周海松，陳佩琳，張建偉

（1.國家電網(wǎng)電力科學(xué)研究院南京南瑞集團公司，江蘇 南京 210000；2.山西省電力公司電力調(diào)度控制中心，山西 太原 030001）

0 引言

電網(wǎng)作為氣象服務(wù)高敏感性和高需求性行業(yè)，其生產(chǎn)和運營受氣象等外部環(huán)境條件的影響極大，特別是近年來雨雪冰凍、高溫干旱、雷電、霧霾、臺風(fēng)等災(zāi)害性天氣對電網(wǎng)及其輸變電設(shè)備安全運行和可靠供電的影響呈逐年增多的趨勢。

電網(wǎng)輸電線路及高壓和超高壓變電站建設(shè)在野外，周圍氣象因素會對其產(chǎn)生直接的影響，重要輸電線路和變電站區(qū)域的現(xiàn)地預(yù)報數(shù)據(jù)對電網(wǎng)設(shè)備的防災(zāi)減災(zāi)意義重大。目前，國內(nèi)不少電網(wǎng)公司開始建設(shè)電網(wǎng)氣象信息系統(tǒng)，為氣象信息應(yīng)用于電網(wǎng)提供了平臺。在電網(wǎng)氣象信息系統(tǒng)中，格點氣象數(shù)值預(yù)報是一項有廣泛應(yīng)用價值的氣象產(chǎn)品。

1 格點氣象數(shù)值預(yù)報及其應(yīng)用原理

氣象數(shù)值預(yù)報是目前省級專業(yè)氣象臺提供的一種新型數(shù)值天氣預(yù)報產(chǎn)品，它在指定區(qū)域內(nèi)最小可以生成（5×5）km2的格點預(yù)報數(shù)據(jù)，每個格點的預(yù)報內(nèi)容包括溫度、降雨、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象要素，主要具有以下特點[1]。

a）中小尺度預(yù)報在大尺度氣象預(yù)報框架中制作，有初始值和同化資料，具有一定的準(zhǔn)確率。

b）大型計算機計算定點、定時、定量預(yù)報值，每天可以生成兩次1～72 h內(nèi)預(yù)報步長為1 h的短期預(yù)報值。

c）預(yù)報格點面分為近地面、500 hPa、850 hPa等多個等高面，適于有關(guān)行業(yè)的應(yīng)用。在電網(wǎng)氣象信息系統(tǒng)中，將天氣預(yù)報WRF（Weather Research and Forecasting）中尺度數(shù)值預(yù)報模式生成的格點數(shù)值預(yù)報值覆蓋在電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)GIS（Geographic Information System） 圖上，使網(wǎng)格點和輸電線路、變電站等電網(wǎng)資源的地理位置相疊加，通過GIS的地理分析功能，將距離重要桿塔、變電站最近的4個格點預(yù)報值擬合成變電站或桿塔的現(xiàn)地預(yù)報值，為電網(wǎng)設(shè)備的現(xiàn)地點預(yù)警提供了數(shù)據(jù)來源，并可以進一步加以拓展應(yīng)用。

2 格點氣象數(shù)值預(yù)報的基本應(yīng)用

在電網(wǎng)氣象信息系統(tǒng)中，可以使用格點氣象數(shù)值預(yù)報生成變電站和重要線路的現(xiàn)地預(yù)報值，并據(jù)此進行預(yù)警，為電網(wǎng)事故預(yù)想、應(yīng)急預(yù)案制定和應(yīng)急措施落實提供決策信息。

2.1 格點氣象數(shù)值預(yù)報在變電站和重要線路預(yù)警方面的應(yīng)用

輸電線路和變電站都有相應(yīng)的氣象防災(zāi)參數(shù)，并對溫度、風(fēng)速、濕度以及降水量等氣象因素有限值規(guī)定。實際工作中，通常利用氣象實時值和這些限值進行比對，實時產(chǎn)生報警信息，但報警屬于事后報警，許多災(zāi)害已經(jīng)發(fā)生并可能已經(jīng)造成了一定損失，起不到預(yù)警作用。通過氣象預(yù)報信息特別是格點數(shù)值預(yù)報信息，可以提前一定時間進行預(yù)警，對電網(wǎng)及其設(shè)備的安全運行意義十分重大。

在格點數(shù)值預(yù)報網(wǎng)格和電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)相疊加后，可以獲取變電站和桿塔附近（5×5）km2范圍內(nèi)1～72 h的氣象預(yù)報值。數(shù)值預(yù)報網(wǎng)格分為近地面層和850 hPa（約90～120 m） 兩層，每層預(yù)報值中均包括溫度、濕度、雨量、風(fēng)速數(shù)據(jù)，在電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)中直接將空間擬合后的預(yù)報值和輸電線桿塔、變電站的防災(zāi)系數(shù)對比，生成相應(yīng)的預(yù)警信息，并在電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)中加以預(yù)警提示。

使用氣象格點數(shù)值預(yù)報生成的電網(wǎng)預(yù)警信息具有以下優(yōu)點。

a）預(yù)報時間范圍可以覆蓋1～72 h，預(yù)報步長通常為1 h，可以提前較長時間進行預(yù)警，有利于避免和最大限度地降低氣象災(zāi)害對電網(wǎng)的影響。

b）使用數(shù)值預(yù)報可以對氣象災(zāi)害的發(fā)展趨勢有更全面的了解，如可以了解某次暴雨、大風(fēng)過程何時結(jié)束，為生產(chǎn)調(diào)度提供科學(xué)的決策支持。

2.2 格點氣象數(shù)值預(yù)報在氣溫和降水色斑圖繪制方面的應(yīng)用

降水和溫度色斑圖對掌握區(qū)域內(nèi)降雨強度及其分布以及高溫和低溫的分布具有重要指導(dǎo)意義，但是，色斑圖的制作需要對應(yīng)自動氣象站點提供一定密度的采集數(shù)據(jù)。實際工作中，區(qū)域內(nèi)自動氣象站點無法達到（5×5）km2的精度。直接使用自動氣象站點數(shù)據(jù)繪制出來的的色斑圖，往往存在降雨和溫度分布不均勻甚至是跳變的現(xiàn)象，同時，因繪制色斑圖使用實時雨量和溫度數(shù)據(jù)，對高溫和暴雨預(yù)警的意義不大。

以氣象格點數(shù)值預(yù)報的格點作為降雨和溫度的預(yù)報點，利用等值線算法可以繪制出覆蓋全省范圍的降水和溫度預(yù)報的色斑圖，這種利用氣象格點數(shù)值預(yù)報信息制作的色斑圖，具有以下優(yōu)點。

a）預(yù)報點分布均勻，密度大，繪制出的等值線非常均勻，不會出現(xiàn)跳變現(xiàn)象。

b）相對于實時色斑圖，預(yù)報降雨和溫度的色斑圖對實際工作的指導(dǎo)意義更大。

c）通過多個預(yù)報時段的預(yù)報色斑圖的疊加，利用計算機動畫技術(shù)，可以形成未來1～72 h的降水、高溫和低溫動態(tài)演變圖。

d）可在高溫、低溫或強降水中心區(qū)域顯示預(yù)警。

2.3 格點氣象數(shù)值預(yù)報在風(fēng)向流動和風(fēng)速監(jiān)測方面的應(yīng)用

大風(fēng)易引起線路舞動和線路颮線等災(zāi)害和跳閘事故，全省的風(fēng)向流動和風(fēng)力強度信息是電網(wǎng)運行監(jiān)控過程中必須關(guān)注的重要信息。通過格點風(fēng)力、風(fēng)速數(shù)值預(yù)報數(shù)據(jù)，可以繪制出全省精細的風(fēng)向及風(fēng)速分布示意圖，以可視化的方式引起運行監(jiān)控人員關(guān)注大風(fēng)路徑上的重要線路和輸電斷面，并根據(jù)電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)加強運行監(jiān)視、進行事故預(yù)想并采取應(yīng)對措施。另外，隨著風(fēng)電等新能源的快速發(fā)展，風(fēng)電出力不確定和變化速率較快的特點已經(jīng)給電網(wǎng)運行調(diào)節(jié)帶來困難，通過風(fēng)速和風(fēng)向分布圖可以使運行監(jiān)控人員直觀地掌握全省風(fēng)力資源的實況及未來趨勢，并據(jù)此加強風(fēng)電場發(fā)電出力及其變化情況，及時調(diào)整常規(guī)機組發(fā)電出力，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。

3 格點氣象數(shù)值預(yù)報的擴展應(yīng)用

摩爾根輸電線路載流量簡化計算公式為[2]

式中：It——輸電線路載流量；

θ——線路的載流溫升；

D——導(dǎo)線外徑；

ε——導(dǎo)線表面輻射系數(shù)；

σ——斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)；

αs——吸熱系數(shù)；

Kt——交直流電阻比；

Rdt——直流電阻；

Is——導(dǎo)線的日照強度；

tc——線路溫度，設(shè)定最高溫度＜70℃；

ta——線路環(huán)境溫度；

V——線路周圍的風(fēng)速。

式 （1） 中，對具體線路而言，ε、σ、αs、Kt、Rdt、Is均為常數(shù)，若用線路預(yù)報溫度代替ta，預(yù)報風(fēng)速代替V，則可以計算出在限定條件下（如導(dǎo)線溫度必須低于70℃）的最大載流量It，而整條線路各點的預(yù)計載流量It的最小值則可用作整條線路的載流量允許值。

為取得線路預(yù)報溫度ta和預(yù)報風(fēng)速V，以重要輸電線路為地理信息點，通過GIS地理位置分析功能提取出最接近的格點預(yù)報值。由于格點距離可以達到（5×5）km2的精度，因而可以得到線路5 km范圍內(nèi)近地面和850 hPa兩個等壓面的預(yù)報數(shù)據(jù)。其中，預(yù)報溫度、預(yù)報風(fēng)速數(shù)據(jù)按照《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)定，滿足有效范圍7～10 km的要求，完全可以作為預(yù)報ta和預(yù)報V參與計算。通過線路走廊的實際載流量計算，就可以預(yù)報出整個線路的載流量，為電網(wǎng)其他高級應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)束語

近年來，數(shù)值預(yù)報技術(shù)在氣象領(lǐng)域迅速發(fā)展，其應(yīng)用受到各行各業(yè)越來越廣泛的重視。將其與電網(wǎng)實際運行需求相結(jié)合，可為電網(wǎng)安全生產(chǎn)和穩(wěn)定運行提供外部氣象環(huán)境預(yù)測手段，大大提高了電網(wǎng)應(yīng)對氣象災(zāi)害的能力。連續(xù)、高密度的格點氣象預(yù)報信息也為電網(wǎng)科學(xué)生產(chǎn)調(diào)度提供了決策依據(jù)。隨著數(shù)值預(yù)報技術(shù)的發(fā)展和電網(wǎng)氣象信息在電網(wǎng)生產(chǎn)、運行領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，氣象格點數(shù)值預(yù)報必將獲得更多的創(chuàng)新應(yīng)用。

［1］ G.J.哈廷納，著.數(shù)值天氣預(yù)報［M］.北京大學(xué)地球物理系氣象專業(yè)譯.北京：科學(xué)出版社，1975．

［2］ 張強.靜態(tài)條件下輸電能力計算及可用輸電能力決策研究［D］.濟南：山東大學(xué)，2007.