基于气象精细化数据的电网灾害监测预警系统设计

赵彦阳，惠小东，金鑫

（南方电网数字电网研究院有限公司，广东广州 510670）

电力行业在我国发展中作为对气象存在高敏感性及信息需求性的行业之一，气象变化会很大程度影响电网事业的生产、建设、运营。随着近年来各类因素所致，大雾、台风、高低温、强对流等恶劣天气状况频发，给电网系统安全稳定运行带来极大挑战，对电网稳定运行、降低气象灾害带来的影响也提出了更高技术要求[1-3]。随着电网运行、气象灾害预警领域研究的逐渐深入，通过大量探索也获得了一定成果，但仍然存在技术局限，表现在仅仅以来源单一的气象数据作为依据，无法保证获取互补气象数据[4-5]，自然不能对气象天气的详细衍变实时准确预测。再加上在电网系统运行特定气象灾害监测预警系统设计上也比较欠缺，所以目前仅仅可以做到初步预报电网运行气象灾害，无法全面保障电网系统的安全稳定运行[6]。

1 系统建设目标

基于气象精细化数据的电网灾害监测预警系统设计，需要在电网系统中能够关联显示实时灾害天气及气象预报信息，所以系统设计目标如下：

1）与自动气象站、天气数值预报、多普勒雷达等气象数据源成功接入，能够准确监测气象灾害，并对气象变化过程详细展示[7]；

2）搭建电网监测预警系统，结合气象精细化数据，包括灾害天气、地理、电网矢量数据，对气象灾害的具体影响范围进行直观判断[8]；

3）可以满足电网系统运行中的提前、精准、抗灾、减灾等气象风险预警；

4）可以为省电力、城市供电、检修分公司提供详细的气象数据，服务于电网运行灾害监测、预警。

2 系统总架构

文中设计基于气象精细化数据的电网灾害监测预警系统，主要包括了四大系统功能组成（见图1），分别为基础层、平台层、数据层和应用层。在设计该系统时需要运用光纤连接跨越的气象部门、电力内网系统，实现气象精细化数据的采集、解析、发布[9]。在各企业内网的气象数据传输均由MIS 网实现，并运用HTTP/TCP 协议传输气象数据。

图1 电网灾害监测预警系统架构

基础层主要包含数据传输设备、数据库服务器、算例服务器、智能终端等。

平台层包含各类在线监测平台、电网管理平台、气象局公共服务中心、GIS 和调度运行平台。

数据层主要包含数据采集、大数据计算和存储等数据处理服务。

应用层包含细分模块，进行终端预警显示。

3 关键数据库建立

该系统的数据库如图2 所示。

图2 系统数据库

3.1 基础地理信息数据库

专业GIS 具备基础地理信息数据，想要实现GIS空间分析就要建立基础地理信息数据库。该数据库要包含以下内容：不同比例尺行政图、地形图、地质文本等，以及省、市、县、镇、交通线、海岸、水系、地形等高线、建筑物、主要机构、学校、医院等信息。

3.2 地质数据库

由于气象异常产生地质灾害情况，会不可避免地破坏输配电网内相关基础设施，因此地质数据库在电网气象灾害监测预警系统设计中不可缺少。该数据库源于遥感影像、物探、化探获得的电网运行所覆盖的主要地形地貌、地质单元、地质岩层、泥石流、冻土、水库、区域矿产、地面沉降等相关信息。

3.3 气象数据库

设计基于气象精细化数据的电网灾害监测预警系统，气象数据库作为精细化监测预警的基础数据库，气象情况直接决定了电网是否所受气象灾害影响[10-12]。所以该系统气象数据库信息主要源于地面监测、多普勒观察、历史数据、卫星遥感所得的详细数据。包括了地方降水强度、范围、时间、持续时间、大气温、最低和最高温、大气压、大气密度、风力、雷电量级、活动范围、分布定位、台风影响范围、年均降雨量等信息。

3.4 电网生产系统数据库

电网生产系统数据库在设计中的主要数据信息包括不同电力设备结构、材料类型、电网设施以及不同设备在电网运行差异条件中的限值与各参数值。

3.5 建立系统各数据库无障碍沟通共享机制

在设计基于气象精细化数据电网灾害监测预警系统中，需要由不同部门管理不同数据库，因此需要构建各数据库之间的沟通共享机制。尤其应当重视有密切业务联系的合作部门，制定合作框架，设计数据库开发标准接口，满足无障碍沟通共享数据信息[13]。

4 系统功能实现

4.1 系统功能

在该次基于气象精细化数据的电网灾害监测预警系统设计中，主要系统功能包括以下三部分。

4.1.1 气象数据采集

经过气象自动观测、雷达、预报和强对流、大雾与红外等云图发布的不同形式气象原始数据全面采集，向数据解析模块实现安全可靠传输。自动观测站设计15 min 的数据采集周期，6 h 的格点预报数据采集周期，均为实时气象数据，全省、单站的不同雷达采集数据周期为1 h，卫星云图数据采集的静止卫星原始数据周期为1 h。

4.1.2 气象数据解析

以采集的差异化、不同采集周期下的气象数据，成功解析原始数据为预设格式文件数据，并将所获数据写在系统数据库服务器内。数据解析的预设文件格式如下：XML 格式（自动观测、站点）；TXT（气象预警）；二进制（全省雷达、卫星云图）；shp（单站雷达）[14-16]。

4.1.3 气象灾害监测预警

气象灾害监测预警能够实时准确地展示气象实况、相关预警数据，详细分析气象灾害会影响的电网资源。分析气象灾害下包括气象、台风、内涝、雷电、山火、覆冰、地震和地质等自然灾害预测的电网运行。最终通过GIS 系统采用单值图、色斑图、统计图等不同形式，将监测区域的气象变化情况实时展示，从而为电网运行气象灾害监测预警系统模型提供详细精准的数据来源。

4.2 系统实现

基于气象精细化数据的电网灾害监测预警系统，运用了层次软件结构，由上至下分别包括了气象监测数据解析、存储、地理信息和气象信息的发布、展示与应用层（见图3）。

图3 电网气象灾害监测预警系统软件实现

考虑到系统在应用中的差异化需求，采用软件结构为C/S、B/S 混合结构，将C/S 结构应用于系统客户端维护，B/S 结构应用于普通端。经过GIS 平台设计存放数据库为Oracle，运用桌面程序处理文件完成数据解析，并开发语言Flex 技术，满足系统的频繁访问气象数据计算需求。

4.2.1 准确定位系统脆性部位

运用气象灾害监测预警系统定位气象灾害时，主要以各数据库采集的详细气象数据资料为依据，获取在以往气象资料库内的典型灾害参数，向气象灾害预警系统中输入数值后，提取电网生产系统数据库的电网运行结构数据[17]。经该系统模型求解阈值通过数学模型仿真分析，可以计算获得相应的区域电网运行脆性部位分布位置并成功定位，经GIS系统能够对脆性部位所在位置由可视化输出功能模块展示。

4.2.2 灾中灾后灾害应急决策

在气象预警系统中，输入电网系统在运行过程中已经发生和正在进行的气象灾害情况的相关特征参数，包括台风风力、运行的路线和速度、变化规律、降水持续时长、降水量和降水强度等详细数据[18]。可以运用GIS 模型库的数据模型，以及气象灾害统计关系模型详细分析气象数据，通过GIS 展示获取的不同比例尺地质分布情况、灾害等级、强风强降雨、灾害范围等，快速准确定位了电网系统运行的气象灾害，有力保证了电网系统的灾后快速恢复（见图4）[19]。

图4 精细化预警气象灾害流程

5 结束语

文中设计了一款基于气象精细化数据的电网灾害监测预警系统，能够科学合理地安排电网安全稳定运行，对气象灾害可以实时准确监测、预警，对电网安全稳定运行、保障社会发展意义重大。