CN107451691B - 基于下垫面情况的冬季输电线路高度风速预报方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及输电线路安全领域，公开一种基于下垫面情况的冬季输电线路高度风速预报方法及系统，以克服现有技术在输电线路高度风速预报精度上的不足。本发明方法及系统包括：确定待分析的区域；将所述区域以经纬度划分为网格，并对各网格的下垫面进行分类；然后将各所述测风塔根据所在网格相应下垫面的分类进行分组，并将每组测风塔的冬季历史观测数据汇总成数据集后根据天气类型做进一步划分，然后再对各天气下的每组冬季历史观测数据根据观测高度建立矩阵，以计算下垫面类型特定的测风塔组在特定天气条件下不同高度的典型风速值，进而结合多项式插值方法，得到相应的不同高度风速公式以供预测冬季输电线路高度风速。

Description

基于下垫面情况的冬季输电线路高度风速预报方法及系统
技术领域
本发明涉及输电线路安全领域，具体涉及一种基于下垫面情况的冬季输电线路高度风速预报方法及系统。
背景技术
在风的激励作用下，轻度覆冰的架空输电线路极易发生一种低频、大振幅的自激振荡，即线路舞动，我国中东部平原地区每年冬季都会发生多起输电线路舞动事件，轻则造成金具损坏和断线，严重时可能发生线路倒塔，严重威胁电网安全稳定运行。风场是线路舞动的动力因素，架空线路附近风场预测是舞动预测、防治的基础。
风场预报由气象部门开展，主要提供地面10米的风场预报，而架空线路高度一般在十几米到两百米之间，目前还没有输电线路高度的风场预报。近地面风场由于受地理位置、地面地形地貌、地表植被等(统称为下垫面情况)摩擦影响，垂直方向上变化大，地面10米风场无法代表输电线路附近风场情况，加之舞动对风场预测精确度要求高，亟需一种冬季输电线路高度风速预报方法。
发明内容
本发明目的在于公开一种基于下垫面情况的冬季输电线路高度风速预报方法及系统，以克服现有技术在输电线路高度风速预报精度上的不足。
为达上述目的，本发明公开的基于下垫面情况的冬季输电线路高度风速预报方法包括：
确定待分析的区域，获取所述区域中所有测风塔的经纬度信息；
将所述区域以经纬度划分为网格，并对各网格的下垫面进行分类，所述下垫面分类数为子区域分类数、地形分类数与植被分类数三者的乘积；
将各所述测风塔根据所在网格相应下垫面的分类进行分组，并将每组测风塔的冬季历史观测数据汇总成数据集后根据天气类型做进一步划分，然后再对各天气下的每组冬季历史观测数据根据观测高度建立矩阵，其中测风塔有m个不同观测高度，每个观测高度的观测数据有n个，得到m×n矩阵M(a,b)，其中a表示下垫面情况分组，b表示天气情况分组；
Figure BDA0001366386030000021
计算矩阵M(a,b)中每一行数据的数学期望值，得到矩阵E(a,b)：
Figure BDA0001366386030000022
其中，矩阵E(a,b)表示下垫面类型为a的一组测风塔，在天气条件为b的情况下，m个不同高度典型风速值；
根据矩阵E(a,b)中的数据，采用多项式插值方法，得到下垫面类型为a的一组测风塔，在各种天气条件下，不同高度风速公式；
根据各组测风塔在各种天气下的不同高度风速公式结合近地面实时的预报数据预报相应网格所在的输电线路高度的风速。
可选的，当实质存在的测风塔的分类数小于网格下垫面分类数时，在对不存在有类型完全一致的测风塔组的网格进行输电线路高度风速预报时，在实质存在的测风塔组中取类型近似的进行预报。
与上述方法相对应的，本发明还公开一种基于下垫面情况的冬季输电线路高度风速预报系统，其特征在于，包括：
第一处理单元，用于确定待分析的区域，获取所述区域中所有测风塔的经纬度信息；
第二处理单元，用于将所述区域以经纬度划分为网格，并对各网格的下垫面进行分类，所述下垫面分类数为子区域分类数、地形分类数与植被分类数三者的乘积；
第三处理单元，用于将各所述测风塔根据所在网格相应下垫面的分类进行分组，并将每组测风塔的冬季历史观测数据汇总成数据集后根据天气类型做进一步划分，然后再对各天气下的每组冬季历史观测数据根据观测高度建立矩阵，其中测风塔有m个不同观测高度，每个观测高度的观测数据有n个，得到m×n矩阵M(a,b)，其中a表示下垫面情况分组，b表示天气情况分组；
Figure BDA0001366386030000031
计算矩阵M(a,b)中每一行数据的数学期望值，得到矩阵E(a,b)：
Figure BDA0001366386030000032
其中，矩阵E(a,b)表示下垫面类型为a的一组测风塔，在天气条件为b的情况下，m个不同高度典型风速值；
第四处理单元，用于根据矩阵E(a,b)中的数据，采用多项式插值方法，得到下垫面类型为a的一组测风塔，在各种天气条件下，不同高度风速公式；
第五处理单元，用于根据各组测风塔在各种天气下的不同高度风速公式结合近地面实时的预报数据预报相应网格所在的输电线路高度的风速。
本发明具有以下有益效果：
基于本发明的技术方案，包括：确定待分析的区域；将所述区域以经纬度划分为网格，并对各网格的下垫面进行分类；然后将各所述测风塔根据所在网格相应下垫面的分类进行分组，并将每组测风塔的冬季历史观测数据汇总成数据集后根据天气类型做进一步划分，然后再对各天气下的每组冬季历史观测数据根据观测高度建立矩阵，以计算下垫面类型特定的测风塔组在特定天气条件下不同高度的典型风速值，进而结合多项式插值方法，得到相应的不同高度风速公式以供预测冬季输电线路高度风速。藉此，可以实现架空线路高度附近风速精细化预报，该方法思路清晰，实用性强，准确率高。
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一种下垫面类型所对应特定天气下的测风塔输电线路高度拟合曲线示意图。
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
本实施例公开一种基于下垫面情况的冬季输电线路高度风速预报方法，包括以下步骤：
(1)、数据收集和网格划分
收集我国中东部地区(110°E-130°E，27°N-54°N)的地形和植被数据，将我国中东部地区划分为0.25°*0.25°的网格，具体划分方法是以(110°E，27°N)为基点，以0.25°的间隔向北、向东划分网格。
(2)、网格区域下垫面分类
统计每个网格经纬度位置、地形和植被数据，划分网格区域下垫面种类Ii，其中i表示第i个网格。
(3)、测风塔信息和观测数据收集
收集上述中东部地区的测风塔的信息及观测数据。定义测风塔所处网格区域的下垫面种类为该座测风塔表征的下垫面种类I_towerj，其中j表示第j座测风塔，将下垫面种类相同的测风塔归为同一组，共得到25组测风塔。
(4)、测风塔观测数据处理
将每组测风塔冬季的(11月-次年3月)风速观测数据按天气分为三种，分别为冬季晴天(降水量r＝0，天气为晴或多云)、冬季雨雪天(降水量r≥5mm)，和冬季其他天气。
统计步骤(3)中25组测风塔在3种天气条件下的风速观测数据，其中测风塔有m个不同观测高度，每个观测高度的观测数据有n个，得到m×n矩阵M(a,b)，其中a表示下垫面情况分组：a＝1,2,…,25；b表示天气情况分组：b＝1,2,3。
Figure BDA0001366386030000051
计算矩阵M(a,b)中每一行数据的数学期望值，得到矩阵E(a,b)。以中部平坦的空旷原野地区的测风塔在冬季雨雪天的风速观测数据为例，得到：
Figure BDA0001366386030000052
根据矩阵E(19,2)中的数据，采用插值方法，如图1所示，得到下垫面类型为19的一组测风塔，在冬季雨雪天气条件下，近地面不同高度风速公式V19,2＝3.5858Z0.1598，其中Z表示高度。
(5)、所有网格内近地面不同高度风速公式
将步骤(4)的计算结果推广到所有网格，具体方法如下。
根据步骤(1)网格的划分，将每个网格下垫面类型与步骤(3)和步骤(4)中的N组测风塔下垫面类型相比较，存在两种可能的结果：
i)如果在步骤(3)和步骤(4)中找到一组具有相同下垫面类型的测风塔，该组测风塔近地面不同高度风速公式即为该网格的近地面不同高度风速公式；
ii)如果在步骤(3)和步骤(4)中没有找到一组具有相同下垫面类型的测风塔，则需要用具有相似下垫面类型的测风塔数据来代替，具有相似下垫面类型的测风塔的近地面不同高度风速公式，即为该网格的近地面不同高度风速公式。
优选地，本实施例中相似下垫面类型的选取原则为，下垫面的经纬度位置、地形和植被数据三个参数中，只有植被数据不一致，且优选植被类型Type_vegetation比较接近的，例如树木为主(Type_1)优选灌木为主(Type_2)，其次为草原为主(Type_3)，最后选空旷原野为主(Type_4)；灌木为主(Type_2)优选草原为主(Type_3)，其次为树木为主(Type_1)，最后选空旷原野为主(Type_4)；草原为主(Type_3)优选空旷原野为主(Type_4)，其次为灌木为主(Type_2)，最后为树木为主(Type_1)；空旷原野为主(Type_4)优选优选草原为主(Type_3)，其次为灌木为主(Type_2)，最后为树木为主(Type_1)。
(6)每个网格内冬季输电线路高度风速预报
根据输电线路结构信息，得出不同电压等级输电线路高度范围，根据气象数值预报模式输出的每个网格内的10米风速预报结果，结合步骤(5)中所有网格内近地面不同高度风速公式，可以计算每个网格的线路高度风速预报值。
综上，本实施例所公开的基于下垫面情况的冬季输电线路高度风速预报方法，换言之，即包括下述步骤：
步骤S1、确定待分析的区域，获取所述区域中所有测风塔的经纬度信息。
步骤S2、将所述区域以经纬度划分为网格，并对各网格的下垫面进行分类，所述下垫面分类数为子区域分类数、地形分类数与植被分类数三者的乘积。
步骤S3、将各所述测风塔根据所在网格相应下垫面的分类进行分组，并将每组测风塔的冬季历史观测数据汇总成数据集后根据天气类型做进一步划分，然后再对各天气下的每组冬季历史观测数据根据观测高度建立矩阵，其中测风塔有m个不同观测高度，每个观测高度的观测数据有n个，得到m×n矩阵M(a,b)，其中a表示下垫面情况分组，b表示天气情况分组；
Figure BDA0001366386030000061
计算矩阵M(a,b)中每一行数据的数学期望值，得到矩阵E(a,b)：
Figure BDA0001366386030000062
其中，矩阵E(a,b)表示下垫面类型为a的一组测风塔，在天气条件为b的情况下，m个不同高度典型风速值。
步骤S4、根据矩阵E(a,b)中的数据，采用多项式插值方法，得到下垫面类型为a的一组测风塔，在各种天气条件下，不同高度风速公式。
步骤S5、根据各组测风塔在各种天气下的不同高度风速公式结合近地面实时的预报数据预报相应网格所在的输电线路高度的风速。其中，当实质存在的测风塔的分类数小于网格下垫面分类数时，在对不存在有类型完全一致的测风塔组的网格进行输电线路高度风速预报时，在实质存在的测风塔组中取类型近似的进行预报。
实施例2
与上述方法实施例相对应的，本实施例公开一种基于下垫面情况的冬季输电线路高度风速预报系统，包括：
第一处理单元，用于确定待分析的区域，获取所述区域中所有测风塔的经纬度信息；
第二处理单元，用于将所述区域以经纬度划分为网格，并对各网格的下垫面进行分类，所述下垫面分类数为子区域分类数、地形分类数与植被分类数三者的乘积；
第三处理单元，用于将各所述测风塔根据所在网格相应下垫面的分类进行分组，并将每组测风塔的冬季历史观测数据汇总成数据集后根据天气类型做进一步划分，然后再对各天气下的每组冬季历史观测数据根据观测高度建立矩阵，其中测风塔有m个不同观测高度，每个观测高度的观测数据有n个，得到m×n矩阵M(a,b)，其中a表示下垫面情况分组，b表示天气情况分组；
Figure BDA0001366386030000071
计算矩阵M(a,b)中每一行数据的数学期望值，得到矩阵E(a,b)：
Figure BDA0001366386030000072
其中，矩阵E(a,b)表示下垫面类型为a的一组测风塔，在天气条件为b的情况下，m个不同高度典型风速值；
第四处理单元，用于根据矩阵E(a,b)中的数据，采用多项式插值方法，得到下垫面类型为a的一组测风塔，在各种天气条件下，不同高度风速公式；
第五处理单元，用于根据各组测风塔在各种天气下的不同高度风速公式结合近地面实时的预报数据预报相应网格所在的输电线路高度的风速。进一步地，当实质存在的测风塔的分类数小于网格下垫面分类数时，所述第五处理单元还用于：在对不存在有类型完全一致的测风塔组的网格进行输电线路高度风速预报时，在实质存在的测风塔组中取类型近似的进行预报。
综上，本发明实施例公开的基于下垫面情况的冬季输电线路高度风速预报方法及系统，包括：确定待分析的区域；将所述区域以经纬度划分为网格，并对各网格的下垫面进行分类；然后将各所述测风塔根据所在网格相应下垫面的分类进行分组，并将每组测风塔的冬季历史观测数据汇总成数据集后根据天气类型做进一步划分，然后再对各天气下的每组冬季历史观测数据根据观测高度建立矩阵，以计算下垫面类型特定的测风塔组在特定天气条件下不同高度的典型风速值，进而结合多项式插值方法，得到相应的不同高度风速公式以供预测冬季输电线路高度风速。藉此，可以实现架空线路高度附近风速精细化预报，该方法思路清晰，实用性强，准确率高。
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 (4)

1.一种基于下垫面情况的冬季输电线路高度风速预报方法，其特征在于，包括：
确定待分析的区域，获取所述区域中所有测风塔的经纬度信息；
将所述区域以经纬度划分为网格，并对各网格的下垫面进行分类，所述下垫面分类数为子区域分类数、地形分类数与植被分类数三者的乘积；
将各所述测风塔根据所在网格相应下垫面的分类进行分组，并将每组测风塔的冬季历史观测数据汇总成数据集后根据天气类型做进一步划分，然后再对各天气下的每组冬季历史观测数据根据观测高度建立矩阵，其中测风塔有m个不同观测高度，每个观测高度的观测数据有n个，得到m×n矩阵M(a,b)，其中a表示下垫面情况分组，b表示天气情况分组；
Figure FDA0002506467610000011
计算矩阵M(a,b)中每一行数据的数学期望值，得到矩阵E(a,b)：
Figure FDA0002506467610000012
其中，矩阵E(a,b)表示下垫面类型为a的一组测风塔，在天气条件为b的情况下，m个不同高度典型风速值；
根据矩阵E(a,b)中的数据，采用多项式插值方法，得到下垫面类型为a的一组测风塔，在各种天气条件下，不同高度风速公式；
根据各组测风塔在各种天气下的不同高度风速公式结合近地面实时的预报数据预报相应网格所在的输电线路高度的风速；其中，当实质存在的测风塔的分类数小于网格下垫面分类数时，在对不存在有类型完全一致的测风塔组的网格进行输电线路高度风速预报时，在实质存在的测风塔组中取类型近似的进行预报。
2.根据权利要求1所述的基于下垫面情况的冬季输电线路高度风速预报方法，其特征在于，所述区域为坐标为(110°E-130°E，27°N-54°N)的我国中东部地区，子区域以纬度进行划分以包括坐标为(27°N-32°N)的华中地区、坐标为(32°N-40°N)的华北地区和坐标为(40°N-54°N)的东北地区；所述地形分类按网格内最高海拔与最低海拔之差划分为平坦地形、略有起伏地形和较大起伏地形；网格内植被类型划分为树木为主、灌木为主、草原为主和空旷原野为主总共四种类型。
3.一种基于下垫面情况的冬季输电线路高度风速预报系统，其特征在于，包括：
第一处理单元，用于确定待分析的区域，获取所述区域中所有测风塔的经纬度信息；
第二处理单元，用于将所述区域以经纬度划分为网格，并对各网格的下垫面进行分类，所述下垫面分类数为子区域分类数、地形分类数与植被分类数三者的乘积；
第三处理单元，用于将各所述测风塔根据所在网格相应下垫面的分类进行分组，并将每组测风塔的冬季历史观测数据汇总成数据集后根据天气类型做进一步划分，然后再对各天气下的每组冬季历史观测数据根据观测高度建立矩阵，其中测风塔有m个不同观测高度，每个观测高度的观测数据有n个，得到m×n矩阵M(a,b)，其中a表示下垫面情况分组，b表示天气情况分组；
Figure FDA0002506467610000021
计算矩阵M(a,b)中每一行数据的数学期望值，得到矩阵E(a,b)：
Figure FDA0002506467610000022
其中，矩阵E(a,b)表示下垫面类型为a的一组测风塔，在天气条件为b的情况下，m个不同高度典型风速值；
第四处理单元，用于根据矩阵E(a,b)中的数据，采用多项式插值方法，得到下垫面类型为a的一组测风塔，在各种天气条件下，不同高度风速公式；
第五处理单元，用于根据各组测风塔在各种天气下的不同高度风速公式结合近地面实时的预报数据预报相应网格所在的输电线路高度的风速；所述第五处理单元还用于：当实质存在的测风塔的分类数小于网格下垫面分类数时，在对不存在有类型完全一致的测风塔组的网格进行输电线路高度风速预报时，在实质存在的测风塔组中取类型近似的进行预报。
4.根据权利要求3所述的基于下垫面情况的冬季输电线路高度风速预报系统，其特征在于，所述区域为坐标为(110°E-130°E，27°N-54°N)的我国中东部地区，子区域以纬度进行划分以包括坐标为(27°N-32°N)的华中地区、坐标为(32°N-40°N)的华北地区和坐标为(40°N-54°N)的东北地区；所述地形分类按网格内最高海拔与最低海拔之差划分为平坦地形、略有起伏地形和较大起伏地形；网格内植被类型划分为树木为主、灌木为主、草原为主和空旷原野为主总共四种类型。
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