輸電線路電子區域風害分布圖繪制方法研究

申元，馬儀，李昊，周仿榮，馬御棠，方賢才

（1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650000；2.武漢市智勤創億信息技術股份有限公司，湖北 武漢 430070）

0 前言

電力系統風害分布圖是指導輸電線路進行防風設計的基礎，正確的電力系統風害分布圖能指導線路根據風害區等級進行因地制宜的防風工作。云南電網目前已存在的大量輸電線路風偏跳閘故障分析資料表明，主要由于瞬時風速過大導致產生線路風偏過大，造成絕緣子串搖擺角角度超過設計值，導線與桿塔構件安全間隙不足產生放電，跳閘故障主要原因是在線路設計時對線路所經地區微地形、微氣象特點考慮不周，導致輸電線路抗風能力較??；另外一方面，對于輸電線路而言，瞬時強風、強烈地方性風也是造成輸電線路風偏跳閘的主要原因[3-4]，而傳統的風區圖則主要考慮基本風速因素，因此已不能滿足云南電網防風工作的需要。

結合云南電網公司在防風工作中的實際經驗，本文介紹了利用計算機軟件和GIS 技術構建區域風害圖繪制規則庫來實現自動繪制區域風害分布圖，提出在繪制風害圖的時候除了要參考基本風速等外因外，還要參考瞬時風速、微地形微氣象因素以及輸電線路本身防風能力的強弱等內部因素及其動態變化特征，并探討了采用計算機自動成圖+ 人工修訂模式來解決運行經驗對區域風害圖繪制的影響。

1 區域風害圖繪制規則庫劃分

本文按照《Q GDW 11005-2013 風區分級標準和風區分布圖繪制規則》、《GB50545—2010 110 kV ～750 kV 架空輸電線路設計規范》、《DL/T 5158—2012 電力工程氣象勘測技術規程》、《南方電網公司輸電線路防風設計技術規范》，確定區域風害圖繪制過程中的可變因子和不可變因子以及量化規則，具體劃分如下：

1）將區域風害分布圖的繪制規則整理為五個大類和20 個小類，其中五個大類是在線監測規則庫、微地形地理分區規則庫、歷史風場分布及演變規則庫、線路抗風能力與校核規則庫、運行經驗規則庫，20 個小類如下表所示：

表1 規則庫劃分表

2）將五個大類和20 個小類的規則庫以樹形結構存儲在數據表中，其中每個小類的規則定義了規則的影響范圍、規則的處理方式、規則的權重等參數，這些參數都是可以自定義的；規則庫還定義了固定規則和可變規則，系統成圖前可以對這些規則參數和規則本身進行修改。

3）設計每個規則的數學處理邏輯以及與成圖流程的接口規范，以便系統成圖的時候可以調用這些邏輯來成圖，詳細見2.1 的描述。

2 基本算法和成圖GIS引擎算法

2.1 風害圖繪制規則庫的基本算法

區域風害圖繪制智能規則庫引擎由在線監測規則庫、微地形地理分區規則庫、歷史風場分布及演變規則庫、線路抗風能力與校核規則庫、運行經驗規則庫五部分組成，其規則算法描述如下：

1）基本風速和瞬時風速根據定量計算值和《Q GDW 11005-2013 風區分級標準和風區分布圖繪制規則》里的風速等級評價標準來定；WRF 歷史風場和大渦風場是其他項目的研究成果，用來作為風區圖和風害圖的修訂因素，主要是考慮到為線路預留設計裕度，加強線路防風能力；

2）微地形地理分區包括如路堤、特大橋梁、埡口、峽谷、山區的風口、峽管效應等微地形路段，線路經過這些地形路段時瞬時風速增加1.23—1.70 倍，這是一種風速和高度增加的效應。如果線路與大風風向夾角垂直，輸電線路受大風微氣象條件下瞬時風速和橫風因數合力影響，氣動力顯著增大，線路發生斷線倒塔和風害跳閘的可能性明顯增加。因此線路防風要依據不同類型大風特征、不同地形制定，可以據此對前面確定的等級進行局部適度調整，將易引發風害故障的地形地貌區域的風害等級提升一級。微氣象則主要參考微氣象在線監測系統，如果監測的微氣象值大于所在風害等級，則需要將原來的風害等級提升到微氣象監測系統所監測風速所對應的等級；

3）線路抗風能力主要是考慮對于輸電線路防風校核后其本身的抗風能力因素，如果在風害圖上所代表的風害等級高于線路本身的抗風能力，則以線路區域風害圖的風害等級為標準；而風害圖上所代表的風害等級低于線路本身的抗風能力，則可以將線路區域風害圖上的等級提高一個等級，直至到滿足線路抗風能力為準，這主要是為以后的設計預留裕度，從而達到指導線路防風設計的目的；

4）運行經驗主要是依據輸電線路的風偏隱患點以及采用的防風措施等而定，根據運行經驗，可將潛在的風偏隱患點附近區域的風害等級提升一級，加強線路導地線、絕緣子金具、塔型荷載、結構的選型和基礎及附屬設施的加固，并嚴格遵守輸電線路導線對地距離及交叉跨越的規定；

5）在線監測規則庫主要包括微氣象監測和風偏跳閘故障監測及風偏跳閘預警，線路微氣象監測點能夠返回線路上實時的風速風向數據，可用來實時更新風區風害的等級；而風害跳閘率和風害事故記錄，則可以將風害故障點附近區域的風害等級提升一級；而風偏跳閘預警點則可以在其附近將風害等級提升一個等級。

2.2 GIS計算算法引擎原理

在我們定義好上面這些區域風害分布圖繪制規則的算法之后，然后由這些規則通過GIS緩沖、截切、疊置算法生成這些規則的專題圖，并對這些規則進行GIS 建模和GIS 圖層融合技術，生成電子區域風害分布圖草圖，如下是原理框圖：

圖1 基于規則庫生成風害圖的原理框圖

2.2.1 引擎原理說明

1）基礎數據與業務數據處理：首先準備好各種成圖的數據：包括行政電子地圖、基本風速、瞬時風速、微地形、微氣象、線路風偏跳閘、線路防風臺賬、線路防風能力校核、WRF 及大渦風場等歷史數據，可以用整理好的excel 文件的方式導入系統，也可以直接通過系統的錄入界面錄入，存儲到引擎數據庫中。

2）規則專題圖生成：繪制規則庫引擎在接受到成圖的指令后，會根據用戶選中的規則庫類別及選中的規則項，運用GIS 緩沖區算法并結合氣象數據生成各個規則庫類別的專題圖。

3）圖層融合及生成風害圖草圖：根據GIS技術，首先加載歷史的風場分布圖，然后疊加各個專題圖，并用GIS 融合算法，對相應的圖層融合處理,然后對各個風害等級圖層進行拼接最后生成風害圖草圖。

4）規則權重的考慮：首先在每個規則中根據云南的區域特征增加相應的規則置信度，這樣在每個生成的專題圖要素中就會有相應的規則權重，在圖層融合和拼接的時候，這些權重重的圖層就排在前面作為首要考慮因素。

5）對于圖層中跳級、尖端的處理等，目前系統沒有進行自動處理，主要以提供風害圖編輯器通過手工修訂的方式來進行處理，但是對小圖斑的融合、小碎點的消除則系統部分進行自動處理。

2.2.2 GIS算法詳細解釋

1）GIS 反距離權重插值算法：是GIS 生成柵格圖形的一種算法，基于插值區域內部樣本點的相似性，計算與到鄰近區域樣點的加權平均值來估算出單元格的值，進而插值得到一個表面。

2）GIS 緩沖區算法：是GIS 生成矢量圖形的一種算法，可以以點要素、線要素、面狀要素等為基礎，對這些要素的邊界按照設定的緩沖距離對原來的要素圖形進行擴充，最后生成的是面狀的矢量圖形。

3）GIS 建模算法：本方法描述的GIS 建模算法指的是對由輸入數據和相應規則庫生成的規則庫專題圖進行疊加的模型，主要根據這些專題圖內的風害等級屬性進行分組，然后根據這些屬性進行圖形的疊加。

4）GIS 融合算法：本方法描述的GIS 融合算法指的是對疊加好的專題圖進行融合，使得它們成為一張圖。

3 輸電線路區域風害圖自動繪制

3.1 繪制原理與依據

1）區域風害圖的繪制是基于相關標準文件來展開的；

2）依據如下規則劃分風害等級

風害等級劃分主要依據基本風速、瞬時風速、運行經驗、高海拔地區的微地形微氣象、線路防風能力等內外因素綜合考慮，將輸電線路風害等級分為5 個等級；

3）根據《Q GDW 11005-2013 風區分級標準和風區分布圖繪制規則》里5.2.1 氣象資料來選取與成圖相關的具體氣象要素信息；

4）采用《Q GDW 11005-2013 風區分級標準和風區分布圖繪制規則》附錄A 中公式A.1進行標準風速換算；然后根據標準風速和瞬時風速關系進行換算，在本系統中我們提供擬合公式如下：

V3s=1.7612*V10m-0.5922，V10m 為10 分鐘最大風速，V3s 為3 秒瞬時風速。這個公式為我們在系統提供參數調整功能。

5）采用Q GDW 11005-2013 風區分級標準和風區分布圖繪制規則》附錄A 中公式A.14 計算各氣象臺站不同重現期基本風速及瞬時風速；

6）經過如下規則庫：風場分布及演變規則庫、微地形與微氣象規則庫、線路抗風能力規則庫、運行經驗規則庫的GIS 修正和人工輔助修改，最后形成正式的風害圖；

7）風害圖生成之后能以數據庫形式以及shape 文件格式供在線監測平臺、PMS 等其他系統調用，并可以在系統直接打印或者輸出為圖片，PDF 等各種格式。

3.2 區域風害圖智能成圖算法模型

結合3.1 的原則，風害圖智能成圖算法模型如下圖所示：

圖2 風害圖智能成圖算法模型

3.3 區域風害圖計算機自動成圖流程

根據3.2 的描述，區域風害分布成圖計算機繪制算法流程圖如圖3。

繪制流程具體過程：

1）收集省各氣象站歷年的風場海拔數據、風速計離地/離平臺高度數據、觀測平臺高度數據、累年年平均風速、累年年極大風速、累年年極大風速出現時間、風向以及各風向頻率觀測數據等氣象要素數據；

2）收集項目西北院負責研究出的微地形風場模式數據，并綜合（1）收集的數據，對比兩者的平均最大風速、極大風速的取值范圍，采取取大優先的原則，對重疊數據進行合并，形成項目所需要的平均最大風速和極大風速數據；

3）收集本省已建線路設計風速資料，歷年輸電線路風速情況資料（調查點的經緯度、海拔高度、極值風速）；

4）按公式（1）標準高度風速換算公式進行標準風速換算：

式中，z：風速儀實際高度，vz：風速儀觀測風速，α：空曠平坦地區粗糙度指數，取0.16；

5）確定基本風速時，按當地氣象臺、站10 min 時平均的年最大風速作樣本，并采用極值I 型分布作為概率模型，極值I 型概率分布，分布函數為：

式中：u—分布的位置函數，即其分布的眾值；α—分布的尺度函數。

觀測期為n 年，變量zi可以按照下式計算：

如果需要考慮實際的觀測數量，需要給出n個觀測值時參數C1和C2的值。

平均重現期為T的最大風速XR可按下式確定：

同以上原理計算各個重現期3 s 瞬時風速數據，然后利用擬合法擬合出10 Min 平均風速和3 s 瞬時風速的公式，然后統一用系統定義的擬合公式重新計算得出各個氣象站的3 s 瞬時風速；

6）采用GIS 反距離權重插值算法將不同重現期風速插值生成不同的柵格風害分布圖草圖；將風害分布圖柵格數據轉換成矢量數據，并進行碎多邊形、邊界鋸齒平滑、拓撲驗證等圖形處理；

圖3 風害分布圖計算機繪制算法流程

7）疊加WRF 和大渦風場專題圖層，比較歷史風場數據的差異，按照取大優先、預留充分裕度的原則局部調整風害等級；疊加微地形微氣象專題圖層，比較微地形地區及微氣象特征區，局部調整風害等級；疊加線路防風校核的能力數據及相關桿塔線路圖層，比較線路防風能力與外部最大風速因素，局部調整風害等級；疊加風災事故點專題圖層，比較風災事故點的實測風速與風害圖所示的基本風速值及瞬時風速值，局部調整風害等級；

8）利用系統的風害分布圖編輯功能，根據人工運行經驗、風偏跳閘故障資料修正風害分布草圖；將草圖轉換為正式的風害分布圖。

3.4 電子區域風害分布圖的優點

1）形成了區域風害圖繪制的智能規則庫，能夠量化區域風害圖繪制規則庫，并隨時調整這些規則，以便生成出不同效果的區域風害分布圖供電網防風專責根據運行經驗來挑選，智能化程度較高。

2）由于該引擎基于網絡數據庫來存儲數據，借助該引擎生成的區域風害圖信息可以即時更新和共享。

3）防風工作人員可以利用GIS 提供的強大的圖形處理功能實現區域風害分布圖的人工輔助自動繪制和風害分析，為制定各項計劃和決策提供科學依據。

3.5 運行經驗對區域風害圖自動繪制影響

在傳統風害圖繪制工作中，人工運行經驗對各個區域的風害等級的判斷是非常重要的，電力系統風害圖繪制規程中也明確規定當各風速圖和運行經驗在判斷風害等級的時候產生沖突，則以運行經驗為主。因此，風害圖繪制工作中必須重視運行經驗對風害圖繪制工作的影響。

首先，系統已經將部分運行經驗如風偏跳閘故障、風偏跳閘率、歷史風場分布等指標量化為相關的繪制規則庫，運行經驗已經在風害圖智能成圖過程中發揮部分作用，其權重值一般也是最大的。

其次，考慮到無法利用計算機表達的運行經驗也會對成圖產生影響，本文提出了計算機智能成圖+ 人工修訂模式來確定最后生成的風害圖，即在程序算法上另外提供了一個對風害圖進行人工修訂的子模塊，使得風害圖在計算機自動生成之后，人工還可以修訂計算機自動生成的風害圖，達到最后的風害圖能夠表達線路防風運行經驗的效果。

對于系統自動生成的風害分布圖，當發現其與實際運行經驗不符的時候則可以打開風害修訂界面手工進行修訂。

4 結束語

1）介紹了一種新的輸電線路區域風害圖繪制思路和方法，從計算機軟件的角度對區域風害圖繪制規則庫進行分類和量化，進行了區域風害圖的計算機自動繪制和風害自動分析，改進和優化了傳統電力系統防風工作流程。

2）基于實際的輸電線路區域風害圖繪制應用案例，采用基于計算機軟件和GIS 技術來表達區域風害圖繪制規則并將其固化為計算機程序算法是可行的，能夠準確表達風害分布圖不僅要考慮內因還要考慮外因要求。

3）考慮到區域風害圖繪制工作中還有部分工作要依賴于人工運行經驗，本文提出了計算機自動成圖+ 人工修訂模式來解決這部分的問題，使得本方法在電力系統區域風害圖繪制工作中更具備可操作性。