格点气象数值预报在电网防灾减灾中的应用

周海松，陈佩琳，张建伟

（1.国家电网电力科学研究院南京南瑞集团公司，江苏 南京 210000；2.山西省电力公司电力调度控制中心，山西 太原 030001）

0 引言

电网作为气象服务高敏感性和高需求性行业，其生产和运营受气象等外部环境条件的影响极大，特别是近年来雨雪冰冻、高温干旱、雷电、雾霾、台风等灾害性天气对电网及其输变电设备安全运行和可靠供电的影响呈逐年增多的趋势。

电网输电线路及高压和超高压变电站建设在野外，周围气象因素会对其产生直接的影响，重要输电线路和变电站区域的现地预报数据对电网设备的防灾减灾意义重大。目前，国内不少电网公司开始建设电网气象信息系统，为气象信息应用于电网提供了平台。在电网气象信息系统中，格点气象数值预报是一项有广泛应用价值的气象产品。

1 格点气象数值预报及其应用原理

气象数值预报是目前省级专业气象台提供的一种新型数值天气预报产品，它在指定区域内最小可以生成（5×5）km2的格点预报数据，每个格点的预报内容包括温度、降雨、湿度、风速、风向等气象要素，主要具有以下特点[1]。

a）中小尺度预报在大尺度气象预报框架中制作，有初始值和同化资料，具有一定的准确率。

b）大型计算机计算定点、定时、定量预报值，每天可以生成两次1～72 h内预报步长为1 h的短期预报值。

c）预报格点面分为近地面、500 hPa、850 hPa等多个等高面，适于有关行业的应用。在电网气象信息系统中，将天气预报WRF（Weather Research and Forecasting）中尺度数值预报模式生成的格点数值预报值覆盖在电网地理信息系统GIS（Geographic Information System） 图上，使网格点和输电线路、变电站等电网资源的地理位置相叠加，通过GIS的地理分析功能，将距离重要杆塔、变电站最近的4个格点预报值拟合成变电站或杆塔的现地预报值，为电网设备的现地点预警提供了数据来源，并可以进一步加以拓展应用。

2 格点气象数值预报的基本应用

在电网气象信息系统中，可以使用格点气象数值预报生成变电站和重要线路的现地预报值，并据此进行预警，为电网事故预想、应急预案制定和应急措施落实提供决策信息。

2.1 格点气象数值预报在变电站和重要线路预警方面的应用

输电线路和变电站都有相应的气象防灾参数，并对温度、风速、湿度以及降水量等气象因素有限值规定。实际工作中，通常利用气象实时值和这些限值进行比对，实时产生报警信息，但报警属于事后报警，许多灾害已经发生并可能已经造成了一定损失，起不到预警作用。通过气象预报信息特别是格点数值预报信息，可以提前一定时间进行预警，对电网及其设备的安全运行意义十分重大。

在格点数值预报网格和电网地理信息系统相叠加后，可以获取变电站和杆塔附近（5×5）km2范围内1～72 h的气象预报值。数值预报网格分为近地面层和850 hPa（约90～120 m） 两层，每层预报值中均包括温度、湿度、雨量、风速数据，在电网地理信息系统中直接将空间拟合后的预报值和输电线杆塔、变电站的防灾系数对比，生成相应的预警信息，并在电网地理信息系统中加以预警提示。

使用气象格点数值预报生成的电网预警信息具有以下优点。

a）预报时间范围可以覆盖1～72 h，预报步长通常为1 h，可以提前较长时间进行预警，有利于避免和最大限度地降低气象灾害对电网的影响。

b）使用数值预报可以对气象灾害的发展趋势有更全面的了解，如可以了解某次暴雨、大风过程何时结束，为生产调度提供科学的决策支持。

2.2 格点气象数值预报在气温和降水色斑图绘制方面的应用

降水和温度色斑图对掌握区域内降雨强度及其分布以及高温和低温的分布具有重要指导意义，但是，色斑图的制作需要对应自动气象站点提供一定密度的采集数据。实际工作中，区域内自动气象站点无法达到（5×5）km2的精度。直接使用自动气象站点数据绘制出来的的色斑图，往往存在降雨和温度分布不均匀甚至是跳变的现象，同时，因绘制色斑图使用实时雨量和温度数据，对高温和暴雨预警的意义不大。

以气象格点数值预报的格点作为降雨和温度的预报点，利用等值线算法可以绘制出覆盖全省范围的降水和温度预报的色斑图，这种利用气象格点数值预报信息制作的色斑图，具有以下优点。

a）预报点分布均匀，密度大，绘制出的等值线非常均匀，不会出现跳变现象。

b）相对于实时色斑图，预报降雨和温度的色斑图对实际工作的指导意义更大。

c）通过多个预报时段的预报色斑图的叠加，利用计算机动画技术，可以形成未来1～72 h的降水、高温和低温动态演变图。

d）可在高温、低温或强降水中心区域显示预警。

2.3 格点气象数值预报在风向流动和风速监测方面的应用

大风易引起线路舞动和线路飑线等灾害和跳闸事故，全省的风向流动和风力强度信息是电网运行监控过程中必须关注的重要信息。通过格点风力、风速数值预报数据，可以绘制出全省精细的风向及风速分布示意图，以可视化的方式引起运行监控人员关注大风路径上的重要线路和输电断面，并根据电网薄弱环节加强运行监视、进行事故预想并采取应对措施。另外，随着风电等新能源的快速发展，风电出力不确定和变化速率较快的特点已经给电网运行调节带来困难，通过风速和风向分布图可以使运行监控人员直观地掌握全省风力资源的实况及未来趋势，并据此加强风电场发电出力及其变化情况，及时调整常规机组发电出力，提高电网电能质量。

3 格点气象数值预报的扩展应用

摩尔根输电线路载流量简化计算公式为[2]

式中：It——输电线路载流量；

θ——线路的载流温升；

D——导线外径；

ε——导线表面辐射系数；

σ——斯蒂芬—波尔兹曼常数；

αs——吸热系数；

Kt——交直流电阻比；

Rdt——直流电阻；

Is——导线的日照强度；

tc——线路温度，设定最高温度＜70℃；

ta——线路环境温度；

V——线路周围的风速。

式 （1） 中，对具体线路而言，ε、σ、αs、Kt、Rdt、Is均为常数，若用线路预报温度代替ta，预报风速代替V，则可以计算出在限定条件下（如导线温度必须低于70℃）的最大载流量It，而整条线路各点的预计载流量It的最小值则可用作整条线路的载流量允许值。

为取得线路预报温度ta和预报风速V，以重要输电线路为地理信息点，通过GIS地理位置分析功能提取出最接近的格点预报值。由于格点距离可以达到（5×5）km2的精度，因而可以得到线路5 km范围内近地面和850 hPa两个等压面的预报数据。其中，预报温度、预报风速数据按照《地面气象观测规范》规定，满足有效范围7～10 km的要求，完全可以作为预报ta和预报V参与计算。通过线路走廊的实际载流量计算，就可以预报出整个线路的载流量，为电网其他高级应用提供基础数据支撑。

4 结束语

近年来，数值预报技术在气象领域迅速发展，其应用受到各行各业越来越广泛的重视。将其与电网实际运行需求相结合，可为电网安全生产和稳定运行提供外部气象环境预测手段，大大提高了电网应对气象灾害的能力。连续、高密度的格点气象预报信息也为电网科学生产调度提供了决策依据。随着数值预报技术的发展和电网气象信息在电网生产、运行领域应用的不断深入，气象格点数值预报必将获得更多的创新应用。

［1］ G.J.哈廷纳，著.数值天气预报［M］.北京大学地球物理系气象专业译.北京：科学出版社，1975．

［2］ 张强.静态条件下输电能力计算及可用输电能力决策研究［D］.济南：山东大学，2007.