郭飛，賈璐，吳佳靜，李秀廣，劉世濤

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001；2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司寧東供電公司，寧夏 銀川 750411；3.寧夏信通網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，寧夏 銀川 750001;4.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011)

隨著電網(wǎng)建設(shè)里程的增加，沿線氣候存在一定差異，尤其是沿線大風(fēng)情況較為復(fù)雜，輸電線路在風(fēng)荷載下斷線情況屢有發(fā)生，由此引發(fā)的停電、倒塔事故給生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡[1]。與此同時(shí)，城市發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步對(duì)電網(wǎng)可靠性的要求越來(lái)越高，設(shè)計(jì)風(fēng)速的科學(xué)性和精準(zhǔn)性對(duì)工程安全運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)效益愈加重要[2-3]。隨著環(huán)境的變化和基本風(fēng)速樣本容量的積累，風(fēng)區(qū)風(fēng)速呈現(xiàn)逐年減弱或逐年增大的趨勢(shì)，需定期對(duì)風(fēng)區(qū)圖進(jìn)行迭代修訂。輸電桿塔設(shè)計(jì)和建設(shè)階段的風(fēng)區(qū)參數(shù)可能與目前環(huán)境存在非常大的偏差，根據(jù)修訂后的風(fēng)區(qū)圖重新判定桿塔所屬風(fēng)區(qū)并進(jìn)行風(fēng)區(qū)校核，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行非常關(guān)鍵。本文提出利用PnPoly算法開展輸電線路桿塔所屬風(fēng)區(qū)研判與糾偏，結(jié)合PMS數(shù)據(jù)利用Python實(shí)現(xiàn)桿塔設(shè)計(jì)風(fēng)速校核，為桿塔設(shè)計(jì)、運(yùn)維等工作提供參考，有效避免強(qiáng)風(fēng)引起的桿塔倒塌、線路器件損壞、風(fēng)偏閃絡(luò)跳閘等事故。

1 PnPoly算法概念

輸電桿塔所屬風(fēng)區(qū)的研判可以抽象為數(shù)學(xué)概念上點(diǎn)與多邊形的判定問題，利用PnPoly算法能有效判斷點(diǎn)是否位于任意多邊形區(qū)域內(nèi)[4]。PnPoly算法判斷點(diǎn)與多邊形的位置關(guān)系，即通過待測(cè)點(diǎn)作一條射線，與多邊形邊界交點(diǎn)個(gè)數(shù)為奇數(shù)，則該待測(cè)點(diǎn)位于多邊形內(nèi)部；若與多邊形邊界交點(diǎn)個(gè)數(shù)為偶數(shù)，則該待測(cè)點(diǎn)位于多邊形外部。

由圖1可知，沿測(cè)試點(diǎn)P向左右做射線L，點(diǎn)P的Y坐標(biāo)與多邊形的每一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行比較，得到一個(gè)測(cè)試點(diǎn)所在的行與多邊形邊的交點(diǎn)的列表。在圖1中有8條邊與測(cè)試點(diǎn)所在的行相交，有6條邊沒有相交。如果測(cè)試點(diǎn)的兩邊點(diǎn)的個(gè)數(shù)都是奇數(shù)，則該測(cè)試點(diǎn)在多邊形內(nèi)，否則在多邊形外。在這個(gè)例子中測(cè)試點(diǎn)的左邊有5個(gè)交點(diǎn)，右邊有3個(gè)交點(diǎn)，它們都是奇數(shù)，所以點(diǎn)在多邊形內(nèi)。

圖1 射線算法原理

如果射線與多邊形頂點(diǎn)相交，且該頂點(diǎn)是其所屬邊上縱坐標(biāo)最大的頂點(diǎn)，則將其作為交點(diǎn)計(jì)數(shù)；如果點(diǎn)P在多邊形邊上，則判斷P在多邊形內(nèi)。圖2所示為PnPoly算法流程。

圖2 PnPoly算法流程

2 桿塔所屬風(fēng)區(qū)研判模型

2.1 風(fēng)區(qū)邊界點(diǎn)提取

風(fēng)區(qū)邊界點(diǎn)[5]的提取是判斷桿塔所屬風(fēng)區(qū)的基礎(chǔ)，利用ArcGIS軟件對(duì)基礎(chǔ)氣象站坐標(biāo)及歷年基本風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，得到區(qū)域風(fēng)區(qū)圖空間插值圖形。以30年重現(xiàn)期風(fēng)區(qū)為例提取風(fēng)區(qū)邊界點(diǎn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3(b)中存在明顯的嵌套風(fēng)區(qū)，為保證桿塔所屬風(fēng)區(qū)研判準(zhǔn)確性，必須對(duì)嵌套風(fēng)區(qū)進(jìn)行人工修偏。尋找所有具有嵌套關(guān)系的風(fēng)區(qū)圖片區(qū)，人工去除嵌套風(fēng)區(qū)，處理后的風(fēng)區(qū)如3(c)所示。

2.2 桿塔所屬風(fēng)區(qū)研判及風(fēng)速配置校核

2.2.1 所屬風(fēng)區(qū)研判

采用PnPoly算法，通過待測(cè)點(diǎn)作一條射線，與多邊形邊界交點(diǎn)個(gè)數(shù)為奇數(shù)，則該待測(cè)點(diǎn)位于多邊形內(nèi)部；若與多邊形邊界交點(diǎn)個(gè)數(shù)為偶數(shù)，則待測(cè)點(diǎn)位于多邊形外部。利用Python編寫該算法腳本，對(duì)于所有桿塔所屬的風(fēng)區(qū)進(jìn)行研判，對(duì)嵌套風(fēng)區(qū)人工處理前后研判結(jié)果對(duì)比分析。由于存在部分省外桿塔，所以校核的首要工作就是根據(jù)臨近省份風(fēng)區(qū)分布情況，人工標(biāo)注寧夏區(qū)域外桿塔所屬風(fēng)區(qū)。對(duì)于區(qū)域外的桿塔所屬風(fēng)區(qū)，只能參照臨省風(fēng)區(qū)分布情況，以及桿塔所處位置就近參考風(fēng)區(qū)所屬等級(jí)進(jìn)行人工標(biāo)注。

(a)風(fēng)區(qū)

(b)風(fēng)區(qū)中片區(qū)0邊界點(diǎn)

(c)風(fēng)區(qū)嵌套處理后

2.2.2 風(fēng)速配置校核

對(duì)于設(shè)計(jì)風(fēng)速的校核，從PMS2.0系統(tǒng)中抽取桿塔參數(shù)數(shù)據(jù)，然后編寫Python腳本，參考《寧夏電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布圖編制說明(國(guó)網(wǎng))》中不同電壓等級(jí)輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)采用的風(fēng)速重現(xiàn)期[6-7]，如表1所示，對(duì)設(shè)計(jì)風(fēng)速進(jìn)行校核。

表1 不同電壓等級(jí)輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)采用的風(fēng)速重現(xiàn)期

算法流程如圖4所示。

圖4 桿塔所屬風(fēng)區(qū)研判及校核流程

圖5(a)以30年重現(xiàn)期的風(fēng)區(qū)圖為例，片區(qū)1的邊界點(diǎn)可以基本勾勒片區(qū)1所在的范圍。圖5(b)是30年重現(xiàn)期風(fēng)區(qū)，匹配到該風(fēng)區(qū)的片區(qū)1的桿塔分布情況。對(duì)比可知，該部分桿塔匹配結(jié)果準(zhǔn)確。

圖6(a)是50年重現(xiàn)期的風(fēng)區(qū)圖中片區(qū)1的邊界點(diǎn)，可以基本勾勒片區(qū)1所在的范圍。圖6(b)是50年重現(xiàn)期風(fēng)區(qū)圖中匹配到該風(fēng)區(qū)的片區(qū)1的桿塔分布情況。對(duì)比可知，該部分桿塔匹配結(jié)果準(zhǔn)確。

(a)片區(qū)1邊界點(diǎn)

(b)片區(qū)1內(nèi)匹配的桿塔

(a)片區(qū)1邊界點(diǎn)

(b)片區(qū)1內(nèi)匹配的桿塔

圖7(a)是100年重現(xiàn)期的風(fēng)區(qū)圖中片區(qū)0的邊界點(diǎn)，可以基本勾勒片區(qū)0所在的范圍。圖7(b)是100年重現(xiàn)期風(fēng)區(qū)圖中匹配到該風(fēng)區(qū)的片區(qū)0的桿塔分布情況。對(duì)比可知，該部分桿塔匹配結(jié)果準(zhǔn)確。

(a)片區(qū)0邊界點(diǎn)

(b)片區(qū)0內(nèi)匹配的桿塔

圖8(a)是30年重現(xiàn)期的風(fēng)區(qū)，圖8(b)是30年重現(xiàn)期風(fēng)區(qū)未匹配到任何風(fēng)區(qū)的桿塔分布情況，此部分桿塔即為疑似省外桿塔。對(duì)比可知，該部分桿塔匹配結(jié)果較為準(zhǔn)確，但是有部分桿塔坐標(biāo)點(diǎn)可能存在問題，需要進(jìn)一步校核。

(a)30年重現(xiàn)期風(fēng)區(qū)

(b)未匹配任何風(fēng)區(qū)—疑似省外桿塔分布

3 實(shí)例分析

采用上文提出的模型，對(duì)某省桿塔所屬風(fēng)區(qū)進(jìn)行研判分析，嵌套風(fēng)區(qū)人工處理前后研判結(jié)果如表2所示。

表2 風(fēng)區(qū)研判結(jié)果分析

由表2可知:對(duì)于嵌套風(fēng)區(qū)的人工處理對(duì)于桿塔所屬的各個(gè)重現(xiàn)期的風(fēng)區(qū)圖的研判準(zhǔn)確率影響較大，尤其是30年重現(xiàn)期的風(fēng)區(qū)圖，桿塔錯(cuò)判個(gè)數(shù)最多達(dá)到1400個(gè)，而50年重現(xiàn)期的風(fēng)區(qū)圖也有1188個(gè)桿塔錯(cuò)判。由于嵌套風(fēng)區(qū)的影響，導(dǎo)致多數(shù)錯(cuò)判的桿塔被“誤認(rèn)為”是省外桿塔，也就是無(wú)法匹配到任何風(fēng)區(qū)，同樣導(dǎo)致省外桿塔從實(shí)際個(gè)數(shù)546個(gè)突增到2618個(gè)，整體準(zhǔn)確率下降至88%左右。相比較而言，對(duì)于嵌套風(fēng)區(qū)經(jīng)過人工處理之后，只有極少數(shù)桿塔被錯(cuò)判，整體準(zhǔn)確率超過99%。實(shí)證表明，采用人工處理嵌套風(fēng)區(qū)的方式，能夠有效提升桿塔所屬風(fēng)區(qū)研判準(zhǔn)確率。

由于存在部分省外桿塔，根據(jù)臨近省份風(fēng)區(qū)分布情況，人工標(biāo)注寧夏區(qū)域外桿塔所屬風(fēng)區(qū)，在此基礎(chǔ)上開展風(fēng)速配置校核。根據(jù)風(fēng)區(qū)校核結(jié)果，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)風(fēng)速小于最低標(biāo)準(zhǔn)的桿塔占比7.62%。校核結(jié)果與現(xiàn)有風(fēng)區(qū)不匹配，主要是受線路設(shè)計(jì)年份氣象環(huán)境變化等因素影響，此處對(duì)小于最小設(shè)計(jì)風(fēng)速要求的桿塔投運(yùn)年限進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 主要年份投運(yùn)桿塔設(shè)計(jì)風(fēng)速小于最低標(biāo)準(zhǔn)情況

由圖9可以看出，1975年、1989年投運(yùn)的桿塔設(shè)計(jì)風(fēng)速均小于最低標(biāo)準(zhǔn)，說明此類桿塔因投運(yùn)年限過久，需要重新進(jìn)行整改，并根據(jù)目前實(shí)際氣象條件及時(shí)優(yōu)化巡檢及大修計(jì)劃等。

4 分析結(jié)果

(1)采用PnPoly算法能夠有效判別桿塔所屬風(fēng)區(qū)，利用人工處理嵌套風(fēng)區(qū)的方式，能夠有效提升桿塔所屬風(fēng)區(qū)研判準(zhǔn)確率。因桿塔投運(yùn)年份較早，桿塔的設(shè)計(jì)風(fēng)速與最新風(fēng)區(qū)圖有較大偏差，需要著重對(duì)該部分桿塔進(jìn)行整改，加強(qiáng)設(shè)備巡檢與大修技改投入力度。

(2)根據(jù)寧夏風(fēng)區(qū)特征[8]，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)西北偏向設(shè)計(jì)風(fēng)速小于最低標(biāo)準(zhǔn)桿塔的巡檢力度，對(duì)處于風(fēng)口的桿塔塔身進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，著力加強(qiáng)線路轉(zhuǎn)角、耐張桿塔跳線防風(fēng)偏改造力度。根據(jù)桿塔所屬風(fēng)區(qū)，針對(duì)微氣象區(qū)域特征明顯，颮線風(fēng)頻發(fā)地區(qū)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)預(yù)留裕度，根據(jù)風(fēng)區(qū)校核結(jié)果，調(diào)整絕緣子串型式或優(yōu)化防風(fēng)偏措施。

綜上所述，對(duì)在運(yùn)桿塔進(jìn)行所屬分區(qū)研判及設(shè)計(jì)風(fēng)速校核，能夠從源頭上控制輸電線路風(fēng)偏等故障的發(fā)生，有效減少電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)損失，有利于提高線路運(yùn)行可靠性和健康水平。