伍 弘，劉世濤，郝金鵬，楊 凱

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏 銀川 750011)

電網(wǎng)運行易受氣象環(huán)境影響，如因大風造成的輸電線路風偏閃絡、導線斷裂甚至桿塔傾倒，低溫雨雪天氣造成輸電導線覆冰舞動，特殊大氣污染造成絕緣子嚴重積污甚至引發(fā)污閃[1-4]。雖然在國家電網(wǎng)資源計劃信息系統(tǒng)(State Grid Enterprise Resource Planning, SG-ERP)建設工程、輸變電設備智能運檢及區(qū)域性能源互聯(lián)網(wǎng)建設工程的大力推動下，電網(wǎng)運行的信息化水平不斷提升，但對于電網(wǎng)與氣象數(shù)據(jù)的融合應用相對薄弱。隨著全球氣候不斷變暖，各類極端氣象天氣越發(fā)頻繁，對電網(wǎng)運行安全的負面影響日益增加，因此，通過統(tǒng)計、分析電網(wǎng)運行安全與主要氣象災害及其影響因素的變化規(guī)律，提升電網(wǎng)對自然災害的監(jiān)測預警能力，對保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)(geographic information system, GIS)具有特定的空間數(shù)據(jù)庫，主要包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和電網(wǎng)設備數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)資源的結(jié)構(gòu)化管理和圖形化展現(xiàn)，已被廣泛應用于各類電網(wǎng)業(yè)務中[5-6]。具有多源、異構(gòu)、海量、高時效等特點的氣象數(shù)據(jù)也在數(shù)據(jù)存儲[7]、訪問接口設計[8]、數(shù)據(jù)交換[9]等以實現(xiàn)信息共享與科學管理為目的的研究方面取得了一定進展[10]。目前，國內(nèi)已有部分省份建成了將氣象數(shù)據(jù)與電網(wǎng)GIS相關(guān)聯(lián)的省級業(yè)務系統(tǒng)[11-12]，但總體數(shù)據(jù)集成度低，應用方向也較為單一，甚至多局限于對氣象數(shù)據(jù)與電網(wǎng)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)展示，缺少專業(yè)氣象數(shù)據(jù)在電網(wǎng)運行、檢修、風險分析等方面的應用[13]。

為解決上述問題，本文以寧夏電網(wǎng)為例，提出以建設電網(wǎng)GIS與多維氣象數(shù)據(jù)深度融合的共享應用平臺為基礎(chǔ)，通過設計并實現(xiàn)融合多維氣象數(shù)據(jù)的電網(wǎng)環(huán)境專題圖自動繪制及展示應用系統(tǒng)，實現(xiàn)電網(wǎng)運行與氣象環(huán)境之間關(guān)系的一一對應，從而實現(xiàn)電網(wǎng)運行中更精確、實時性更高的風險預警。

1 數(shù)據(jù)融合共享應用平臺

將電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)與多維氣象數(shù)據(jù)進行融合并進行數(shù)據(jù)挖掘分析是實現(xiàn)電網(wǎng)運行風險預警以及其他電網(wǎng)或氣象相關(guān)共享應用的基礎(chǔ)，因此，對電網(wǎng)GIS與氣象數(shù)據(jù)融合共享應用平臺的功能需求進行分析并確定其功能框架。

1.1 需求分析

電網(wǎng)規(guī)劃、設計、建設、運行過程中會產(chǎn)生如GIS數(shù)據(jù)、線路及其附屬設備的型號、參數(shù)、拓撲數(shù)據(jù)、網(wǎng)架設計數(shù)據(jù)、特殊區(qū)域分布數(shù)據(jù)等，因此，建立的數(shù)據(jù)融合共享應用平臺首先應具備數(shù)據(jù)管理功能，主要包括輸、變電設備三維模型數(shù)據(jù)加載管理能力及可視化分析能力，同時該功能模塊要有好的可擴展性及強交互性，以滿足后期更豐富的氣象數(shù)據(jù)和電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的增入。

其次，該應用平臺應能對桿塔設計的承載能力、導地線風偏、絕緣子串爬電距離、線路覆冰舞動等電網(wǎng)運行中存在的運行風險進行數(shù)據(jù)挖掘及分析，能對電網(wǎng)網(wǎng)架設計與外部氣象環(huán)境進行校核。上述數(shù)據(jù)挖掘及分析、網(wǎng)架校核功能模塊同樣應具備好的可擴展性。

最后，該應用平臺應能實現(xiàn)氣象環(huán)境與電網(wǎng)運行監(jiān)測分析以及電網(wǎng)運行風險預警功能。該功能模塊應具備多維氣象數(shù)據(jù)的展示及趨勢分析，具備氣象數(shù)據(jù)與電網(wǎng)各類數(shù)據(jù)的精細化關(guān)聯(lián)，具備結(jié)合氣象預報的電網(wǎng)運行風險閾值報警提示(監(jiān)測分析電網(wǎng)運行中與氣象關(guān)聯(lián)的薄弱環(huán)節(jié))，以及預警、報警信息的實時推送等功能。

1.2 功能框架及技術(shù)架構(gòu)

根據(jù)上述三方面功能需求確定電網(wǎng)GIS與氣象數(shù)據(jù)融合共享應用平臺的功能框架為三層結(jié)構(gòu)，從下到上依次為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)解析及存儲管理層、地理發(fā)布及挖掘分析服務層、專題應用及數(shù)據(jù)展示層，如圖1所示。

地理發(fā)布及挖掘分析服務層通過調(diào)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)解析及存儲管理層內(nèi)經(jīng)過解析的電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電網(wǎng)GIS地圖基本操作，電網(wǎng)風區(qū)、冰區(qū)、舞動區(qū)、污區(qū)、雷區(qū)等專題圖發(fā)布或分析校核，電網(wǎng)運行預測分析等功能；同時提供GIS接口供多維數(shù)據(jù)融合的電網(wǎng)專題應用及數(shù)據(jù)展示服務子系統(tǒng)調(diào)用。

為實現(xiàn)圖1所示的共享應用平臺功能框架，考慮系統(tǒng)應用的分布性和實際維護特點，采用B/S架構(gòu)進行平臺結(jié)構(gòu)體系設計，并分為展現(xiàn)層、數(shù)據(jù)交互層、邏輯層和數(shù)據(jù)層，具體如圖2所示。

圖1 電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與多維氣象數(shù)據(jù)融合的共享應用平臺功能框架

圖2 共享應用平臺技術(shù)架構(gòu)

其中瀏覽器提供用戶操作界面以及簡單的業(yè)務處理，如二維電子地圖及其他前端業(yè)務頁面展現(xiàn)等；服務器包括應用服務器和數(shù)據(jù)庫服務器，應用服務器執(zhí)行各類業(yè)務邏輯并向數(shù)據(jù)庫發(fā)送數(shù)據(jù)交互請求；數(shù)據(jù)庫服務器執(zhí)行數(shù)據(jù)操作邏輯，并包含多套數(shù)據(jù)庫，如關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL Server、實時數(shù)據(jù)庫FastDB(內(nèi)存數(shù)據(jù)庫)、空間數(shù)據(jù)庫、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫等；瀏覽器通過Web Server(應用服務器)同數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互。

2 電網(wǎng)環(huán)境專題圖自動繪制及應用系統(tǒng)

電網(wǎng)環(huán)境專題圖是將氣象數(shù)據(jù)與電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)融合應用的重要工具，是電網(wǎng)規(guī)劃、設計、運維的依據(jù)之一[14]。圖1所示的電網(wǎng)專題圖挖掘分析及校核服務即是應用歷史氣象數(shù)據(jù)、電網(wǎng)設備參數(shù)、電網(wǎng)網(wǎng)架設計參數(shù)等，為展示層(用戶)提供電網(wǎng)風區(qū)、污區(qū)、冰區(qū)、舞動區(qū)及雷區(qū)分布情況，進而根據(jù)相關(guān)規(guī)則實現(xiàn)輸電桿塔承載能力、絕緣子爬電距離等專題挖掘分析及校核子服務。為給展示層(用戶)提供準確性、時效性高的電網(wǎng)環(huán)境專題圖，設計一套電網(wǎng)環(huán)境專題圖自動繪制及應用系統(tǒng)，通過劃分并建立氣象數(shù)據(jù)與電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)統(tǒng)一規(guī)則庫，利用GIS建模技術(shù)模擬繪制流程，從而實現(xiàn)電網(wǎng)環(huán)境專題圖的高效自動繪制。在電網(wǎng)環(huán)境專題圖自動成圖后，通過輸入需校核線路的空間坐標，即能明確其各環(huán)境區(qū)域分布等級，進而校核其相關(guān)配置。該系統(tǒng)采用如圖2所示的B/S架構(gòu)設計，并具備靈活擴展性，在不斷擴展完善后，將作為共享應用平臺的一部分。

2.1 繪圖規(guī)則庫建立

根據(jù)參考文獻[15]現(xiàn)場污穢度等級評定的主要因素為現(xiàn)場污穢度測試值、污濕特性以及運行經(jīng)驗?；谠撛瓌t，將污穢度等級評定規(guī)則劃分為現(xiàn)場污穢度規(guī)則庫、污染源規(guī)則庫、污濕特性規(guī)則庫和運行經(jīng)驗規(guī)則庫4類，以供自動繪制污區(qū)分布圖時調(diào)用，如表1所示。

表1 污區(qū)圖規(guī)則庫劃分

2.2 規(guī)則庫算法實現(xiàn)及繪制流程

將污區(qū)圖的繪圖數(shù)據(jù)，包括大氣環(huán)境數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、污染源數(shù)據(jù)、污穢測量點數(shù)據(jù)(人工測量數(shù)據(jù)及污穢在線監(jiān)測數(shù)據(jù))、運行經(jīng)驗(污閃跳閘數(shù)據(jù))和典型運行環(huán)境輸入到規(guī)則庫引擎數(shù)據(jù)庫中，規(guī)則庫引擎根據(jù)繪圖指令，采用GIS緩沖區(qū)算法生成現(xiàn)場污穢度規(guī)則庫專題圖、污染源規(guī)則庫專題圖、大氣環(huán)境規(guī)則庫專題圖。利用規(guī)則庫引擎，根據(jù)運行經(jīng)驗規(guī)則庫中的線路運行經(jīng)驗和典型運行環(huán)境規(guī)則庫，對上述生成的專題圖進行局部修正。利用規(guī)則庫引擎中的GIS建模算法及融合算法對各個專題圖進行融合和拼接，結(jié)合往年電子污區(qū)圖，形成電子污區(qū)草圖，未能確定污區(qū)等級地區(qū)以高亮顯示。繪圖人員根據(jù)運行經(jīng)驗對草圖進行人工調(diào)整并確定污區(qū)等級不定地區(qū)的污穢等級，形成最終的污區(qū)分布圖。污區(qū)圖自動繪制流程如圖3所示。

圖3 電網(wǎng)污區(qū)分布圖自動繪制流程

2.3 成圖及應用

以寧夏寧東地區(qū)為例，詳細介紹電網(wǎng)污區(qū)分布圖自動繪制過程。

2.3.1 大氣環(huán)境及污染源

寧東能源化工基地位于寧夏東部，是寧夏地區(qū)煤化工、石油化工、火電等企業(yè)的大型集中地。2019年，寧東地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)為4.28，PM10平均濃度為83 mg/m3，大氣污染物中的SO2、NO2含量呈逐年遞增趨勢。此外，寧東地區(qū)是寧夏存在逆溫層的主要地區(qū)，上暖下冷的大氣層結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，不利于污染物擴散，致使近地層大氣污染加重。根據(jù)表2建立的大氣環(huán)境規(guī)則庫、表3建立的工業(yè)污染源規(guī)則庫，將寧東地區(qū)污穢等級劃為最嚴重的e級。

表2 大氣環(huán)境規(guī)則庫

表3 工業(yè)污染源規(guī)則庫

2.3.2 現(xiàn)場污穢度

結(jié)合寧夏地區(qū)地域特點和實際運行經(jīng)驗，確定現(xiàn)場污穢度測量周期為3年。根據(jù)近3年寧東地區(qū)所測得現(xiàn)場污穢度：等值鹽密范圍為0.05～0.25 mg/cm2，超60%；灰密范圍0.5～0.7 mg/cm2，超20%；且灰鹽比在3.0～3.5，超35%。確定寧東地區(qū)污穢等級自c級起，根據(jù)污染源和大氣環(huán)境不同，將不同地區(qū)劃分為d級和e級。

2.3.3 運行經(jīng)驗

根據(jù)線路歷史污閃情況和可接受的不同電壓等級線路污閃跳閘率來調(diào)整不同等級污穢區(qū)域緩沖范圍。根據(jù)寧東地區(qū)輸變電設備運行情況，確定緩沖區(qū)范圍為3 km。此外，寧東中心區(qū)作為±660 kV銀川東換流站及其配套電源線路所在地，相較于同等環(huán)境條件下的其他區(qū)域，污穢等級提高一級。

2.3.4 自動成圖

根據(jù)2.2節(jié)所述流程自動繪制污區(qū)圖，如存在有劃分等級原則沖突或異常區(qū)域，通過人工干預進行調(diào)整(以運行經(jīng)驗為主)。通過自動繪制生成的寧東地區(qū)電網(wǎng)污區(qū)分布圖，除實現(xiàn)專題圖的展現(xiàn)、數(shù)據(jù)庫管理、規(guī)則庫管理等功能外，通過輸入某條線路區(qū)段性坐標，即能查詢該段線路所處的污區(qū)等級，尤其對處于污區(qū)交界處的線路而言，該功能有助于其差異化防污設計，也為建成線路絕緣子爬電距離校核提供依據(jù)。

按照上述電網(wǎng)污區(qū)分布圖的自動繪制流程及成圖基本思路，可依次完成數(shù)據(jù)共享應用平臺中電網(wǎng)風區(qū)、冰區(qū)、舞動區(qū)、雷區(qū)分布圖的展現(xiàn)和應用，這為后續(xù)電網(wǎng)運行風險的預報、預警奠定了基礎(chǔ)。

3 電網(wǎng)運行風險預警

根據(jù)相關(guān)氣象災害管理辦法，將造成災害的氣象類別分為暴雨、暴雪、寒潮、大風、沙塵暴、高溫、雷電、冰雹、霜凍、大霧、霾、道路結(jié)冰、干旱共13類[16]，其中如暴雨、暴雪、大風、霜凍、霾等均會對電網(wǎng)運行造成影響；因此，利用氣象數(shù)據(jù)綜合監(jiān)測及歷史數(shù)據(jù)分析應用模塊，結(jié)合電網(wǎng)GIS平臺，針對易造成電網(wǎng)運行災害的各類氣象，依據(jù)其可能造成的危害、緊急程度和發(fā)展態(tài)勢，分別發(fā)布藍色、黃色、橙色和紅色不同級別的預警信號，同時提供初步的防御措施，并在地圖上展示預警區(qū)域以及涉及到的輸電桿塔或變電站，可將重要的天氣預報轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)運行風險(災害)預報。重要天氣對電網(wǎng)運行可能造成的危害主要基于電網(wǎng)風區(qū)、冰區(qū)、舞動區(qū)、污區(qū)、雷區(qū)分布圖以及易發(fā)地質(zhì)災害區(qū)域分布情況，典型預警邏輯有5類。

3.1 電網(wǎng)大風區(qū)域預警

基于電網(wǎng)GIS平臺的風區(qū)分布，應用氣象站短期、中期、長期及災害性天氣預報的大風和沙塵暴天氣數(shù)據(jù)，對可能導致大風倒塔、風偏跳閘等風害事件設定風險預警級別。

3.2 電網(wǎng)覆冰舞動預警

冬春季節(jié)，在冰、風的作用下，線路易發(fā)生舞動?；陔娋W(wǎng)GIS平臺的冰區(qū)和舞動區(qū)域分布，應用短期、中期、長期及災害性天氣預報的溫度、大風、降水等數(shù)據(jù)，根據(jù)對線路舞動有抑制作用的裝置加裝情況，如線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒、相間間隔棒、雙擺防舞器、失諧擺、偏心重錘等，設定輸電線路舞動風險預警級別。

3.3 異常天氣污閃預警

基于電網(wǎng)GIS平臺的污區(qū)分布，應用氣象站短期、中期、長期及災害性天氣預報的大霧、降水、霜雪等數(shù)據(jù)，根據(jù)絕緣子爬電距離、線路所處污穢等級及設備清掃記錄等因素設定風險預警等級規(guī)則模型，重點對爬電距離不足的設備設定較高的預警級別。

3.4 雷擊跳閘區(qū)域預警

基于電網(wǎng)GIS平臺的雷區(qū)分布，應用氣象站短期、中期、長期及災害性天氣預報的雷電數(shù)據(jù)，根據(jù)絕緣子爬電距離、線路所處污穢等級、接地裝置安裝情況等因素設定雷擊跳閘風險預警等級規(guī)則模型，重點對老舊線路、爬電距離不足、接地措施不完善線路設定較高的預警級別。

3.5 電網(wǎng)暴雨區(qū)域(地質(zhì)災害)預警

基于電網(wǎng)GIS平臺，應用氣象站短期、中期、長期及災害性天氣預報的暴雨、大風數(shù)據(jù)，并結(jié)合地理環(huán)境因素，對可能發(fā)生大風倒塔、泥石流沖擊倒塔等災害設定風險預警級別。

4 結(jié) 語

氣象數(shù)據(jù)及電網(wǎng)運行環(huán)境是在不斷發(fā)生變化的，通過實時更新電網(wǎng)區(qū)域等級評定規(guī)則庫，利用電網(wǎng)環(huán)境專題圖自動繪制及應用系統(tǒng)能將這種變化及時反映在電網(wǎng)環(huán)境專題圖上，進而對基于專題圖的各項應用產(chǎn)生作用，有效避免了現(xiàn)有專題圖應用模式下因各類分布圖更新周期較長所帶來的諸多問題。此外，通過對電網(wǎng)GIS與氣象數(shù)據(jù)融合共享應用平臺功能不斷擴展完善，最終可實現(xiàn)對電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的挖掘分析，從而發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運行過程中的薄弱環(huán)節(jié)。在結(jié)合電網(wǎng)環(huán)境專題圖和不同周期的氣象預報即能完成對電網(wǎng)運行中的常規(guī)以及重點突出的風險預報預警，為減輕愈發(fā)頻繁的異常氣象對電網(wǎng)運行安全所造成的負面影響提供了有效參考。