基于多要素動(dòng)態(tài)權(quán)重算法的雷電風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)警技術(shù)研究

孫世軍，韓 洪

（國網(wǎng)山東省電力公司，山東省 濟(jì)南市，250000）

Research on Intelligent Lightning Risk Early Warning Technology Based on Multi-factor Dynamic Weight Algorithms

SUN ShiJun,HAN Hong

(State Grid Shandong Electric Power Company, Jinan City, Shandong Province, 250000)

Abstract: Intelligent lightning risk early warning technology based on multi-factor dynamic weight algorithm is studied. Real-time atmospheric electric field data are accessed to realize the standardized access of real-time data of atmospheric electric field meter. Through the multi-factor dynamic weight algorithm based on incremental data, the lightning location data, atmospheric electric field meter data and Doppler radar data are fused rapidly and intelligent early warning is realized. Through the lightning early warning area, monitoring location and power grid facilities analysis and judgment technology of power grid GIS, combined with real-time meteorological monitoring data on site, it is associated with power grid equipment of power grid GIS platform, which can be accurately labeled as follows: In the area where lightning will occur, the moving trend of thunderclouds will be judged, and lightning-prone poles and towers will be quickly located, which will provide technical support for better monitoring system of transmission and distribution lines and disaster prevention and mitigation in the future.

Key words: multi-factor;dynamic weight algorithm;lightning early warning; risk analysis;intelligent early warning

摘要：基于多要素動(dòng)態(tài)權(quán)重算法的雷電風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)警技術(shù)研究，接入實(shí)時(shí)大氣電場數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)大氣電場儀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的規(guī)范化接入。通過基于增量數(shù)據(jù)的多要素動(dòng)態(tài)權(quán)重算法，實(shí)現(xiàn)雷電定位數(shù)據(jù)+大氣電場儀數(shù)據(jù)+多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)的快速融合及智能預(yù)警；通過電網(wǎng) GIS的雷電預(yù)警區(qū)域、監(jiān)測定位及電網(wǎng)設(shè)施分析研判技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)時(shí)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，與電網(wǎng)GIS平臺(tái)的電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)，準(zhǔn)確標(biāo)注即將發(fā)生閃電的區(qū)域，判斷雷云的移動(dòng)趨勢(shì)，快速定位易受雷擊桿塔，為今后更優(yōu)化的輸配電線路監(jiān)控體系及防災(zāi)減災(zāi)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：多要素；動(dòng)態(tài)權(quán)重算法；雷電預(yù)警；風(fēng)險(xiǎn)分析；智能預(yù)警

0  引言

山東省位于中緯度，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，受冷暖空氣和海陸相互作用的共同影響，強(qiáng)對(duì)流天氣活動(dòng)頻繁。據(jù)歷年氣象資料統(tǒng)計(jì)，山東省年平均雷暴日數(shù)在16~38天之間，屬于雷暴活動(dòng)較頻繁的多雷區(qū)。雷電的高電壓、大電流、時(shí)間短和強(qiáng)電磁輻射等特征，使其具有很強(qiáng)的破壞性，在三維空間對(duì)一切微電子設(shè)備、供配電系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成威脅，給各行各業(yè)造成重大破壞，被國際電工委員會(huì)（IEC）稱為“電子化時(shí)代的一大公害”。加強(qiáng)雷電及雷電防護(hù)、預(yù)警等相關(guān)的研究，防御和減輕雷電災(zāi)害顯得非常重要。

開展多要素動(dòng)態(tài)權(quán)重算法的雷電風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)警技術(shù)的研究，通過雷電預(yù)警主動(dòng)研判，綜合利用雷電定位數(shù)據(jù)+大氣電場儀數(shù)據(jù)+多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)，能夠增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行、電網(wǎng)檢修、電網(wǎng)防汛、電網(wǎng)營銷、電網(wǎng)建設(shè)、電網(wǎng)應(yīng)急等各專業(yè)精準(zhǔn)管控能力，最大限度減少雷電災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)的影響，對(duì)提高山東電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)綜合監(jiān)測預(yù)警技術(shù)水平具有重要意義。

1  國內(nèi)外現(xiàn)狀

國內(nèi)外傳統(tǒng)的雷電監(jiān)測手段是通過現(xiàn)有的閃電定位網(wǎng)來進(jìn)行觀測，目前國內(nèi)的閃電定位技術(shù)均是采用磁場定向法（MDF）與基于GPS授時(shí)的時(shí)差法（TOA）兩種技術(shù)相融合，但其只能觀測到閃電發(fā)生后的數(shù)據(jù)，不能預(yù)先對(duì)即將發(fā)生雷電的區(qū)域進(jìn)行預(yù)警預(yù)告，且定位坐標(biāo)也時(shí)有較大的偏差，容易對(duì)應(yīng)急搶修造成誤導(dǎo)。

開展基于多要素動(dòng)態(tài)權(quán)重算法的雷電風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)警技術(shù)研究可實(shí)現(xiàn)提前5-30分鐘左右的進(jìn)行雷電預(yù)警，通過對(duì)電場強(qiáng)度的連續(xù)觀測，可判斷云團(tuán)移動(dòng)趨勢(shì)和方向，為電網(wǎng)雷電監(jiān)測預(yù)警體系建設(shè)提供了重要的技術(shù)保障手段。當(dāng)前電網(wǎng)GIS平臺(tái)與山東省氣象局專業(yè)氣象信息數(shù)據(jù)的深度結(jié)合應(yīng)用，使得山東電網(wǎng)災(zāi)害性天氣監(jiān)測和預(yù)警能力得到了很大的提高，但針對(duì)強(qiáng)對(duì)流雷擊雷暴災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力較弱，不能提前進(jìn)行有針對(duì)性的精細(xì)預(yù)警及趨勢(shì)分析。開展多要素動(dòng)態(tài)權(quán)重算法的雷電風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)警技術(shù)研究可實(shí)現(xiàn)提前5-30分鐘左右的雷電預(yù)警，準(zhǔn)確告知某桿塔附近電場異常、是否易接閃或已接閃，通過對(duì)電場強(qiáng)度的連續(xù)觀測，可判斷云團(tuán)移動(dòng)趨勢(shì)和方向，實(shí)現(xiàn)基于大氣電場儀的數(shù)據(jù)采集、分析、基于電網(wǎng)GIS的智能雷電預(yù)警、基于電網(wǎng)GIS的強(qiáng)對(duì)流預(yù)警等功能。

2  研究內(nèi)容

多要素是由預(yù)警區(qū)域的實(shí)測可信賴要素?cái)?shù)據(jù)、該要素物理模型理論推斷的數(shù)據(jù)、相關(guān)氣象要素?cái)?shù)據(jù)組成。動(dòng)態(tài)權(quán)重根據(jù)不同時(shí)空條件下歷史數(shù)據(jù)分析得出，并在一次預(yù)警算法結(jié)果經(jīng)歷史數(shù)據(jù)的概率和密度進(jìn)行回歸驗(yàn)證后動(dòng)態(tài)調(diào)整。大氣電場因子：以0.25kV/M為一個(gè)步長，取64個(gè)步長，超過16kV/M統(tǒng)一級(jí)別為64；雷達(dá)強(qiáng)回波因子：對(duì)應(yīng)雷達(dá)色標(biāo)為一個(gè)步長，總共1至16個(gè)步長；閃電定位數(shù)據(jù):以該格點(diǎn)周圍35公里內(nèi)閃電計(jì)數(shù)，表達(dá)式為1+n/5。為解決雷電預(yù)警涉及要素多、精度要求高等困難，創(chuàng)新應(yīng)用多要素動(dòng)態(tài)權(quán)重算法，在實(shí)時(shí)觀測中，只有大氣電場才能對(duì)雷電的起始、發(fā)展、活躍、消散四個(gè)過程全程進(jìn)行數(shù)值跟蹤，閃電定位數(shù)據(jù)體現(xiàn)在雷電發(fā)生以后的事件，雷達(dá)資料又有時(shí)間上的到達(dá)差異（一般數(shù)據(jù)時(shí)差在12分鐘），故在預(yù)警模型建立的時(shí)候，確定了以大氣電場為核心建模。

多要素動(dòng)態(tài)權(quán)重算法的雷電風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)警技術(shù)研究與應(yīng)用包括雷電風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)警技術(shù)研究，大氣電場儀實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)與雷電實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)、多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)的多要素動(dòng)態(tài)融合，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在電網(wǎng)監(jiān)測中的應(yīng)用等內(nèi)容，主要內(nèi)容如下：

2.1雷電風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)警技術(shù)研究

雷電預(yù)警是指在雷擊發(fā)生前的10~30分鐘左右發(fā)出警告訊號(hào)，提醒或告知那些在野外作業(yè)的人員，及時(shí)采取適當(dāng)?shù)拇胧┍芾?。IEC研究認(rèn)為，“雷電預(yù)警”主要有三個(gè)方面的作用：提醒野外作業(yè)人員及時(shí)停止火暫停室外作業(yè)，進(jìn)入安全地帶避雷，防止雷擊傷害；對(duì)某些可能造成重大危害的作業(yè)，雷擊前及時(shí)采取適當(dāng)措施，防止重大雷擊事故發(fā)生。比如：易燃易爆場所的室外作業(yè)，此時(shí)必須停止或暫停；采取自動(dòng)分合閘系統(tǒng)使供電線路隔離雷電，對(duì)一些重要設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

在雷雨云層形成或靠近的時(shí)候，對(duì)地靜電場的電場強(qiáng)度開始急劇變化，測量此電場強(qiáng)度可以在第一個(gè)雷電產(chǎn)生前偵測到雷雨的出現(xiàn)，測量的實(shí)現(xiàn)是依靠電場風(fēng)車類型的偵測探頭。此偵測探頭根據(jù)配置可以偵測到20公里以外靠近的雷雨云層并能夠靈敏的偵測到電場強(qiáng)度的提升。

圖1-大氣電場儀監(jiān)測波形分析

2.2大氣電場儀實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)與雷電實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)、多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)的多要素動(dòng)態(tài)融合

通過雷電預(yù)警主動(dòng)研判，綜合利用雷電定位數(shù)據(jù)+大氣電場儀數(shù)據(jù)+多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于大氣電場儀數(shù)據(jù)采集、分析、基于電網(wǎng)GIS的智能雷電預(yù)警、基于電網(wǎng)GIS的強(qiáng)對(duì)流預(yù)警等功能。結(jié)合多普勒雷達(dá)及雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流及雷電預(yù)警識(shí)別及分級(jí)預(yù)警。根據(jù)電場強(qiáng)度、距離，結(jié)合多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)及雷電監(jiān)測定位數(shù)據(jù)進(jìn)行雷電風(fēng)險(xiǎn)因子評(píng)估。雷電預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)因子=大氣電場因子*雷達(dá)回波因子*閃電定位預(yù)警因子*核心建模計(jì)算方程式。

當(dāng)電場儀測量點(diǎn)周圍55公里以內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)2次閃電定位數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)將判斷此時(shí)測站點(diǎn)周圍可能有雷暴活動(dòng)，自動(dòng)根據(jù)閃電定位數(shù)據(jù)繪制閃電移動(dòng)軌跡圖，并提升預(yù)警信號(hào)權(quán)重；自動(dòng)計(jì)算出離電場儀監(jiān)測站點(diǎn)40公里以內(nèi)有多少次閃電的發(fā)生，且該閃電距離該電場儀的距離，方便作出數(shù)據(jù)對(duì)比。利用閃電定位數(shù)據(jù)資料，形成閃電移動(dòng)軌跡圖，判斷閃電是否向監(jiān)測點(diǎn)靠近還是遠(yuǎn)去，適時(shí)的提升預(yù)警系統(tǒng)的靈敏度，當(dāng)判斷出閃電向我方移動(dòng)，此時(shí)電場有微弱的變化，即使沒到達(dá)電場儀雷電預(yù)警設(shè)定的門檻閾值，也可根據(jù)閃電定位數(shù)據(jù)庫中設(shè)定的觸發(fā)預(yù)警模式時(shí)的閃電定位數(shù)據(jù)資料及時(shí)報(bào)警，起到防災(zāi)減災(zāi)的作用。

以電網(wǎng)GIS地圖為基礎(chǔ)，疊加衛(wèi)星圖、地形圖、平面圖等各種地圖模式，同時(shí)集成地圖測距、地圖邊界繪制等功能。疊加多普勒雷達(dá)組合拼圖數(shù)據(jù)，手動(dòng)選擇雷達(dá)回波強(qiáng)度，進(jìn)行綜合展示分析。疊加雷電監(jiān)測定位數(shù)據(jù)，直觀展示受影響范圍及程度。結(jié)合多普勒雷達(dá)及雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流及雷電預(yù)警識(shí)別及分級(jí)預(yù)警。

半徑圓內(nèi)顯示綠色：無雷電活動(dòng)

半徑圓內(nèi)顯示黃色：雷電一級(jí)預(yù)警、遠(yuǎn)方雷電活動(dòng)

半徑圓內(nèi)顯示橙色：雷電二級(jí)預(yù)警、近處雷電活動(dòng)、預(yù)計(jì)5-20分鐘后到達(dá)

半徑圓內(nèi)顯示紅色：雷電三級(jí)預(yù)警、本地雷電活動(dòng)、隨時(shí)會(huì)發(fā)生雷電。

圖2-多要素動(dòng)態(tài)權(quán)重雷電風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

2.4物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在電網(wǎng)監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用研究

在本項(xiàng)目中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要應(yīng)用于大氣電場數(shù)據(jù)傳輸、輸電線路監(jiān)控、桿塔防護(hù)、遠(yuǎn)程控制等方面。傳感器網(wǎng)絡(luò)作為智能電網(wǎng)末梢信息感知不可或缺的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，可以全方位提高智能電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)的信息感知深度、廣度以及密度，為實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能化以及“信息流、業(yè)務(wù)流、電力流的高度融合”提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。物聯(lián)網(wǎng)的相應(yīng)技術(shù)和產(chǎn)品將可以廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、變、配、用環(huán)節(jié)，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

利用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)警實(shí)時(shí)監(jiān)測與應(yīng)急精準(zhǔn)搶修的融合，根據(jù)大氣電場強(qiáng)度具有的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性，能準(zhǔn)確區(qū)分出雷電危害的高中低區(qū)域；綜合線路故障測距與雷電監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確判斷線路跳閘是否是因雷擊引起；依托LBS位置定位與物聯(lián)設(shè)備支持的視頻監(jiān)控，進(jìn)一步確認(rèn)故障現(xiàn)場。

3  結(jié)語

基于多要素動(dòng)態(tài)權(quán)重算法的雷電風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)警技術(shù)研究，接入實(shí)時(shí)大氣電場數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)大氣電場儀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的規(guī)范化接入。通過基于增量數(shù)據(jù)的多要素動(dòng)態(tài)權(quán)重算法，實(shí)現(xiàn)雷電定位數(shù)據(jù)+大氣電場儀數(shù)據(jù)+多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)的快速融合及智能預(yù)警；通過電網(wǎng) GIS的雷電預(yù)警區(qū)域、監(jiān)測定位及電網(wǎng)設(shè)施分析研判技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)時(shí)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，與電網(wǎng)GIS平臺(tái)的電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)，準(zhǔn)確標(biāo)注即將發(fā)生閃電的區(qū)域，判斷雷云的移動(dòng)趨勢(shì)，快速定位易受雷擊桿塔，為今后更優(yōu)化的輸配電線路監(jiān)控體系及防災(zāi)減災(zāi)提供技術(shù)支撐。

多要素動(dòng)態(tài)權(quán)重算法的雷電風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)警技術(shù)在電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測、線路巡視、應(yīng)急搶修、保障電網(wǎng)安全平穩(wěn)運(yùn)行等方面具有重要意義。該研究可提前優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行方式，提高故障后巡線效率，減少經(jīng)濟(jì)損失，提高公司社會(huì)形象和客戶滿意度，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效應(yīng)。具體體現(xiàn)在提高電網(wǎng)雷電監(jiān)測預(yù)警精細(xì)化程度，加強(qiáng)電網(wǎng)雷電災(zāi)害的主動(dòng)預(yù)警及研判，有效提高雷電監(jiān)測的技術(shù)手段，提前預(yù)警可能遭受雷擊桿塔位置，對(duì)優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行方式，正確快速應(yīng)急處置，合理分配各種資源，保障主動(dòng)精準(zhǔn)服務(wù)，有力提升公司日常生產(chǎn)工作及應(yīng)急處置效率。

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