输电线路电子区域风害分布图绘制方法研究

申元，马仪，李昊，周仿荣，马御棠，方贤才

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650000；2.武汉市智勤创亿信息技术股份有限公司，湖北 武汉 430070）

0 前言

电力系统风害分布图是指导输电线路进行防风设计的基础，正确的电力系统风害分布图能指导线路根据风害区等级进行因地制宜的防风工作。云南电网目前已存在的大量输电线路风偏跳闸故障分析资料表明，主要由于瞬时风速过大导致产生线路风偏过大，造成绝缘子串摇摆角角度超过设计值，导线与杆塔构件安全间隙不足产生放电，跳闸故障主要原因是在线路设计时对线路所经地区微地形、微气象特点考虑不周，导致输电线路抗风能力较小；另外一方面，对于输电线路而言，瞬时强风、强烈地方性风也是造成输电线路风偏跳闸的主要原因[3-4]，而传统的风区图则主要考虑基本风速因素，因此已不能满足云南电网防风工作的需要。

结合云南电网公司在防风工作中的实际经验，本文介绍了利用计算机软件和GIS 技术构建区域风害图绘制规则库来实现自动绘制区域风害分布图，提出在绘制风害图的时候除了要参考基本风速等外因外，还要参考瞬时风速、微地形微气象因素以及输电线路本身防风能力的强弱等内部因素及其动态变化特征，并探讨了采用计算机自动成图+ 人工修订模式来解决运行经验对区域风害图绘制的影响。

1 区域风害图绘制规则库划分

本文按照《Q GDW 11005-2013 风区分级标准和风区分布图绘制规则》、《GB50545—2010 110 kV ～750 kV 架空输电线路设计规范》、《DL/T 5158—2012 电力工程气象勘测技术规程》、《南方电网公司输电线路防风设计技术规范》，确定区域风害图绘制过程中的可变因子和不可变因子以及量化规则，具体划分如下：

1）将区域风害分布图的绘制规则整理为五个大类和20 个小类，其中五个大类是在线监测规则库、微地形地理分区规则库、历史风场分布及演变规则库、线路抗风能力与校核规则库、运行经验规则库，20 个小类如下表所示：

表1 规则库划分表

2）将五个大类和20 个小类的规则库以树形结构存储在数据表中，其中每个小类的规则定义了规则的影响范围、规则的处理方式、规则的权重等参数，这些参数都是可以自定义的；规则库还定义了固定规则和可变规则，系统成图前可以对这些规则参数和规则本身进行修改。

3）设计每个规则的数学处理逻辑以及与成图流程的接口规范，以便系统成图的时候可以调用这些逻辑来成图，详细见2.1 的描述。

2 基本算法和成图GIS引擎算法

2.1 风害图绘制规则库的基本算法

区域风害图绘制智能规则库引擎由在线监测规则库、微地形地理分区规则库、历史风场分布及演变规则库、线路抗风能力与校核规则库、运行经验规则库五部分组成，其规则算法描述如下：

1）基本风速和瞬时风速根据定量计算值和《Q GDW 11005-2013 风区分级标准和风区分布图绘制规则》里的风速等级评价标准来定；WRF 历史风场和大涡风场是其他项目的研究成果，用来作为风区图和风害图的修订因素，主要是考虑到为线路预留设计裕度，加强线路防风能力；

2）微地形地理分区包括如路堤、特大桥梁、垭口、峡谷、山区的风口、峡管效应等微地形路段，线路经过这些地形路段时瞬时风速增加1.23—1.70 倍，这是一种风速和高度增加的效应。如果线路与大风风向夹角垂直，输电线路受大风微气象条件下瞬时风速和横风因数合力影响，气动力显著增大，线路发生断线倒塔和风害跳闸的可能性明显增加。因此线路防风要依据不同类型大风特征、不同地形制定，可以据此对前面确定的等级进行局部适度调整，将易引发风害故障的地形地貌区域的风害等级提升一级。微气象则主要参考微气象在线监测系统，如果监测的微气象值大于所在风害等级，则需要将原来的风害等级提升到微气象监测系统所监测风速所对应的等级；

3）线路抗风能力主要是考虑对于输电线路防风校核后其本身的抗风能力因素，如果在风害图上所代表的风害等级高于线路本身的抗风能力，则以线路区域风害图的风害等级为标准；而风害图上所代表的风害等级低于线路本身的抗风能力，则可以将线路区域风害图上的等级提高一个等级，直至到满足线路抗风能力为准，这主要是为以后的设计预留裕度，从而达到指导线路防风设计的目的；

4）运行经验主要是依据输电线路的风偏隐患点以及采用的防风措施等而定，根据运行经验，可将潜在的风偏隐患点附近区域的风害等级提升一级，加强线路导地线、绝缘子金具、塔型荷载、结构的选型和基础及附属设施的加固，并严格遵守输电线路导线对地距离及交叉跨越的规定；

5）在线监测规则库主要包括微气象监测和风偏跳闸故障监测及风偏跳闸预警，线路微气象监测点能够返回线路上实时的风速风向数据，可用来实时更新风区风害的等级；而风害跳闸率和风害事故记录，则可以将风害故障点附近区域的风害等级提升一级；而风偏跳闸预警点则可以在其附近将风害等级提升一个等级。

2.2 GIS计算算法引擎原理

在我们定义好上面这些区域风害分布图绘制规则的算法之后，然后由这些规则通过GIS缓冲、截切、叠置算法生成这些规则的专题图，并对这些规则进行GIS 建模和GIS 图层融合技术，生成电子区域风害分布图草图，如下是原理框图：

图1 基于规则库生成风害图的原理框图

2.2.1 引擎原理说明

1）基础数据与业务数据处理：首先准备好各种成图的数据：包括行政电子地图、基本风速、瞬时风速、微地形、微气象、线路风偏跳闸、线路防风台账、线路防风能力校核、WRF 及大涡风场等历史数据，可以用整理好的excel 文件的方式导入系统，也可以直接通过系统的录入界面录入，存储到引擎数据库中。

2）规则专题图生成：绘制规则库引擎在接受到成图的指令后，会根据用户选中的规则库类别及选中的规则项，运用GIS 缓冲区算法并结合气象数据生成各个规则库类别的专题图。

3）图层融合及生成风害图草图：根据GIS技术，首先加载历史的风场分布图，然后叠加各个专题图，并用GIS 融合算法，对相应的图层融合处理,然后对各个风害等级图层进行拼接最后生成风害图草图。

4）规则权重的考虑：首先在每个规则中根据云南的区域特征增加相应的规则置信度，这样在每个生成的专题图要素中就会有相应的规则权重，在图层融合和拼接的时候，这些权重重的图层就排在前面作为首要考虑因素。

5）对于图层中跳级、尖端的处理等，目前系统没有进行自动处理，主要以提供风害图编辑器通过手工修订的方式来进行处理，但是对小图斑的融合、小碎点的消除则系统部分进行自动处理。

2.2.2 GIS算法详细解释

1）GIS 反距离权重插值算法：是GIS 生成栅格图形的一种算法，基于插值区域内部样本点的相似性，计算与到邻近区域样点的加权平均值来估算出单元格的值，进而插值得到一个表面。

2）GIS 缓冲区算法：是GIS 生成矢量图形的一种算法，可以以点要素、线要素、面状要素等为基础，对这些要素的边界按照设定的缓冲距离对原来的要素图形进行扩充，最后生成的是面状的矢量图形。

3）GIS 建模算法：本方法描述的GIS 建模算法指的是对由输入数据和相应规则库生成的规则库专题图进行叠加的模型，主要根据这些专题图内的风害等级属性进行分组，然后根据这些属性进行图形的叠加。

4）GIS 融合算法：本方法描述的GIS 融合算法指的是对叠加好的专题图进行融合，使得它们成为一张图。

3 输电线路区域风害图自动绘制

3.1 绘制原理与依据

1）区域风害图的绘制是基于相关标准文件来展开的；

2）依据如下规则划分风害等级

风害等级划分主要依据基本风速、瞬时风速、运行经验、高海拔地区的微地形微气象、线路防风能力等内外因素综合考虑，将输电线路风害等级分为5 个等级；

3）根据《Q GDW 11005-2013 风区分级标准和风区分布图绘制规则》里5.2.1 气象资料来选取与成图相关的具体气象要素信息；

4）采用《Q GDW 11005-2013 风区分级标准和风区分布图绘制规则》附录A 中公式A.1进行标准风速换算；然后根据标准风速和瞬时风速关系进行换算，在本系统中我们提供拟合公式如下：

V3s=1.7612*V10m-0.5922，V10m 为10 分钟最大风速，V3s 为3 秒瞬时风速。这个公式为我们在系统提供参数调整功能。

5）采用Q GDW 11005-2013 风区分级标准和风区分布图绘制规则》附录A 中公式A.14 计算各气象台站不同重现期基本风速及瞬时风速；

6）经过如下规则库：风场分布及演变规则库、微地形与微气象规则库、线路抗风能力规则库、运行经验规则库的GIS 修正和人工辅助修改，最后形成正式的风害图；

7）风害图生成之后能以数据库形式以及shape 文件格式供在线监测平台、PMS 等其他系统调用，并可以在系统直接打印或者输出为图片，PDF 等各种格式。

3.2 区域风害图智能成图算法模型

结合3.1 的原则，风害图智能成图算法模型如下图所示：

图2 风害图智能成图算法模型

3.3 区域风害图计算机自动成图流程

根据3.2 的描述，区域风害分布成图计算机绘制算法流程图如图3。

绘制流程具体过程：

1）收集省各气象站历年的风场海拔数据、风速计离地/离平台高度数据、观测平台高度数据、累年年平均风速、累年年极大风速、累年年极大风速出现时间、风向以及各风向频率观测数据等气象要素数据；

2）收集项目西北院负责研究出的微地形风场模式数据，并综合（1）收集的数据，对比两者的平均最大风速、极大风速的取值范围，采取取大优先的原则，对重叠数据进行合并，形成项目所需要的平均最大风速和极大风速数据；

3）收集本省已建线路设计风速资料，历年输电线路风速情况资料（调查点的经纬度、海拔高度、极值风速）；

4）按公式（1）标准高度风速换算公式进行标准风速换算：

式中，z：风速仪实际高度，vz：风速仪观测风速，α：空旷平坦地区粗糙度指数，取0.16；

5）确定基本风速时，按当地气象台、站10 min 时平均的年最大风速作样本，并采用极值I 型分布作为概率模型，极值I 型概率分布，分布函数为：

式中：u—分布的位置函数，即其分布的众值；α—分布的尺度函数。

观测期为n 年，变量zi可以按照下式计算：

如果需要考虑实际的观测数量，需要给出n个观测值时参数C1和C2的值。

平均重现期为T的最大风速XR可按下式确定：

同以上原理计算各个重现期3 s 瞬时风速数据，然后利用拟合法拟合出10 Min 平均风速和3 s 瞬时风速的公式，然后统一用系统定义的拟合公式重新计算得出各个气象站的3 s 瞬时风速；

6）采用GIS 反距离权重插值算法将不同重现期风速插值生成不同的栅格风害分布图草图；将风害分布图栅格数据转换成矢量数据，并进行碎多边形、边界锯齿平滑、拓扑验证等图形处理；

图3 风害分布图计算机绘制算法流程

7）叠加WRF 和大涡风场专题图层，比较历史风场数据的差异，按照取大优先、预留充分裕度的原则局部调整风害等级；叠加微地形微气象专题图层，比较微地形地区及微气象特征区，局部调整风害等级；叠加线路防风校核的能力数据及相关杆塔线路图层，比较线路防风能力与外部最大风速因素，局部调整风害等级；叠加风灾事故点专题图层，比较风灾事故点的实测风速与风害图所示的基本风速值及瞬时风速值，局部调整风害等级；

8）利用系统的风害分布图编辑功能，根据人工运行经验、风偏跳闸故障资料修正风害分布草图；将草图转换为正式的风害分布图。

3.4 电子区域风害分布图的优点

1）形成了区域风害图绘制的智能规则库，能够量化区域风害图绘制规则库，并随时调整这些规则，以便生成出不同效果的区域风害分布图供电网防风专责根据运行经验来挑选，智能化程度较高。

2）由于该引擎基于网络数据库来存储数据，借助该引擎生成的区域风害图信息可以即时更新和共享。

3）防风工作人员可以利用GIS 提供的强大的图形处理功能实现区域风害分布图的人工辅助自动绘制和风害分析，为制定各项计划和决策提供科学依据。

3.5 运行经验对区域风害图自动绘制影响

在传统风害图绘制工作中，人工运行经验对各个区域的风害等级的判断是非常重要的，电力系统风害图绘制规程中也明确规定当各风速图和运行经验在判断风害等级的时候产生冲突，则以运行经验为主。因此，风害图绘制工作中必须重视运行经验对风害图绘制工作的影响。

首先，系统已经将部分运行经验如风偏跳闸故障、风偏跳闸率、历史风场分布等指标量化为相关的绘制规则库，运行经验已经在风害图智能成图过程中发挥部分作用，其权重值一般也是最大的。

其次，考虑到无法利用计算机表达的运行经验也会对成图产生影响，本文提出了计算机智能成图+ 人工修订模式来确定最后生成的风害图，即在程序算法上另外提供了一个对风害图进行人工修订的子模块，使得风害图在计算机自动生成之后，人工还可以修订计算机自动生成的风害图，达到最后的风害图能够表达线路防风运行经验的效果。

对于系统自动生成的风害分布图，当发现其与实际运行经验不符的时候则可以打开风害修订界面手工进行修订。

4 结束语

1）介绍了一种新的输电线路区域风害图绘制思路和方法，从计算机软件的角度对区域风害图绘制规则库进行分类和量化，进行了区域风害图的计算机自动绘制和风害自动分析，改进和优化了传统电力系统防风工作流程。

2）基于实际的输电线路区域风害图绘制应用案例，采用基于计算机软件和GIS 技术来表达区域风害图绘制规则并将其固化为计算机程序算法是可行的，能够准确表达风害分布图不仅要考虑内因还要考虑外因要求。

3）考虑到区域风害图绘制工作中还有部分工作要依赖于人工运行经验，本文提出了计算机自动成图+ 人工修订模式来解决这部分的问题，使得本方法在电力系统区域风害图绘制工作中更具备可操作性。