如沿海地区的输电线路进行台风预警是非常有必要的，通过对输电线路进行台风预警，可以指导供电部门提前对输电线路进行针对性的防护工作，降低台风造成的损失；此外，还可以为获得经过输电线路的台风数据，为后续输电线路的建设提供数据参考。
目前，对输电线路的台风预警方法主要依靠气象部门公布的台风数据，但该台风数据通常是由气象部门通常监测大范围区域内的整体台风情况获得的，数据较为笼统，且所涉及的台风区域范围较大，不能达到对经过输电线路的台风进行精细预警，导致部分区域的输电线路没有被有针对性地防护，从而导致输电线路存在倒塔断线风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种输电线路的台风预警***及方法，用于对经过输电线路的台风进行精细预警，以降低输电线路的倒塔断线风险。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的第一方面提供一种台风预警***，所述台风预警***包括：
台风影响线路集，用于存储输电线路地理信息***GIS分布图、输电线路处地表数据、塔型使用条件库和预警等级对照表；
台风数据输入单元，用于提供台风数据；
分别与所述台风影响线路集和所述台风数据输入单元信号连接的风场模型生成单元，所述风场模型生成单元根据所述输电线路GIS分布图和所述台风数据圈定研究区域，并根据所述研究区域的输电线路处地表数据建立风场模型，所述研究区域为台风经过且设有输电线路的强风区域；
与所述风场模型生成单元信号连接的计算流体力学单元，所述计算流体力学单元用于计算所述风场模型中不同位置的模拟风速；
分别与所述计算流体力学单元和所述台风影响线路集信号连接的风险预警单元，所述风险预警单元用于计算所述模拟风速和所述塔型使用条件库中的杆塔设计风速之间的风速比值，并根据所述风速比值查找所述预警等级对照表，确定所述研究区域的台风预警等级。
基于上述台风预警***的技术方案，本发明的第二方面提供一种台风预警方法，所述台风预警方法包括：
提供一存储有输电线路GIS分布图、输电线路处地表数据、塔型使用条件库和预警等级对照表的台风影响线路集；
台风数据输入单元提供台风数据；
风场模型生成单元根据所述输电线路GIS分布图和所述台风数据圈定研究区域，并根据所述研究区域的输电线路处地表数据建立风场模型，所述研究区域为台风经过且设有输电线路的强风区域；
计算流体力学单元计算所述风场模型中不同位置的模拟风速；
风险预警单元用于计算所述模拟风速和所述塔型使用条件库中的杆塔设计风速之间的风速比值，并根据所述风速比值查找所述预警等级对照表，确定所述研究区域的台风预警等级。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
采用本发明实施例提供的台风预警***对输电线路进行台风预警时，由于电网公司的台风观测***提供的数据可以不断地对气象部门提供的台风数据进行校验和修正，同时由于还将研究区域内输电线路处的地表数据整合入风场模型中，因此本发明实施例所建立的风场模型分辨率高、仿真度稿，基本能够直接反映输电线路走廊和台风的情况。而且，利用计算流体力学单元和风险预警单元实现了对研究区域内每基杆塔位置的风速精确计算和台风预警等级，从而实现了对经过输电线路的台风进行精细预警，降低了输电线路的倒塔断线风险。此外，将模拟的台风数据叠加到输电线路GIS分布图中，还可以圈出受影响杆塔，从而对这些杆塔进行重点防护，进一步降低输电线路的倒塔断线风险。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中台风预警***的结构框图；
图2为本发明实施例提供的一种风场模型的示意图；
图3为本发明实施例中台风预警方法的流程图；
图4为图3中步骤40的流程图。
具体实施方式
为便于理解，下面结合说明书附图，对本发明实施例提供的输电线路的台风预警***及方法进行详细描述。
请参阅图1，本发明实施例提供的台风预警***包括台风数据输入单元，与台风数据输入单元信号连接的风场模型生成单元，与风场模型生成单元信号连接的计算流体力学单元，与计算流体力学单元信号连接的风险预警单元，以及分别与风场模型生成单元和风险预警单元信号连接的台风影响线路集。其中，台风数据输入单元用于提供台风数据；台风影响线路集用于存储输电线路地理信息***(Geographic Information System，以下简称为GIS)分布图、输电线路处地表数据、塔型使用条件库和预警等级对照表。风场模型生成单元根据输电线路GIS分布图和台风数据输入单元提供的台风数据圈定研究区域，并根据研究区域的输电线路处地表数据建立风场模型。计算流体力学单元用于计算风场模型中不同位置的模拟风速；风险预警单元用于计算模拟风速和塔型使用条件库中的杆塔设计风速之间的风速比值，并根据风速比值查找预警等级对照表，确定研究区域的台风预警等级。
在上述实施例中，台风影响线路集是台风预警***的基础数据库，为前期集成在台风预警***中的内容。台风影响线路集包括强风区域内的输电线路GIS分布图、输电线路处地表数据、塔型使用条件库和预警等级对照表，其中，输电线路GIS分布图包含输电线路走廊通道线路分布情况，按照线路杆塔坐标在行政区划地图上展开。根据输电线路GIS分布图以及台风位置情况和风圈半径大小可以圈定预警范围，从而可以选定要进行数值模拟的研究区域。另外，将模拟的台风数据叠加到输电线路GIS分布图中就可以圈出受台风影响的杆塔。需要补充说明的是，线路走廊其实就是指输电线路本身和输电线路正下方占地。
输电线路处地表数据是输电线路正下方占地的地表数据，其包括数字地形高程和地表覆盖数据。本发明实施例在建立风场模型时将输电线路处地表数据整合到风场模型中，可以降低地表粗糙程度对风速、风向的影响，提高风场模型的仿真度。塔型使用条件库包含输电线路技术参数，包括线路的导线型号、塔型、呼高、设计风速和档距等。预警等级对照表是体现台风预警等级与风速比值之间对应关系的表格，根据风速比值，可以在该预警等级对照表中查找与该风速比值对应的台风预警等级，台风预警等级通常包括蓝、黄、橙和红四级预警。需要补充说明的是，地表覆盖数据为全球30米地表植被建筑覆盖情况。
在上述实施例中，台风数据输入单元包括气象部门的台风数据播报***用于提供台风数据。其中，台风数据播报***提供的台风数据包括台风预报数据和台风实时数据，台风预报数据包括气象部门预报的台风预测路径、七级风圈预测半径和十级风圈预测半径，例如未来24h和48h的台风预测路径、七级风圈预测半径和十级风圈预测半径。台风实时数据是指气象部门观测站提供的台风数据，包括台风中心位置的经纬度坐标、中心风力、七级风圈实测半径和十级风圈实测半径，且该台风实时数据实时更新。
上述气象部门提供的台风数据是输入风场模型的初始数据；此外，利用气象部门提供的台风数据，可以确定台风登陆后的强风区域，从而结合输电线路GIS分布图能够圈定研究区域。研究区域为台风经过且设有输电线路的强风区域，是台风经过时需要重点防护的区域，具体可以根据输电线路GIS分布图、台风预测路径、台风风圈半径圈定。
上述台风数据输入单元还包括电网公司自建的台风数据观测***，该台风数据观测***用于提供研究区域内的风速和风向。具体地，台风数据观测***包括电网公司自建的气象雷达和超声风速仪，其中，气象雷达沿输电线路设置，用于在研究区域内进行短期巡回观测，通过数据反演方式获取研究区域内地面至300m高度的风速、风向以及局地三维立体风场，其中局地三维立体风场可以为4km范围的局地三维立体风场。超声风速仪主要布置在输电线路的典型杆塔上，用于获取所述研究区域内距离地面10m高度的风速、风向及脉动参数。台风数据观测***提供的台风数据(风速和风向)用于对气象部门提供的台风数据进行修正，使风场模型中的风况与现实中的风况基本一致，从而使所建立的风场模型能够基本真实地反映出研究区域的台风情况。另外，台风数据观测***提供的台风数据还作为风场模型的边界条件，计算流体力学单元在计算模拟风速时使用。
在上述实施例中，风场模型生成单元根据气象部门的台风数据播报***提供的台风预测路径、七级风圈半径、十级风圈半径、台风中心位置的经纬度坐标和中心风力确定强风区域。确定强风区域后，风场模型生成单元根据输电线路GIS分布图确定位于强风区域的输电线路，并根据台风预测路径和台风风圈半径圈定研究区域。需要说明的是，台风登陆后台风预测路径、七级风圈半径、十级风圈半径、台风中心位置的经纬度坐标和中心风力是随时间变化的，因此，研究区域的大小和位置也是变化的，不是一成不变的。风场模型生成单元圈定研究区域后，根据输电线路处地表数据，基于计算流体动力学(ComputationalFluid Dynamics，以下简称为CFD)技术建立风场模型，该风场模型包括研究区域内的地表模型。
请参阅图2，图2为风场模型生成单元建立的风场模型，该风场模型可以看做是六面体模型，其中，六面体模型的底面为地表模型，是根据研究区域内的数字地形高程和地表覆盖数据建立的，其他面是空气，空气边界以测量得到的风速、风向作为边界和初始条件进行计算；图2中三角形标记是风场模型内部的风速测量点，圆形标记是风场模型边界的风速测量点。气象部门提供的台风数据是输入风场模型中的初始数据，电网公司的台风数据观测***提供的台风数据(风速和风向)用于对气象部门提供的台风数据进行修正，使风场模型中形成与实测数据相一致，从建立适合风场模型使用的风速分布图，以便所建立的风场模型能够基本真实地反映出研究区域的台风情况。
计算流体力学单元，也称为CFD单元，利用有限元的方法，对研究区域内的风场模型进行有限元网格划分及计算不同的有限元网格对应的模拟风速。有限元网格可以根据风场模型的大小、精度需要等划分。示例性的，将研究区域内的风场模型设置为50m分辨率(50m乘50m的大小设置为一个有限元计算网格)的计算网格。计算流体力学单元利用网格自解裂技术和并行计算技术，配合数字地形高程(DEM)和全球30米地表覆盖数据，对研究区域内的风场模型进行数值模拟。模拟时，以气象部门提供的风速风向数据作为初始条件，且不断利用电网公司自测在多个点位的观测结果对风场模型进行校验和修正，形成与各测风点实测数据相一致的风速分布图。示例性地，请继续参阅图2，假设风场模型为一个六面体模型，该六面体模型的底面是地表模型，其他面是空气，在这样一个空间内利用有限元技术划分网格，空气边界以测量得到的风速、风向作为边界和初始条件进行计算，通过计算获得研究区域不同位置的模拟风速，从而得到实时预报结果、3h预报结果和48h预报结果：a、研究区域内各基杆塔处风速风向数据，包括10min平均风和实时脉动风；b、分16个风向扇区，从中提取风速的地形效应因子，形成地形效应因子数据库。
在计算流体力学单元计算获得研究区域不同位置的模拟风速后，风险预警单元根据上述模拟风速，计算模拟风速和塔型使用条件库中的杆塔设计风速之间的风速比值。计算出风速比值后，根据该风速比值查找存储在台风影响线路集中的台风预警等级对照表，根据风速比值与台风预警等级之间的对应关系，圈定研究区域的台风预警等级，台风预警等级分别为蓝、黄、橙和红四级预警。根据该台风预警等级，可以实现对经过输电线路的台风进行精细预警，降低输电线路的倒塔断线风险。
需要补充的是，利用计算流体力学单元计算获得的模拟风速，与塔型使用条件库中的杆塔设计风速进行对比，当模拟风速大于或等于杆塔设计风速时，也可以确定输电线路存在倒塔断线风险。
综上可见，采用本发明实施例提供的台风预警***对输电线路进行台风预警时，由于电网公司的台风观测***提供的数据可以不断地对气象部门提供的台风数据进行校验和修正，同时由于还将研究区域内输电线路处的地表数据整合入风场模型中，因此本发明实施例所建立的风场模型分辨率高、仿真度稿，基本能够直接反映输电线路走廊和台风的情况。而且，利用计算流体力学单元和风险预警单元实现了对研究区域内每基杆塔位置的风速精确计算和台风预警等级，从而实现了对经过输电线路的台风进行精细预警，降低了输电线路的倒塔断线风险。此外，将模拟的台风数据叠加到输电线路GIS分布图中，还可以圈出受影响杆塔，从而对这些杆塔进行重点防护，进一步降低输电线路的倒塔断线风险。
在上述实施例中，获取地形因子可以得到地表数据(是DEM和地表覆盖数据的组合)对风速的影响参数，这个影响参数是模拟值。由于该模拟值是通过对研究区域内所有位置的风速风向进行计算得到的，因此，根据地形因子所形成的地形效应因子数据库，对于以后的台风进行初步预警，并为风灾倒塔设计校核提供风速依据。此外，初步预警可以直接把实测值乘上地形效应因子，给出初步计算结果，初步计算过程很快而且也基本准确，因此可以进行提前预警，减少后续台风预警的时间和降低台风预警成本。
请参阅图3，在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种输电线路的台风预警方法，该台风预警方法包括：
步骤10，提供一存储有输电线路GIS分布图、输电线路处地表数据、塔型使用条件库和预警等级对照表的台风影响线路集；
步骤20，台风数据输入单元提供台风数据；
步骤30，风场模型生成单元根据所述输电线路GIS分布图和所述台风数据圈定研究区域，并根据所述研究区域的输电线路处地表数据建立风场模型，所述研究区域为台风经过且设有输电线路的强风区域；
步骤40，计算流体力学单元计算所述风场模型中不同位置的模拟风速；
步骤50，风险预警单元用于计算所述模拟风速和所述塔型使用条件库中的杆塔设计风速之间的风速比值，并根据所述风速比值查找所述预警等级对照表，确定所述研究区域的台风预警等级。
在上述台风预警方法中，台风影响线路集、台风数据输入单元、风场模型生成单元、计算流体力学单元和风险预警单元的组成及功能，可以参见上述对台风预警***实施例中对应描述，在此不再赘述。
采用本发明实施例提供的台风预警方法对输电线路进行台风预警时，由于电网公司的台风观测***提供的数据可以不断地对气象部门提供的台风数据进行校验和修正，同时由于还将研究区域内输电线路处的地表数据整合入风场模型中，因此本发明实施例所建立的风场模型分辨率高、仿真度高，基本能够直接反映输电线路走廊和台风的情况。而且，利用计算流体力学单元和风险预警单元实现了对研究区域内每基杆塔位置的风速精确计算和台风预警等级，从而实现了对经过输电线路的台风进行精细预警，降低了输电线路的倒塔断线风险。此外，将模拟的台风数据叠加到输电线路GIS分布图中，还可以圈出受影响杆塔，从而对这些杆塔进行重点防护，进一步降低输电线路的倒塔断线风险。
在上述台风预警方法中，台风数据输入单元包括气象部门的台风数据播报***和电网公司的台风数据观测***，台风数据输入单元提供的台风数据包括台风数据播报***提供的台风数据和台风数据观测***提供的台风数据，其中，台风数据播报***提供的台风数据包括：台风预测路径、七级风圈预测半径和十级风圈预测半径，以及实时观测的台风中心位置的经纬度坐标、中心风力、七级风圈实测半径和十级风圈实测半径。台风数据观测***提供的台风数据包括研究区域内的风速和风向。
在上述台风预警方法中，台风数据观测***包括沿输电线路设置的气象雷达和超声风速仪；台风数据观测***提供的所述研究区域内的风速和风向包括气象雷达提供的所述研究区域内地面至300m高度的风速、风向以及局地三维立体风场；以及超声风速仪提供的所述研究区域内距离地面10m高度的风速、风向及脉动参数。
在上述台风预警方法中，输电线路处地表数据包括数字地形高程和地表覆盖数据，风场模型包括根据所述研究区域内的数字地形高程和地表覆盖数据建立的地面模型。通过建立地面模型可以真实反映地表粗糙度，提高风场模型的仿真度，从而提高计算得到的模拟风速精度。
请参阅图2和图4，在上述台风预警方法中，计算流体力学单元计算所述风场模型中不同位置的模拟风速具体包括：
步骤41，假设风场模型为六面体模型，六面体模型的底面为地面模型，顶面为梯度风高度起始面；在这样一个空间内利用有限元技术划分网格，空气边界以测量得到的风速、风向作为边界和初始条件。
步骤42，将梯度风高度起始面以上位置设置为水平风向约束，将六面体模型的底面和顶面之间的四个侧面设置为边界。由于地表粗糙度对风场影响很大，在模型底面为地形高程和地表覆盖数据构成的边界；在模型顶面为梯度风高度以上位置，设置为水平风向约束；在模型的其余四个面，为初始风速风向边界条件。
步骤43，对边界进行有限元网格划分。示例性的，请继续参阅图2，设在四个边界每个边界有n个风速测量点(n1*n2)，风速测量点为图2中圆形标记位置，其中n1为竖直方向上的风速测量点，n2为水平方向上的风速测量点。那么将边界划分为n1*n2个小片区，每个片区初始条件采用所在片区坐标点数据。
步骤44，利用计算流体力学技术分别计算各有限元网格的模拟风速。具体是基于CFD计算原理，并利用网格自解裂技术和并行计算技术对整个研究区域内的风场进行数值模拟、计算，求解风场。此外，还可以对计算结果进行验算，减小仿真误差。具体地，请参阅图2，设风场模型内部有m个风速测量点(m1*m2)，风速测量点的位置为图中三角形标记的位置。提取计算完成后，空间内部m个点的计算数据，将计算数据与测量数据进行比较，计算仿真误差。
其中,α、β是大小和方向误差的权重，为第i、j点的实测值，为第i、j点的仿真值。如果仿真误差满足要求，认为仿真结果正确。如果仿真误差不满足要求，分析误差产生原因，修正模型后重新进行计算。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种输电线路的台风预警***，其特征在于，所述台风预警***包括：
台风影响线路集，用于存储输电线路GIS分布图、输电线路处地表数据、塔型使用条件库和预警等级对照表；
台风数据输入单元，用于提供台风数据；
分别与所述台风影响线路集和所述台风数据输入单元信号连接的风场模型生成单元，所述风场模型生成单元根据所述输电线路GIS分布图和所述台风数据圈定研究区域，并根据所述研究区域的输电线路处地表数据，基于计算流体动力学技术建立风场模型，所述风场模型包括所述研究区域内的地表模型，所述研究区域为台风经过且设有输电线路的强风区域；
与所述风场模型生成单元信号连接的计算流体力学单元，所述计算流体力学单元用于计算所述风场模型中不同位置的模拟风速；
分别与所述计算流体力学单元和所述台风影响线路集信号连接的风险预警单元，所述风险预警单元用于计算所述模拟风速和所述塔型使用条件库中的杆塔设计风速之间的风速比值，并根据所述风速比值查找所述预警等级对照表，确定所述研究区域的台风预警等级；
所述台风数据输入单元包括气象部门的台风数据播报***，所述台风数据播报***用于提供台风预测路径、七级风圈预测半径和十级风圈预测半径，以及实时观测的台风中心位置的经纬度坐标、中心风力、七级风圈实测半径和十级风圈实测半径。
2.根据权利要求1所述的输电线路的台风预警***，其特征在于，所述台风数据输入单元包括电网公司的台风数据观测***，其中，
所述台风数据观测***用于提供所述研究区域内的风速、风向。
3.根据权利要求2所述的输电线路的台风预警***，其特征在于，所述台风数据观测***包括沿输电线路设置的气象雷达和设置在杆塔上的超声风速仪，其中，
所述气象雷达用于获取所述研究区域内地面至300m高度的风速、风向以及局地三维立体风场；
所述超声风速仪用于获取所述研究区域内距离地面10m高度的风速、风向及脉动参数。
4.一种输电线路的台风预警方法，应用于如权利要求1-3中任一项所述的输电线路的台风预警***，其特征在于，所述台风预警方法包括：
提供一存储有输电线路GIS分布图、输电线路处地表数据、塔型使用条件库和预警等级对照表的台风影响线路集；
台风数据输入单元提供台风数据；
风场模型生成单元根据所述输电线路GIS分布图和所述台风数据圈定研究区域，并根据所述研究区域的输电线路处地表数据建立风场模型，所述研究区域为台风经过且设有输电线路的强风区域；
计算流体力学单元计算所述风场模型中不同位置的模拟风速；
风险预警单元用于计算所述模拟风速和所述塔型使用条件库中的杆塔设计风速之间的风速比值，并根据所述风速比值查找所述预警等级对照表，确定所述研究区域的台风预警等级。
5.根据权利要求4所述的输电线路的台风预警方法，其特征在于，所述台风数据输入单元包括气象部门的台风数据播报***和电网公司的台风数据观测***；所述台风数据输入单元提供的台风数据包括：
所述台风数据播报***提供的台风预测路径、七级风圈预测半径和十级风圈预测半径，以及实时观测的台风中心位置的经纬度坐标、中心风力、七级风圈实测半径和十级风圈实测半径；
所述台风数据观测***提供的所述研究区域内的风速和风向。
6.根据权利要求5所述的输电线路的台风预警方法，其特征在于，所述台风数据观测***包括沿输电线路设置的气象雷达和超声风速仪；
台风数据观测***提供的所述研究区域内的风速和风向包括：
所述气象雷达提供的所述研究区域内地面至300m高度的风速、风向以及局地三维立体风场；
所述超声风速仪提供的所述研究区域内距离地面10m高度的风速、风向及脉动参数。
7.根据权利要求4所述的输电线路的台风预警方法，其特征在于，所述输电线路处地表数据包括数字地形高程和地表覆盖数据，所述风场模型包括根据所述研究区域内的数字地形高程和地表覆盖数据建立的地面模型。
8.根据权利要求4所述的输电线路的台风预警方法，其特征在于，计算流体力学单元计算所述风场模型中不同位置的模拟风速包括：
假设风场模型为六面体模型，所述六面体模型的底面为地面模型，顶面为梯度风高度起始面；
将梯度风高度起始面以上位置设置为水平风向约束，将六面体模型的底面和顶面之间的四个侧面设置为边界；
对所述边界进行有限元网格划分；
利用计算流体力学技术分别计算各有限元网格的模拟风速。
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