CN107316109B - 架空线路冬季近地面风速预测方法、系统及装置 - Google Patents

架空线路冬季近地面风速预测方法、系统及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力工程技术领域，公开一种架空线路冬季近地面风速预测方法、系统及装置，以根据地面气象预测数据精细化预测近地面其他高度的风速。本发明方法包括：根据历史数据计算该测风塔所在网格每一次的近地面风速垂直切变系数，并将所计算各次的近地面风速垂直切变系数划分至少两个风组，计算各风组的近地面风速垂直切变系数平均值；以及根据历史数据计算该探空站所在网格每一次的近地面风速垂直切变系数，并将所计算各次的近地面风速垂直切变系数划分至少两个风组，计算各风组的近地面风速垂直切变系数平均值；然后根据当前预测的地面气象数据和关联的近地面风速垂直切变系数平均值计算得出该网格其它垂直高度的风速。

Description

架空线路冬季近地面风速预测方法、系统及装置
技术领域
本发明涉及电力工程技术领域，尤其涉及一种架空线路冬季近地面风速预测方法、系统及装置。
背景技术
目前，我国平原地区冬季线路容易出轻微覆冰和稳定风场，在两者的共同作用下，架空线路容易发生舞动，导致线路跳闸、金具损坏等电网灾害事故发生，成为威胁电网安全的突出问题之一。稳定风场是线路舞动的关键因素之一，因此需要准确预测架空线路附近的近地面风场。
近地面风场受地面障碍物阻挡和地面摩擦的影响较大，越靠近地表，地面的影响越大，随着高度增加，地面的影响逐渐减小，造成近地面风场垂直变化大。目前气象部门主要发布人口密集区的常规地面风场预测，风速精度和空间分辨率都较粗，气象数值模式预报结果为地面10米风速和不同等压面上的风场，等压面间隔大，且等压面高度不等同于海拔高度，垂直分辨率不满足舞动预测需求；因此，亟需一种容易发生舞动的平原地区架空线路冬季近地面风速精细化预测方法。
发明内容
本发明目的在于公开一种架空线路冬季近地面风速预测方法、系统及装置，以根据地面气象预测数据精细化预测近地面其他高度的风速。
为实现上述目的，本发明公开一种架空线路冬季近地面风速预测方法，包括：
对待分析区域进行网格划分；
获取各网格的历史数据，所述历史数据至少包括地面气象数据，当任一网格有测风塔和/或探空站时，所述历史数据还包括相应的测风塔和/或探空站气象数据；
根据测风塔气象数据及相应的地面气象数据计算该测风塔所在网格每一次的近地面风速垂直切变系数，并将所计算各次的近地面风速垂直切变系数根据最低观测高度所对应各次的风速大小划分至少两个风组，计算各风组的近地面风速垂直切变系数平均值；根据探空站气象数据及相应的地面气象数据计算该探空站所在网格每一次的近地面风速垂直切变系数，并将所计算各次的近地面风速垂直切变系数根据最低观测高度所对应各次的风速大小划分至少两个风组，计算各风组的近地面风速垂直切变系数平均值；
当对任一网格进行近地面风速预测时，根据当前预测的地面气象数据确定相对应的风组，并获取相关联的测风塔和/或探空站对应该风组的近地面风速垂直切变系数平均值，然后根据当前预测的地面气象数据和关联的近地面风速垂直切变系数平均值计算得出该网格其它垂直高度的风速。
与上述方法相对应的，本发明还公开一种执行上述方法的系统，至少包括：
第一处理单元，用于对待分析区域进行网格划分；
第二处理单元，用于获取各网格的历史数据，所述历史数据至少包括地面气象数据，当任一网格有测风塔和/或探空站时，所述历史数据还包括相应的测风塔和/或探空站气象数据；
第三处理单元，用于根据测风塔气象数据及相应的地面气象数据计算该测风塔所在网格每一次的近地面风速垂直切变系数，并将所计算各次的近地面风速垂直切变系数根据最低观测高度所对应各次的风速大小划分至少两个风组，计算各风组的近地面风速垂直切变系数平均值；根据探空站气象数据及相应的地面气象数据计算该探空站所在网格每一次的近地面风速垂直切变系数，并将所计算各次的近地面风速垂直切变系数根据最低观测高度所对应各次的风速大小划分至少两个风组，计算各风组的近地面风速垂直切变系数平均值；
第四处理单元，用于当对任一网格进行近地面风速预测时，根据当前预测的地面气象数据确定相对应的风组，并获取相关联的测风塔和/或探空站对应该风组的近地面风速垂直切变系数平均值，然后根据当前预测的地面气象数据和关联的近地面风速垂直切变系数平均值计算得出该网格其它垂直高度的风速。
为实现上述目的，本发明还公开一种装置，具体为存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其中所述计算机程序使计算机执行上述方法的步骤。
本发明具有以下有益效果：
可以实现架空线路高度风速精细化预报，思路清晰，实用性强，准确率高；尤其适合平原地区架空线路冬季近地面风速精细化预测。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例公开的架空线路冬季近地面风速预测方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一
本实施例公开一种架空线路冬季近地面风速预测方法，如图1所示，包括：
步骤S1、对待分析区域进行网格划分。
步骤S2、获取各网格的历史数据，该历史数据至少包括地面气象数据，当任一网格有测风塔和/或探空站时，该历史数据还包括相应的测风塔和/或探空站气象数据。
步骤S3、根据测风塔气象数据及相应的地面气象数据计算该测风塔所在网格每一次的近地面风速垂直切变系数，并将所计算各次的近地面风速垂直切变系数根据最低观测高度所对应各次的风速大小划分至少两个风组，计算各风组的近地面风速垂直切变系数平均值；根据探空站气象数据及相应的地面气象数据计算该探空站所在网格每一次的近地面风速垂直切变系数，并将所计算各次的近地面风速垂直切变系数根据最低观测高度所对应各次的风速大小划分至少两个风组，计算各风组的近地面风速垂直切变系数平均值。
步骤S4、当对任一网格进行近地面风速预测时，根据当前预测的地面气象数据确定相对应的风组，并获取相关联的测风塔和/或探空站对应该风组的近地面风速垂直切变系数平均值，然后根据当前预测的地面气象数据和关联的近地面风速垂直切变系数平均值计算得出该网格其它垂直高度的风速。
为便于本领域技术人员对本实施例深入了解，结合具体场景对上述方法说明如下：
(1)、区域网格划分
将我国中东部平原地区划分为0.25°*0.25°的网格。
(2)、舞动易发区域判定
基于地形数据判定每个网格是否为舞动易发区域，如果一个网格满足①平均海拔高度Have不高于500米，②区域内地形起伏程度，即最高海拔与最低海拔之差小于300米，则认为该网格为舞动易发网格。
(3)、历史数据收集
统计每个网格内近10年冬季所有地面气象台站地面2米风速Vi(2m)ijkh、温度Ti2m和气压Pi2m观测数据、气象探空站1000hPa等压面风速Vj(1000)和温度Tj1000探空数据和测风塔的风速观测数据Vk(zh)，其中i、j、k、h分别为地面气象台站、气象探空站、测风塔和测风塔观测高度编号。
(4)、观测点周围近地面风速垂直切变系数计算
近地面风速垂直变化基本满足指数公式：
Figure BDA0001336789190000041
其中V(z)为高度z的风速，V0为高度z0的风速，ε为风速垂直切变系数，通过观测点垂直方向上不同高度和风速，可计算出该观测点周围的近地面风速垂直切变系数ε。
(4.1)、测风塔周围近地面风速垂直切变系数计算
测风塔观测的观测高度一般为10-200米，垂直分辨率为10-30米，具体步骤为：
①基于一次观测数据的近地面风速垂直切变系数计算
找出测风塔所有观测高度L1、L2...Ln和风速数据VL1、VL2...VLn，其中L1为最低的观测高度，气为最高观测高度，计算测风塔所有相邻观测高度间的风速垂直切变系数εLi：
Figure BDA0001336789190000042
以相邻观测高度间的垂直距离为权重系数，计算该测风塔该次观测的近地面风速垂直切变系数：
Figure BDA0001336789190000043
②大风和小风情况下近地面风速垂直切变系数计算。
将步骤(3)中收集的该测风塔的所有观测数据，根据最低观测高度L1的风速VL1大小划分为两组，VL1≥5m/s的大风组和VL1＜5m/s的小风组，两组所有观测结果都重复步骤①，得出两组近地面风速垂直切变系数，计算这两组数据的平均值，得到该测风塔周围大风和小风情况下的近地面风速垂直切变系数εVL和εVS。
具体又例如：某测风塔位于江汉平原地区，根据2016年冬季某一时次测风塔垂直方向上10米、30米、50米、70米和100高度的风速，计算该次观测的测风塔周围近地面风速垂直切变系数为0.136。
(4.2)、气象探空站周围近地面风速垂直切变系数计算
气象探空站有不同等压面高度风速观测值，如1000hPa风速、925hPa风速、850hPa风速，但等压面高度不等同于海拔高度，需要首先计算最接近地面的等压面海拔高度(平原地区最接近地面的等压面为1000hPa)，然后计算近地面风速垂直切变系数，具体步骤如下：
①、计算1000hPa等压面的海拔高度Z1000。基于地面气象台站2米温度T2m、2米气压P2m，探空站1000hPa温度T1000观测数据，根据气压与海拔高度转换公式计算Z1000，具体计算公式为：
Figure BDA0001336789190000051
②、根据地面2米和1000hPa高度Z1000的风速V(2m)和V(1000)，计算探空站周围近地面风速垂直切变系数ε，计算公式为
Figure BDA0001336789190000052
根据上述①、②，具体又例如：某探空站位于江汉平原，地面气象台站2米温度T2m＝0.1℃、2米气压P2m＝1015hPa，探空站1000hPa温度T1000＝-0.3℃，根据气压与海拔高度转换公式计算1000hPa高度Z1000＝120米；然后根据地面2米风速V(2m)＝5.1m/s，1000hPa高度Z1000的风速V(1000)＝8.7m/s，计算探空站周围近地面风速垂直切变系数ε＝0.138。
③、将步骤(3)中收集的该探空站的所有观测数据，根据地面2米风速V(2m)大小划分为两组，V(2m)≥5m/s的大风组和V(2m)＜5m/s的小风组，两组所有观测结果都重复步骤①②，得出两组近地面风速垂直切变系数，计算这两组数据的平均信，得到该探空站周围大风和小风情况下的近地面风速垂直切变系数εVL和εVS。
综上，根据历史数据计算探空站所在网格每一次的近地面风速垂直切变系数包括：确定探空站所观测的等压面，根据探空站的气象数据和相对应的地面气象数据计算该探空站所观测等压面所对应的海拔高度；然后根据该探空站的海拔高度和观测风速结合地面气象数据，以所述近地面风速垂直变化公式计算得出近地面风速垂直切变系数。
(5)、网格内近地面风速垂直切变系数计算
由于测风塔和探空站分布比较稀疏，与步骤(2)中舞动易发网格存在不一致，需要进行插值，具体分为三种情况：
i)、一个网格内同时有测风塔和探空站数据，选择测风塔数据为准，若存在多个测风塔，则以所有测风塔周围近地面风速垂直切变系数的平均值代表这个格点的近地面风速切变系数，即取多个测风塔的平均值。
ii)、一个网格内只有一个测风塔或探空站数据，以该测风塔或探空站周围近地面风速切变系数代表这个格点的近地面风速垂直切变系数。
iii)、一个网格内没有测风塔或探空站数据，则利用该网格点周围8个网格的近地面风速垂直切变系数进行权重插值，例如：其中该网格正北、正南、正东、正西方向四个网格的权重系数为
Figure BDA0001336789190000061
该网格东北、东南、西北、西南四个网格的权重系数为
Figure BDA0001336789190000062
(6)、任意高度风场精细化预测
基于近地面风速垂直变化公式
Figure BDA0001336789190000063
和步骤(5)得到的网格内近地面风速垂直切变系数ε，根据气象数值预报模式输出的每个网格内的2米风速预报结果，计算舞动易发网格的线路高度风速预报值，如果2米风速预报值≥5m/s，则近地面风速垂直切变系数选择εVL，如果2米风速预报值＜5m/s，则近地面风速垂直切变系数选择εVS。
实施例二
与上述方法实施例相对应的，本实施例公开一种架空线路冬季近地面风速预测系统，至少包括：
第一处理单元，用于对待分析区域进行网格划分；
第二处理单元，用于获取各网格的历史数据，该历史数据至少包括地面气象数据，当任一网格有测风塔和/或探空站时，该历史数据还包括相应的测风塔和/或探空站气象数据；
第三处理单元，用于根据测风塔气象数据及相应的地面气象数据计算该测风塔所在网格每一次的近地面风速垂直切变系数，并将所计算各次的近地面风速垂直切变系数根据最低观测高度所对应各次的风速大小划分至少两个风组，计算各风组的近地面风速垂直切变系数平均值；根据探空站气象数据及相应的地面气象数据计算该探空站所在网格每一次的近地面风速垂直切变系数，并将所计算各次的近地面风速垂直切变系数根据最低观测高度所对应各次的风速大小划分至少两个风组，计算各风组的近地面风速垂直切变系数平均值；
第四处理单元，用于当对任一网格进行近地面风速预测时，根据当前预测的地面气象数据确定相对应的风组，并获取相关联的测风塔和/或探空站对应该风组的近地面风速垂直切变系数平均值，然后根据当前预测的地面气象数据和关联的近地面风速垂直切变系数平均值计算得出该网格其它垂直高度的风速。
其中上述各处理单元的具体处理方法可参照上述方法实施例，不做赘述。
实施例三
本实施例公开一种装置，具体为存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其中该计算机程序使计算机执行上述方法实施例中相关的方法步骤。
综上，本实施例公开的架空线路冬季近地面风速预测方法、系统及装置，本实施例可以实现架空线路高度风速精细化预报，思路清晰，实用性强，准确率高；尤其适合平原地区架空线路冬季近地面风速精细化预测。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种架空线路冬季近地面风速预测方法，其特征在于，包括：
对待分析区域进行网格划分；
获取各网格的历史数据，所述历史数据至少包括地面气象数据，当任一网格有测风塔和/或探空站时，所述历史数据还包括相应的测风塔和/或探空站气象数据；其中，由于测风塔和探空站分布稀疏，确定任一网格相关联的测风塔和/或探空站具体分为三种情况：
A、一个网格内同时有测风塔和探空站数据，选择测风塔数据为准，若存在多个测风塔，则取所有测风塔的平均值；
B、一个网格内只有一个测风塔或探空站数据，以该测风塔或探空站周围近地面风速切变系数代表这个格点的近地面风速垂直切变系数；
C、一个网格内没有测风塔或探空站数据，则利用该网格点周围8个网格的近地面风速垂直切变系数进行权重插值；
根据测风塔气象数据及相应的地面气象数据计算该测风塔所在网格每一次的近地面风速垂直切变系数，并将所计算各次的近地面风速垂直切变系数根据最低观测高度所对应各次的风速大小划分至少两个风组，计算各风组的近地面风速垂直切变系数平均值；根据探空站气象数据及相应的地面气象数据计算该探空站所在网格每一次的近地面风速垂直切变系数，并将所计算各次的近地面风速垂直切变系数根据最低观测高度所对应各次的风速大小划分至少两个风组，计算各风组的近地面风速垂直切变系数平均值；
当对任一网格进行近地面风速预测时，根据当前预测的地面气象数据确定相对应的风组，并获取相关联的测风塔和/或探空站对应该风组的近地面风速垂直切变系数平均值，然后根据当前预测的地面气象数据和关联的近地面风速垂直切变系数平均值计算得出该网格其它垂直高度的风速；
其中，所述近地面风速垂直变化公式为：
Figure FDA0002565692160000011
其中，V(z)为高度z的风速，V0为高度z0的风速，ε为风速垂直切变系数；
所述根据历史数据计算测风塔所在网格每一次的近地面风速垂直切变系数包括：
找出测风塔所有观测高度L1，L2，…Li，…，Ln和风速数据VL1，VL2，…，VLi，…，VLn，其中，L1为最低的观测高度，Ln为最高观测高度；计算测风塔所有相邻观测高度间的风速垂直切变系数εLi：
Figure FDA0002565692160000012
以相邻观测高度间的垂直距离为权重系数，计算该测风塔该次观测的近地面风速垂直切变系数:
Figure FDA0002565692160000021
所述根据历史数据计算探空站所在网格每一次的近地面风速垂直切变系数包括：
确定探空站所观测的等压面，根据探空站的气象数据和相对应的地面气象数据计算该探空站所观测等压面所对应的海拔高度；
根据该探空站的海拔高度和观测风速结合地面气象数据，以所述近地面风速垂直变化公式计算得出近地面风速垂直切变系数。
2.根据权利要求1所述的架空线路冬季近地面风速预测方法，其特征在于，所述探空站为1000hPa等压面，地面气象数据为地面气象台站2米温度T2m、2米气压P2m，探空站1000hPa温度T1000观测数据，海拔高度为Z1000的换算公式为：
Figure FDA0002565692160000022
3.根据权利要求1或2所述的架空线路冬季近地面风速预测方法，其特征在于，在对任一网格进行近地面风速预测前，基于地形数据判定每个网格是否为舞动易发区域，如果是，进行风速预测，如果为否，则跳转到下一网格。
4.一种执行如权利要求1至3任一所述的架空线路冬季近地面风速预测方法的系统，其特征在于，至少包括：
第一处理单元，用于对待分析区域进行网格划分；
第二处理单元，用于获取各网格的历史数据，所述历史数据至少包括地面气象数据，当任一网格有测风塔和/或探空站时，所述历史数据还包括相应的测风塔和/或探空站气象数据；
第三处理单元，用于根据测风塔气象数据及相应的地面气象数据计算该测风塔所在网格每一次的近地面风速垂直切变系数，并将所计算各次的近地面风速垂直切变系数根据最低观测高度所对应各次的风速大小划分至少两个风组，计算各风组的近地面风速垂直切变系数平均值；根据探空站气象数据及相应的地面气象数据计算该探空站所在网格每一次的近地面风速垂直切变系数，并将所计算各次的近地面风速垂直切变系数根据最低观测高度所对应各次的风速大小划分至少两个风组，计算各风组的近地面风速垂直切变系数平均值；
第四处理单元，用于当对任一网格进行近地面风速预测时，根据当前预测的地面气象数据确定相对应的风组，并获取相关联的测风塔和/或探空站对应该风组的近地面风速垂直切变系数平均值，然后根据当前预测的地面气象数据和关联的近地面风速垂直切变系数平均值计算得出该网格其它垂直高度的风速。
5.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其中所述计算机程序使计算机执行上述权利要求1至3任一所述方法的步骤。
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分时段及分方向风切变分析在风能资源评估中的应用;李何平;《水力发电》;20150331;第41卷(第3期);第76-79段 *
风力机优化选型在风电场建设中的经济性研究;张旭乐;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20130615(第6期);第2-5章 *
风电机组风轮不平衡载荷的影响分析与控制;张丹;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20150115(第01期);第2-5章 *

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