架空輸電線路覆冰厚度預測技術研究

黃俊杰,胡丹暉，王文爍，方 圓

（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.國家電網公司高壓電氣設備現場實驗技術重點實驗室，湖北 武漢 430077）

架空輸電線路覆冰厚度預測技術研究

黃俊杰1,2,胡丹暉1,2，王文爍1,2，方 圓1,2

（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.國家電網公司高壓電氣設備現場實驗技術重點實驗室，湖北 武漢 430077）

通過統計和分析歷年輸電線路覆冰案例，根據氣象和地理規律，提出一種基于氣象信息的輸電線路覆冰厚度預測方法。利用氣象模式預報資料、氣象臺站觀測資料和地形地貌信息，對冷空氣中心路徑預報，并通過覆冰氣象地理模型預報未來一段時間出現覆冰的區域和線路，給出輸電線路覆冰厚度預報值。另外采用高精度的地理信息資料訂正冰厚，實現輸電線路覆冰厚度預報。系統在湖北電網部署以來，多次準確預報了覆冰發生區域和輸電線路冰厚，為線路運維人員防災應急處置爭取了寶貴時間。經實際驗證，本方法預測輸電線路覆冰厚度準確度高、實用性強，具有推廣價值，同時也為開發輸電線路舞動、雷電等災害預報系統積累了經驗。

輸電線路；覆冰；預報；氣象地理信息

0 引言

近年來，隨著氣候變化的加劇，以覆冰為代表的各類極端惡劣天氣的發生范圍、頻率和強度都呈顯著增加趨勢[1-2]。隨著我國電網規模擴大，輸電線路發生覆冰事故的頻率和危害程度呈明顯增加的趨勢，給電網系統造成了大范圍的破壞，經濟損失巨大[3-4]。輸電線路覆冰已經成為電網安全穩定運行的重大威脅。

利用常規氣象預報信息，結合地形特征預測輸電線路覆冰厚度，可以為有關部門制定應急預案，開展防災應急處置爭取時間，減少覆冰災害造成的損失。實現防冰災工作由被動搶險向主動防御，由事后分析向事前預測的轉變。同時，可以為有針對性的采取線路防冰差異化設計和改造提供依據，增強輸電線路抗冰災能力[5]。

本文結合湖北電網實際情況，提出一種基于氣象預報信息的輸電線路覆冰厚度預測方法，利用氣象模式預報資料和高精度的地理信息，對架空輸電線路覆冰厚度及發展趨勢進行預測，實現湖北電網輸電線路覆冰短期和臨近預報。

1 輸電線路覆冰機理分析

輸電線路覆冰一般發生在冬季，其形成與很多因素有關，如溫度、濕度、風速、地形、海拔高度等。但是覆冰的發生有其特定的天氣系統，高濕和低溫是其最為主要的兩個因素，而高濕又是一個決定性的因素。

為找出導致湖北輸電線路覆冰的主要天氣系統，分析了湖北電網1 533 d的輸電線路覆冰典型個例氣流來向軌跡。所選用的模型為HySplit軌跡分析模型，所用資料為NCEP逐日再分析資料，分析的基準點為武漢氣象站觀測點，計算覆冰發生時100 kPa向前24 h的氣流來向，并對其結果進行聚類分析，覆冰主要影響天氣系統信息如圖1所示。

圖1 典型覆冰天氣系統軌跡聚類結果Fig.1 Typical icing weather system trajectories clustering

從圖1可知，覆冰發生時，影響系統以偏北、偏東氣流為主。根據氣流方向和速度不同，共有3類主導天氣系統，其中來自于東北路的天氣系統居多，占比63%。東北路冷空氣的典型特征是其水汽含量較為豐富，同樣水汽較為豐富的天氣系統是第1類西路冷空氣，由于其主體經過西南地區，會攜帶部分西南地區的暖濕氣流影響湖北，也是容易造成覆冰的典型天氣系統，而這兩類高濕型的天氣系統占主導天氣系統的比例達到87%。

1.1 輸電線路覆冰厚度氣象模型

通過研究輸電線路覆冰樣本和氣象臺站電線覆冰樣本數據，得到輸電線路覆冰厚度氣象模型[6]。但是按照覆冰觀測規范，所記錄的覆冰樣本是在覆冰達到最大時進行的觀測記錄。而覆冰的形成是一個增長過程，在觀測之前，其已經開始逐漸形成并增長，當開始觀測記錄時，覆冰增長的條件已經被破壞，進入到逐步消融階段，因此，利用觀測同期的氣象記錄來進行擬合，無法反映出覆冰形成時的真實氣象條件。一個覆冰過程一般在2～3 d之間，因此建模時考慮使用覆冰觀測當日和前兩日的氣象因子。

經過回歸分析，建立導線覆冰厚度與相關性高的氣象要素之間的關系模型為

式中：Y為輸電線路等值覆冰厚度（mm）。需要注意的是，等值覆冰厚度指離地10 m高，26.8 mm線徑導線上的密度為0.9 g/cm3的覆冰厚度；x1為前2 d平均氣溫（℃）；x2為前1 d最高氣溫（℃）；x3為前1 d最低氣溫（℃）；x4為當天水汽壓（hPa）；x5為前1 d相對濕度（%）；x6為前2 d最小相對濕度（%）；x7為前2 d降雨量（0.1 mm）；x8為前2 d平均風速（0.1 m/s）。

覆冰的形成不僅與氣象要素密切相關，與局地地形因子也有緊密聯系。因此，氣象模型要與實際情況相符，還必須經地形修訂。

1.2 輸電線路覆冰模型地形訂正

分析湖北省高海拔氣象臺站歷史覆冰厚度觀測資料，可知覆冰厚度整體上是隨著海拔高度的增加而增大。在海拔200 m以下區域，覆冰厚度與海拔高度無顯著關系；而海拔200 m以上時，覆冰厚度隨海拔增加的關系非常明顯，海拔高度成為影響輸電線路覆冰厚度的主導因素；當海拔達2 000 m以上時，覆冰厚度增加不明顯。

在海拔高度200～2 000 m的區域，建立輸電線路覆冰厚度和海拔高度回歸模型

其中DEM為海拔高度(m)。當DEM＞2 000 m時，式（2）中的DEM值仍取2 000 m。

1.3 輸電線路覆冰模型地形因子訂正

通過對輸電線路冰厚與地形因子的相關性進行分析計算，選用的訂正地形因子為坡向、起伏度和坡度變率三個。采用多元線性回歸方法，最終建立的地形訂正模型如下：

式中：x1為坡向；x2為起伏度；x3為坡度變率。

經驗證，地形訂正后的冰厚擬合值與觀測值的相關系數達到0.87，且通過了0.001顯著性檢驗水平，經過地形訂正后的覆冰模型，結果不僅從趨勢走向上更為一致，還能重現實況中出現的極端值。

2 輸電線路覆冰厚度預測方法

2.1 輸電線路覆冰厚度預測原理

輸電線路腹部厚度預測是利用天氣形勢分析、預報結果，結合覆冰厚度計算模型，實現對輸電線路覆冰狀況的判斷和預測。

特定天氣形勢的配置對覆冰的出現可以起到預判的作用。通過對湖北地區雨雪冰凍災害的分析，發現以下5種天氣形勢特征極易導致輸電線路覆冰災害的出現：（1）大氣環流持續異常，中高緯阻塞高壓長時間位于西西伯利亞，副熱帶高壓偏西偏北；（2）環流系統較為深厚；（3）西風帶南支槽穩定維持且十分活躍，將大量水汽輸送至我國南方地區；（4）一條準靜止鋒長期穩定維持于長江流域；（5）上空存在逆溫層。

1）天氣形勢

分析近年來湖北省覆冰過程中天氣背景場，發現其共同點為：受來自中國西北向東南推進冷鋒的影響，氣溫降低到0℃以下，地面形勢場多次冷鋒過境，大量的過冷水滴與物體碰凍，產生雨凇霧凇。850 hPa高度場中覆冰觀測站受冷高壓和冷溫度槽控制，500 hPa表現為西南氣流提供水汽。因此，冷空氣的南下是導致覆冰情況出現的主要原因。

如2010年1月21～25日覆冰過程，21日14時位于我國西北部的冷高壓攜帶著冷鋒進一步向東南方向移動，于21日20時左右到達覆冰觀測站，大股冷空氣被不斷輸送南下。22日8時到25日14時西北部形成的冷鋒不斷向東南部輸送，覆冰觀測站一直處于冷高壓控制和冷鋒影響下，隨后大陸冷高壓東移入海，寒潮過程宣告結束。

2）邊界層特征

與我國北方冬季氣候干燥，輸電線路上以積雪為主不同，湖北地區輸電線路覆冰以凍雨形成的雨淞、霧淞為主。

溫度高于0℃的暖空氣層覆蓋在冷空氣上，雪花（冰晶）在下落過程中經過暖層融化為液滴，然后在經過近地面冷層過程中變成過冷卻液滴，當其碰到低于0℃的架空輸電線路表面時，在導線周圍凝結而形成覆冰。當較強的冷空氣南下遇到暖濕氣團時，冷空氣楔入暖空氣下方，近地層氣溫驟降到零度以下，暖濕空氣被抬升，并成云致雨，這種凍雨多出現在暖鋒面一側，凍雨出現時高空為逆溫層結，且存在氣溫高于0℃的暖層。

3）氣象要素特征

通過分析湖北電網輸電線路覆冰資料，可總結出輸電線路覆冰的氣象要素特征為：（1）雨雪天氣維持，量級偏弱。一方面維持覆冰發生發展需要的水分，另一方面，小量級雨水下落速度較緩，有利于輸電線路覆冰的發生和發展。（2）氣溫日較差小，且平均溫度接近0℃。氣溫日較差小，說明不斷有冷空氣補充，且天氣陰沉，是輸電線路覆冰維持和不斷增長的必要條件。

4）數據來源

輸電線路覆冰厚度預測采用EC細網格預報數據，即歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）0.25°×0.25°數值預報產品。其具有較高的時空分辨率，且預報頻次高和預報物理量種類多的特征可以為輸電線路覆冰厚度計算模型提供足夠的物理參數。

5）預測結果訂正

輸出結果訂正是利用凍雨出現的邊界層特征和覆冰出現的氣象要素閾值對覆冰厚度預測結果進行訂正，以避免錯誤預測覆冰出現的情況。

2.2 冷高壓影響范圍的預報

對湖北全省區域進行格點化，每個格點代表1 km×1 km范圍。對不同格點區域的氣壓和氣溫變化進行分析，當出現區域性增壓和降溫明顯出現時，即認為冷高壓開始影響我國，對比該區域氣壓大小，得到冷高壓中心的經緯度，并實時對其進行預報，給出冷高壓中心的移動路徑，預估其影響湖北的時間。

選用EC細網格資料中的氣壓數據，采用相減的方法（03點的變壓為03的預報值減去00的初始值；06點的變壓為06的預報值減去03的預報值，以此類推）來判斷各個格點處3 h變壓（2 hPa以上)；選用地面氣溫資料，與氣壓一樣采用相減的方法，不過計算的是24 h變溫。當3 h變壓大于2 hPa，24 h變溫小于-5℃時，認為受冷高壓影響。

2.3 覆冰厚度預報

對覆冰是否出現和冰厚大小的預報主要通過2種預報方案，一種預報時效為12～72 h，時間步長為3 h，每12 h更新一次預報結果；另一種預報時效為0～12 h，時間步長為3 h，每6 h更新一次預報結果，更新頻次的增加能夠有效提高0～12 h預報時效相應結果的準確率。與此同時，分別利用模式預報數據和氣象站監測數據，結合覆冰模型對湖北省的覆冰可能出現區域及冰厚的大小進行判斷，直至冷空氣完全消散或移出湖北境內。

當平均氣溫大于3℃，格點的冰厚取值為0 mm，小于0℃，則覆冰可能出現,各個時刻，相應格點計算得到的冰厚要進行累加，不過一旦出現氣溫大于3℃，則該格點的冰厚歸0。當日08:00開始預報今后72 h的覆冰情況所使用的是前一天20:00的初始場。采用式（1）、（2）的覆冰厚度計算模型和式（3）的地形訂正模型，結合氣象預報數據，就可以得出輸電線路覆冰的預報值。

獲得覆冰預報結果后需要利用凍雨出現的邊界層特征和氣象要素閾值進行預報數據的篩選，對于不符合覆冰出現條件的地區，需要將覆冰厚度預估結果訂正為0。

3 應用實例

基于上述輸電線路覆冰預報分析方法，開發了湖北電網輸電線路覆冰災害預報系統。按照電網對災害監測和預警無縫化銜接的要求，預警系統采用了后臺數據自動切換的方法，確保前臺的用戶在時間連續性上不會出現間斷。

由氣象部門每日定時定點向電力部門傳送輸電線路覆冰預報所需數值預報產品資料，并檢查資料的正確性與完整性。數據經安全隔離裝置進入電力內網后，結合用于地形訂正分析的地理信息資料和輸電線路坐標，生成并發布覆冰預報產品。

圖2為系統在2015年1月30日20:00系統發出的未來24 h湖北電網輸電線路覆冰風險區域預報結果。按覆冰風險大小分為3級，其中三級風險最高，由圖可知未來24 h鄂西大部分地區為覆冰二級風險區域。同時，系統對存在覆冰風險區域的輸電線路覆冰厚度進行了計算，如±800 kV復奉線鄂西段覆冰為10～15 mm。經現場驗證，預報值與現場情況相符。

圖2 覆冰預報結果Fig.2 Icing forecast results

將輸電線路覆冰厚度預報結果與設計冰厚比較，一旦出現預報冰厚接近或超過設計冰厚，系統將報警，為輸電線路防冰應急處理提供決策依據。

4 結論

本文通過對輸電線路覆冰機理分析，得到輸電線路覆冰厚度的氣象模型，并考慮了地理因素對輸電線路覆冰的影響。在此基礎上提出了基于氣象信息的輸電線路覆冰厚度預報方法，并實現了輸電線路覆冰厚度預報平臺的搭建。經實際檢驗，本方法能夠準確預報輸電線路覆冰區段和覆冰厚度，及時發出冰災預警，為線路運維人員防災應急處置爭取了寶貴時間。同時，也為輸電線路舞動、雷害等氣象災害預報系統建設積累了經驗。

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Research of Icing Thickness Forecast of Transmission Lines

HUANG Junjie1,2,HU Danhui1,2,WANG Wenshuo1,2,FANG Yuan1,2

(1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China;2.Key Laboratory of High-voltage Field-test Technique of State Grid,Wuhan Hubei 430077,China)

By summarizing weather and geographical laws of the transmission lines icing over the years,a new icing thickness forecast method for transmission line is proposed in this paper based on the weather information.Using the meteorological model forecast data,weather station observa?tions and topography information,the path of cold air center is forecasted.The region and transmis?sion lines which would appear icing are forecasted by the meteorological and geographic model.The value of ice thickness on the transmission lines is obtained,which is revised by the high-preci?sion geographic information.The forecast of the transmission lines icing thickness is realized.Since the system is deployed in Hubei power grid,the region and the icing thickness of transmis?sion lines are predicted accurately,valuable time has been gained for the operation and mainte?nance personnel for the disaster prevention and emergency response.This method has high accura?cy,and is suitable for application and dissemination.It also accumulates experience for the other disaster forecasting system.

transmission lines;icing;forecast;weather and geographical information

TM75

A

1006-3986(2016)12-0001-04

10.19308/j.hep.2016.12.001

2016-11-05

黃俊杰（1976），男，湖北荊州人，博士，高級工程師。