CN102279424A - 电网气象灾害预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计算机控制系统，特别是一种电网气象灾害预警系统，其结构要点在于，包括有多普勒雷达、雷达数据处理装置、雷达数据识别装置、经纬度取样装置、电网GIS系统和短时预报装置。其优点在于，将多普勒雷达数据与电网GIS系统实现地域信息和灾害信息的有机整合，能够直观的在电网GIS系统中看到设定区域内的气象状况，得到对应状况的短时预报信息，对可能受气象灾害影响的电网设备和运行状态进行防护处理，起到预警的重要作用，减少电网设备和运行受气象灾害的影响，为综合防灾减灾的决策指挥提供重要的决策依据，显著增强电网的灾害监测、灾害预警、灾害预防、灾害应对和灾害整治能力，提高电网安全运行水平。

Description

电网气象灾害预警系统

技术领域

本发明涉及一种计算机控制系统，特别是一种电网气象灾害预警系统。

背景技术

气象灾害对电网安全稳定运行的威胁十分突出，现有技术中，国家公共气象服务系统提供了气象卫星、多普勒雷达、雷电监测等监测条件，但是气象灾害的地域性强，判断时间短，其强弱度、影响时间、影响范围对电网设备、运行等的影响也各不同。气象信息作为电网系统中的独立信息，没有与电网地理信息系统（简称GIS）结合，往往是获得了气象信息，却无法与对应的电网系统关联，也就不能及时、准确获得气象灾害对电网具体设备和运行带来的影响，使得气象对电网的预警起不到应有的作用，效率低，只能是在气象灾害发生后才能采取对应的措施。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种能够实时获得气象灾害对电网影响信息的基于GIS的电网气象灾害预警系统。

本发明是通过以下途径来实现的：

电网气象灾害预警系统，其结构要点在于，包括有多普勒雷达、雷达数据处理装置、雷达数据识别装置、经纬度取样装置、电网GIS系统和短时预报装置；其中多普勒雷达的数据输出端与雷达数据处理装置连接，雷达数据处理装置的输出接口与雷达数据识别装置连接，经纬度取样装置的取样端与雷达数据识别装置连接，输出端与电网GIS系统连接，短时预报装置安装在电网GIS系统中。

在气象系统中，多普勒雷达是一种实时气象探测器，其对灾害性天气有很强的监测能力，最大探测距离半径为460km。本发明所述的电网气象灾害预警系统中，需要在一定的地域范围内的所有多普勒雷达提供实时数据，该实时数据为雷达气象图，或者是多个多普勒雷达气象拼图：

首先雷达数据处理装置对所有的多普勒雷达所提供的数据进行预处理，去除噪声、杂波，进行滤波处理，使得气象图或者拼图能够更为直观和简化；雷达数据识别装置提取处理后雷达数据中雷达回波的反射因子，经过计算后，与天气属性的基准表对比，识别气象图中各个区域的气象属性，并提供各个气象区域的气象属性，气象数据以及位置信息传送给经纬度取样装置，经纬度取样装置取样多普勒雷达的位置信息，并传送到电网GIS系统中，将气象图叠加到电网GIS中，短时预报装置根据气象图中各个区域的气象属性和气象数据，提取电网中的运行信息、设备信息，最后根据气象信息给出区域内的短时气象预报数据，一旦预报出现灾害信息，给予气象预报对电力运行设备的短时灾害预警信息。

本发明将多普勒雷达数据进行处理，并与电网GIS系统实现地域信息与灾害信息的有机整合，这样，就能够直观的在电网GIS系统中看到设定区域内的气象状况，得到对应状况的短时（一般指30分钟-60分钟）预报信息，从而获得气象灾害发生前30分钟-60分钟的宝贵时间，并且能够根据短时预报信息迅速做出处理策略，对可能受气象灾害影响的电网设备和运行状态进行防护处理，起到预警的重要作用，减少电网设备和运行受气象灾害的影响，为综合防灾减灾的决策指挥提供重要的决策依据，显著增强电网的灾害监测、灾害预警、灾害预防、灾害应对和灾害整治能力，提高电网安全运行水平。

本发明可以进一步具体为：

雷达数据处理装置包括有连接的去噪处理装置和滤波处理装置，去噪处理装置的数据接收端与多普勒雷达的数据传输端连接，输出端与滤波处理装置连接，滤波处理装置的输出接口与雷达数据识别装置连接。

去噪处理装置首先扫描雷达实时数据，并预先设置连通区块的大小和临时阀值，当扫描到的区域面积小于设置数据，则去掉该区域，这样可以去掉大部分的孤立噪声。

滤波处理装置包括中值滤波装置和开闭运算滤波装置。

中值滤波是一种非线性数字滤波技术，经常用于去除图像中的噪声，这个设计思想就是检查输入信号中的采样并判断它是否代表了信号，使用奇数个采用组成的观察窗实现这项功能。观察窗中的数值进行排序，位于观察窗中间的中值作为输出，然后丢弃最早的值，取得新的采用，重复上面的计算过程，这样可以保存气象图中各个区域的边缘特性，使得雷达数据边缘平滑，有不失去雷达回波的特征。

开闭运算主要利用数学形态学，它的基本运算有4个，先腐蚀后膨胀称为开，开运算能够去除孤立的小点、毛刺和小桥（即连通两块区域的小点），而总的位置和形状不变。先膨胀后腐蚀称为闭，闭运算可使断裂的地方被弥合填平，弥合小裂缝，而总的位置和形状不变，这样可以最大程度保留雷达原有探测信息，又便于运算。

雷达数据识别装置可以进一步具体为：

雷达数据识别装置包括有依序连接的边缘检测装置、边缘特征点提取装置、和计算处理装置。

边缘检测装置包括有二值化处理模块和阀值模块，阀值模块为设定的天气属性反射率阀值，二值化处理模块根据阀值模块提供的阀值对雷达气象图进行二值化，输出计算原图；该边缘检测装置是籍着腐蚀算法，用N×N的结构元素对原图进行腐蚀，再用原图像减去腐蚀的图像得到边缘轮廓而组成。

腐蚀算法的具体步骤是：首先确定天气属性的反射率阀值，然后根据阀值把雷达气象图进行二值化，形成计算原图，腐蚀结构元素取N×N的黑点块，腐蚀使图像边界沿周边减少一个像素，因此边缘检测就是用N×N的结构元素对原图进行腐蚀，再用原图像减去腐蚀的图像，就得到边缘轮廓。由于该检测方法检测的图像边缘宽度仅为一个像素，因此具有较高的定位精度，同时，二值化处理后的图像具有完整的轮廓，所以轮廓提取检测到的边缘具有连续性。

边缘特征点提取装置为一种像素点跟踪提取模块，包括有初始像素模块，该初始像素模块中存储有对二值化图形进行扫描所得到的第一个图像值为“真”的像素，边缘特征提取装置系籍着采用“N-近邻”跟踪遍历形式对初始像素的8个方向进行跟踪找到第二个像素点为当前像素，再同样采用“N-近邻”跟踪遍历形式对当前像素点进行跟踪，如此反复，直到当前像素与初始像素相同或者已经遍历过，得到一条边界段而组成。

在采用采用“N-近邻”跟踪遍历形式对像素进行跟踪时，最好总是选择最右边或者最左边的像素为所得像素，这样必会在一个方向上找到下一个边界像素点。

雷达数据识别装置还包括有边缘特征点简化装置，其插接在边缘特征点提取装置和计算处理装置之间，该边缘特征点简化装置系籍着采用迭代曲率比较法减少边界特征点而组成的。

通过边缘特征点提取装置所获得的特征点数量巨大，而从多普勒雷达到电网GIS之间的通讯难以满足该巨量数据的传输，传输速度慢，短时预报的时间大大受限，因此需要对边缘特征点进行简化，从大量特征点种提取几十个特征点来描述图形轮廓，既保留了原有形状的基本特征，又大大简化其特征点。

上述识别处理后的二值化图像以一种数据的形式呈现，故而容易传送和处理，是将多普勒雷达数据与电网GIS系统结合的实现基础。边缘检测装置、边缘特征点提取装置和边缘特征点简化装置则是将多普勒雷达数据与电网GIS系统结合的技术方案所要解决的一大技术难题，特别是边缘特征点简化装置，这是因为在气象处理中，往往需要原始数据，数据越多，则精确度也就越高，得到的预报也就越准确，所以在数据处理过程中也是一再保留原有数据，导致研发陷入僵局，本发明的发明人突破常规，简化了特征点数据，发现预报结果偏差小，却解决了数据传输和海量数据处理速度问题，因而也是本发明的一大创新。

计算处理装置根据边缘检测装置和边缘特征点提取装置处理后的二值化图像进行计算，然后根据雷达识别的气象属性表进行识别，确定天气属性。

本发明还可以进一步具体为：

短时预报装置包括有依序连接的雷达回波计算装置、非降水回波识别装置以及外推预报装置。

雷达回波计算装置接收前后一个时间间隔的雷达气象图数据，将雷达数据区域按特征进行划分，根据前后时刻数据区域的最大相关系数，确定雷达回波的运动矢量，从而获得交叉相关数据。

非降水回波有地物、近距离水汽、海浪等回波的影响，非降水回波识别装置用于识别并剔除这些回波。

外推预报装置根据天气属性分区，计算机该区域内的所有交叉相关数据，并进行计算平均得到外推分矢量，根据矢量来进行外推，最终得到1小时内的短时临近客观预报结果。

本发明还可以进一步具体为：

还包括有雷达数据校验装置和基准装置，雷达数据校验装置插接在雷达数据处理装置和雷达数据识别装置之间，基准装置接收端与自动气象站连接，数据端与雷达数据校验装置的基准端连接。

雷达数据校验装置可以对处理后的气象数据进行校验，根据自动气象站提供的直接气象数据作为基准数据与多普勒雷达数据对比，以校验多普勒雷达数据，防止误报，提高准确率。

综上所述，本发明提供了一种电网气象灾害预警系统，将多普勒雷达数据与电网GIS系统实现地域信息和灾害信息的有机整合，能够直观的在电网GIS系统中看到设定区域内的气象状况，得到对应状况的短时（一般指30分钟-60分钟）预报信息，并且能够根据短时预报信息迅速做出处理策略，对可能受气象灾害影响的电网设备和运行状态进行防护处理，起到预警的重要作用，减少电网设备和运行受气象灾害的影响，为综合防灾减灾的决策指挥提供重要的决策依据，显著增强电网的灾害监测、灾害预警、灾害预防、灾害应对和灾害整治能力，提高电网安全运行水平。

附图说明

图1所示为本发明所述的电网气象灾害预警系统的原理结构示意图；

下面结合附图对本发明做进一步描述。

具体实施方式

最佳实施例：

参照附图1，电网气象灾害预警系统，包括有多普勒雷达、雷达数据处理装置、雷达数据识别装置、雷达数据校验装置、基准装置、经纬度取样装置、电网GIS系统和短时预报装置；其中多普勒雷达的数据输出端与雷达数据处理装置连接，雷达数据处理装置的输出接口与雷达数据识别装置连接，雷达数据校验装置的接收端与雷达数据识别装置连接，经纬度取样装置的取样端与雷达数据校验装置连接，输出端与电网GIS系统连接，短时预报装置安装在电网GIS系统中。其中：

雷达数据处理装置包括有连接的去噪处理装置和滤波处理装置，去噪处理装置的数据接收端与多普勒雷达的数据传输端连接，输出端与滤波处理装置连接，滤波处理装置的输出接口与雷达数据识别装置连接；

雷达数据识别装置包括有依序连接的边缘检测装置、边缘特征点提取装置、边缘特征点简化装置和计算处理装置；

短时预报装置包括有依序连接的雷达回波计算装置、非降水回波识别装置以及外推预报装置。

上述电网气象灾害预警系统的工作流程为：

多普勒雷达体扫时间为6分钟，如果有多个雷达站，把每个雷达站的37号产品（组合反射率因子）进行时间匹配，进行拼图，提供最初的实时数据；

雷达数据处理装置对上述实时数据进行处理：通过去噪处理装置去除大部分孤立噪声，通过滤波处理装置进行中值滤波和开闭运算滤波，使得雷达数据边缘平滑，最大程度保留雷达原有探测信息，便于以后的运算。

雷达数据识别装置通过边缘检测装置获得雷达图像的边缘轮廓，然后由边缘特征点提取装置提取图像边缘轮廓的特征点数据；之后由边缘特征点简化装置简化特征点，最后通过计算处理装置计算，并根据雷达识别气象属性表进行识别，确定天气属性；

雷达数据校验装置对处理后的气象数据进行校验，根据自动气象站提供的直接气象数据作为基准数据与多普勒雷达数据对比，以校验多普勒雷达数据，防止误报；

经纬度取样装置从雷达数据中取样雷达数据的各个位置信息，并传送到电网GIS系统中，将气象图叠加到电网GIS中，

短时预报装置根据气象图中各个区域的气象属性和气象数据，首先通过雷达回波计算装置确定雷达回波的运动矢量，获得交叉相关数据，然后通过非降水回波识别装置剔除有地物、近距离水汽、海浪等回波，最后通过外推预报装置根据矢量进行外推，获得1小时内的短时临近客观预报结果；

电网GIS根据预报结果提取电网中的运行信息、设备信息，最后根据气象信息给出区域内的短时气象预报数据，一旦预报出现灾害信息，给予气象预报对电力运行设备的短时灾害预警信息。

本发明未述部分与现有技术相同。

Claims (9)

1.电网气象灾害预警系统，其特征在于，包括有多普勒雷达、雷达数据处理装置、雷达数据识别装置、经纬度取样装置、电网GIS系统和短时预报装置；其中多普勒雷达的数据输出端与雷达数据处理装置连接，雷达数据处理装置的输出接口与雷达数据识别装置连接，经纬度取样装置的取样端与雷达数据识别装置连接，输出端与电网GIS系统连接，短时预报装置安装在电网GIS系统中。

2.根据权利要求1所述的电网气象灾害预警系统，其特征在于，雷达数据处理装置包括有连接的去噪处理装置和滤波处理装置，去噪处理装置的数据接收端与多普勒雷达的数据传输端连接，输出端与滤波处理装置连接，滤波处理装置的输出接口与雷达数据识别装置连接。

3.根据权利要求2所述的电网气象灾害预警系统，其特征在于，滤波处理装置包括中值滤波装置和开闭运算滤波装置。

4.根据权利要求1所述的电网气象灾害预警系统，其特征在于，雷达数据识别装置包括有依序连接的边缘检测装置、边缘特征点提取装置、和计算处理装置。

5.根据权利要求4所述的电网气象灾害预警系统，其特征在于，边缘检测装置包括有二值化处理模块和阀值模块，阀值模块中存储有设定的天气属性反射率阀值，二值化处理模块根据提供的阀值对雷达气象图进行二值化，输出计算原图；该边缘检测装置是籍着腐蚀算法，用N×N的结构元素对原图进行腐蚀，再用原图像减去腐蚀的图像得到边缘轮廓而组成。

6.根据权利要求4所述的电网气象灾害预警系统，其特征在于，边缘特征点提取装置为一种像素点跟踪提取模块，包括有初始像素模块，该初始像素模块中存储有对二值化图形进行扫描所得到的第一个图像值为“真”的像素，边缘特征提取装置系籍着采用“N-近邻”跟踪遍历形式对初始像素的8个方向进行跟踪找到第二个像素点为当前像素，再同样采用“N-近邻”跟踪遍历形式对当前像素点进行跟踪，如此反复，直到当前像素与初始像素相同或者已经遍历过，得到一条边界段而组成。

7.根据权利要求4所述的电网气象灾害预警系统，其特征在于，雷达数据识别装置还包括有边缘特征点简化装置，其插接在边缘特征点提取装置和计算处理装置之间，该边缘特征点简化装置系籍着采用迭代曲率比较法减少边界特征点而组成的。

8.根据权利要求1所述的电网气象灾害预警系统，其特征在于，短时预报装置包括有依序连接的雷达回波计算装置、非降水回波识别装置以及外推预报装置。

9.根据权利要求1所述的电网气象灾害预警系统，其特征在于，还包括有雷达数据校验装置和基准装置，雷达数据校验装置插接在雷达数据处理装置和雷达数据识别装置之间，基准装置接收端与自动气象站连接，数据端与雷达数据校验装置的基准端连接。

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