基于氣象精細化數據的電網災害監測預警系統設計

趙彥陽，惠小東，金鑫

（南方電網數字電網研究院有限公司，廣東廣州 510670）

電力行業在我國發展中作為對氣象存在高敏感性及信息需求性的行業之一，氣象變化會很大程度影響電網事業的生產、建設、運營。隨著近年來各類因素所致，大霧、臺風、高低溫、強對流等惡劣天氣狀況頻發，給電網系統安全穩定運行帶來極大挑戰，對電網穩定運行、降低氣象災害帶來的影響也提出了更高技術要求[1-3]。隨著電網運行、氣象災害預警領域研究的逐漸深入，通過大量探索也獲得了一定成果，但仍然存在技術局限，表現在僅僅以來源單一的氣象數據作為依據，無法保證獲取互補氣象數據[4-5]，自然不能對氣象天氣的詳細衍變實時準確預測。再加上在電網系統運行特定氣象災害監測預警系統設計上也比較欠缺，所以目前僅僅可以做到初步預報電網運行氣象災害，無法全面保障電網系統的安全穩定運行[6]。

1 系統建設目標

基于氣象精細化數據的電網災害監測預警系統設計，需要在電網系統中能夠關聯顯示實時災害天氣及氣象預報信息，所以系統設計目標如下：

1）與自動氣象站、天氣數值預報、多普勒雷達等氣象數據源成功接入，能夠準確監測氣象災害，并對氣象變化過程詳細展示[7]；

2）搭建電網監測預警系統，結合氣象精細化數據，包括災害天氣、地理、電網矢量數據，對氣象災害的具體影響范圍進行直觀判斷[8]；

3）可以滿足電網系統運行中的提前、精準、抗災、減災等氣象風險預警；

4）可以為省電力、城市供電、檢修分公司提供詳細的氣象數據，服務于電網運行災害監測、預警。

2 系統總架構

文中設計基于氣象精細化數據的電網災害監測預警系統，主要包括了四大系統功能組成（見圖1），分別為基礎層、平臺層、數據層和應用層。在設計該系統時需要運用光纖連接跨越的氣象部門、電力內網系統，實現氣象精細化數據的采集、解析、發布[9]。在各企業內網的氣象數據傳輸均由MIS 網實現，并運用HTTP/TCP 協議傳輸氣象數據。

圖1 電網災害監測預警系統架構

基礎層主要包含數據傳輸設備、數據庫服務器、算例服務器、智能終端等。

平臺層包含各類在線監測平臺、電網管理平臺、氣象局公共服務中心、GIS 和調度運行平臺。

數據層主要包含數據采集、大數據計算和存儲等數據處理服務。

應用層包含細分模塊，進行終端預警顯示。

3 關鍵數據庫建立

該系統的數據庫如圖2 所示。

圖2 系統數據庫

3.1 基礎地理信息數據庫

專業GIS 具備基礎地理信息數據，想要實現GIS空間分析就要建立基礎地理信息數據庫。該數據庫要包含以下內容：不同比例尺行政圖、地形圖、地質文本等，以及省、市、縣、鎮、交通線、海岸、水系、地形等高線、建筑物、主要機構、學校、醫院等信息。

3.2 地質數據庫

由于氣象異常產生地質災害情況，會不可避免地破壞輸配電網內相關基礎設施，因此地質數據庫在電網氣象災害監測預警系統設計中不可缺少。該數據庫源于遙感影像、物探、化探獲得的電網運行所覆蓋的主要地形地貌、地質單元、地質巖層、泥石流、凍土、水庫、區域礦產、地面沉降等相關信息。

3.3 氣象數據庫

設計基于氣象精細化數據的電網災害監測預警系統，氣象數據庫作為精細化監測預警的基礎數據庫，氣象情況直接決定了電網是否所受氣象災害影響[10-12]。所以該系統氣象數據庫信息主要源于地面監測、多普勒觀察、歷史數據、衛星遙感所得的詳細數據。包括了地方降水強度、范圍、時間、持續時間、大氣溫、最低和最高溫、大氣壓、大氣密度、風力、雷電量級、活動范圍、分布定位、臺風影響范圍、年均降雨量等信息。

3.4 電網生產系統數據庫

電網生產系統數據庫在設計中的主要數據信息包括不同電力設備結構、材料類型、電網設施以及不同設備在電網運行差異條件中的限值與各參數值。

3.5 建立系統各數據庫無障礙溝通共享機制

在設計基于氣象精細化數據電網災害監測預警系統中，需要由不同部門管理不同數據庫，因此需要構建各數據庫之間的溝通共享機制。尤其應當重視有密切業務聯系的合作部門，制定合作框架，設計數據庫開發標準接口，滿足無障礙溝通共享數據信息[13]。

4 系統功能實現

4.1 系統功能

在該次基于氣象精細化數據的電網災害監測預警系統設計中，主要系統功能包括以下三部分。

4.1.1 氣象數據采集

經過氣象自動觀測、雷達、預報和強對流、大霧與紅外等云圖發布的不同形式氣象原始數據全面采集，向數據解析模塊實現安全可靠傳輸。自動觀測站設計15 min 的數據采集周期，6 h 的格點預報數據采集周期，均為實時氣象數據，全省、單站的不同雷達采集數據周期為1 h，衛星云圖數據采集的靜止衛星原始數據周期為1 h。

4.1.2 氣象數據解析

以采集的差異化、不同采集周期下的氣象數據，成功解析原始數據為預設格式文件數據，并將所獲數據寫在系統數據庫服務器內。數據解析的預設文件格式如下：XML 格式（自動觀測、站點）；TXT（氣象預警）；二進制（全省雷達、衛星云圖）；shp（單站雷達）[14-16]。

4.1.3 氣象災害監測預警

氣象災害監測預警能夠實時準確地展示氣象實況、相關預警數據，詳細分析氣象災害會影響的電網資源。分析氣象災害下包括氣象、臺風、內澇、雷電、山火、覆冰、地震和地質等自然災害預測的電網運行。最終通過GIS 系統采用單值圖、色斑圖、統計圖等不同形式，將監測區域的氣象變化情況實時展示，從而為電網運行氣象災害監測預警系統模型提供詳細精準的數據來源。

4.2 系統實現

基于氣象精細化數據的電網災害監測預警系統，運用了層次軟件結構，由上至下分別包括了氣象監測數據解析、存儲、地理信息和氣象信息的發布、展示與應用層（見圖3）。

圖3 電網氣象災害監測預警系統軟件實現

考慮到系統在應用中的差異化需求，采用軟件結構為C/S、B/S 混合結構，將C/S 結構應用于系統客戶端維護，B/S 結構應用于普通端。經過GIS 平臺設計存放數據庫為Oracle，運用桌面程序處理文件完成數據解析，并開發語言Flex 技術，滿足系統的頻繁訪問氣象數據計算需求。

4.2.1 準確定位系統脆性部位

運用氣象災害監測預警系統定位氣象災害時，主要以各數據庫采集的詳細氣象數據資料為依據，獲取在以往氣象資料庫內的典型災害參數，向氣象災害預警系統中輸入數值后，提取電網生產系統數據庫的電網運行結構數據[17]。經該系統模型求解閾值通過數學模型仿真分析，可以計算獲得相應的區域電網運行脆性部位分布位置并成功定位，經GIS系統能夠對脆性部位所在位置由可視化輸出功能模塊展示。

4.2.2 災中災后災害應急決策

在氣象預警系統中，輸入電網系統在運行過程中已經發生和正在進行的氣象災害情況的相關特征參數，包括臺風風力、運行的路線和速度、變化規律、降水持續時長、降水量和降水強度等詳細數據[18]。可以運用GIS 模型庫的數據模型，以及氣象災害統計關系模型詳細分析氣象數據，通過GIS 展示獲取的不同比例尺地質分布情況、災害等級、強風強降雨、災害范圍等，快速準確定位了電網系統運行的氣象災害，有力保證了電網系統的災后快速恢復（見圖4）[19]。

圖4 精細化預警氣象災害流程

5 結束語

文中設計了一款基于氣象精細化數據的電網災害監測預警系統，能夠科學合理地安排電網安全穩定運行，對氣象災害可以實時準確監測、預警，對電網安全穩定運行、保障社會發展意義重大。