黃然，錢國超，徐肖偉

（云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217）

0 前言

輸電線路的安全運行除了人為因素，設備故障外還與自然災害密不可分。根據(jù)云南近幾年跳閘數(shù)據(jù)統(tǒng)計在各類自然災害，影響因子排序如下：雷電、山火、覆冰、外破、鳥害、風偏及其他，其中雷電占比大約為60%，為造成線路跳閘的主要原因，本文提出了一種基于網(wǎng)格分析的雷區(qū)圖繪制方法，將統(tǒng)計數(shù)據(jù)以不同形式展示包括圖形、表格等，為運維人員提供詳實的雷電分布趨勢，為線路防雷決策提供有力的支持和數(shù)據(jù)支持。云南地處低緯高原地區(qū)，復雜的地形地貌及南北氣候的差異特殊地形使得雷電活動尤為頻繁。

1 雷電原始數(shù)據(jù)處理

雷電探測站近十年觀察數(shù)據(jù)以及探測站位置信息，收集數(shù)據(jù)包括：落雷時間、落雷位置、落雷電流幅值、落雷極性、定位站數(shù)、回擊次數(shù)、平均角度誤差、誤差橢圓長半軸、誤差橢圓短半軸等。相較于故障錄波或者其他監(jiān)控系統(tǒng)容易造成較大誤差以及漏報落雷點，云南省雷電定位系統(tǒng)采用高精度GPS技術，能將落雷位置精確到毫秒級別，準確的收集落雷數(shù)據(jù)，大大提高信息的可信度及準確度。一般數(shù)據(jù)處理包括以下幾個部分：

1.1 數(shù)據(jù)采集

雷電探測站采集到落雷數(shù)據(jù)后通過指定服務傳輸給數(shù)據(jù)服務器，通信服務器一般采用雙機熱備技術，當一臺出現(xiàn)故障無法正常工作時，可啟動另外一臺設備保證雷電數(shù)據(jù)的準確性和完整性。

1.2 數(shù)據(jù)定位計算

雷電數(shù)據(jù)定位計算為系統(tǒng)核心部分，通過不同探測站采集到的數(shù)據(jù)通過綜合分析后，根據(jù)定義好的計算模型從新計算得出真實的落雷位置，并將計算結果保存至數(shù)據(jù)庫中。

1.3 雷電數(shù)據(jù)服務

由于每年采集的落雷數(shù)據(jù)量大，為了方便查看及保存需將數(shù)據(jù)保存至專門的存儲數(shù)據(jù)庫中，包括采集到的雷電位置數(shù)據(jù)、雷電相關參數(shù)數(shù)據(jù)、計算結果數(shù)據(jù)等。且數(shù)據(jù)庫服務器通常采用磁盤陣列技術防止由于設備故障而導致的數(shù)據(jù)丟失。

1.4 雷電統(tǒng)計分析服務

通過分析統(tǒng)計落雷數(shù)據(jù)，可針對性的未雷電數(shù)據(jù)研究提供相關服務，包括區(qū)域地閃密度分析、線路地閃密度分析、雷暴日分析、雷暴小時分析、有雷日分析、雷電賦值分析等。

通過上述數(shù)據(jù)處理后，系統(tǒng)自動剔除了采集的非雷電數(shù)據(jù)信號，并通過不同探測站的數(shù)據(jù)比對篩選出真實的雷電信息數(shù)據(jù)，為后續(xù)的雷電參數(shù)統(tǒng)計[1]、空間規(guī)律分析提供有力的數(shù)據(jù)支持。

2 基于網(wǎng)格劃分的雷電數(shù)據(jù)預處理

由于技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的地形處理已經(jīng)不能滿足大數(shù)據(jù)良、復雜空間數(shù)據(jù)結構的需求，相較于單機計算下的計算速度慢效率低下的問題，基于網(wǎng)格技術的分布式并行處理能將計算速度大大提高，并能有效解決由于數(shù)據(jù)量太大無法分析計算的問題。

空間數(shù)據(jù)[2]索引是指空間對象在現(xiàn)實中的地理位置的某種特定關系，并按照實際情況進行排列的一種數(shù)據(jù)結構，包括屬性信息、空間位置信息、地理對象標識ID等，然后通過索引得到各元素間的約束關系。

網(wǎng)格分析[3]是研究網(wǎng)絡上的資源流動和分配情況，并對其進行優(yōu)化處理的空間分析[4]方法。顧名思義就是將整個區(qū)域劃分為一個個大小相同的正方形網(wǎng)格，從左至右，從上至下排序，每個網(wǎng)格的面積都相等，可按需分為0.5*0.5、1*1、2*2、5*5、10*10的大小，負荷和負荷密度成比例關系。由于云南省邊界不會隨意變化，所以只用劃分一次便可以一直使用。統(tǒng)計時取網(wǎng)絡中心點為相對地理坐標，同時將網(wǎng)格內(nèi)負荷等效為點的負荷，這樣可以大大簡化數(shù)據(jù)的提取及分析，流程圖如下所示：

圖1 網(wǎng)格分析流程圖

3 雷電分布圖繪制方法

為了使圖像最終的顯示效果顯得更為平滑，不顯得突兀，通常采用插值方法對圖像進行處理。空間插值就是通過已知點的數(shù)值來估算其他點的數(shù)值，并其點位數(shù)值進行覆蓋，也是一種將點數(shù)據(jù)轉換為面數(shù)據(jù)的一種方法，使得點數(shù)據(jù)能用于空間分析和建模?？臻g插值的理論假設是：空間位置上越靠近的點，越可能具有相似的特征值，而距離越遠的點，其特征值相似的可能性越小?？臻g插值方法正式根據(jù)該假設設計的，分為整體插值方法和部分插值方法。

3.1 固定閾值IDW算法

IDW基本思想是目標離觀察點越近則權重越大，受該觀察點的影響越大。好處是觀察點本身是絕對準確的，而且可以限制插值點的個數(shù)。

設置一個固定的閾值進行插值計算，插值后得到的分布圖。

優(yōu)點是地圖在任何比例尺下看到的分布情況都是一樣的，缺點是小比例尺下分布區(qū)域不連貫，地圖顯示的小片區(qū)域比較多。效果如下圖：

圖2 固定閾值示例圖

圖3 1:1,000,000比例尺效果

3.2 多閾值IDW算法

根據(jù)地圖顯示的比例尺不同，不同放大級別使用不同的閾值進行插值計算，小比例尺下只顯示全省分布的大概情況，大比例尺下顯示某個區(qū)域分布的詳細情況。

優(yōu)點是任何比例尺下顯示的分布圖都是簡潔明快的，缺點是大比例尺下鋸齒明顯、不同比例尺下顯示的分布結果不一樣。效果如下圖：

圖4 多閾值示例圖

圖5 1:1,000,000比例尺效果

3.3 Kriging算法

Kriging插值[5,6]與IDW插值的區(qū)別在于權重的選擇，IDW僅僅將距離的倒數(shù)作為權重，而克里金考慮到了空間相關性的問題。它首先將每兩個點進行配對，這樣就能產(chǎn)生一個自變量為兩點之間距離的函數(shù)。對于這種方法，原始的輸入點可能會發(fā)生變化。在數(shù)據(jù)點多時，結果更加可靠。

目前來看是插值效果最好的算法，任何比例吃下顯示的分布圖都是平滑、連貫的，缺點是計算時間太長，用測試數(shù)據(jù)需要計算20多分鐘。效果圖如下：

圖6 Kriging算法示例圖

圖7 1:1,000,000比例尺效果

4 繪制方法應用

通過提前將地圖進行網(wǎng)格劃分，可快速提高計算速度，提高運行效率，本文利用該方法針對幾種常用的雷電分析處理做了應用展示：

4.1 危險雷害圖分析

危險雷電密度分布在地閃密度分布和雷電流幅值分布的基礎上繪制，是雷害風險分布圖的基礎。對于不同電壓等級、不同雷害性質，具有不同的危險電流段；繪制各類危險電流段內(nèi)的地閃的密度分布，得到相應的危險雷電密度分布。其計算邏輯圖如下圖所示：

圖8 危險雷電計算邏輯圖

圖9 云南省雷電效果圖

4.2 特定電壓等級線路雷電分析

針對云南省內(nèi)500kV線路，只統(tǒng)計分析線路走廊半徑內(nèi)雷電活動分布，根據(jù)線路覆蓋區(qū)域與網(wǎng)格進行交叉對比，僅統(tǒng)計二者交叉區(qū)域的網(wǎng)格落雷數(shù)量，最后進行分級繪制。在盡可能將網(wǎng)格劃分為最小的情況下了有效的避免統(tǒng)計線路走廊與網(wǎng)格區(qū)域的無效部分，在本文中，在不影響機器性能的情況下采用1km*1km的網(wǎng)格大小，效果圖如下圖：

圖10 特定電壓等級線路雷電分析效果

5 結束語

以云南省為研究對象，基于云南省內(nèi)44個探測站近十年的雷電位置、雷電大小、賦值 分布等海量數(shù)據(jù)，分別采用固定閾值IDW法、多閾值IDW法、Kriging算法繪制相應雷區(qū)圖，并進行相關對比。從測試樣本可以看出，Kriging算法插值圖形效果最好，能較好的體現(xiàn)細節(jié)變化，在不考慮計算時間的條件下，優(yōu)先采用該方法進行處理。

由于雷電活動與地形地貌、氣象環(huán)境等因素有關，由于獲取數(shù)據(jù)的途徑有限，本文僅針對雷電活動進行了統(tǒng)計分析，并未考慮其他因素對雷電活動的影響及雷區(qū)圖的疊加等。為了滿足日益提高的雷區(qū)圖使用需求，在下一步的研究中加入地形地貌及氣象等多因子的數(shù)學模型，并優(yōu)化該方法對雷電進行更為精確、全面的研究。