袁興德, 張 亞, 王傳輝, 丁國(guó)香(安徽省公共氣象服務(wù)中心, 合肥 230031)

電力氣象服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)①

袁興德, 張 亞, 王傳輝, 丁國(guó)香
(安徽省公共氣象服務(wù)中心, 合肥 230031)

氣象條件對(duì)電力安全生產(chǎn)有著顯著的影響, 開(kāi)展電力氣象服務(wù)研究具有重要意義. 以用戶(hù)需求為導(dǎo)向,結(jié)合氣象數(shù)據(jù)特征, 對(duì)于實(shí)況和臨近預(yù)報(bào), 采用氣象站對(duì)應(yīng)的泰森多邊形, 對(duì)于短期預(yù)報(bào)和預(yù)警, 采用區(qū)縣行政區(qū)劃, 分別對(duì)輸電線(xiàn)路和變電站進(jìn)行切分, 建立最近鄰關(guān)系; 同時(shí), 設(shè)計(jì)氣象綜合影響等級(jí)規(guī)范, 提高服務(wù)的精細(xì)度. 利用GIS和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù), 建成一套能夠提供監(jiān)測(cè)實(shí)況、臨近預(yù)報(bào)、短期預(yù)報(bào)、預(yù)警信號(hào)、歷史查詢(xún)和服務(wù)材料等信息的電力氣象服務(wù)系統(tǒng). 業(yè)務(wù)應(yīng)用結(jié)果表明, 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定, 能夠提升氣象服務(wù)水平, 保障電力系統(tǒng)安全.

電力氣象服務(wù); GIS; 泰森多邊形; 氣象綜合影響等級(jí); 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近年來(lái), 安徽省電網(wǎng)建設(shè)不斷加快, 擁有輸電線(xiàn)路約3.4萬(wàn)公里, 發(fā)電量和用電量也不斷攀升, 2014年安徽省全社會(huì)發(fā)電累計(jì)2033.9億千瓦時(shí), 同比增長(zhǎng)2.84%, 全社會(huì)用電量累計(jì)1585億千瓦時(shí), 同比增長(zhǎng)3.74%. 全國(guó)范圍內(nèi)電力供需持續(xù)增長(zhǎng), 電力資源分布不均, 大量輸電線(xiàn)路不斷建設(shè), 保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的壓力越來(lái)越大[1,2]. 電力生產(chǎn)、輸送、運(yùn)維與氣象條件有著密不可分的關(guān)系, 一方面, 氣象災(zāi)害的頻發(fā)給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)很大威脅, 如雷電、暴雨、大風(fēng)、凍雨等極端天氣均可能導(dǎo)致電力設(shè)備和線(xiàn)路損壞;另一方面, 氣象條件變化也會(huì)對(duì)電力生產(chǎn)調(diào)度產(chǎn)生很大影響, 如氣溫的變化直接影響電力需求的起伏[3-5].全球氣候變暖是不爭(zhēng)的事實(shí), 未來(lái)熱帶氣旋、強(qiáng)降水等極端天氣氣候事件將變得更加頻繁、更加劇烈[6,7]. 我國(guó)地形地貌復(fù)雜多樣, 近年來(lái), 極端天氣事件呈頻次增多、強(qiáng)度增大的趨勢(shì), 電網(wǎng)輸電線(xiàn)路常常損失嚴(yán)重, 如2008年中國(guó)南方低溫雨雪冰凍災(zāi)害, 造成了大面積輸電線(xiàn)路倒塌, 直接導(dǎo)致受災(zāi)區(qū)域生產(chǎn)生活陷入癱瘓[8,9].

李華偉等開(kāi)展了電力氣象服務(wù)平臺(tái)研究, 實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)預(yù)警、文字圖片材料顯示、電力設(shè)備查詢(xún)[10]; 于萬(wàn)榮開(kāi)展了山西省電力氣象服務(wù)系統(tǒng)研究, 以天氣預(yù)報(bào)、火情監(jiān)測(cè)和山西氣候?yàn)橹饕δ苣K, 實(shí)現(xiàn)了服務(wù)產(chǎn)品以行政區(qū)劃為單元的簡(jiǎn)單顯示[11]; 張靜等設(shè)計(jì)了存儲(chǔ)、制作和發(fā)布子系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了服務(wù)產(chǎn)品的Web展示[12]. 目前, 相關(guān)研究尚沒(méi)有將氣象信息精確的反演到電力部門(mén)重點(diǎn)關(guān)注的輸電線(xiàn)路和變電站上, 本文通過(guò)氣象與電力部門(mén)的緊密合作, 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了面向電力管理、生產(chǎn)和運(yùn)維等部門(mén)的專(zhuān)業(yè)化電力氣象服務(wù)系統(tǒng). 系統(tǒng)已投入業(yè)務(wù)應(yīng)用, 運(yùn)行穩(wěn)定, 服務(wù)高效.

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)基于開(kāi)放的在線(xiàn)地圖應(yīng)用服務(wù)技術(shù), 采用B/S架構(gòu)模式, 運(yùn)用.NET框架, 結(jié)合GIS技術(shù)和Flex技術(shù), 搭建了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)接口層、應(yīng)用層、表現(xiàn)層等四層邏輯結(jié)構(gòu), 如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體框圖

考慮用戶(hù)的業(yè)務(wù)需求和系統(tǒng)的易用性, 將系統(tǒng)劃分為系統(tǒng)界面、監(jiān)測(cè)實(shí)況、臨近預(yù)報(bào)、短期預(yù)報(bào)、預(yù)警信號(hào)、歷史查詢(xún)、服務(wù)材料、聯(lián)系我們、系統(tǒng)設(shè)置等功能模塊, 如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

監(jiān)測(cè)實(shí)況: 提供對(duì)輸電線(xiàn)路和變電站產(chǎn)生高影響的監(jiān)測(cè)實(shí)況數(shù)據(jù)[13], 包括氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、相對(duì)濕度、氣壓和1小時(shí)降雨量等氣象要素, 并逐小時(shí)更新.每段輸電線(xiàn)路根據(jù)實(shí)況影響等級(jí)以對(duì)應(yīng)顏色進(jìn)行顯示,提供直觀的用戶(hù)體驗(yàn).

臨近預(yù)報(bào): 提供未來(lái)6小時(shí)逐小時(shí)的臨近預(yù)報(bào)數(shù)據(jù), 包括氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向和1小時(shí)降雨量等氣象要素, 并逐小時(shí)滾動(dòng)更新.

短期預(yù)報(bào): 提供未來(lái)1-3天逐天的短期預(yù)報(bào)數(shù)據(jù),包括天氣現(xiàn)象、高低溫、風(fēng)向和風(fēng)力等氣象要素, 并逐天滾動(dòng)更新.

預(yù)警信號(hào): 提供當(dāng)前存在的氣象預(yù)警信號(hào), 并實(shí)時(shí)更新.

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 輸電線(xiàn)路頂點(diǎn)化處理

安徽省內(nèi)氣象站眾多, 為了提升氣象服務(wù)的精細(xì)化程度, 需要將輸電線(xiàn)路分成小段; 另一方面, 每一小段輸電線(xiàn)路的天氣條件不盡相同, 為了便于在地圖上著色顯示, 需要將輸電線(xiàn)路進(jìn)行頂點(diǎn)化處理.

首先, 選出靠近輸電線(xiàn)路的氣象站, 利用ArcGIS軟件中的Create Thiessen Ploygons工具生成泰森多邊形圖層[14], 保證每個(gè)多邊形內(nèi)的輸電線(xiàn)路和氣象站距離最近, 這樣即可建立每段輸電線(xiàn)路和每個(gè)氣象站的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系. 舉例說(shuō)明, 圖3中曲線(xiàn)O0O4為輸電線(xiàn)路, A、B、C、D為輸電線(xiàn)路附近的氣象站, 虛線(xiàn)為A、B、C、D任意兩點(diǎn)間線(xiàn)段的中垂線(xiàn), O1、O2、O3為輸電線(xiàn)路與虛線(xiàn)的交點(diǎn), 這樣輸電線(xiàn)路O0O1距離D站最近, 以此類(lèi)推.

圖3 利用泰森多邊形的線(xiàn)路分段示意圖

然后, 利用Intersect工具將初始輸電線(xiàn)路在行政區(qū)劃圖層上切分, 得到具有屬地信息的輸電線(xiàn)路圖層.再次利用Intersect工具將切分后的輸電線(xiàn)路在泰森多邊形圖層上切分, 由于一條輸電線(xiàn)路可能兩次或兩次以上進(jìn)入同一個(gè)多邊形內(nèi), 導(dǎo)致切分結(jié)果出現(xiàn)兩段或兩段以上不連續(xù)的輸電線(xiàn)路作為一個(gè)整體, 即只有一個(gè)ID屬性值, 因此需要進(jìn)一步利用Multipart To Singlepart工具進(jìn)行拆分處理.

最后, 利用Feature Vertices To Points工具獲取每小段輸電線(xiàn)路的頂點(diǎn), 再利用Add XY Coordinates工具添加每個(gè)頂點(diǎn)的經(jīng)緯度信息, 為在地圖上分段著色顯示輸電線(xiàn)路提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

以上處理過(guò)程, 利用ArcGIS ModelBuilder生成的處理模型, 如圖4所示. 當(dāng)未來(lái)行政區(qū)劃變更、氣象站或輸電線(xiàn)路增減時(shí), 利用該模型可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速重建, 有利于提高系統(tǒng)的可用性、可擴(kuò)展性和可移植性.

圖4 輸電線(xiàn)路頂點(diǎn)化處理模型圖

2.2 氣象綜合影響等級(jí)

不同等級(jí)電力設(shè)施的氣象條件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是不同的[15,16], 本研究將建立一套規(guī)范的閾值設(shè)計(jì)方案. 在充分研究相關(guān)資料的基礎(chǔ)上, 結(jié)合電力與氣象專(zhuān)家意見(jiàn), 制定如下規(guī)范. (1)將氣象綜合影響等級(jí)設(shè)定為4級(jí),并對(duì)每一級(jí)設(shè)定對(duì)應(yīng)的顏色, 如表1所示. (2)甄別出對(duì)電力設(shè)施會(huì)產(chǎn)生顯著影響的氣象要素[13], 實(shí)況數(shù)據(jù)包括氣溫、風(fēng)速、降雨量等氣象要素, 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)包括氣溫、風(fēng)速、天氣現(xiàn)象等氣象要素. (3)針對(duì)4級(jí)輸電線(xiàn)路和3級(jí)變電站, 逐級(jí)逐氣象要素設(shè)置每一級(jí)氣象影響等級(jí)的閾值范圍. (4)對(duì)于每段輸電線(xiàn)路和每個(gè)變電站,選取其氣象要素中的最高影響等級(jí)為氣象綜合影響等級(jí).

表1 氣象綜合影響等級(jí)及對(duì)應(yīng)顏色表

閾值規(guī)范的合理設(shè)計(jì), 有利于提高系統(tǒng)的易用性,提升氣象服務(wù)的專(zhuān)業(yè)化水平.

2.3 基于存儲(chǔ)過(guò)程的數(shù)據(jù)接口

系統(tǒng)顯示涉及的數(shù)據(jù)量龐大, 處理操作復(fù)雜, 因此數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)對(duì)優(yōu)化系統(tǒng)性能尤為關(guān)鍵. 存儲(chǔ)過(guò)程是一組存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的完成特定功能的SQL語(yǔ)句集,具有高效、簡(jiǎn)便和安全的特點(diǎn). 本研究采用存儲(chǔ)過(guò)程作為數(shù)據(jù)接口, 僅以數(shù)字作為唯一參數(shù), 用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)處理過(guò)程. 存儲(chǔ)過(guò)程分別針對(duì)輸電線(xiàn)路和變電站實(shí)現(xiàn)地理屬性和電力等級(jí)屬性的檢索、各類(lèi)氣象數(shù)據(jù)的檢索、各種氣象要素?cái)?shù)值的氣象影響等級(jí)判定和顏色匹配、氣象綜合影響等級(jí)的顏色判別, 以及氣象圖標(biāo)的匹配. 該數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)有利于提高數(shù)據(jù)處理效率,降低數(shù)據(jù)的耦合性, 增強(qiáng)系統(tǒng)的健壯性.

3 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)是氣象部門(mén)開(kāi)展電力氣象服務(wù)的重要手段,目前系統(tǒng)已建成并投入業(yè)務(wù)使用. 應(yīng)用結(jié)果表明, 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定, 功能齊全, 信息豐富, 能夠滿(mǎn)足用戶(hù)需求. 系統(tǒng)的推廣應(yīng)用, 既能夠改進(jìn)電力氣象服務(wù)質(zhì)量,提高氣象部門(mén)的社會(huì)效益; 又能夠提升電力調(diào)度水平,降低氣象災(zāi)害造成的各項(xiàng)損失, 提高電力部門(mén)的經(jīng)濟(jì)效益. 系統(tǒng)界面協(xié)調(diào)美觀, 如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)界面圖

4 結(jié)語(yǔ)

電力氣象服務(wù)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn): (1)實(shí)現(xiàn)了電力設(shè)施、氣象數(shù)據(jù)和在線(xiàn)地圖的有效疊加顯示; (2)系統(tǒng)展現(xiàn)信息豐富, 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理, 用戶(hù)體驗(yàn)良好; (3)數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口耦合性低, 移植性高, 便于推廣應(yīng)用. 將該系統(tǒng)應(yīng)用于電力氣象服務(wù)業(yè)務(wù)中, 能夠幫助用戶(hù)快速、精確的掌握天氣條件對(duì)電力設(shè)施的影響情況, 有利于電力部門(mén)提高防范氣象風(fēng)險(xiǎn)的能力, 提高電力運(yùn)營(yíng)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益. 因此, 該系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用價(jià)值.

1 譚顯東,韓新陽(yáng),馮義,郭利杰,單葆國(guó).2014年中國(guó)電力供需回顧及2015年預(yù)測(cè).中國(guó)電力,2015,48(4):1–5.

2 王春亮,宋藝航.中國(guó)電力資源供需區(qū)域分布與輸送狀況.電網(wǎng)與清潔能源,2015,31(1):69–74.

3 傅新姝,談建國(guó).基于濾波技術(shù)的上海日最大電力負(fù)荷氣象預(yù)報(bào)模型.氣象科技,2015,43(6):1209–1212.

4 溫華洋,田紅,唐為安,魯俊.安徽省電線(xiàn)積冰標(biāo)準(zhǔn)冰厚的氣象估算模型.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2011,22(6):747–752.

5 郭崇蘭.杭州市極端氣象因子與工業(yè)電力消費(fèi)關(guān)聯(lián)研究[碩士學(xué)位論文].南京:南京信息工程大學(xué),2014.

6 趙宗慈,羅勇,黃建斌.極端天氣與氣候事件受到全球變暖影響嗎?氣候變化研究進(jìn)展,2014,10(5):388–390.

7 IPCC. Climate change 2014: Impacts, adaptation and vulnerability. Contribution of Working Group II to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, UK and New York, USA: Cambridge University Press, 2014.

8 任福民,高輝,劉綠柳,等.極端天氣氣候事件監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)研究進(jìn)展及其應(yīng)用綜述.氣象,2014,40(7):860–874.

9 劉熙明,許愛(ài)華.降雪與凍雨天氣研究回顧.氣象與減災(zāi)研究,2008,31(4):59–64.

10 李華偉,周照.電力氣象服務(wù)平臺(tái)研究.氣象研究與應(yīng)用, 2012,33(S1):291–293.

11 于萬(wàn)榮.山西省電力氣象服務(wù)系統(tǒng)研究[碩士學(xué)位論文].成都:電子科技大學(xué),2012.

12 張靜,郭廣,保廣裕.青海電力專(zhuān)業(yè)氣象預(yù)報(bào)服務(wù)產(chǎn)品制作及發(fā)布集成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā).青海電力,2015,34(4):11–14,36.

13 萬(wàn)協(xié)成,劉甜甜,楊玲,李學(xué)敏,鄧曉春.湖南電力氣象服務(wù)效益評(píng)估分析.科技傳播,2011,9:108–109.

14 邢超,李斌.ArcGIS學(xué)習(xí)指南:ArcToolbox.北京:科學(xué)出版社,2010.

15 中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).GB50545–2010 110kV～750kV架空輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范.北京:人民出版社,2010.

16 中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).GB50790–2013±800kV直流架空輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2013.

Design and Implementation of the Meteorological Service System for Electricity Industry

YUAN Xing-De, ZHANG Ya, WANG Chuan-Hui, DING Guo-Xiang
(Public Meteorological Service Center of Anhui Province, Hefei 230031, China)

Meteorological conditions have a significant impact on the safe production of electric power, which is of great significance to carry out the research of the electricity meteorological service. Oriented by the user’s demand, combined with features of meteorological data, thiessen polygon corresponding weather station is used in live and nowcasting, and district and county administrative divisions is used in short-term forecasts and early warnings, to divide transmission lines and substations respectively, and then establish nearest neighbor relations. At the same time, meteorological comprehensive influence grade standard is designed to improve the fineness of service. A system of electricity meteorological service is built by GIS and database technology, which includes information about live monitoring, nowcasting, short-term predicting, signal of warning, historical queries, service material and so on. The results of the business application show that the system is stable, and is able to enhance the level of meteorological services, ensure the safety of power system.

power meteorological services; GIS; thiessen polygon; meteorological comprehensive influence grade; system design

安徽省氣象局科技發(fā)展基金(KM201412)

2016-07-22;收到修改稿時(shí)間:2016-08-18

10.15888/j.cnki.csa.005679