基于差异化设计原则的电网工程气象技术研究方向

李晓军，严福章

（国网北京经济技术研究院，北京市，100052）

0 引言

2008年初，我国长江沿线多数省份遭遇百年不遇的低温雨雪冰冻天气，严重影响了电网安全、稳定运行。为降低和避免气象灾害对电力设施的破坏，国家电网公司先后出台了多项意见和措施，要求在今后电网规划和建设过程中，利用科技手段研究自然灾害规律，提升电网设施的抗灾害能力，保障电网的安全运行，使自然灾害造成的损失最小化，以期实现电网防冰减灾“预防为主，综合治理，损失最小，恢复最快”的基本要求。

国家电网公司提出《差异化规划设计指导意见》，推行差异化设计的基本思路和原则，旨在提高电网抵御自然灾害的能力，提升电网运行的安全水平，保障国家的经济安全。与发达国家电网防御重大自然灾害的设防标准相比，我国电力设施的设防标准较低，在极端天气条件下难以保证电网的安全、稳定运行。因此，国家电网公司决定在普遍提高设计标准的基础上，对不同线路、不同区段进行差异化设计，确定一批抵御严重自然灾害能力更强的重要线路，提高其设防标准。经差异化设计后，在面临重大自然灾害时，由重要线路组成的网架及最小骨干网架能够保证电网安全、稳定运行[1]。

本文以输电线路工程为主要论述对象，结合我国电网差异化规划设计的原则，阐述气象勘测成果对电网规划设计优化和投资优化的影响，提出我国电网气象勘测技术研究发展方向，使电网工程气象技术适应我国电网建设的快速发展，在“十二五”期间，为实现建设统一坚强智能电网和特高压网架做好技术支撑。

1 工程气象勘测对电网规划设计的影响

1.1 对规划路径优化的影响

电网的建设和运行受外界环境的影响较大，受气象条件的影响尤为显著。气象条件是电网规划设计的主要依据，它的真实性和客观性直接影响着工程建设的经济性与电网运行的安全性，并经受工程长期安全运行的考验。

在电网规划设计阶段，勘测设计人员必须认真进行规划线路沿线的气象、水文、植被、地形等资料收集，对路径区域内的微地形、微气候进行实地调查，确认是否存在重冰区（覆冰厚度大于20 mm）以及重冰区出现的范围。当山区存在重冰区时，设计冰厚对电网线路的技术经济指标有显著的影响。因此，规划设计部门要求对于存在重冰区的线路，应在电网规划设计阶段开展设计冰厚与冰区分布的专项调查，并在勘测成果中着重体现对各方案有重大影响的气象条件，分析比较并提出建议。在条件允许的情况下，应尽量避开存在重冰区可能的微气候区域，优化规划方案，对重要的电网规划方案采取差异化设计。

不同的线路路径方案，由于地理位置及外界气象条件等因素不同，所遭遇的自然灾害也不尽相同，自身能够抵抗灾害的能力也有所差异。同时，不同线路在电网工程中所处的地位也不尽相同，在面临自然灾害时所需要拥有的抗灾能力也不同。因此，基于差异化设计原则中的重要线路、部分路径或全部路径，在其线路走廊规划设计过程中，如没有准确、详实的气象勘测资料，规划设计人员是无法准确判断气象因素对重要电网设施的影响程度，以及电网规划方案的优劣，以致影响规划方案的比选、优化等工作。因此，电网工程气象勘测资料是电网规划评估与方案优化的最基础性的资料之一。

1.2 对工程投资优化的影响

为提高电网抵御严重自然灾害的能力，在普遍提高电网规划设计标准的基础上，国家电网公司针对重要线路采取差异化规划设计，提高了设防标准，对电网工程投资也相应进行了调整[2-6]。根据新的企业标准，所有电网工程普遍提高设计标准，其中线路投资提高5%～7%。对冰区进行重新划分，增加中冰区，提高中冰区设计标准。按照新标准，中冰区线路投资增加10%～15%。

导线覆冰多出现在山区，山区输电线路的造价受多种因素影响，其中覆冰因素对输电线路造价投资的影响最为明显。以500 kV单回线路4×400 mm2导线覆冰厚度为例，20，30，40和50 mm覆冰厚度的线路本体造价分别是覆冰10 mm线路造价的1.8、2.6、3.6和4.8倍。可以看出，覆冰厚度指标对线路造价投资的影响十分显著。

利用气象勘测成果，对线路的不同区段采取差异化规划设计，优化比选投资方案，将会节省大量的工程投资，并保证重要线路的运行安全性和经济合理性。据资料统计，2008—2012年，我国电网建设在提高抗灾能力方面共需要增加投资1285亿元。可以看出，为提高电网的设防标准和抗灾能力，国家将增加大量的投资。因此，气象勘测成果将对优化投资结构，节省电网建设投资起到重要作用。

2 电网工程气象勘测技术研究方向探讨

随着我国电网规模的不断扩大，输电走廊越来越紧张，能够利用的输电走廊的自然条件越来越差，微地形、微气候地段不断增多，输电线路受覆冰、大风（台风、龙卷风、飑线风）、低温、雷暴等气象因素影响更加突出，引发的电网事故不断增加、规模不断扩大、危害不断升级。其原因一是与发达国家相比，我国电力设施设防标准相对较低，在极端天气条件下难以保证安全、稳定运行；另一个原因是我国地域辽阔，自然条件多样、复杂，越是恶劣条件的地区气象资料越缺少，甚至空白。多年来，气象灾害资料的积累基本上来自电网的运行经验，用以往的电网灾害经验指导后期电网设施的设计和建设，缺乏资料长期考证的客观性和数据分析的科学性。

电网工程气象勘测技术人员在输电线路覆冰、大风理论研究过程中取得了丰硕的成果，对我国电网建设和安全运行做出了重要贡献。但受全球气候变暖的影响，极端天气灾害越来越频繁，再加之输电线路规划走廊通道越来越紧张，使得输电线路的气象环境越来越复杂，给电网气象勘测技术人员提出了更多的新课题，需要不断努力去探索和研究。

下面就差异化规划设计原则的要求，探讨电网工程气象技术领域需要研究和解决的几方面问题。

2.1 根据电网长期规划，科学布设气象观测站点，研究地域灾害特征

气象参数的取值对电网规划设计的安全性及经济性影响显著。发达国家电网设计标准取值是建立在长期的气象观测和大量的统计分析基础上的。我国的气象台（站）一般没有覆冰观测数据，或已有数据但不符合电网规划设计的技术要求，工程气象技术人员只能通过沿线气象调查，建立气象观测点（站）短期观测，再根据相邻已运行电网设施的运行资料和经验来确定设计冰厚等气象参数值。尽管设计标准规定了重现期，设计取值大都能够满足标准的要求，但与发达国家相比，我国的设计取值缺乏长期气象观测数据，覆冰、大风观测及其量化分析一直是电网规划设计的难点和薄弱环节。因此，一要根据电网中长期规划，科学布设气象观测站（点），在我国不同地区、不同海拔、不同地形进行覆冰观测，加强气象观测数据的积累；加强对覆冰物理参数的形成理论及计算方法的研究，以便定性推断导线覆冰对线路的危害程度；同时，加强与气象部门的交流合作，保证对比分析站（点）气象信息能够准确获取。二要加强电力系统自身的气象观测能力，以获取可靠的第一手资料数据，研究地域气象灾害形成的机制和影响范围，保证提供给电网设计使用的气象数据具有代表性和可靠性，以达到全面评价区域及局部地区微地形条件下气象灾害特征。

2.2 建立电网气象地理信息系统

国内气象部门发布的气象预警、预报缺乏专业的电网灾害信息，不能与电网系统安全运行需要相结合，更不能满足电网系统防御各类恶劣气象状况的实际需要。各种恶劣气象对电网系统影响的程度无法做出相应合理的判断，使得电网对恶劣气象的防御处于被动的局面。因此，建议开发电力行业具有气象（观测）数据分析、运行在线观测数据解读和设计部门气象水文信息共享等功能，并可进行电网工程项目前期的气象分析与评估的地理信息系统（geographic information system，GIS）。GIS可成为电网规划设计的辅助技术平台，并可拓展成为电网生产运行部门的预警、预报、监测等信息平台，以及电网事故后评估、灾害分析以及各区域电网灾害发生规律研究的信息平台。

2.3 研究山区极值风速基本模型

设计风速对电网工程建设的经济性和安全性皆存在显著影响，是电网工程差异化规划设计依据的基础资料之一。目前，设计风速均依据当地气象台站的观测资料分析确定，而我国的气象台站多位于川道、河谷、盆地等地势相对较低的城镇近郊，受城镇化影响显著，且与电网项目所处的山区在地形、地势、海拔等方面差异较大。现行的规程、规范仅给出了一个修正范围，随意性大。近年来，我国电力设计单位与气象研究单位合作，对山区风速进行了大量的研究，获得了一些区域性研究成果，并用于工程实践中。如采用TayLot-Lee的风谱模型[7]，结合平地与高山气象站约100个站最大风速资料，研究出华北地区平地与高山风速转换的数值模型。通过GUIDE模型验证，该模型在华北地区应用及参数率定结果较为理想。再如青藏高原东边缘山区极值风速推算方法的研究[8]，利用了青藏高原东边缘地区气象站风速资料，通过对地形的参数化处理，建立了极值风速随海拔高度和地形参数变化的拟合模型，推算该地区的极值风速。利用该模型来推算该地区山区风速具有一定的可行性。以上这些研究成果基本满足地区电网工程设计和建设需求，但具有一定的地域性特征。为提高电网建设的经济性和安全性，满足电网差异化规划设计的要求，有必要建立一个具有普遍价值的山区极值风速推算基本模型，以提高山区极值风速资料转换计算的精度，规范电网工程极值风速的计算。

2.4 加强覆冰计算方法研究

2.4.1 完善输电线路覆冰参数计算方法

根据多年送电线路覆冰灾害事故的后分析，线路导线覆冰厚度变化较大，导线覆冰量级分布复杂，一般线路冰害事故多发生在局部微地形或微气候点。不同重现期的标准冰厚划分考虑的安全裕度较大，工程设计上取值较难，也涉及到专业之间合作上的困难。受季风气候及地势上的影响，气候带在水平和垂直上分布比较复杂，加上微地形、微气候的作用，使得各区域输电线路导线覆冰特征差异性较大。我国先后在西南等地区建立了观冰站（点），进行覆冰、大风等气象因子的观测和研究，通过多年的覆冰观测资料的积累和覆冰形成机理的研究，结合国外发达国家覆冰研究经验，总结出我国导线覆冰计算的方法，该方法在工程中应用比较广泛且效果良好。但一些研究成果是根据西南地区气象站、观冰站实测资料分析得出，只适用于川西南地区，有一定的地区局限性[9]。

由于电网线路走廊环境不断恶化，微地形、微气候条件的影响越来越突出，许多在典型环境下形成的研究成果和计算方法已不能适应其他地区特殊环境下的覆冰参数的计算，需要通过对这些地区的覆冰气象因素的观测和研究，总结具有代表性的地区覆冰研究成果和经验，并建立代表不同地区、不同环境状况下的导线覆冰参数的计算方法，细化覆冰气象条件组合，研究覆冰随海拔高度的变化规律，使其成果符合各地区覆冰生成环境的实际情况，误差值在合理的范围内，满足工程设计和线路运行安全的要求。

2.4.2 利用气象观测站测冰资料分析确定山区线路设计覆冰参数方法

我国气象部门有极少的高山气象站，因此，地面气象观测站的覆冰资料是山区送电线路设计冰区确定的重要资料来源。我国气象部门的500余个气象站有覆冰观测资料。这些站一般位于平原或山间平坝的县、市城区，观测资料受环境影响大，在一定程度上可以反映区域的覆冰特性，但它不能代表局地山区覆冰环境和覆冰分布状况。如何利用这些覆冰观测纪录资料来确定线路设计覆冰参数，主要还应根据不同地区的气候背景及天气特点，配合一定的覆冰调查，建立一定的数学模型关系及分析方法，实现覆冰资料的真实性和客观性，提高工程气象数据分析的科学性。

2.4.3 分析我国地域覆冰气候背景，完善我国覆冰量级分布范围及变化规律的理论研究

从覆冰形成的机制分析，覆冰为冷暖空气共同作用的一种现象。通过对高空稳定气流的天气形势分析，各地区覆冰量级受大气环流控制比较明显。总结我国覆冰研究成果，结合各地气象特点，研究我国各地区覆冰量级的分布和变化规律与天气形势的基本关系，及天气形势的周期性变化与地区覆冰重现期的联系。此项研究可指导跨区长距离输电线路初期规划，在缺乏线路走廊气象资料时，可作为总体路径方案及造价投资的比选依据。

3 结语

电网工程气象技术对电网的规划设计及运行安全至关重要，同时对电网工程建设的投资影响巨大。本文提出的电网工程气象技术的研究方向是以提高气象资料的真实性、客观性，及处理手段的科学性为目的，更好地服务于电网的快速发展，为保障电网安全运行做好技术支撑。

[1]刘建琴，孙 珂，李 晖.推行差异化设计以提高电网抗灾能力[J].华北电力技术，2009（5）：46-49，59.

[2]GB 50061—9766 kV及以下架空电力线路设计规范[S].北京：国家电网公司，2008.

[3]Q/GDW 178—20081000 kV交流架空输电线路暂行技术规定[S].北京：国家电网公司，2008.

[4]Q/GDW 179—2008110 kV～750 kV架空输电线设计技术规定[S].北京：国家电网公司，2008.

[5]Q/GDW 182—2008中重冰区架空输电线路设计技术规定[S].北京：国家电网公司，2008.

[6]Q/GDW 181—2008±500 kV直流架空输电线路设计技术规定[S].北京：国家电网公司，2008.

[7]刘如琛.平地与高山风速转换的数值研究[J].电力勘测设计，1997（3）：55-60.

[8]李 林，李卫林，王振宇，等.青藏高原东边缘山区极值风速推算方法的研究[J].高原气象，2006，25（6）：1028-1033.

[9]谢运华.导线覆冰密度的研究[J].中国电力，1998，31（1）：46-51.