氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)智能分析及預(yù)警系統(tǒng)

楊笑宇，張　勝，王守琴，孫新德

（1.南瑞集團(tuán)北京科東公司，北京　100192；2.華中電網(wǎng)有限公司，武漢　430000）

氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)智能分析及預(yù)警系統(tǒng)

楊笑宇1，張勝2，王守琴1，孫新德2

（1.南瑞集團(tuán)北京科東公司，北京100192；2.華中電網(wǎng)有限公司，武漢430000）

氣象災(zāi)害是影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要因素。通過(guò)對(duì)電力設(shè)備故障與氣象災(zāi)害之間的關(guān)系進(jìn)行研究，建立故障數(shù)據(jù)庫(kù)，找到引起故障的主要?dú)庀笠蛩兀臍庀鬄?zāi)害到電網(wǎng)設(shè)備故障的數(shù)據(jù)映射模型，結(jié)合電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)繪制電網(wǎng)氣象災(zāi)害區(qū)劃圖。

氣象災(zāi)害；設(shè)備故障；氣象預(yù)警；色斑圖；文本解析

0　引言

近年來(lái)，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和延伸，雷電、冰凍、暴（雨）雪、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣［1］對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響也越來(lái)越大。華中電網(wǎng)所處的地理環(huán)境和氣象條件復(fù)雜，災(zāi)害天氣對(duì)電網(wǎng)的影響嚴(yán)重。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，由于災(zāi)害天氣（線路覆冰、雷擊、大風(fēng)等）所造成的線路跳閘次數(shù)占總量的60%以上。為了應(yīng)對(duì)災(zāi)害天氣、提高電網(wǎng)安全運(yùn)行水平，開(kāi)展惡劣氣象災(zāi)害預(yù)警的研究是十分必要的。

在實(shí)時(shí)氣象監(jiān)測(cè)方面，電網(wǎng)公司通過(guò)安裝監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)局部地區(qū)天氣高精度監(jiān)測(cè)。但監(jiān)測(cè)點(diǎn)的部署僅在相對(duì)較小的區(qū)域，覆蓋率低，安裝維護(hù)極為艱難，設(shè)備可靠性偏低。另外，自然條件和設(shè)施費(fèi)用的制約，使得提高微氣象覆蓋范圍難度很大。在氣象預(yù)報(bào)方面，由于氣象部門無(wú)法針對(duì)災(zāi)害天氣進(jìn)行長(zhǎng)期、非常規(guī)手段（加密觀測(cè)等）預(yù)報(bào)，并且地方氣象部門由于技術(shù)水平和計(jì)算條件的制約，只提供定性的氣象預(yù)報(bào)，在預(yù)報(bào)精度（氣象、地理位置等）方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足電力公司對(duì)災(zāi)害天氣預(yù)報(bào)的要求。在氣象與電網(wǎng)關(guān)聯(lián)方面，氣象信息與電網(wǎng)的聯(lián)系不夠緊密，無(wú)法用地理信息系統(tǒng)（GIS）等先進(jìn)技術(shù)和手段準(zhǔn)確地提供電網(wǎng)輸電線路和設(shè)備所處位置的氣象信息。因此，迫切需要從已有的、粗粒度的氣象數(shù)據(jù)中，獲得對(duì)電網(wǎng)設(shè)備的及時(shí)、準(zhǔn)確預(yù)警，建設(shè)一套集成度高、功能全面、與電網(wǎng)緊密結(jié)合的電網(wǎng)氣象信息預(yù)警系統(tǒng)［2］。

本系統(tǒng)基于GIS地理信息平臺(tái)［3-5］，以全景化、多角度方式展示電網(wǎng)設(shè)備的空間地理位置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)備狀態(tài)和氣象等信息；通過(guò)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中因氣象災(zāi)害引發(fā)的輸電線路和設(shè)備故障進(jìn)行全面分析，建立電網(wǎng)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)智能分析及預(yù)警模型。系統(tǒng)結(jié)合氣象實(shí)時(shí)信息、氣象預(yù)報(bào)信息及災(zāi)害預(yù)警信息，利用色斑圖生成算法［6］、插值算法［7］、文本解析算法［8］，對(duì)可能受到影響的輸電線路和設(shè)備進(jìn)行預(yù)警，為降低災(zāi)害性天氣對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和可靠供電帶來(lái)的不利影響提供技術(shù)支持。

1　系統(tǒng)算法簡(jiǎn)介

1.1色斑圖生成算法

系統(tǒng)中基于GIS的色斑圖分為2種，基于行政區(qū)矢量輪廓進(jìn)行著色和基于等值線進(jìn)行著色。基于政區(qū)矢量輪廓的色斑圖，重點(diǎn)在于獲取行政區(qū)輪廓。行政區(qū)包括省、市、區(qū)、縣，輪廓用一系列二維坐標(biāo)點(diǎn)描述，需要使用程序解析shp文件后保存成系統(tǒng)所需的xml格式文件。基于等值線的色斑圖，首先獲取氣象采集站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將華中區(qū)域劃分成m×n的網(wǎng)格；使用反距離加權(quán)算法對(duì)網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行插值；連接網(wǎng)格的對(duì)角線，獲得2×m×n個(gè)Delaunay三角形，在所有的三角形中追蹤等值線，并在邊界三角形上添加數(shù)值變大的方向向量；根據(jù)向量的方向，確定等值線兩側(cè)的區(qū)域顏色，得到色斑圖。

基于行政區(qū)矢量輪廓的色斑圖是根據(jù)對(duì)某地區(qū)的氣象預(yù)報(bào)，在地理信息平臺(tái)上進(jìn)行塊著色，因此，使用唯一可識(shí)別的代碼“地名”來(lái)標(biāo)識(shí)地理對(duì)象，即“地名”在地圖上所指示的地區(qū)范圍，建立地名與GIS平臺(tái)上矢量區(qū)域的映射，從而將文件或數(shù)據(jù)庫(kù)中的地名信息轉(zhuǎn)換成可以被用于GIS的地理對(duì)象。

1.2預(yù)警文件解析算法

中文分詞算法包括很多種，其中基于字符串匹配的分詞算法，又被稱為機(jī)械分詞方法、基于詞典的分詞方法［9］，是按照一定的策略將需要分析的漢字字符串與一個(gè)足夠大、內(nèi)容足夠豐富的詞典中的詞進(jìn)行匹配。如果在掃描的過(guò)程中匹配到某個(gè)字符串，則表示識(shí)別出一個(gè)字符串。該方法的關(guān)鍵點(diǎn)包括詞典、文本的掃描順序和字符串匹配的原則。詞典定義了所關(guān)心目標(biāo)字符串的集合，文本的掃描順序包括正向、反向和雙向掃描，匹配原則包括最大匹配、最小匹配、逐詞匹配和最佳匹配。

考慮到項(xiàng)目中所涉及氣象預(yù)警文件的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)代碼測(cè)試，系統(tǒng)使用基于詞典的正向最大匹配分詞算法和正則表達(dá)式匹配相結(jié)合的方法，從文本中提取關(guān)鍵信息。

1）詞典建立。詞典包括：地名詞典、暴雨等級(jí)詞典。同時(shí)定義正則表達(dá)式，其中，正則表達(dá)式主要用來(lái)匹配時(shí)間（××××年××月××日）、風(fēng)力（10級(jí)）等。

2）正則表達(dá)式匹配。正則表達(dá)式用來(lái)匹配具有一定規(guī)律，但不能進(jìn)行簡(jiǎn)單枚舉字符串匹配的信息。

3）分詞算法選擇。經(jīng)過(guò)反復(fù)代碼測(cè)試，最終選擇準(zhǔn)確度和效率適中的正向最大減字分詞算法。

4）分詞結(jié)果重組。使用分詞算法得到類似“湖南、南部、大暴雨”的序列之后，需要將地名與方位、氣象條件組合，把“湖南、南部、大暴雨”組合成 “湖南南部-＞大暴雨”，以便與行政區(qū)矢量圖結(jié)合繪制色斑圖。

1.3矢量圖形相交計(jì)算

系統(tǒng)涉及的矢量圖形包括多邊形 （矢量輪廓）、折線（線路）、點(diǎn)（廠站），其相對(duì)位置關(guān)系判斷方法也不盡相同。

判斷一條折線與多邊形交點(diǎn)的個(gè)數(shù)，延伸到系統(tǒng)中，即計(jì)算線路與地區(qū)輪廓的交集：對(duì)每一條線路和每一個(gè)地區(qū)輪廓，確定每?jī)蓚€(gè)桿塔之間的直線段與地區(qū)輪廓是否相交，如果相交，將線路在此交點(diǎn)處進(jìn)行分割，生成兩條子線路，以此類推，直到線路末尾；判斷每一條子線路與輪廓的位置關(guān)系，保留判斷結(jié)果在輪廓內(nèi)的子線路作為線路與輪廓的交集。

2　預(yù)警模型

線路預(yù)警結(jié)果集基于氣象預(yù)報(bào)、預(yù)警文件、天氣實(shí)況、線路參數(shù)、線路故障生成。由于從不同類型數(shù)據(jù)表中獲取的數(shù)據(jù)格式和表示方式存在差異，首先將氣象數(shù)據(jù)映射到每個(gè)設(shè)備預(yù)警專題上，映射關(guān)系如表1所示。

根據(jù)時(shí)間和綜合預(yù)警類型獲取對(duì)應(yīng)表格中的氣象數(shù)據(jù)，確定設(shè)備預(yù)警等級(jí)與氣象情況的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表2所示。

表1　氣象專題與設(shè)備預(yù)警映射表

氣象臺(tái)預(yù)警和預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)以行政區(qū)為單位，根據(jù)設(shè)備與地區(qū)輪廓的交集計(jì)算出受影響的線路和線路段，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)及表1～2，映射得到設(shè)備的預(yù)警等級(jí)；歷史實(shí)況數(shù)據(jù)以氣象采集站點(diǎn)為單位，使用反距離加權(quán)插值算法對(duì)每個(gè)線路段進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)插值，再根據(jù)插值結(jié)果和表1～2中所對(duì)應(yīng)的等級(jí)進(jìn)行線路段預(yù)警等級(jí)的映射。最后，將根據(jù)氣象臺(tái)預(yù)警、預(yù)報(bào)和歷史實(shí)況得到的設(shè)備預(yù)警進(jìn)行合并。

表2　氣象專題與設(shè)備預(yù)警等級(jí)定義表

與歷史災(zāi)害信息結(jié)合，對(duì)以往易發(fā)生故障的設(shè)備適當(dāng)提高預(yù)警等級(jí)，以達(dá)到重點(diǎn)提醒的目的。

3　系統(tǒng)架構(gòu)

3.1技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，方便用戶使用web瀏覽器進(jìn)行應(yīng)用訪問(wèn)。前臺(tái)展示使用富客戶端FLEX技術(shù)，以多樣化的方式展示系統(tǒng)內(nèi)容。后臺(tái)使用面向?qū)ο蟮膉ava技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)和業(yè)務(wù)邏輯處理，很好地銜接了底層數(shù)據(jù)和用戶需求，底層數(shù)據(jù)來(lái)源于氣象系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)和預(yù)警文件。氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)智能分析及預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)智能分析及預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

3.2功能架構(gòu)

系統(tǒng)從不同的數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的抽取，轉(zhuǎn)換得到統(tǒng)一格式數(shù)據(jù)，然后根據(jù)預(yù)警模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再次計(jì)算得到預(yù)警結(jié)果，最后以色斑圖、表格、圖表等多樣化的形式展示氣象災(zāi)害預(yù)警結(jié)果。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集功能。系統(tǒng)從多個(gè)系統(tǒng)中獲取所需數(shù)據(jù)，包括：氣象檢測(cè)分析系統(tǒng)、雷電定位系統(tǒng)、覆冰檢測(cè)系統(tǒng)、電網(wǎng)GIS平臺(tái)數(shù)據(jù)、OMS系統(tǒng)、調(diào)度數(shù)據(jù)平臺(tái)。數(shù)據(jù)來(lái)源較多，格式也不盡相同，為了保證系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的正確性，準(zhǔn)確定義數(shù)據(jù)源到系統(tǒng)數(shù)據(jù)的映射關(guān)系和精度是非常有必要的。例如，從氣象系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得的原始?xì)庀箢A(yù)報(bào)數(shù)據(jù)以文本形式描述，格式很不固定，為了能在地圖上以色斑圖形式展示，需要提取文本中的關(guān)鍵字。關(guān)鍵字的提取借助預(yù)警文件解析技術(shù)，從類似“雷陣雨轉(zhuǎn)多云”的字段中解析出最惡劣的氣象條件“雷陣雨”，并重新組織格式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

信息展示與查詢功能。系統(tǒng)基于華中地理信息平臺(tái)展示500 kV電網(wǎng)設(shè)備分布情況，提供行政圖與地理圖的切換，支持在地圖上按照實(shí)際的GPS坐標(biāo)繪制包括桿塔在內(nèi)的電網(wǎng)設(shè)備，使用色斑圖的方式展示天氣實(shí)況、預(yù)報(bào)、預(yù)警信息，展示設(shè)備檢修、異常情況，提供未來(lái)24 h、48 h、72 h、96 h指定區(qū)域的天氣預(yù)測(cè)信息，提供動(dòng)畫(huà)播放天氣變化情況，提供氣象數(shù)據(jù)的查詢、輸出，支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出功能（包括表格、文本、圖片等格式），支持系統(tǒng)的全屏查看功能。

氣象災(zāi)害區(qū)劃圖生成功能。系統(tǒng)支持按照氣象專題、故障發(fā)生次數(shù)、故障常發(fā)地點(diǎn)生成區(qū)劃圖，具備按照災(zāi)害高發(fā)時(shí)段統(tǒng)計(jì)信息和歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)查詢功能，提供災(zāi)害區(qū)劃圖按照最新年度數(shù)據(jù)自動(dòng)更新功能。

氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)警功能。系統(tǒng)可以接受氣象部門發(fā)出的氣象預(yù)警信息，根據(jù)信息內(nèi)包含的地區(qū)自動(dòng)解析判斷GIS地圖上預(yù)警信息所在區(qū)域；使用預(yù)警模型計(jì)算，輸出預(yù)警范圍內(nèi)的所有500 kV及以上輸電線路，在系統(tǒng)界面突出顯示。

預(yù)警修正功能。系統(tǒng)能收集實(shí)況氣象觀測(cè)資料并自動(dòng)解析、整理、存儲(chǔ)和展示功能，不斷完善豐富歷史設(shè)備故障信息數(shù)據(jù)庫(kù)；通過(guò)實(shí)際電網(wǎng)故障和預(yù)警結(jié)果的比對(duì)，評(píng)估氣象臨界條件的準(zhǔn)確度并進(jìn)行修正。

表3　線路故障與預(yù)警結(jié)果對(duì)比

告警和預(yù)警功能。系統(tǒng)不僅支持在GIS圖上顯示預(yù)警信息，同時(shí)具備預(yù)警數(shù)據(jù)推送功能，自動(dòng)推送至電網(wǎng)運(yùn)行綜合告警模塊，推送的內(nèi)容包括氣象災(zāi)害類型和受影響的線路，同時(shí)為了方便用戶查看完整的預(yù)警數(shù)據(jù)，文件中還提供系統(tǒng)訪問(wèn)鏈接。

4　系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)家電網(wǎng)華中調(diào)度分中心試運(yùn)行。在系統(tǒng)上線運(yùn)行期間根據(jù)氣象臺(tái)發(fā)布的強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警消息、天氣預(yù)報(bào)等氣象數(shù)據(jù)，對(duì)輸電線路及設(shè)備進(jìn)行多次、準(zhǔn)確預(yù)警。預(yù)警結(jié)果展示方式如圖3所示。系統(tǒng)支持根據(jù)預(yù)警類型和時(shí)間切換相應(yīng)的氣象和設(shè)備預(yù)警數(shù)據(jù)，并在地圖上顯示。預(yù)警結(jié)果與線路實(shí)際故障對(duì)比，如表3所示。經(jīng)過(guò)將故障實(shí)際發(fā)生情況與系統(tǒng)綜合預(yù)警結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)際線路故障均已在事前由系統(tǒng)準(zhǔn)確預(yù)警，對(duì)電網(wǎng)故障起到了積極的預(yù)警和防范作用。

圖3　系統(tǒng)界面展示

5　結(jié)語(yǔ)

電網(wǎng)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)智能分析及預(yù)警系統(tǒng)在上線運(yùn)行期間，運(yùn)行平穩(wěn)，數(shù)據(jù)搜集準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)處理正確，數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)。迎峰度夏期間，該系統(tǒng)多次對(duì)受災(zāi)害性天氣影響的輸電線路及設(shè)備進(jìn)行預(yù)警，結(jié)果正確，為保證華中電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)支持。

［1］薛麗芳，王亦寧，謝凱，等.基于防災(zāi)預(yù)警電網(wǎng)氣象信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2013，37（2）：5-8.

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Intelligent Analysis and Early Warning System of Meteorological Disaster Risk

YANG Xiaoyu1，ZHANG Sheng2，WANG Shouqin1，SUN Xinde2
（1.NARI Group Company Beijing Branch，Beijing 100192，China；2.Central China Power Grid Co.，Ltd.，Wuhan 430000，China）

The meteorological disaster is an important factor affecting the stability of power system operation.In this paper，the relationship between faults of power equipment and meteorological disasters is studied.Through establishing the fault database，finding the main meteorological factors causing failure，the data mapping model from meteorological disaster to power grid equipment fault is built.Finally the meteorological disaster zoning map of the grid is displayed combined with the grid GIS.

meteorological disaster；device fault；meteorological warning；color map；text analysis

TM732

A

1007-9904（2016）07-0021-04

2016-02-02

楊笑宇（1984），男，工程師，從事調(diào)度信息化管理系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)工作。