气象灾害风险智能分析及预警系统

杨笑宇，张　胜，王守琴，孙新德

（1.南瑞集团北京科东公司，北京　100192；2.华中电网有限公司，武汉　430000）

气象灾害风险智能分析及预警系统

杨笑宇1，张胜2，王守琴1，孙新德2

（1.南瑞集团北京科东公司，北京100192；2.华中电网有限公司，武汉430000）

气象灾害是影响电力系统稳定运行的一个重要因素。通过对电力设备故障与气象灾害之间的关系进行研究，建立故障数据库，找到引起故障的主要气象因素，建立从气象灾害到电网设备故障的数据映射模型，结合电网地理信息系统绘制电网气象灾害区划图。

气象灾害；设备故障；气象预警；色斑图；文本解析

0　引言

近年来，随着电网规模的不断扩大和延伸，雷电、冰冻、暴（雨）雪、台风等灾害性天气［1］对电网安全运行的影响也越来越大。华中电网所处的地理环境和气象条件复杂，灾害天气对电网的影响严重。统计数据表明，由于灾害天气（线路覆冰、雷击、大风等）所造成的线路跳闸次数占总量的60%以上。为了应对灾害天气、提高电网安全运行水平，开展恶劣气象灾害预警的研究是十分必要的。

在实时气象监测方面，电网公司通过安装监测装置，实现对局部地区天气高精度监测。但监测点的部署仅在相对较小的区域，覆盖率低，安装维护极为艰难，设备可靠性偏低。另外，自然条件和设施费用的制约，使得提高微气象覆盖范围难度很大。在气象预报方面，由于气象部门无法针对灾害天气进行长期、非常规手段（加密观测等）预报，并且地方气象部门由于技术水平和计算条件的制约，只提供定性的气象预报，在预报精度（气象、地理位置等）方面还远远无法满足电力公司对灾害天气预报的要求。在气象与电网关联方面，气象信息与电网的联系不够紧密，无法用地理信息系统（GIS）等先进技术和手段准确地提供电网输电线路和设备所处位置的气象信息。因此，迫切需要从已有的、粗粒度的气象数据中，获得对电网设备的及时、准确预警，建设一套集成度高、功能全面、与电网紧密结合的电网气象信息预警系统［2］。

本系统基于GIS地理信息平台［3-5］，以全景化、多角度方式展示电网设备的空间地理位置、网络拓扑结构、设备状态和气象等信息；通过对电网运行过程中因气象灾害引发的输电线路和设备故障进行全面分析，建立电网气象灾害风险智能分析及预警模型。系统结合气象实时信息、气象预报信息及灾害预警信息，利用色斑图生成算法［6］、插值算法［7］、文本解析算法［8］，对可能受到影响的输电线路和设备进行预警，为降低灾害性天气对电网安全稳定运行和可靠供电带来的不利影响提供技术支持。

1　系统算法简介

1.1色斑图生成算法

系统中基于GIS的色斑图分为2种，基于行政区矢量轮廓进行着色和基于等值线进行着色。基于政区矢量轮廓的色斑图，重点在于获取行政区轮廓。行政区包括省、市、区、县，轮廓用一系列二维坐标点描述，需要使用程序解析shp文件后保存成系统所需的xml格式文件。基于等值线的色斑图，首先获取气象采集站点的数据，并将华中区域划分成m×n的网格；使用反距离加权算法对网格点进行插值；连接网格的对角线，获得2×m×n个Delaunay三角形，在所有的三角形中追踪等值线，并在边界三角形上添加数值变大的方向向量；根据向量的方向，确定等值线两侧的区域颜色，得到色斑图。

基于行政区矢量轮廓的色斑图是根据对某地区的气象预报，在地理信息平台上进行块着色，因此，使用唯一可识别的代码“地名”来标识地理对象，即“地名”在地图上所指示的地区范围，建立地名与GIS平台上矢量区域的映射，从而将文件或数据库中的地名信息转换成可以被用于GIS的地理对象。

1.2预警文件解析算法

中文分词算法包括很多种，其中基于字符串匹配的分词算法，又被称为机械分词方法、基于词典的分词方法［9］，是按照一定的策略将需要分析的汉字字符串与一个足够大、内容足够丰富的词典中的词进行匹配。如果在扫描的过程中匹配到某个字符串，则表示识别出一个字符串。该方法的关键点包括词典、文本的扫描顺序和字符串匹配的原则。词典定义了所关心目标字符串的集合，文本的扫描顺序包括正向、反向和双向扫描，匹配原则包括最大匹配、最小匹配、逐词匹配和最佳匹配。

考虑到项目中所涉及气象预警文件的特点，经过反复代码测试，系统使用基于词典的正向最大匹配分词算法和正则表达式匹配相结合的方法，从文本中提取关键信息。

1）词典建立。词典包括：地名词典、暴雨等级词典。同时定义正则表达式，其中，正则表达式主要用来匹配时间（××××年××月××日）、风力（10级）等。

2）正则表达式匹配。正则表达式用来匹配具有一定规律，但不能进行简单枚举字符串匹配的信息。

3）分词算法选择。经过反复代码测试，最终选择准确度和效率适中的正向最大减字分词算法。

4）分词结果重组。使用分词算法得到类似“湖南、南部、大暴雨”的序列之后，需要将地名与方位、气象条件组合，把“湖南、南部、大暴雨”组合成 “湖南南部-＞大暴雨”，以便与行政区矢量图结合绘制色斑图。

1.3矢量图形相交计算

系统涉及的矢量图形包括多边形 （矢量轮廓）、折线（线路）、点（厂站），其相对位置关系判断方法也不尽相同。

判断一条折线与多边形交点的个数，延伸到系统中，即计算线路与地区轮廓的交集：对每一条线路和每一个地区轮廓，确定每两个杆塔之间的直线段与地区轮廓是否相交，如果相交，将线路在此交点处进行分割，生成两条子线路，以此类推，直到线路末尾；判断每一条子线路与轮廓的位置关系，保留判断结果在轮廓内的子线路作为线路与轮廓的交集。

2　预警模型

线路预警结果集基于气象预报、预警文件、天气实况、线路参数、线路故障生成。由于从不同类型数据表中获取的数据格式和表示方式存在差异，首先将气象数据映射到每个设备预警专题上，映射关系如表1所示。

根据时间和综合预警类型获取对应表格中的气象数据，确定设备预警等级与气象情况的对应关系，如表2所示。

表1　气象专题与设备预警映射表

气象台预警和预报数据以行政区为单位，根据设备与地区轮廓的交集计算出受影响的线路和线路段，结合气象数据及表1～2，映射得到设备的预警等级；历史实况数据以气象采集站点为单位，使用反距离加权插值算法对每个线路段进行气象数据插值，再根据插值结果和表1～2中所对应的等级进行线路段预警等级的映射。最后，将根据气象台预警、预报和历史实况得到的设备预警进行合并。

表2　气象专题与设备预警等级定义表

与历史灾害信息结合，对以往易发生故障的设备适当提高预警等级，以达到重点提醒的目的。

3　系统架构

3.1技术架构

系统采用B/S架构，方便用户使用web浏览器进行应用访问。前台展示使用富客户端FLEX技术，以多样化的方式展示系统内容。后台使用面向对象的java技术进行数据访问和业务逻辑处理，很好地衔接了底层数据和用户需求，底层数据来源于气象系统数据库和预警文件。气象灾害风险智能分析及预警系统技术架构如图1所示。

图1　气象灾害风险智能分析及预警系统技术架构

3.2功能架构

系统从不同的数据源获取数据，经过数据的抽取，转换得到统一格式数据，然后根据预警模型对数据进行再次计算得到预警结果，最后以色斑图、表格、图表等多样化的形式展示气象灾害预警结果。系统功能结构如图2所示。

图2　系统功能结构

数据采集功能。系统从多个系统中获取所需数据，包括：气象检测分析系统、雷电定位系统、覆冰检测系统、电网GIS平台数据、OMS系统、调度数据平台。数据来源较多，格式也不尽相同，为了保证系统运行数据的正确性，准确定义数据源到系统数据的映射关系和精度是非常有必要的。例如，从气象系统数据库中获得的原始气象预报数据以文本形式描述，格式很不固定，为了能在地图上以色斑图形式展示，需要提取文本中的关键字。关键字的提取借助预警文件解析技术，从类似“雷阵雨转多云”的字段中解析出最恶劣的气象条件“雷阵雨”，并重新组织格式存储到数据库中。

信息展示与查询功能。系统基于华中地理信息平台展示500 kV电网设备分布情况，提供行政图与地理图的切换，支持在地图上按照实际的GPS坐标绘制包括杆塔在内的电网设备，使用色斑图的方式展示天气实况、预报、预警信息，展示设备检修、异常情况，提供未来24 h、48 h、72 h、96 h指定区域的天气预测信息，提供动画播放天气变化情况，提供气象数据的查询、输出，支持数据导出功能（包括表格、文本、图片等格式），支持系统的全屏查看功能。

气象灾害区划图生成功能。系统支持按照气象专题、故障发生次数、故障常发地点生成区划图，具备按照灾害高发时段统计信息和历史灾害数据查询功能，提供灾害区划图按照最新年度数据自动更新功能。

气象灾害风险分析预警功能。系统可以接受气象部门发出的气象预警信息，根据信息内包含的地区自动解析判断GIS地图上预警信息所在区域；使用预警模型计算，输出预警范围内的所有500 kV及以上输电线路，在系统界面突出显示。

预警修正功能。系统能收集实况气象观测资料并自动解析、整理、存储和展示功能，不断完善丰富历史设备故障信息数据库；通过实际电网故障和预警结果的比对，评估气象临界条件的准确度并进行修正。

表3　线路故障与预警结果对比

告警和预警功能。系统不仅支持在GIS图上显示预警信息，同时具备预警数据推送功能，自动推送至电网运行综合告警模块，推送的内容包括气象灾害类型和受影响的线路，同时为了方便用户查看完整的预警数据，文件中还提供系统访问链接。

4　系统应用

系统已经在国家电网华中调度分中心试运行。在系统上线运行期间根据气象台发布的强对流天气预警消息、天气预报等气象数据，对输电线路及设备进行多次、准确预警。预警结果展示方式如图3所示。系统支持根据预警类型和时间切换相应的气象和设备预警数据，并在地图上显示。预警结果与线路实际故障对比，如表3所示。经过将故障实际发生情况与系统综合预警结果对比发现，实际线路故障均已在事前由系统准确预警，对电网故障起到了积极的预警和防范作用。

图3　系统界面展示

5　结语

电网气象灾害风险智能分析及预警系统在上线运行期间，运行平稳，数据搜集准确，数据处理正确，数据传输及时。迎峰度夏期间，该系统多次对受灾害性天气影响的输电线路及设备进行预警，结果正确，为保证华中电网安全稳定运行提供了可靠的技术支持。

［1］薛丽芳，王亦宁，谢凯，等.基于防灾预警电网气象信息系统的设计与实现［J］.水电自动化与大坝监测，2013，37（2）：5-8.

［2］成涛，刘建平，邓晓春.湖南电力专业气象预报预警信息平台在湖南电网的应用［J］.湖南电力，2011（S1）：147-149.

［3］胡庆武，陈亚男，周洋，等.开源GIS进展及其典型应用研究［J］.地理信息世界，2009，2（1）：46-55.

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Intelligent Analysis and Early Warning System of Meteorological Disaster Risk

YANG Xiaoyu1，ZHANG Sheng2，WANG Shouqin1，SUN Xinde2
（1.NARI Group Company Beijing Branch，Beijing 100192，China；2.Central China Power Grid Co.，Ltd.，Wuhan 430000，China）

The meteorological disaster is an important factor affecting the stability of power system operation.In this paper，the relationship between faults of power equipment and meteorological disasters is studied.Through establishing the fault database，finding the main meteorological factors causing failure，the data mapping model from meteorological disaster to power grid equipment fault is built.Finally the meteorological disaster zoning map of the grid is displayed combined with the grid GIS.

meteorological disaster；device fault；meteorological warning；color map；text analysis

TM732

A

1007-9904（2016）07-0021-04

2016-02-02

杨笑宇（1984），男，工程师，从事调度信息化管理系统的研究与开发工作。