基于WebGIS的雷暴天气的电网防灾研究

李文路 季 民 孙 勇 杨 凡

(1.山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590;2.青岛市气象局，山东 青岛 266590)

基于WebGIS的雷暴天气的电网防灾研究

李文路1季 民1孙 勇1杨 凡2

(1.山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590;2.青岛市气象局，山东 青岛 266590)

改进气象服务技术是中国气象局重点发展的技术之一。利用气象部门的多普勒天气雷达、大气电场仪、闪电定位仪和自动气象站等实时监测数据，采用雷达回波外推方法，以提高局地雷暴天气对电网影响的预测水平为目标，建立了切实可行的灾害应急方案和有效应对措施，构建了一个基于WebGIS的雷暴天气安全防护系统。该系统在气象服务中具有较高应用价值。

雷暴天气 WebGIS 电网 防灾 预警

1 引言

随着全球气候的变化，电力系统面临着各种高敏感性天气灾害的严重挑战，如雷电、暴雨、台风、洪涝、低温冰冻以及高温高湿等，这些天气严重影响到资源利用率以及电力工业可持续发展的问题[1]。青岛市作为沿海开放城市，近二十年来国民经济建设得到了迅猛发展，电力建设也有了飞速发展。但由于我市地处沿海丘陵地带，气象条件复杂，恶劣的气候条件和天气现象对电网设备的破坏是非常大的，需要将气象信息融入电网规划建设中，虽然很多城市已经构建了气象在电网中应用系统，但国内主要开展的是关于冰冻天气对电力行业的影响评估分析等，对其它高敏感性天气研究不多，未涉及雷暴天气下电网的全面安全防护。

WebGIS是Internet与GIS(地理信息系统)的结合产物，在海洋、农业、交通等领域都得到了广泛的应用，在气象服务中更是得到了高度的重视[2]-[6]。但是传统WebGIS大多以SOAP(Simple Object Access Protocol简单对象获取协议技术)为核心，对于服务间的互操作实现十分不利且没有考虑地理信息数据具有空间参考海量存储等特点[7]。而Flex是一种在Web上创建并丰富Internet程序(RIA)的技术，能够很好地与服务器和数据库结合，具有高度互动性和丰富的用户体验。

因此，根据以上分析，结合Flex和WebGIS的优点，针对青岛市建立了电力气象服务系统，系统利用气象部门的多普勒天气雷达、大气电场仪、闪电定位仪和自动气象站等实时监测数据，采用目前较为先进的雷达回波外推方法，特别针对电力方面建立天气灾害预警功能，并预测和显示电力负荷趋势、天气趋势、天气极值等功能，重点提高局地雷暴天气对电网影响的预测水平，形成一个基于WebGIS的雷暴天气安全防护系统，降低气象及衍生灾害对电网的破坏程度，提高城市电网预防气象灾害的能力。

2 系统总体框架

系统主要是基于WebGIS技术、图像技术、计算机技术、数据库技术、Flex技术等，采用B/S的方式进行系统的研制开发。系统在GIS服务器上发布地图服务，实现地图访问和空间定位功能，使用SQL数据库管理气象信息和电力信息数据，通过数据交换平台抽取气象数据库的数据，部分气象数据需要通过FTP服务器、通信数据库、青岛市气象台中转数据库抽取，利用Flex整合地理信息与电网信息，进行综合展示。系统主要分为三大模块：基础模块、分析模块、预警模块。这些模块功能采用了Flex富客户端界面展示方式，提高了用户体验的满意度。通过气象数据监测及雷达实时数据的变化产生的相关预警信息，以高亮显示或发送短信提醒的方式完成对电力数据的警示功能，使用户能够对电力保障和线路维护做出及时的决策和调度。

青岛市电力气象服务系统采用三层软件结构，包括数据层、中间层和应用层，如图1所示。

数据层的主要内容为基础地理信息数据、基本气象数据数据、雷达基本数据和雷达衍生数据、电力数据等，所有数据的处理在规范上一致，保证数据的各个标准的统一，从而实现不同数据的叠加。

中间层主要包括可视化服务、数据服务、应用分析服务和管理服务。利用Flex和ArcGIS Server软件实现数据的组织、数据查询、数据显示控制等相关功能和服务，满足管理的需求。

应用层是系统用户即青岛市电力部门的实际操作的界面，在本系统中应用层为浏览器，使用通用浏览器显示该系统的相关功能，主要包括：显示基于GIS的基础地理数据、电力部门重要设施、线路等信息；对雷暴等高敏感性气象的显示、统计与分析；使用雷达回波外推算法，预警雷电、局地强对流天气发展的趋势，能够实现各类高敏感性天气的提前预警功能。

3 系统主要模块

3.1 系统基础模块建设

利用网络地理信息(WebGIS)系统，建设青岛地区电力气象地理信息支撑平台，利用精确经纬度定位数据，实时显示青岛地区电力系统重要设施、线路等，同时叠加显示多普勒雷达图中有关的气象信息(如降水强度、移动方向等)，电力设施周边自动站监测数据(如气温、湿度、风向、风力等)，大气电场仪、闪电定位仪等雷电监测信息。信息数据地图分GIS地理信息层、自动站实况数据层、报警数据层、雷达数据层、雷电监测数据层五个图层设计，可根据需要选择其中的一个或多个图层突出显示，完成对电力设施的外部运行环境，尤其针对敏感气象要素进行实时监控，并根据叠加的多普勒雷达等实时探测资料对短期内的天气变化进行预测，利用实况和预测信息，为电力用户提供有力的气象依据和决策支持。

3.2 系统分析模块建设

采用C#编程，应用传统电力负荷预测方法[8]，自动调用数据库中的气象预报要素值，计算出短期电力负荷预测值，并存入负荷预测值数据表中以待前台页面调用。建立基于青岛地区气象条件的负荷预测分析模式，能够分析、判断和评估各种雷暴天气对电网运行的影响程度，输出应对措施的建议产品。根据青岛地区电力负荷和气象要素历史数据资料，建立负荷预测背景数据分析表，并运用回归法等负荷预测方法，在后台获取输入的短期预报要素数据后，在前台Web应用页面自动生成短期用电负荷预测曲线，负荷曲线可根据实况要素数据进行修订。形成雷暴天气[9](如：雷电、暴雨、寒潮、冰雪、大风等)的重点区域分布图，并在系统中进行调用，便于在电网设施建设和设计时提供应对雷暴天气的决策。

3.3 系统预警模块建设

依据灾害评估结果和对相关的历史数据进行分析，建立雷暴气象要素与电力设施影响程度等级之间的关系模型，在后台数据库建立雷暴气象要素临界值与电力设施受影响等级关联数据表。当一个或多个复合气象要素达到临近值时，电力调度人员在终端Web页面会接收到声光形式的提醒信息并输出作业建议信息，提示灾害性天气所影响到的电力设施和应该采取的防御措施。

4 天气电力负荷评估方法

针对青岛地区气象特点，研究电力雷暴天气的分布情况和预警条件(如暴雨、风力、雷电等符合何种条件，易导致电力线路出现舞动、损坏现象)，并提前发出预警，在相关系统中标注出可能发生灾害或损失的重点区域。

通过气象与电力部门的密切联动，对灾后受损情况进行定性分析，并进行灾害性气象因子与电力运行及设施受灾关系的模型化分析研究，划分不同的电力受损等级，如表1所示，并确定对应的n(n>=1)个综合气象敏感值的要素值范围。

表1 电力受损等级

选取青岛地区近10年的电力负荷和气象要素历史资料，在分离气象敏感负荷的基础上，运用多元线性自回归算法、逐步回归分析方法等多种预测方法，进行短期用电量预测和日最大用电量预测，建立数学模型和数学方程式，并进行C#程序编程。应用组合预测的思想，建立最优组合预测模型和递归等权组合预测模型，进行中长期(如每周、每月)用电峰值的预测。并根据周期性理论和信息增益法所显示的“节假日”属性对结果所造成的负面影响，进行数据预处理，来有效避免节假日数据对整体准确率的影响。

5 系统功能运行效果

5.1 雷达数据查询与显示

雷达数据查询包括雷达基本数据(回波顶高(基数据)、组合反射率、组合反射率(基数据)、0.5度仰角R、1.5度仰角R、2.4度仰角R、垂直液态水含量、垂直液态水含量密度、垂直液态水含量(基数据)、降水估计等)和雷达衍生数据(降水预报、反射率因子回波预报、风暴追踪等)的查询。这些数据的查询方式以实时最新数据和选择历史文件查看为主。以雷达回波基数据为例，显示效果如图2所示，该图为多种要素图层叠加效果图，其中，彩色面状图层代表回波顶高基数据，紫色线要素图层代表输电线和配电线数据，不同颜色(根据风场数据的大小以不同颜色如蓝色、橙色、红色等高亮显示预警)的点要素图层为实时的风场数据。

5.2 TITAN电力预警

TITAN电力预警是使用雷达回波外推算法[11]，预警雷电、局地强对流天气的发展趋势。通过显示TITAN数据，将当前风暴、未来30分钟风暴、未来60分钟风暴与电力数据、地理空间信息叠加显示，输出不同编号的电线的作业建议信息和预警信息，电线的作业建议信息是针对当前风暴，提示需要对该信息中的电线编号作出调度调整，以便减少风暴对其的破坏程度；作业预警信息显示的内容是针对未来30分钟、60分钟风暴所影响到的电线作出预警提示，促使电业部门提前做好调度工作，减少或避免风暴灾害的发生。如图3所示(若选中输出产品的电线编号所在行，在地图上将该电线以高亮闪烁的形式显示)。

5.3 电力负荷趋势

电力负荷趋势以曲线图的表达形式展示，调用电力负荷预测方法计算的电力负荷数据表，将青岛市近一个月的电力负荷表示出来，其中横轴代表时间，纵轴代表电力负荷数。如图4所示，在当前气象条件下，通过该曲线图为用户直观地呈现近一个月的电力负荷的变化趋势，为电力部门的电网管理提供依据，为电力部门下一步的调度提供信息基础。

5.4 雷暴天气灾害统计

天气现象统计主要包括：5年暴雨次数、闪电定位、大雾天数、平均降雪量、降雪天数、大于32℃、32-35℃、28-32℃、<-10℃、<-5℃、-5-0℃、<= 0℃、0-3℃等可选项。以闪电定位为例，系统以格网的形式显示青岛市近5年的闪电次数，每个格网中的值代表该格网所在区域近五年的闪电次数的统计。如图5所示：

闪电往往会使输电线路和变电站不断地发生“闪络跳闸”，所以极易造成大面积停电或者击坏电器设备等重大事故。通过统计历史数据和与输电线在地理位置的叠加显示，直观显示出易发闪电的电线区域。这样，方便电力部门提前对该区域电线的调度和管理工作。

暴雨对供电系统的危害也很大。处在河网沼泽、水土流失地段和跨越江河输电线路的杆塔基础常被洪水冲蚀，发生杆塔倒塌、线路断线。而雨雪冰冻天气给电网带来的危害最为巨大，冻雨、大雪和冰凌有可能压断输电线缆。如2010年1月2日(北京时)，青岛地区出现寒潮天气，由于温度低、湿度大，输电线路结冰严重，以及冷空气带来的大风，使电网线路出现了严重的“舞动”现象，极大程度上危害了电网运行安全。

因此，对这些易触发电力灾害的雷暴天气现象进行统计、高亮显示重点区域，并对其进行风险评估是十分必要，也是可行的。

6 结论

在青岛市电力气象服务系统中，采用的多普勒雷达、自动站监测数据、闪电定位仪等数据均为自动化采集和存储，数据源比较可靠，由于保密需要，电力数据为部分测试数据。

(1)系统建立了集中存储管理的数据库，便于与电力和气象联机分析系统的数据仓库连接，有利于电力业务系统的集成应用和高效率工作。

(2)基于Flex的WebGIS系统，通过Web Service方式和Web网页两种方式显示实时气象监测数据和雷暴天气安全防护信息。

(3)整个系统框架采用多层分布式架构，平台运行稳定、负载平衡，客户端基本不用维护，系统维护成本相对较低，安全性较高。

(4)结合全市电网及重点设施信息数据，根据雷达回波外推算法，输出未来时间内电网及重点设施预警和建议信息。

(5)根据雷暴天气的特点划出重点区域，并进行相应的风险评估。

由于电力数据不足，系统还需要根据不同情况的电力数据反复运行检验，以提高电网防护的安全性、准确性。实践表明，电网的稳定运行，是经济稳定快速发展的基础。因此，在此基础上加强我市电网雷暴等高敏感天气预警方法的研究和软件系统的构建，具备良好的外部条件和推动经济发展的重要意义。

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Research of Disaster Prevention of Power Network Based on Web GIS for Thunderstorm Weather

LI Wen-lu1, JI Min1, SUN Yong1, YANG Fan2

(1.College of Surveying Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao Shandong 266590，China;2. Qingdao Municipal Meteorological Bureau of Shandong Province, Qingdao Shandong 266003,China)

The improvement of the meteorological service technology is one of the hot pursuit for China Meteorological Bureau .The purpose of this paper is to focus on improving the forecast level of local thunderstorm weather for power network and establishing practical disaster emergency plans and effective response measures, by using real time monitoring data of doppler weather radar, atmospheric electric field meter, lightning locator and automatic weather station of meteorological department, and adopting the advanced radar echo extrapolation method. Finally, thunderstorm weather for power network security system based on WebGIS has been formed. It has high application value in meteorological service.

thunderstorm weather; WebGIS; power network; disaster prevention; early warning

2016-06-24

P208

B

1007-3000(2016)06-5