李文路 季 民 孫 勇 楊 凡

(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590;2.青島市氣象局，山東 青島 266590)

基于WebGIS的雷暴天氣的電網(wǎng)防災(zāi)研究

李文路1季 民1孫 勇1楊 凡2

(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590;2.青島市氣象局，山東 青島 266590)

改進(jìn)氣象服務(wù)技術(shù)是中國(guó)氣象局重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)之一。利用氣象部門(mén)的多普勒天氣雷達(dá)、大氣電場(chǎng)儀、閃電定位儀和自動(dòng)氣象站等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用雷達(dá)回波外推方法，以提高局地雷暴天氣對(duì)電網(wǎng)影響的預(yù)測(cè)水平為目標(biāo)，建立了切實(shí)可行的災(zāi)害應(yīng)急方案和有效應(yīng)對(duì)措施，構(gòu)建了一個(gè)基于WebGIS的雷暴天氣安全防護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在氣象服務(wù)中具有較高應(yīng)用價(jià)值。

雷暴天氣 WebGIS 電網(wǎng) 防災(zāi) 預(yù)警

1 引言

隨著全球氣候的變化，電力系統(tǒng)面臨著各種高敏感性天氣災(zāi)害的嚴(yán)重挑戰(zhàn)，如雷電、暴雨、臺(tái)風(fēng)、洪澇、低溫冰凍以及高溫高濕等，這些天氣嚴(yán)重影響到資源利用率以及電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的問(wèn)題[1]。青島市作為沿海開(kāi)放城市，近二十年來(lái)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)得到了迅猛發(fā)展，電力建設(shè)也有了飛速發(fā)展。但由于我市地處沿海丘陵地帶，氣象條件復(fù)雜，惡劣的氣候條件和天氣現(xiàn)象對(duì)電網(wǎng)設(shè)備的破壞是非常大的，需要將氣象信息融入電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)中，雖然很多城市已經(jīng)構(gòu)建了氣象在電網(wǎng)中應(yīng)用系統(tǒng)，但國(guó)內(nèi)主要開(kāi)展的是關(guān)于冰凍天氣對(duì)電力行業(yè)的影響評(píng)估分析等，對(duì)其它高敏感性天氣研究不多，未涉及雷暴天氣下電網(wǎng)的全面安全防護(hù)。

WebGIS是Internet與GIS(地理信息系統(tǒng))的結(jié)合產(chǎn)物，在海洋、農(nóng)業(yè)、交通等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，在氣象服務(wù)中更是得到了高度的重視[2]-[6]。但是傳統(tǒng)WebGIS大多以SOAP(Simple Object Access Protocol簡(jiǎn)單對(duì)象獲取協(xié)議技術(shù))為核心，對(duì)于服務(wù)間的互操作實(shí)現(xiàn)十分不利且沒(méi)有考慮地理信息數(shù)據(jù)具有空間參考海量存儲(chǔ)等特點(diǎn)[7]。而Flex是一種在Web上創(chuàng)建并豐富Internet程序(RIA)的技術(shù)，能夠很好地與服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合，具有高度互動(dòng)性和豐富的用戶體驗(yàn)。

因此，根據(jù)以上分析，結(jié)合Flex和WebGIS的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)青島市建立了電力氣象服務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)利用氣象部門(mén)的多普勒天氣雷達(dá)、大氣電場(chǎng)儀、閃電定位儀和自動(dòng)氣象站等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用目前較為先進(jìn)的雷達(dá)回波外推方法，特別針對(duì)電力方面建立天氣災(zāi)害預(yù)警功能，并預(yù)測(cè)和顯示電力負(fù)荷趨勢(shì)、天氣趨勢(shì)、天氣極值等功能，重點(diǎn)提高局地雷暴天氣對(duì)電網(wǎng)影響的預(yù)測(cè)水平，形成一個(gè)基于WebGIS的雷暴天氣安全防護(hù)系統(tǒng)，降低氣象及衍生災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)的破壞程度，提高城市電網(wǎng)預(yù)防氣象災(zāi)害的能力。

2 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)主要是基于WebGIS技術(shù)、圖像技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、Flex技術(shù)等，采用B/S的方式進(jìn)行系統(tǒng)的研制開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)在GIS服務(wù)器上發(fā)布地圖服務(wù)，實(shí)現(xiàn)地圖訪問(wèn)和空間定位功能，使用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理氣象信息和電力信息數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)抽取氣象數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，部分氣象數(shù)據(jù)需要通過(guò)FTP服務(wù)器、通信數(shù)據(jù)庫(kù)、青島市氣象臺(tái)中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)抽取，利用Flex整合地理信息與電網(wǎng)信息，進(jìn)行綜合展示。系統(tǒng)主要分為三大模塊：基礎(chǔ)模塊、分析模塊、預(yù)警模塊。這些模塊功能采用了Flex富客戶端界面展示方式，提高了用戶體驗(yàn)的滿意度。通過(guò)氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及雷達(dá)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的變化產(chǎn)生的相關(guān)預(yù)警信息，以高亮顯示或發(fā)送短信提醒的方式完成對(duì)電力數(shù)據(jù)的警示功能，使用戶能夠?qū)﹄娏ΡＵ虾途€路維護(hù)做出及時(shí)的決策和調(diào)度。

青島市電力氣象服務(wù)系統(tǒng)采用三層軟件結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)層、中間層和應(yīng)用層，如圖1所示。

數(shù)據(jù)層的主要內(nèi)容為基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、基本氣象數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)、雷達(dá)基本數(shù)據(jù)和雷達(dá)衍生數(shù)據(jù)、電力數(shù)據(jù)等，所有數(shù)據(jù)的處理在規(guī)范上一致，保證數(shù)據(jù)的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，從而實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的疊加。

中間層主要包括可視化服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、應(yīng)用分析服務(wù)和管理服務(wù)。利用Flex和ArcGIS Server軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的組織、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)顯示控制等相關(guān)功能和服務(wù)，滿足管理的需求。

應(yīng)用層是系統(tǒng)用戶即青島市電力部門(mén)的實(shí)際操作的界面，在本系統(tǒng)中應(yīng)用層為瀏覽器，使用通用瀏覽器顯示該系統(tǒng)的相關(guān)功能，主要包括：顯示基于GIS的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、電力部門(mén)重要設(shè)施、線路等信息；對(duì)雷暴等高敏感性氣象的顯示、統(tǒng)計(jì)與分析；使用雷達(dá)回波外推算法，預(yù)警雷電、局地強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)展的趨勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)各類高敏感性天氣的提前預(yù)警功能。

3 系統(tǒng)主要模塊

3.1 系統(tǒng)基礎(chǔ)模塊建設(shè)

利用網(wǎng)絡(luò)地理信息(WebGIS)系統(tǒng)，建設(shè)青島地區(qū)電力氣象地理信息支撐平臺(tái)，利用精確經(jīng)緯度定位數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示青島地區(qū)電力系統(tǒng)重要設(shè)施、線路等，同時(shí)疊加顯示多普勒雷達(dá)圖中有關(guān)的氣象信息(如降水強(qiáng)度、移動(dòng)方向等)，電力設(shè)施周邊自動(dòng)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(如氣溫、濕度、風(fēng)向、風(fēng)力等)，大氣電場(chǎng)儀、閃電定位儀等雷電監(jiān)測(cè)信息。信息數(shù)據(jù)地圖分GIS地理信息層、自動(dòng)站實(shí)況數(shù)據(jù)層、報(bào)警數(shù)據(jù)層、雷達(dá)數(shù)據(jù)層、雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)層五個(gè)圖層設(shè)計(jì)，可根據(jù)需要選擇其中的一個(gè)或多個(gè)圖層突出顯示，完成對(duì)電力設(shè)施的外部運(yùn)行環(huán)境，尤其針對(duì)敏感氣象要素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)疊加的多普勒雷達(dá)等實(shí)時(shí)探測(cè)資料對(duì)短期內(nèi)的天氣變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，利用實(shí)況和預(yù)測(cè)信息，為電力用戶提供有力的氣象依據(jù)和決策支持。

3.2 系統(tǒng)分析模塊建設(shè)

采用C#編程，應(yīng)用傳統(tǒng)電力負(fù)荷預(yù)測(cè)方法[8]，自動(dòng)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的氣象預(yù)報(bào)要素值，計(jì)算出短期電力負(fù)荷預(yù)測(cè)值，并存入負(fù)荷預(yù)測(cè)值數(shù)據(jù)表中以待前臺(tái)頁(yè)面調(diào)用。建立基于青島地區(qū)氣象條件的負(fù)荷預(yù)測(cè)分析模式，能夠分析、判斷和評(píng)估各種雷暴天氣對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響程度，輸出應(yīng)對(duì)措施的建議產(chǎn)品。根據(jù)青島地區(qū)電力負(fù)荷和氣象要素歷史數(shù)據(jù)資料，建立負(fù)荷預(yù)測(cè)背景數(shù)據(jù)分析表，并運(yùn)用回歸法等負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，在后臺(tái)獲取輸入的短期預(yù)報(bào)要素?cái)?shù)據(jù)后，在前臺(tái)Web應(yīng)用頁(yè)面自動(dòng)生成短期用電負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線，負(fù)荷曲線可根據(jù)實(shí)況要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行修訂。形成雷暴天氣[9](如：雷電、暴雨、寒潮、冰雪、大風(fēng)等)的重點(diǎn)區(qū)域分布圖，并在系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)用，便于在電網(wǎng)設(shè)施建設(shè)和設(shè)計(jì)時(shí)提供應(yīng)對(duì)雷暴天氣的決策。

3.3 系統(tǒng)預(yù)警模塊建設(shè)

依據(jù)災(zāi)害評(píng)估結(jié)果和對(duì)相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立雷暴氣象要素與電力設(shè)施影響程度等級(jí)之間的關(guān)系模型，在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)建立雷暴氣象要素臨界值與電力設(shè)施受影響等級(jí)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)表。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)復(fù)合氣象要素達(dá)到臨近值時(shí)，電力調(diào)度人員在終端Web頁(yè)面會(huì)接收到聲光形式的提醒信息并輸出作業(yè)建議信息，提示災(zāi)害性天氣所影響到的電力設(shè)施和應(yīng)該采取的防御措施。

4 天氣電力負(fù)荷評(píng)估方法

針對(duì)青島地區(qū)氣象特點(diǎn)，研究電力雷暴天氣的分布情況和預(yù)警條件(如暴雨、風(fēng)力、雷電等符合何種條件，易導(dǎo)致電力線路出現(xiàn)舞動(dòng)、損壞現(xiàn)象)，并提前發(fā)出預(yù)警，在相關(guān)系統(tǒng)中標(biāo)注出可能發(fā)生災(zāi)害或損失的重點(diǎn)區(qū)域。

通過(guò)氣象與電力部門(mén)的密切聯(lián)動(dòng)，對(duì)災(zāi)后受損情況進(jìn)行定性分析，并進(jìn)行災(zāi)害性氣象因子與電力運(yùn)行及設(shè)施受災(zāi)關(guān)系的模型化分析研究，劃分不同的電力受損等級(jí)，如表1所示，并確定對(duì)應(yīng)的n(n>=1)個(gè)綜合氣象敏感值的要素值范圍。

表1 電力受損等級(jí)

選取青島地區(qū)近10年的電力負(fù)荷和氣象要素歷史資料，在分離氣象敏感負(fù)荷的基礎(chǔ)上，運(yùn)用多元線性自回歸算法、逐步回歸分析方法等多種預(yù)測(cè)方法，進(jìn)行短期用電量預(yù)測(cè)和日最大用電量預(yù)測(cè)，建立數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)方程式，并進(jìn)行C#程序編程。應(yīng)用組合預(yù)測(cè)的思想，建立最優(yōu)組合預(yù)測(cè)模型和遞歸等權(quán)組合預(yù)測(cè)模型，進(jìn)行中長(zhǎng)期(如每周、每月)用電峰值的預(yù)測(cè)。并根據(jù)周期性理論和信息增益法所顯示的“節(jié)假日”屬性對(duì)結(jié)果所造成的負(fù)面影響，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，來(lái)有效避免節(jié)假日數(shù)據(jù)對(duì)整體準(zhǔn)確率的影響。

5 系統(tǒng)功能運(yùn)行效果

5.1 雷達(dá)數(shù)據(jù)查詢與顯示

雷達(dá)數(shù)據(jù)查詢包括雷達(dá)基本數(shù)據(jù)(回波頂高(基數(shù)據(jù))、組合反射率、組合反射率(基數(shù)據(jù))、0.5度仰角R、1.5度仰角R、2.4度仰角R、垂直液態(tài)水含量、垂直液態(tài)水含量密度、垂直液態(tài)水含量(基數(shù)據(jù))、降水估計(jì)等)和雷達(dá)衍生數(shù)據(jù)(降水預(yù)報(bào)、反射率因子回波預(yù)報(bào)、風(fēng)暴追蹤等)的查詢。這些數(shù)據(jù)的查詢方式以實(shí)時(shí)最新數(shù)據(jù)和選擇歷史文件查看為主。以雷達(dá)回波基數(shù)據(jù)為例，顯示效果如圖2所示，該圖為多種要素圖層疊加效果圖，其中，彩色面狀圖層代表回波頂高基數(shù)據(jù)，紫色線要素圖層代表輸電線和配電線數(shù)據(jù)，不同顏色(根據(jù)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的大小以不同顏色如藍(lán)色、橙色、紅色等高亮顯示預(yù)警)的點(diǎn)要素圖層為實(shí)時(shí)的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

5.2 TITAN電力預(yù)警

TITAN電力預(yù)警是使用雷達(dá)回波外推算法[11]，預(yù)警雷電、局地強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)顯示TITAN數(shù)據(jù)，將當(dāng)前風(fēng)暴、未來(lái)30分鐘風(fēng)暴、未來(lái)60分鐘風(fēng)暴與電力數(shù)據(jù)、地理空間信息疊加顯示，輸出不同編號(hào)的電線的作業(yè)建議信息和預(yù)警信息，電線的作業(yè)建議信息是針對(duì)當(dāng)前風(fēng)暴，提示需要對(duì)該信息中的電線編號(hào)作出調(diào)度調(diào)整，以便減少風(fēng)暴對(duì)其的破壞程度；作業(yè)預(yù)警信息顯示的內(nèi)容是針對(duì)未來(lái)30分鐘、60分鐘風(fēng)暴所影響到的電線作出預(yù)警提示，促使電業(yè)部門(mén)提前做好調(diào)度工作，減少或避免風(fēng)暴災(zāi)害的發(fā)生。如圖3所示(若選中輸出產(chǎn)品的電線編號(hào)所在行，在地圖上將該電線以高亮閃爍的形式顯示)。

5.3 電力負(fù)荷趨勢(shì)

電力負(fù)荷趨勢(shì)以曲線圖的表達(dá)形式展示，調(diào)用電力負(fù)荷預(yù)測(cè)方法計(jì)算的電力負(fù)荷數(shù)據(jù)表，將青島市近一個(gè)月的電力負(fù)荷表示出來(lái)，其中橫軸代表時(shí)間，縱軸代表電力負(fù)荷數(shù)。如圖4所示，在當(dāng)前氣象條件下，通過(guò)該曲線圖為用戶直觀地呈現(xiàn)近一個(gè)月的電力負(fù)荷的變化趨勢(shì)，為電力部門(mén)的電網(wǎng)管理提供依據(jù)，為電力部門(mén)下一步的調(diào)度提供信息基礎(chǔ)。

5.4 雷暴天氣災(zāi)害統(tǒng)計(jì)

天氣現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)主要包括：5年暴雨次數(shù)、閃電定位、大霧天數(shù)、平均降雪量、降雪天數(shù)、大于32℃、32-35℃、28-32℃、<-10℃、<-5℃、-5-0℃、<= 0℃、0-3℃等可選項(xiàng)。以閃電定位為例，系統(tǒng)以格網(wǎng)的形式顯示青島市近5年的閃電次數(shù)，每個(gè)格網(wǎng)中的值代表該格網(wǎng)所在區(qū)域近五年的閃電次數(shù)的統(tǒng)計(jì)。如圖5所示：

閃電往往會(huì)使輸電線路和變電站不斷地發(fā)生“閃絡(luò)跳閘”，所以極易造成大面積停電或者擊壞電器設(shè)備等重大事故。通過(guò)統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)和與輸電線在地理位置的疊加顯示，直觀顯示出易發(fā)閃電的電線區(qū)域。這樣，方便電力部門(mén)提前對(duì)該區(qū)域電線的調(diào)度和管理工作。

暴雨對(duì)供電系統(tǒng)的危害也很大。處在河網(wǎng)沼澤、水土流失地段和跨越江河輸電線路的桿塔基礎(chǔ)常被洪水沖蝕，發(fā)生桿塔倒塌、線路斷線。而雨雪冰凍天氣給電網(wǎng)帶來(lái)的危害最為巨大，凍雨、大雪和冰凌有可能壓斷輸電線纜。如2010年1月2日(北京時(shí))，青島地區(qū)出現(xiàn)寒潮天氣，由于溫度低、濕度大，輸電線路結(jié)冰嚴(yán)重，以及冷空氣帶來(lái)的大風(fēng)，使電網(wǎng)線路出現(xiàn)了嚴(yán)重的“舞動(dòng)”現(xiàn)象，極大程度上危害了電網(wǎng)運(yùn)行安全。

因此，對(duì)這些易觸發(fā)電力災(zāi)害的雷暴天氣現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、高亮顯示重點(diǎn)區(qū)域，并對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是十分必要，也是可行的。

6 結(jié)論

在青島市電力氣象服務(wù)系統(tǒng)中，采用的多普勒雷達(dá)、自動(dòng)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、閃電定位儀等數(shù)據(jù)均為自動(dòng)化采集和存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)源比較可靠，由于保密需要，電力數(shù)據(jù)為部分測(cè)試數(shù)據(jù)。

(1)系統(tǒng)建立了集中存儲(chǔ)管理的數(shù)據(jù)庫(kù)，便于與電力和氣象聯(lián)機(jī)分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)連接，有利于電力業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成應(yīng)用和高效率工作。

(2)基于Flex的WebGIS系統(tǒng)，通過(guò)Web Service方式和Web網(wǎng)頁(yè)兩種方式顯示實(shí)時(shí)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和雷暴天氣安全防護(hù)信息。

(3)整個(gè)系統(tǒng)框架采用多層分布式架構(gòu)，平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定、負(fù)載平衡，客戶端基本不用維護(hù)，系統(tǒng)維護(hù)成本相對(duì)較低，安全性較高。

(4)結(jié)合全市電網(wǎng)及重點(diǎn)設(shè)施信息數(shù)據(jù)，根據(jù)雷達(dá)回波外推算法，輸出未來(lái)時(shí)間內(nèi)電網(wǎng)及重點(diǎn)設(shè)施預(yù)警和建議信息。

(5)根據(jù)雷暴天氣的特點(diǎn)劃出重點(diǎn)區(qū)域，并進(jìn)行相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

由于電力數(shù)據(jù)不足，系統(tǒng)還需要根據(jù)不同情況的電力數(shù)據(jù)反復(fù)運(yùn)行檢驗(yàn)，以提高電網(wǎng)防護(hù)的安全性、準(zhǔn)確性。實(shí)踐表明，電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，是經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定快速發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，在此基礎(chǔ)上加強(qiáng)我市電網(wǎng)雷暴等高敏感天氣預(yù)警方法的研究和軟件系統(tǒng)的構(gòu)建，具備良好的外部條件和推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要意義。

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Research of Disaster Prevention of Power Network Based on Web GIS for Thunderstorm Weather

LI Wen-lu1, JI Min1, SUN Yong1, YANG Fan2

(1.College of Surveying Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao Shandong 266590，China;2. Qingdao Municipal Meteorological Bureau of Shandong Province, Qingdao Shandong 266003,China)

The improvement of the meteorological service technology is one of the hot pursuit for China Meteorological Bureau .The purpose of this paper is to focus on improving the forecast level of local thunderstorm weather for power network and establishing practical disaster emergency plans and effective response measures, by using real time monitoring data of doppler weather radar, atmospheric electric field meter, lightning locator and automatic weather station of meteorological department, and adopting the advanced radar echo extrapolation method. Finally, thunderstorm weather for power network security system based on WebGIS has been formed. It has high application value in meteorological service.

thunderstorm weather; WebGIS; power network; disaster prevention; early warning

2016-06-24

P208

B

1007-3000(2016)06-5