電網(wǎng)雷電預(yù)警技術(shù)研究及預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目驗(yàn)收匯報(bào)

電網(wǎng)雷電預(yù)警技術(shù)研究及預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目驗(yàn)收匯報(bào)第1頁/共39頁一、背景雷電是造成輸電線路跳閘主要因素，影響著輸變電設(shè)備的安全運(yùn)行。作為“西電東送”、“云電外送”的主體支撐者，云南電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行對南方電網(wǎng)至關(guān)重要，這也對云南電網(wǎng)雷電監(jiān)測與防護(hù)能力提出了更高的要求。與傳統(tǒng)的雷電防護(hù)技術(shù)相比，雷電預(yù)警是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)雷害主動性防御必要技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)在雷雨到來前，依據(jù)預(yù)警信息提前制定調(diào)度及應(yīng)急預(yù)案，合理配置輸電線路、變電站與發(fā)電廠的工作狀態(tài)，保障電網(wǎng)安全和減少因停電給用戶帶來的經(jīng)濟(jì)損失。第2頁/共39頁一、現(xiàn)狀-目前雷電預(yù)警發(fā)展情況（國內(nèi)外）國內(nèi)外研究人員采用各種資料，對來電臨近預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了研究，主要手段：探空、雷達(dá)、衛(wèi)星、閃電定位、大氣電場以及數(shù)值模式產(chǎn)品等顯然，每種資料用于雷電預(yù)警都有其優(yōu)勢和不足，比如：閃電定位資料的實(shí)時(shí)性很好，但預(yù)警提前時(shí)間有限，并且，地閃地位資料通常比較離散，可造成外推得到的可能發(fā)生閃電的區(qū)域的空間分辨率較粗；地面電場資料的實(shí)時(shí)性很好，但其單站的預(yù)警區(qū)域范圍有限，對與移近的雷暴能夠提前預(yù)警的時(shí)間也有限；雷達(dá)資料的時(shí)空分辨率都比較好，但只有在降水粒子形成之后才會有較強(qiáng)的回波，提前預(yù)警時(shí)間同樣有限；衛(wèi)星資料的空間尺度很大，可達(dá)上錢km，但目前能夠得到的衛(wèi)星資料的時(shí)空分辨率較粗，在雷電臨近預(yù)報(bào)中的作用還有限；第3頁/共39頁二、云南雷電形成的機(jī)理-放在技術(shù)內(nèi)容云南地處低緯度高原，地理位置特殊，地形地貌復(fù)雜。主要受南孟加拉高壓氣流影響形成的高原季風(fēng)氣候，全省大部分地區(qū)冬暖夏涼，四季如春的氣候特征。全省氣候類型豐富多樣，有北熱帶、南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶、南溫帶、中溫帶和高原氣候區(qū)共７個(gè)氣候類型。復(fù)雜的地形地貌造就了云南雷暴不均勻分布。(雷電形成機(jī)理-具體)南地處低緯度高原，地理位置特殊，地形地貌復(fù)雜。主要受南孟加拉高壓氣流影響形成的高原季風(fēng)氣候，全省大部分地區(qū)冬暖夏涼，四季如春的氣候特征。全省氣候類型豐富多樣，有北熱帶、南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶、南溫帶、中溫帶和高原氣候區(qū)共７個(gè)氣候類型。復(fù)雜的地形地貌造就了云南雷暴不均勻分布。(雷電形成機(jī)理-具體)第4頁/共39頁雷電形成機(jī)理雷電是自然界中一種常見的放電現(xiàn)象。關(guān)于雷電的產(chǎn)生有多種解釋理論，通常我們認(rèn)為由于大氣中熱空氣上升，與高空冷空氣產(chǎn)生摩擦，從而形成了帶有正負(fù)電荷的小水滴。當(dāng)正負(fù)電荷累積達(dá)到一定的電荷值時(shí)，會在帶有不同極性的云團(tuán)之間以及云團(tuán)對地之間形成強(qiáng)大的電場，從而產(chǎn)生云團(tuán)對云團(tuán)和云團(tuán)對地的放電過程，這就是通常所說的閃電和響雷。具體來說，冰晶的摩擦、雨滴的破碎、水滴的凍結(jié)、云體的碰撞等均可使云粒子起電。一般云的頂部帶正電，底部帶負(fù)電，兩種極性不同的電荷會使云的內(nèi)部或云與地之間形成強(qiáng)電場，瞬間劇烈放電爆發(fā)出強(qiáng)大的電火花，也就是我們看到的閃電。第5頁/共39頁一項(xiàng)目背景和意義二項(xiàng)目目標(biāo)及歷程三項(xiàng)目技術(shù)研究目錄四項(xiàng)目建設(shè)應(yīng)用五項(xiàng)目成果第6頁/共39頁二、項(xiàng)目目標(biāo)-目標(biāo)間的邏輯1（1）對歷史雷達(dá)和閃電資料進(jìn)行分析，得出地閃發(fā)生時(shí)的雷達(dá)回波特征及相關(guān)指標(biāo)；（2）建立云南電網(wǎng)雷電預(yù)警判別方程；（廣州-進(jìn)行數(shù)據(jù)說明）（3）建立雷電云運(yùn)動軌跡預(yù)測模型；（4）建立統(tǒng)一平臺的各類雷電因素?cái)?shù)據(jù)整合接口；（5）建立云南電網(wǎng)不同等級線路的致災(zāi)臨界值和預(yù)警方案；（資料-實(shí)際應(yīng)用-通過方程結(jié)合臨界值進(jìn)行預(yù)警）（6）完成多平臺的云南電網(wǎng)雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)及運(yùn)行調(diào)試，管理人員可通過該系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握雷電活動情況，獲得雷電預(yù)警信息，及時(shí)采取應(yīng)對措施；（7）完成雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)展示平臺的選點(diǎn)實(shí)施工作。研究目標(biāo)第7頁/共39頁二、項(xiàng)目任務(wù)及指標(biāo)（去掉）2開展多源數(shù)據(jù)的雷電綜合預(yù)警方法和雷電云運(yùn)動軌跡預(yù)測模型的研究，建設(shè)云南電網(wǎng)雷電預(yù)警綜合平臺，研制出能實(shí)現(xiàn)雷電定位監(jiān)測、衛(wèi)星云圖等數(shù)據(jù)接入和綜合預(yù)警分析的電網(wǎng)雷電臨近預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)10min以內(nèi)的高精度臨近預(yù)警，以及30min內(nèi)的常規(guī)精度臨近預(yù)警，并開展雷電預(yù)警綜合平臺的實(shí)施工作。；指標(biāo)成果要求3（1）“電網(wǎng)雷電預(yù)警技術(shù)研究與云南電網(wǎng)雷電預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)”成果報(bào)告和雷電臨近預(yù)警綜合平臺；（2）核心期刊文章5-6篇（3）軟件著作權(quán)1-3項(xiàng)，專利權(quán)3-5項(xiàng)（4）培養(yǎng)青年骨干4-6名第8頁/共39頁二、項(xiàng)目組織和歷程（去掉）第一階段：2013年12月－2014年2月，雷電個(gè)例資料收集和預(yù)處理，低緯高原地區(qū)雷電發(fā)生、發(fā)展物理過程和機(jī)理研究。第二階段：2014年3－6月，全省多普勒雷達(dá)三維組網(wǎng)技術(shù)優(yōu)化，風(fēng)暴識別、追蹤和預(yù)報(bào)技術(shù)（TITAN）本地優(yōu)化，確保穩(wěn)定運(yùn)行，6月，提供初步業(yè)務(wù)產(chǎn)品，開展云南電網(wǎng)的雷電預(yù)警。第三階段：2014年7－12月；閃電的多普勒雷達(dá)識別指標(biāo)檢驗(yàn)評估和路徑預(yù)報(bào)產(chǎn)品檢驗(yàn)評估，開展運(yùn)行試驗(yàn)，優(yōu)化完善電網(wǎng)雷電預(yù)警模型，初步撰寫技術(shù)文檔材料。第四階段：2015年1月-12月，系統(tǒng)開發(fā)，建設(shè)雷電預(yù)警平臺，將氣象數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)引入平臺；雷電探測數(shù)據(jù)統(tǒng)一接口方案制定與開發(fā)。第五階段：2016年5-12月，移動終端雷電預(yù)警平臺的研究與開發(fā)，大氣電場儀購買，系統(tǒng)接入。第9頁/共39頁一項(xiàng)目背景和意義二項(xiàng)目目標(biāo)及歷程三項(xiàng)目技術(shù)研究目錄四項(xiàng)目建設(shè)應(yīng)用五項(xiàng)目成果第10頁/共39頁二、項(xiàng)目建設(shè)思路-研究點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)（研究的目的）電網(wǎng)預(yù)警技術(shù)研究及預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)電網(wǎng)預(yù)警技術(shù)研究低緯高原地區(qū)雷電發(fā)生、發(fā)展物理過程和機(jī)理研究基于多普勒雷達(dá)雷電數(shù)據(jù)的雷擊綜合預(yù)警模型研究基于GIS平臺的輸電線路預(yù)警方案實(shí)施研究雷電預(yù)警精確度的研究云南電網(wǎng)雷電綜合預(yù)警方案的研究電網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)構(gòu)建基于統(tǒng)一平臺的各類雷電因素?cái)?shù)據(jù)整合接口的研究雷電預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)平臺選點(diǎn)部署實(shí)施研究雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)綜合應(yīng)用平臺的研究開發(fā)第11頁/共39頁二、電網(wǎng)預(yù)警技術(shù)研究-技術(shù)路線（研究的一個(gè)部分）第12頁/共39頁三、電網(wǎng)預(yù)警技術(shù)研究雷暴識別指標(biāo)研究雷達(dá)資料：云南省C波段多普勒天氣雷達(dá)觀測資料（連續(xù)）地閃資料：云南閃電定位網(wǎng)觀測資料（連續(xù)）探空資料：云南省5個(gè)探空站的探空資料（08時(shí)，20時(shí)）第13頁/共39頁雷暴識別指標(biāo)研究（1）30dBZ的雷達(dá)回波強(qiáng)度發(fā)展到-10℃等溫線高度是雷暴云首次地閃發(fā)生最好的預(yù)警指標(biāo)。（2）VIL與地閃頻數(shù)相關(guān)性較差，特別是從兩者疊加來看，最大垂直液態(tài)水含量不能預(yù)警地閃的發(fā)生區(qū)域。（3）無論從時(shí)間和空間演變來看，地閃頻數(shù)與大于30dBZ雷達(dá)回波面積的變化具有一定的相關(guān)性，其中-10℃等高平面上大于30dBZ的回波面積變化和地閃頻數(shù)演變存在線性相關(guān)。4）單單體雷暴發(fā)展迅速，生消過程較短；多單體雷暴存在多個(gè)對流單體的生消以及相互作用，導(dǎo)致多單體雷暴持續(xù)時(shí)間長和地閃活動劇烈；超級單體易產(chǎn)生強(qiáng)烈和持久的強(qiáng)對流雷暴天氣和雷電活動；颮線是線性排列的多單體雷暴，對流雷暴單體更具有組織性，雷暴天氣更加強(qiáng)烈，往往產(chǎn)生較長的雷電活動和雷擊災(zāi)害。（5）強(qiáng)盛的上升氣流利于雷暴內(nèi)荷電的產(chǎn)生，地閃頻數(shù)與-10℃、-20℃層結(jié)高度上的回波強(qiáng)度及強(qiáng)回波高度和回波頂高等雷達(dá)回波因子具有較好相關(guān)性，監(jiān)測雷達(dá)回波特征指標(biāo)的演變可以較好地預(yù)測中尺度對流系統(tǒng)地閃的發(fā)生和頻數(shù)變化。三、電網(wǎng)預(yù)警技術(shù)研究第14頁/共39頁雷暴云團(tuán)移動路徑外推技術(shù)研究雷暴云團(tuán)的移動是平流和傳播共同作用了結(jié)果，通過引入TITAN和TREC矢量場（二維徑向風(fēng)場）算法，在強(qiáng)風(fēng)暴的識別、追蹤路徑預(yù)報(bào)和雷暴云團(tuán)移動在傳播方面的信息等提供有力的技術(shù)支撐，提高了最終的雷電的預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度。三、電網(wǎng)預(yù)警技術(shù)研究第15頁/共39頁雷暴云團(tuán)外推預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)評估三、電網(wǎng)預(yù)警技術(shù)研究為評估本項(xiàng)目中雷暴云團(tuán)路徑預(yù)報(bào)方法的準(zhǔn)確性，項(xiàng)目組對2015年5-9月所有天氣雷達(dá)回波（約26萬個(gè)文件,5460G數(shù)據(jù)量）進(jìn)行了實(shí)況和外推15和30分鐘預(yù)報(bào)的對照評估，并采用天氣預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)的TS評分方法進(jìn)行評價(jià)第16頁/共39頁多普勒天氣雷達(dá)三維組網(wǎng)技術(shù)研究三、電網(wǎng)預(yù)警技術(shù)研究在本項(xiàng)目中，為了對云南全省范圍內(nèi)的強(qiáng)對流天氣進(jìn)行有效的監(jiān)測、追蹤和預(yù)警，并在此基礎(chǔ)上研究開發(fā)相應(yīng)的雷電預(yù)警產(chǎn)品，需要使用已建成的昆明、昭通、文山、普洱、麗江、大理、德宏等已投入業(yè)務(wù)運(yùn)行多普勒天氣雷達(dá)和正在建設(shè)的臨滄、曲靖多普勒天氣雷達(dá)采集的實(shí)時(shí)立體掃描資料進(jìn)行三維組網(wǎng)拼圖，并使用三維拼圖數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行雷電區(qū)域識別及路徑追蹤的計(jì)算。單站多普勒天氣雷達(dá)反射率因子插入單站格點(diǎn)化采用最近鄰居法和線性內(nèi)插法多個(gè)交叉重疊采用距離指數(shù)權(quán)重平均法第17頁/共39頁多普勒天氣雷達(dá)三維組網(wǎng)技術(shù)研究三、電網(wǎng)預(yù)警技術(shù)研究在監(jiān)測圖1為系統(tǒng)位于滇中北部時(shí)切線系統(tǒng)完整的輪廓，并可以清晰的看出切變線系統(tǒng)不同位置對流的發(fā)展情況，為制作精細(xì)化預(yù)警和應(yīng)急處置提供了重要信息，規(guī)避了長期以來短期天氣預(yù)報(bào)按天氣系統(tǒng)預(yù)報(bào)，無法區(qū)分系統(tǒng)不同部位的發(fā)展強(qiáng)弱的差異，圖2為系統(tǒng)南移至滇南減弱消散時(shí)的特征，通過三維組網(wǎng)拼圖技術(shù)，有效了優(yōu)化了監(jiān)控責(zé)任區(qū)。圖1圖2第18頁/共39頁雷電綜合預(yù)警技術(shù)研究三、電網(wǎng)預(yù)警技術(shù)研究針對云南特定的地理特點(diǎn)，單一的預(yù)警方式容易存在覆蓋范圍不足及預(yù)警不夠準(zhǔn)確的情況，通過雷電定位監(jiān)測結(jié)合氣象多普勒雷達(dá)、大氣電場儀綜合預(yù)警的方式，可以提高雷電預(yù)警的及時(shí)性、準(zhǔn)確性和范圍性。氣象多普勒雷達(dá)大氣電場儀雷電定位監(jiān)測雷電預(yù)警第19頁/共39頁

利用電場時(shí)間序列的地閃發(fā)生前電場頻繁調(diào)動特征來探測雷云電場，避免基于大氣電場閥值報(bào)警誤報(bào)較多的問題，然后在結(jié)合雷電定位系統(tǒng)的信息最終確認(rèn)雷電預(yù)警等級，進(jìn)行雷電預(yù)測雷電綜合預(yù)警技術(shù)研究氣象預(yù)警氣象雷電15分鐘預(yù)警氣象雷電30分鐘預(yù)警大氣電場儀實(shí)時(shí)監(jiān)測10min大氣電場場強(qiáng)累加計(jì)算場強(qiáng)判斷是否雷云電場接近雷電定位雷電精確定位監(jiān)測雷電預(yù)警生成雷電預(yù)警結(jié)果第20頁/共39頁雷電綜合預(yù)警臨界值預(yù)警方式預(yù)警等級預(yù)警臨界值實(shí)現(xiàn)功能雷電預(yù)警紅預(yù)測時(shí)間段內(nèi)25km范圍有20個(gè)雷電省、市地區(qū)型雷電活動預(yù)警橙預(yù)測時(shí)間段內(nèi)25km范圍有10個(gè)雷電黃預(yù)測時(shí)間段內(nèi)25km范圍有5個(gè)雷電或預(yù)警傳感站報(bào)警第21頁/共39頁電網(wǎng)雷電預(yù)警方式實(shí)現(xiàn)研究通過格點(diǎn)化數(shù)據(jù)，將預(yù)警數(shù)據(jù)與電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，進(jìn)而對電網(wǎng)相關(guān)設(shè)備開展雷電預(yù)警預(yù)報(bào)服務(wù)。三、電網(wǎng)預(yù)警技術(shù)研究第22頁/共39頁SoftwareDivision@YEPRI23

通過選取某時(shí)刻的雷電預(yù)警數(shù)據(jù)與雷電定位數(shù)據(jù)；選取區(qū)域?qū)纂婎A(yù)警數(shù)據(jù)與雷電定位數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，獲得雷電預(yù)警與雷電定位數(shù)據(jù)中雷電流幅值矩陣與雷電次數(shù)矩陣；通過R語言計(jì)算雷電預(yù)警與雷電定位兩套數(shù)據(jù)間關(guān)于雷電流幅值、雷電次數(shù)矩陣的相關(guān)系數(shù)，并基于相關(guān)系數(shù)對同一地區(qū)的下一時(shí)刻預(yù)警數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，修正后的雷電預(yù)警數(shù)據(jù)與雷電定位數(shù)據(jù)更加接近，實(shí)現(xiàn)通過雷電定位數(shù)據(jù)提升雷電預(yù)警數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的目的。三、電網(wǎng)預(yù)警技術(shù)研究雷電數(shù)據(jù)對比研究及算法修正研究第23頁/共39頁四、研究成果實(shí)現(xiàn)雷電定位監(jiān)測、多普勒雷達(dá)衛(wèi)星云圖等數(shù)據(jù)接入和綜合預(yù)警分析的，建設(shè)了電網(wǎng)雷電臨近預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)10min以內(nèi)的高精度臨近預(yù)警，以及30min內(nèi)的常規(guī)精度臨近預(yù)警，開展雷電預(yù)警綜合平臺的應(yīng)用。第24頁/共39頁一項(xiàng)目背景和意義二項(xiàng)目目標(biāo)及歷程三項(xiàng)目技術(shù)研究目錄四項(xiàng)目建設(shè)應(yīng)用五項(xiàng)目成果第25頁/共39頁四、電網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)-系統(tǒng)定位第26頁/共39頁四、電網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)-軟硬件架構(gòu)第27頁/共39頁28四、電網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)-系統(tǒng)架構(gòu)第28頁/共39頁雷電預(yù)警雷電定位大氣電場儀多普勒雷達(dá)預(yù)警數(shù)據(jù)、雷電監(jiān)測系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)、大氣電場儀監(jiān)測三種數(shù)據(jù)在地圖顯示效果。四、電網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)-雷電預(yù)警、定位、大氣電場儀第29頁/共39頁服務(wù)端通過.NET技術(shù)，承載各類監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)警數(shù)據(jù)的展現(xiàn)，并將數(shù)據(jù)提供給PC機(jī)和移動終端，為各類用戶提供直觀、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)服務(wù)?，F(xiàn)有各平臺的雷電數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)復(fù)用性差，各類數(shù)據(jù)格式無法統(tǒng)一，無法集中查詢某一歷史區(qū)間的所有數(shù)據(jù)。因此，開展整合數(shù)據(jù)接口的研究與建設(shè)，能夠?qū)M(jìn)行各類數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并提供規(guī)范的數(shù)據(jù)接口供其它平臺調(diào)用，同時(shí)提供高效率的數(shù)據(jù)檢索與統(tǒng)計(jì)分析服務(wù)。四、電網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)-接口技術(shù)研究及服務(wù)端軟件的開發(fā)第30頁/共39頁

針對電網(wǎng)系統(tǒng)的輸電線路，提出一種基于歷史雷電定位和電網(wǎng)跳閘數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性研究的評估方法。通過研究歷史雷電定位數(shù)據(jù)，我們可以得出該地區(qū)歷史雷電預(yù)測的準(zhǔn)確度。在雷電預(yù)警發(fā)布時(shí)，我們可以結(jié)合歷史跳閘數(shù)據(jù)以及歷史雷電預(yù)測準(zhǔn)確度，計(jì)算出雷電發(fā)生時(shí)該地區(qū)