基于差異化設計原則的電網工程氣象技術研究方向

李曉軍，嚴福章

（國網北京經濟技術研究院，北京市，100052）

0 引言

2008年初，我國長江沿線多數省份遭遇百年不遇的低溫雨雪冰凍天氣，嚴重影響了電網安全、穩定運行。為降低和避免氣象災害對電力設施的破壞，國家電網公司先后出臺了多項意見和措施，要求在今后電網規劃和建設過程中，利用科技手段研究自然災害規律，提升電網設施的抗災害能力，保障電網的安全運行，使自然災害造成的損失最小化，以期實現電網防冰減災“預防為主，綜合治理，損失最小，恢復最快”的基本要求。

國家電網公司提出《差異化規劃設計指導意見》，推行差異化設計的基本思路和原則，旨在提高電網抵御自然災害的能力，提升電網運行的安全水平，保障國家的經濟安全。與發達國家電網防御重大自然災害的設防標準相比，我國電力設施的設防標準較低，在極端天氣條件下難以保證電網的安全、穩定運行。因此，國家電網公司決定在普遍提高設計標準的基礎上，對不同線路、不同區段進行差異化設計，確定一批抵御嚴重自然災害能力更強的重要線路，提高其設防標準。經差異化設計后，在面臨重大自然災害時，由重要線路組成的網架及最小骨干網架能夠保證電網安全、穩定運行[1]。

本文以輸電線路工程為主要論述對象，結合我國電網差異化規劃設計的原則，闡述氣象勘測成果對電網規劃設計優化和投資優化的影響，提出我國電網氣象勘測技術研究發展方向，使電網工程氣象技術適應我國電網建設的快速發展，在“十二五”期間，為實現建設統一堅強智能電網和特高壓網架做好技術支撐。

1 工程氣象勘測對電網規劃設計的影響

1.1 對規劃路徑優化的影響

電網的建設和運行受外界環境的影響較大，受氣象條件的影響尤為顯著。氣象條件是電網規劃設計的主要依據，它的真實性和客觀性直接影響著工程建設的經濟性與電網運行的安全性，并經受工程長期安全運行的考驗。

在電網規劃設計階段，勘測設計人員必須認真進行規劃線路沿線的氣象、水文、植被、地形等資料收集，對路徑區域內的微地形、微氣候進行實地調查，確認是否存在重冰區（覆冰厚度大于20 mm）以及重冰區出現的范圍。當山區存在重冰區時，設計冰厚對電網線路的技術經濟指標有顯著的影響。因此，規劃設計部門要求對于存在重冰區的線路，應在電網規劃設計階段開展設計冰厚與冰區分布的專項調查，并在勘測成果中著重體現對各方案有重大影響的氣象條件，分析比較并提出建議。在條件允許的情況下，應盡量避開存在重冰區可能的微氣候區域，優化規劃方案，對重要的電網規劃方案采取差異化設計。

不同的線路路徑方案，由于地理位置及外界氣象條件等因素不同，所遭遇的自然災害也不盡相同，自身能夠抵抗災害的能力也有所差異。同時，不同線路在電網工程中所處的地位也不盡相同，在面臨自然災害時所需要擁有的抗災能力也不同。因此，基于差異化設計原則中的重要線路、部分路徑或全部路徑，在其線路走廊規劃設計過程中，如沒有準確、詳實的氣象勘測資料，規劃設計人員是無法準確判斷氣象因素對重要電網設施的影響程度，以及電網規劃方案的優劣，以致影響規劃方案的比選、優化等工作。因此，電網工程氣象勘測資料是電網規劃評估與方案優化的最基礎性的資料之一。

1.2 對工程投資優化的影響

為提高電網抵御嚴重自然災害的能力，在普遍提高電網規劃設計標準的基礎上，國家電網公司針對重要線路采取差異化規劃設計，提高了設防標準，對電網工程投資也相應進行了調整[2-6]。根據新的企業標準，所有電網工程普遍提高設計標準，其中線路投資提高5%～7%。對冰區進行重新劃分，增加中冰區，提高中冰區設計標準。按照新標準，中冰區線路投資增加10%～15%。

導線覆冰多出現在山區，山區輸電線路的造價受多種因素影響，其中覆冰因素對輸電線路造價投資的影響最為明顯。以500 kV單回線路4×400 mm2導線覆冰厚度為例，20，30，40和50 mm覆冰厚度的線路本體造價分別是覆冰10 mm線路造價的1.8、2.6、3.6和4.8倍。可以看出，覆冰厚度指標對線路造價投資的影響十分顯著。

利用氣象勘測成果，對線路的不同區段采取差異化規劃設計，優化比選投資方案，將會節省大量的工程投資，并保證重要線路的運行安全性和經濟合理性。據資料統計，2008—2012年，我國電網建設在提高抗災能力方面共需要增加投資1285億元。可以看出，為提高電網的設防標準和抗災能力，國家將增加大量的投資。因此，氣象勘測成果將對優化投資結構，節省電網建設投資起到重要作用。

2 電網工程氣象勘測技術研究方向探討

隨著我國電網規模的不斷擴大，輸電走廊越來越緊張，能夠利用的輸電走廊的自然條件越來越差，微地形、微氣候地段不斷增多，輸電線路受覆冰、大風（臺風、龍卷風、颮線風）、低溫、雷暴等氣象因素影響更加突出，引發的電網事故不斷增加、規模不斷擴大、危害不斷升級。其原因一是與發達國家相比，我國電力設施設防標準相對較低，在極端天氣條件下難以保證安全、穩定運行；另一個原因是我國地域遼闊，自然條件多樣、復雜，越是惡劣條件的地區氣象資料越缺少，甚至空白。多年來，氣象災害資料的積累基本上來自電網的運行經驗，用以往的電網災害經驗指導后期電網設施的設計和建設，缺乏資料長期考證的客觀性和數據分析的科學性。

電網工程氣象勘測技術人員在輸電線路覆冰、大風理論研究過程中取得了豐碩的成果，對我國電網建設和安全運行做出了重要貢獻。但受全球氣候變暖的影響，極端天氣災害越來越頻繁，再加之輸電線路規劃走廊通道越來越緊張，使得輸電線路的氣象環境越來越復雜，給電網氣象勘測技術人員提出了更多的新課題，需要不斷努力去探索和研究。

下面就差異化規劃設計原則的要求，探討電網工程氣象技術領域需要研究和解決的幾方面問題。

2.1 根據電網長期規劃，科學布設氣象觀測站點，研究地域災害特征

氣象參數的取值對電網規劃設計的安全性及經濟性影響顯著。發達國家電網設計標準取值是建立在長期的氣象觀測和大量的統計分析基礎上的。我國的氣象臺（站）一般沒有覆冰觀測數據，或已有數據但不符合電網規劃設計的技術要求，工程氣象技術人員只能通過沿線氣象調查，建立氣象觀測點（站）短期觀測，再根據相鄰已運行電網設施的運行資料和經驗來確定設計冰厚等氣象參數值。盡管設計標準規定了重現期，設計取值大都能夠滿足標準的要求，但與發達國家相比，我國的設計取值缺乏長期氣象觀測數據，覆冰、大風觀測及其量化分析一直是電網規劃設計的難點和薄弱環節。因此，一要根據電網中長期規劃，科學布設氣象觀測站（點），在我國不同地區、不同海拔、不同地形進行覆冰觀測，加強氣象觀測數據的積累；加強對覆冰物理參數的形成理論及計算方法的研究，以便定性推斷導線覆冰對線路的危害程度；同時，加強與氣象部門的交流合作，保證對比分析站（點）氣象信息能夠準確獲取。二要加強電力系統自身的氣象觀測能力，以獲取可靠的第一手資料數據，研究地域氣象災害形成的機制和影響范圍，保證提供給電網設計使用的氣象數據具有代表性和可靠性，以達到全面評價區域及局部地區微地形條件下氣象災害特征。

2.2 建立電網氣象地理信息系統

國內氣象部門發布的氣象預警、預報缺乏專業的電網災害信息，不能與電網系統安全運行需要相結合，更不能滿足電網系統防御各類惡劣氣象狀況的實際需要。各種惡劣氣象對電網系統影響的程度無法做出相應合理的判斷，使得電網對惡劣氣象的防御處于被動的局面。因此，建議開發電力行業具有氣象（觀測）數據分析、運行在線觀測數據解讀和設計部門氣象水文信息共享等功能，并可進行電網工程項目前期的氣象分析與評估的地理信息系統（geographic information system，GIS）。GIS可成為電網規劃設計的輔助技術平臺，并可拓展成為電網生產運行部門的預警、預報、監測等信息平臺，以及電網事故后評估、災害分析以及各區域電網災害發生規律研究的信息平臺。

2.3 研究山區極值風速基本模型

設計風速對電網工程建設的經濟性和安全性皆存在顯著影響，是電網工程差異化規劃設計依據的基礎資料之一。目前，設計風速均依據當地氣象臺站的觀測資料分析確定，而我國的氣象臺站多位于川道、河谷、盆地等地勢相對較低的城鎮近郊，受城鎮化影響顯著，且與電網項目所處的山區在地形、地勢、海拔等方面差異較大。現行的規程、規范僅給出了一個修正范圍，隨意性大。近年來，我國電力設計單位與氣象研究單位合作，對山區風速進行了大量的研究，獲得了一些區域性研究成果，并用于工程實踐中。如采用TayLot-Lee的風譜模型[7]，結合平地與高山氣象站約100個站最大風速資料，研究出華北地區平地與高山風速轉換的數值模型。通過GUIDE模型驗證，該模型在華北地區應用及參數率定結果較為理想。再如青藏高原東邊緣山區極值風速推算方法的研究[8]，利用了青藏高原東邊緣地區氣象站風速資料，通過對地形的參數化處理，建立了極值風速隨海拔高度和地形參數變化的擬合模型，推算該地區的極值風速。利用該模型來推算該地區山區風速具有一定的可行性。以上這些研究成果基本滿足地區電網工程設計和建設需求，但具有一定的地域性特征。為提高電網建設的經濟性和安全性，滿足電網差異化規劃設計的要求，有必要建立一個具有普遍價值的山區極值風速推算基本模型，以提高山區極值風速資料轉換計算的精度，規范電網工程極值風速的計算。

2.4 加強覆冰計算方法研究

2.4.1 完善輸電線路覆冰參數計算方法

根據多年送電線路覆冰災害事故的后分析，線路導線覆冰厚度變化較大，導線覆冰量級分布復雜，一般線路冰害事故多發生在局部微地形或微氣候點。不同重現期的標準冰厚劃分考慮的安全裕度較大，工程設計上取值較難，也涉及到專業之間合作上的困難。受季風氣候及地勢上的影響，氣候帶在水平和垂直上分布比較復雜，加上微地形、微氣候的作用，使得各區域輸電線路導線覆冰特征差異性較大。我國先后在西南等地區建立了觀冰站（點），進行覆冰、大風等氣象因子的觀測和研究，通過多年的覆冰觀測資料的積累和覆冰形成機理的研究，結合國外發達國家覆冰研究經驗，總結出我國導線覆冰計算的方法，該方法在工程中應用比較廣泛且效果良好。但一些研究成果是根據西南地區氣象站、觀冰站實測資料分析得出，只適用于川西南地區，有一定的地區局限性[9]。

由于電網線路走廊環境不斷惡化，微地形、微氣候條件的影響越來越突出，許多在典型環境下形成的研究成果和計算方法已不能適應其他地區特殊環境下的覆冰參數的計算，需要通過對這些地區的覆冰氣象因素的觀測和研究，總結具有代表性的地區覆冰研究成果和經驗，并建立代表不同地區、不同環境狀況下的導線覆冰參數的計算方法，細化覆冰氣象條件組合，研究覆冰隨海拔高度的變化規律，使其成果符合各地區覆冰生成環境的實際情況，誤差值在合理的范圍內，滿足工程設計和線路運行安全的要求。

2.4.2 利用氣象觀測站測冰資料分析確定山區線路設計覆冰參數方法

我國氣象部門有極少的高山氣象站，因此，地面氣象觀測站的覆冰資料是山區送電線路設計冰區確定的重要資料來源。我國氣象部門的500余個氣象站有覆冰觀測資料。這些站一般位于平原或山間平壩的縣、市城區，觀測資料受環境影響大，在一定程度上可以反映區域的覆冰特性，但它不能代表局地山區覆冰環境和覆冰分布狀況。如何利用這些覆冰觀測紀錄資料來確定線路設計覆冰參數，主要還應根據不同地區的氣候背景及天氣特點，配合一定的覆冰調查，建立一定的數學模型關系及分析方法，實現覆冰資料的真實性和客觀性，提高工程氣象數據分析的科學性。

2.4.3 分析我國地域覆冰氣候背景，完善我國覆冰量級分布范圍及變化規律的理論研究

從覆冰形成的機制分析，覆冰為冷暖空氣共同作用的一種現象。通過對高空穩定氣流的天氣形勢分析，各地區覆冰量級受大氣環流控制比較明顯。總結我國覆冰研究成果，結合各地氣象特點，研究我國各地區覆冰量級的分布和變化規律與天氣形勢的基本關系，及天氣形勢的周期性變化與地區覆冰重現期的聯系。此項研究可指導跨區長距離輸電線路初期規劃，在缺乏線路走廊氣象資料時，可作為總體路徑方案及造價投資的比選依據。

3 結語

電網工程氣象技術對電網的規劃設計及運行安全至關重要，同時對電網工程建設的投資影響巨大。本文提出的電網工程氣象技術的研究方向是以提高氣象資料的真實性、客觀性，及處理手段的科學性為目的，更好地服務于電網的快速發展，為保障電網安全運行做好技術支撐。

[1]劉建琴，孫 珂，李 暉.推行差異化設計以提高電網抗災能力[J].華北電力技術，2009（5）：46-49，59.

[2]GB 50061—9766 kV及以下架空電力線路設計規范[S].北京：國家電網公司，2008.

[3]Q/GDW 178—20081000 kV交流架空輸電線路暫行技術規定[S].北京：國家電網公司，2008.

[4]Q/GDW 179—2008110 kV～750 kV架空輸電線設計技術規定[S].北京：國家電網公司，2008.

[5]Q/GDW 182—2008中重冰區架空輸電線路設計技術規定[S].北京：國家電網公司，2008.

[6]Q/GDW 181—2008±500 kV直流架空輸電線路設計技術規定[S].北京：國家電網公司，2008.

[7]劉如琛.平地與高山風速轉換的數值研究[J].電力勘測設計，1997（3）：55-60.

[8]李 林，李衛林，王振宇，等.青藏高原東邊緣山區極值風速推算方法的研究[J].高原氣象，2006，25（6）：1028-1033.

[9]謝運華.導線覆冰密度的研究[J].中國電力，1998，31（1）：46-51.