江門地區(qū)高壓輸電線路風力區(qū)劃分析研究

劉天紹 楊璽

【摘要】? ? 本文在現(xiàn)有電力線路附近氣象觀測資料站點少、資料年代短的情況下，利用有限的實況觀測資料，基于現(xiàn)實中對風速使用的要求，利用回歸方程分別建立風力高度轉(zhuǎn)換模型，開展江門地區(qū)氣候風速特征及對比研究和風力分布研究，開發(fā)風力區(qū)劃分布軟件，對提高輸電線路抗災(zāi)能力，降低輸電線路工程成本具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】? ? 風力區(qū)劃? ? GIS? ? 高度轉(zhuǎn)換

一、概述

電力輸電線路最大設(shè)計風速，直接影響線路的工程造價和線路的安全運行。長期以來，輸電線路的最大設(shè)計風速，主要是根據(jù)地面最大風速實測值進行高度換算、依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的《全國基本風壓分布圖》計算和根據(jù)線路運行維護經(jīng)驗估算。由于以前氣象資料站點少，且沒有考慮地形影響，在地形相對復(fù)雜、受臺風影響頻繁的華南沿海地區(qū)，則往往會出現(xiàn)較大偏[1]。設(shè)計標準過高，會導(dǎo)致大量增加輸電線路工程成本，設(shè)計標準稍低，又達不到抗風要求。

近年來，隨著自動氣象觀測站點增多，數(shù)值模式水平的提高，為最大設(shè)計風速的推算提供了條件。因此，利用自動氣象站等新型資料、歐洲中心高空間分辨率（0.75°*0.75°經(jīng)緯度）、多高度層次（地面、10m、30m、60m和100m高度）再分析風場資料，以及多年地面風場資料，結(jié)合區(qū)域高分辨率地理信息資料（高程、坡度、坡向、水系等等，資料分辨率為90m），開展微地形、微氣候風速特征及對比研究和風力分布研究，建立統(tǒng)計模型，開發(fā)風力區(qū)劃分布軟件，獲得高分辨率、準確的風力分布圖，對提高輸電線路抗災(zāi)能力，降低輸電線路工程成本具有重要意義。

二、研究內(nèi)容

本文針對目前電力系統(tǒng)輸電線路最大設(shè)計風速選取存在的問題，利用有限的氣象地面站點資料，在考慮地形影響的前提下，研究出可信的風力高度轉(zhuǎn)換模型，采用極值Ⅰ型分布和皮爾遜Ⅲ型[2]曲線等方法，利用風力高度轉(zhuǎn)換計算模型得到的不同高度的風速，估算出不同高度、不同重現(xiàn)期的最大風速。同時分析設(shè)計相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)軟件，以滿足輸電線路設(shè)計的需要，在保證線路安全的情況下降低工程成本。

本文研究內(nèi)容主要包括以下方面：

1.風力高度轉(zhuǎn)換計算模型研究。采用GIS處理技術(shù)，提取地形的高度、坡度、坡向等參數(shù)，以地面風場觀測資料為主，結(jié)合歐洲中心再分析風場資料，利用利用相關(guān)分析、回歸分析等現(xiàn)代統(tǒng)計分析方法，分沿海、平原、丘陵三個區(qū)域，建立高分辨率風力高度轉(zhuǎn)換計算模型。

2.風力區(qū)劃分布圖軟件實現(xiàn)。風力區(qū)劃分布圖軟件開發(fā)利用計算機Web技術(shù)、GIS技術(shù)、3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)，研制開發(fā)風力分布圖應(yīng)用軟件，實現(xiàn)江門地區(qū)氣象觀測站點、電力線路、電力桿塔的不同高度、不同重現(xiàn)期的最大風速圖的計算、統(tǒng)計、查詢、可視化顯示，以滿足輸電線路設(shè)計的需要，在保證線路安全的情況下降低工程成本。

三、江門市高分辨率風力高度轉(zhuǎn)換模型研究

利用ECWMF[3]的再分析風場資料，結(jié)合高分辨率DEM數(shù)據(jù)，選取預(yù)報因子，進行相關(guān)分析，對高度h處的風速建立了多元回歸轉(zhuǎn)換模型?；趯嶋H對風速的使用需求，分別建立了一般風力高度轉(zhuǎn)換模型和月平均風力高度轉(zhuǎn)換模型。

使用ECWMF的再分析風場資料，資料中有四層風場，分別為10m、30m、60m、100m。其數(shù)據(jù)分辨率為0.125°×0.125°，共有四個時次的風速。使用B（22.5，113.0）、C（22.375，112.25）、D（22.0，112.875）分別代表平原站，丘陵站，沿海站。B（22.5，113.0）在江門市區(qū)附近，海拔高度均不超過50m，周圍寬闊平坦。C（22.375，112.25）屬丘陵地形，海拔在50m—200m之間，除了西部、西南部有高山，其余均臨近平原。D（22.0，112.875）東部沿海，西部靠山，海拔在0—50m，在廣海灣附近，三個格點均處于江門市。根據(jù)實際需要，一般地，需要了解某地的高度h處的極值，或者高度h處的平均風速狀況，當了解風能狀況時使用較多。為此，分兩種方案討論模型的建立。方案一，直接將自變量V10，因變量V30，V60的實測值帶入統(tǒng)計方程擬合，得出高度h處的風速預(yù)測值，擬合的統(tǒng)計模型稱之為一般風力高度轉(zhuǎn)換模型。方案二，將自變量V10的月平均值，因變量V30，V60的月平均風速值帶入到統(tǒng)計方程進行擬合，得到高度h處的月平均風速預(yù)測值，擬合的統(tǒng)計的模型為平均風力高度轉(zhuǎn)換模型，如下所示：

Vh = a·S + b·A + c·ln（h）+d·V10 + e? ? ? ?（1）

其中，S是坡度（SLOPE），A是坡向（ASPECT），h為離地面高度，a、b、c、d、e分別是統(tǒng)計模型的參數(shù)。

四、風力區(qū)劃分布軟件實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

風力區(qū)劃分布軟件系統(tǒng)架構(gòu)采用J2EE[4]三層開發(fā)體系架構(gòu)，使用Spring+ Spring[5]的技術(shù)框架，共劃分為以下幾層：表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)服務(wù)層。

圖1? ? 系統(tǒng)架構(gòu)圖

表示層：表示層也就是客戶終端，為Web瀏覽器，采用瀏覽器作為客戶端則可減少維護保障工作，無須安裝桌面軟件，只要啟動瀏覽器即以使用本系統(tǒng)。 業(yè)務(wù)邏輯層：該層起到一個紐帶的作用，將表示層和數(shù)據(jù)庫緊密地聯(lián)系到一起。業(yè)務(wù)邏輯層不但支持客戶端讀取、存儲數(shù)據(jù)，而且在業(yè)務(wù)方面也起到了對表示層的一個支撐作用。數(shù)據(jù)庫服務(wù)層：據(jù)庫訪問層提供了對數(shù)據(jù)庫訪問的公共方法，直接支持對Oracle數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的訪問操作。

4.2 系統(tǒng)技術(shù)路線

依據(jù)研究內(nèi)容進行如下研究：三維地理信息發(fā)布與顯示、電力桿塔、線三維模型發(fā)布與顯示、風場格點數(shù)據(jù)面狀分布實時生成與符號化表達、風場信息多功能空間查詢與表達等技術(shù)與方法的研究，開展GIS子系統(tǒng)服務(wù)器端和瀏覽器端功能的設(shè)計與實現(xiàn)。

4.2.1三維地理信息發(fā)布與顯示

對江門地區(qū)分辨率30米的DEM數(shù)據(jù)和2米分辨率的高分辨率遙感影像構(gòu)建影像金字塔。在此基礎(chǔ)上，對上述兩種數(shù)據(jù)進行緩存處理。使用緩存處理后的DEM數(shù)據(jù)和高分辨率遙感影像創(chuàng)建三維場景。對三維場景生成場景緩存，發(fā)布三維場景。

4.2.2電力桿塔、線三維模型發(fā)布與顯示

根據(jù)甲方需求制作電力桿塔、線三維模型，對其進行縮放處理，使其逼近實際物體大小。為提高模型加載速度，對電力桿塔、線三維模型構(gòu)建緩存，發(fā)布三維模型。

4.2.3風場格點數(shù)據(jù)面狀分布實時生成與符號化表達

風場模型處理后的風場數(shù)據(jù)是作為格點數(shù)據(jù)按Json格式傳遞。GIS后臺獲取解析Json數(shù)據(jù)，依據(jù)江門市的地理位置屬性及格點數(shù)據(jù)的屬性構(gòu)建柵格數(shù)據(jù)集的基本屬性，并使用風場Json數(shù)據(jù)為柵格數(shù)據(jù)集賦值，再按指定的顏色表達方式對柵格數(shù)據(jù)集進行渲染。

根據(jù)用戶需求進行指定區(qū)域（備選的區(qū)域矢量數(shù)據(jù)也存放在該基本工作空間中）裁剪。然后將處理好的柵格數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為地圖層數(shù)據(jù)，添加到已經(jīng)發(fā)布了WMS服務(wù)的工作空間的地圖中，獲得該柵格數(shù)據(jù)集的WMS服務(wù)地址，加載該地址數(shù)據(jù)，得到風場數(shù)據(jù)的面狀表達。

4.2.4風場多功能空間查詢與表達

根據(jù)行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)、自動站站點矢量數(shù)據(jù)、常規(guī)站站點矢量數(shù)據(jù)和電力桿塔矢量數(shù)據(jù)的屬性進行GIS空間查詢，查詢結(jié)果以某種方式顯示。

4.3 系統(tǒng)功能架構(gòu)

4.3.1氣象觀測數(shù)據(jù)展示

對江門地區(qū)范圍內(nèi)現(xiàn)有自動站、區(qū)域站等觀測站點的極大和最大風速進行查詢、統(tǒng)計，基于GIS地圖填圖顯示各觀測站的查詢或統(tǒng)計結(jié)果。提供表單錄入和Execl文件導(dǎo)入兩種方式向系統(tǒng)追加新的風速數(shù)據(jù)。1.風速數(shù)據(jù)查詢。根據(jù)站號、站名、行政區(qū)劃，年月等條件進行模糊查詢，查詢各觀測站各月最大風速和極大風速。查詢結(jié)果使用表格顯示。2.風速統(tǒng)計。多角度實現(xiàn)對極大風速或最大風速的極值進行統(tǒng)計。3.數(shù)據(jù)錄入與導(dǎo)入。系統(tǒng)提供兩種方式向系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫追加新數(shù)據(jù)，包括表單錄入和Execl文件導(dǎo)入。表單錄入方式下，用戶可手工錄入觀測站每月極大風速和最大風速的數(shù)據(jù)并保存。4. GIS地圖數(shù)據(jù)展示?；贕IS地圖，以填圖方式展示江門所有站點風速的觀測數(shù)據(jù)或某一時段內(nèi)所有站點風速的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。除了填圖數(shù)字顯示方式外，同時實現(xiàn)江門全地區(qū)及下屬各區(qū)、縣的風場等值線、等值面展現(xiàn)方式。

4.3.2電力線路展現(xiàn)

基于GIS地圖，展現(xiàn)江門地區(qū)現(xiàn)有電力線路在地理上的分布情況。電力桿塔根據(jù)實際經(jīng)緯度在GIS地圖定位，具有按照行政區(qū)劃、線路名稱、電力桿塔ID進行線路位置定位、縮放功能。在展示方式方面，提供電力線路遠景、近景及電力桿塔三種粒度的3維場景展示，對江門地區(qū)電力線路實際分布的展現(xiàn)模擬。

4.3.3電力桿塔塔風場數(shù)據(jù)處理與展示

電力桿塔塔是電力線路的支撐節(jié)點，作為江門市風力區(qū)劃的最低層分析單元，系統(tǒng)對各個電力桿塔塔不同高度、不同重現(xiàn)期的最大風速進行計算及展現(xiàn)，在默認情況下，可顯示電力線路中各電力桿塔10m、15m、30m、50m、70m、100m高度的極大風速等，同時可根據(jù)用戶輸入的任意高度，對該高度的風場數(shù)據(jù)進行實時計算、顯示，從而滿足電力桿塔塔風力分析的實際需求。

1.格點風場數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)解析風場格點數(shù)據(jù)，根據(jù)算法生成各個電力桿塔塔10m高度風速。

2.風場查詢與統(tǒng)計。根據(jù)重現(xiàn)期、高度、線路，用戶可查詢該線路各風塔最大風速、極大風速并進行統(tǒng)計，查詢和統(tǒng)計結(jié)果以表格方式展現(xiàn)，用戶可以導(dǎo)出查詢結(jié)果。

4.3.4基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理是對系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如電力線路信息、鐵塔經(jīng)緯度、江門行政區(qū)劃信息、氣象站點信息進行動態(tài)配置，實現(xiàn)這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改和查詢。

五、結(jié)束語

本文在現(xiàn)有電力線路附近氣象觀測資料站點少、資料年代短的情況下，利用有限的實況觀測資料，基于現(xiàn)實中對風速使用的要求，利用回歸方程分別建立風力高度轉(zhuǎn)換模型，開展江門地區(qū)氣候風速特征及對比研究和風力分布研究，開發(fā)風力區(qū)劃分布軟件，對提高輸電線路抗災(zāi)能力，降低輸電線路工程成本具有重要意義。

參? 考? 文? 獻

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