基于GIS的云南電網(wǎng)雷電信息分析系統(tǒng)研究

黃 然 錢國超 徐肖偉

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南昆明650217）

0 引言

雷擊會引起架空輸電線路跳閘，威脅電網(wǎng)的安全可靠運行，所以建立雷電觀測裝置的重要性不言而喻。目前，國內(nèi)外通過在桿塔/建筑物安裝引雷針、火箭引雷等手段積累自然雷擊參數(shù)[1]，并使用行波監(jiān)測裝置獲取雷擊線路暫態(tài)參數(shù)[2]。美、中、法、日等國還在全國建立起雷電定位系統(tǒng)[3-4]，截至目前，云南全省范圍內(nèi)已安裝雷電定位系統(tǒng)44套，可探測全網(wǎng)雷電數(shù)據(jù)。雷電定位系統(tǒng)（也稱雷電監(jiān)測系統(tǒng)或雷電定位監(jiān)測系統(tǒng)）是一套結(jié)合了電磁遙測技術(shù)、衛(wèi)星技術(shù)、地理信息技術(shù)、計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等科技的全自動、大面積、高經(jīng)度、實時雷電監(jiān)測系統(tǒng)，能實時測量雷電發(fā)生的時間、方位、極性、強(qiáng)度、回?fù)舸螖?shù)等多項雷電參數(shù)。該系統(tǒng)在云南電網(wǎng)已運行近十年，積累了大量雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，為雷電參數(shù)特征分析應(yīng)用系統(tǒng)提供了有力的數(shù)據(jù)保障。

1 云南電網(wǎng)雷電信息分析系統(tǒng)簡介

經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，云南省雷電定位系統(tǒng)已經(jīng)在全省各地建立起來，積累了大量的雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以充分利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行各種雷電參數(shù)的分析研究，包括雷電日、雷電小時、地閃密度Ng、地面落雷密度γ、雷電流幅值累積概率分布P（＞I）、回?fù)舸螖?shù)、正極性比率等。鑒于雷電定位系統(tǒng)自動監(jiān)測的雷電數(shù)據(jù)量巨大，為了方便、快捷地對雷電參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，以雷電定位系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開發(fā)了這套云南電網(wǎng)雷電信息分析系統(tǒng)。不同于原有雷電定位系統(tǒng)中附帶的統(tǒng)計模塊，它為從雷電定位系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計樣本分析，到完整的區(qū)域雷電參數(shù)統(tǒng)計、輸電線路走廊雷電參數(shù)統(tǒng)計提供了全套方案，為防雷設(shè)計、評估提供了基礎(chǔ)和平臺。

2 云南電網(wǎng)雷電信息統(tǒng)計分析原理及方法

雷電特征量反映的是一個區(qū)域雷電活動的強(qiáng)弱，通過對大量雷電特質(zhì)參數(shù)的分析總結(jié)出重要區(qū)域雷電活動規(guī)律特征[5]，建立科學(xué)規(guī)范的雷電特征量統(tǒng)計分析方法，從而為電力系統(tǒng)制定針對性保護(hù)策略，降低通道雷擊風(fēng)險提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。該系統(tǒng)中統(tǒng)計雷電特征參數(shù)包括：雷電日、雷電小時、地閃密度Ng、地面落雷密度γ、地閃總數(shù)、正極性比率、平均電流、雷電流幅值累積概率曲線和表達(dá)式、雷電流幅值比率曲線等。

統(tǒng)計區(qū)域/線路的雷電特征量即統(tǒng)計每條雷電數(shù)據(jù)中心點位置，并將該條雷電數(shù)據(jù)定義為一個要素點，然后把區(qū)域/線路（緩沖區(qū)）抽象成一個面狀要素，這樣就可在一個地理坐標(biāo)系或投影坐標(biāo)系下判斷點狀要素和面狀要素之間的空間關(guān)系。當(dāng)點狀要素和面狀要素幾何關(guān)系為相交時，則說明此落雷數(shù)據(jù)處于該區(qū)域內(nèi)，在統(tǒng)計時把該落雷數(shù)計算進(jìn)去。

對雷電參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計有兩種方法，一種為按行政區(qū)域或特定區(qū)域（線路緩沖區(qū)、手動繪制統(tǒng)計區(qū)域）進(jìn)行統(tǒng)計，另外一種則將該區(qū)域劃分為不同網(wǎng)格大小進(jìn)行統(tǒng)計。分網(wǎng)格法就是將行政區(qū)域分成若干連續(xù)的面積近似的虛擬小格，通過與雷電數(shù)據(jù)的位置關(guān)系數(shù)出每格中雷電參數(shù)，這樣就可以用若干個在二維空間上連續(xù)分布的小格來描述某一區(qū)域內(nèi)雷電參數(shù)的地理分布情況，精確度可以自行設(shè)定，通常分級分色來描述地理分布規(guī)律。利用網(wǎng)格的區(qū)域統(tǒng)計時，網(wǎng)格越小越能真實地反映出該區(qū)域內(nèi)的雷電分布情況。而采用區(qū)域統(tǒng)計雖然在管理和習(xí)慣上比較方便，但是在統(tǒng)計時由于行政區(qū)域輪廓很不規(guī)則，將導(dǎo)致統(tǒng)計結(jié)果不夠精確，無法真實地反映該區(qū)域的落雷情況。

雷電特征量統(tǒng)計分析方法有：常規(guī)數(shù)理統(tǒng)計、滑動平均分析、聚類統(tǒng)計和渲染分析。首先統(tǒng)計總數(shù)、最大值、最小值、平均值、數(shù)值分布，然后根據(jù)統(tǒng)計值生成特定報告。渲染分析則是將要素的屬性值劃分為不同的等級，其中該系統(tǒng)地閃密度的分級為國網(wǎng)地閃密度圖劃分標(biāo)準(zhǔn)及自然分級，然后再用不同的顏色標(biāo)示，這樣就可以非常直觀地反映出該區(qū)域的雷電分布情況。

3 云南電網(wǎng)雷電信息統(tǒng)計系統(tǒng)功能設(shè)計

基于云服務(wù)的新一代雷電信息分析系統(tǒng)能大幅度提高雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)的利用率及利用深度，生成可直接指導(dǎo)區(qū)域及線路防雷工作的有效數(shù)據(jù)，不斷完善系統(tǒng)應(yīng)用功能。主要功能技術(shù)要求如下：

（1）對每一個用戶分配系統(tǒng)權(quán)限，簡單分為三種級別權(quán)限進(jìn)行自由排列組合，可查詢分析數(shù)據(jù)，可導(dǎo)出數(shù)據(jù)，可編輯數(shù)據(jù)。

（2）危險雷電密度分布在地閃密度分布和雷電流幅值分布的基礎(chǔ)上繪制，是雷害風(fēng)險分布圖的基礎(chǔ)。對于不同電壓等級、不同雷害性質(zhì)，具有不同的危險電流段，繪制各類危險電流段內(nèi)的地閃的密度分布，得到相應(yīng)的危險雷電密度分布。

（3）可對重要線路走廊的雷電活動進(jìn)行評價，并按周、月、年提供雷電活動評估報告；或根據(jù)用戶需求定制相關(guān)模板，并在計算分析后自動生成區(qū)域/線路雷電活動分析報告。

（4）分析多個行政區(qū)、線路走廊、線路走廊區(qū)塊、點位緩沖區(qū)、網(wǎng)格、自定義多邊形內(nèi)的某種類型的數(shù)據(jù)樣本，通過比較多個區(qū)域之間的雷電日、雷電小時、密度等參數(shù)得到雷電活動在這多個區(qū)域組成的大區(qū)域上的空間分布規(guī)律。

（5）分析一個行政區(qū)、線路走廊、線路走廊區(qū)塊、點位緩沖區(qū)、網(wǎng)格、自定義多邊形內(nèi)的某種類型的數(shù)據(jù)樣本，按月、按年來比較雷電日、雷電小時、密度、比率等參數(shù)，得到該區(qū)域雷電活動在時間上的分布規(guī)律。

（6）在分析點、線等對象時，先定義一個緩沖區(qū)；為了研究輸電線路沿線雷電活動規(guī)律，系統(tǒng)針對輸電線路提供了對線路緩沖區(qū)沿線按長度等分的功能；為了研究線路的引雷寬度，提供了建立多級緩沖區(qū)的功能。

圖1 雷害風(fēng)險計算邏輯圖

4 基于GIS的云南電網(wǎng)雷電信息統(tǒng)計系統(tǒng)設(shè)計

由于雷電數(shù)據(jù)樣本巨大，并且雷電數(shù)據(jù)本身具有空間屬性，所以必須選用一個高效的、功能強(qiáng)大的GIS平臺來處理這海量的數(shù)據(jù)，以它為基礎(chǔ)擴(kuò)展出雷電參數(shù)分析功能模塊，最終構(gòu)成分析軟件。美國ESRI公司是專業(yè)開發(fā)地理信息系統(tǒng)的廠家，是目前世界上GIS的三大廠家之一，其開發(fā)的ArcObjects是當(dāng)前最優(yōu)秀的GIS軟件之一。其組件提供了大量的通用的統(tǒng)計程序與統(tǒng)計方法，方便雷電系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的分析與直觀顯示。它還提供了獨立COM組件的產(chǎn)品ArcGIS Engine，方便進(jìn)行再開發(fā)。

數(shù)據(jù)上傳、下載均通過Web Service接口進(jìn)行通信，該技術(shù)能使運行在不同機(jī)器上的不同應(yīng)用無須借助附加的、專門的第三方軟件或硬件，就可以相互交換數(shù)據(jù)或集成，大大方便了應(yīng)用接口的開發(fā)。

通過對雷電日、雷電小時、地閃密度Ng、地面落雷密度γ、地閃總數(shù)、正極性比率、平均電流等各種雷電參數(shù)的統(tǒng)計，對采集的信息進(jìn)行時間、空間、電流不同維度的分析，統(tǒng)計結(jié)果有Excel表、Word報告、gif圖片、圖層文件等形式。

5 基于GIS的云南電網(wǎng)雷電信息統(tǒng)計系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)可根據(jù)不同需求，選擇不同大小網(wǎng)格，即統(tǒng)計精度，可得出同一區(qū)域不同分析結(jié)果。網(wǎng)格分析統(tǒng)計運行結(jié)束后，在“雷電數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)”圖層欄中出現(xiàn)所選區(qū)域各年及平均年的網(wǎng)格分析結(jié)果，這些結(jié)果文件存儲在“保存到”指定路徑下，自動命名規(guī)則為：在“網(wǎng)格分析”對話框中“保存到”方框中的指定名稱后加上“（網(wǎng)格大小年份）”。

危險雷電密度分布在地閃密度分布和雷電流幅值分布的基礎(chǔ)上繪制，是雷害風(fēng)險分布圖的基礎(chǔ)。對于不同電壓等級、不同雷害性質(zhì)，具有不同的危險電流段，繪制各類危險電流段內(nèi)的地閃的密度分布，得到相應(yīng)的危險雷電密度分布。其計算邏輯圖如圖1所示。

危險雷電密度分布的分級方法建立在地閃密度分級基礎(chǔ)上，以地閃密度等級劃分時的3個分割點（分別為A級與B1級的分割點、B2級與C1級的分割點、C2級與D1級的分割點）對應(yīng)的地閃密度Ng值，以及當(dāng)?shù)乩纂娏鞣道鄯e概率分布P（＞I）為依據(jù)，得到繞擊危險雷電密度分布中相應(yīng)的3個分割點值，然后根據(jù)得到的反擊危險雷電密度分布中相應(yīng)的3個分割點值，分別將繞擊危險雷電密度分布和反擊危險雷電密度分布劃分成4個等級，作為雷害風(fēng)險分布圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級區(qū)域劃分的基礎(chǔ)。

將線路走廊劃分成一系列小段，統(tǒng)計各個小區(qū)段內(nèi)的雷電參數(shù)，這樣多個區(qū)段內(nèi)雷電參數(shù)的分布即可反映線路走廊沿線雷電活動規(guī)律的變化。任務(wù)完成后，在圖層欄左側(cè)自動顯示出結(jié)果圖層文件，在主窗口中則顯示出劃分的緩沖區(qū)結(jié)果。線路沿線地閃密度空間分布按不同分色圖顯示出來，不同的顏色代表不同的密度值范圍，所代表的范圍值顯示在左側(cè)圖層欄該圖層下，也可通過“+圖例”按鈕讓其顯示在主窗口中。

6 結(jié)語

我們在地理信息系統(tǒng)平臺上根據(jù)雷電定位系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計樣本開發(fā)出了一套雷電信息統(tǒng)計軟件，該系統(tǒng)作為雷電數(shù)據(jù)展示、管理、統(tǒng)計平臺，提供了區(qū)域雷電參數(shù)統(tǒng)計、輸電線路走廊雷電參數(shù)統(tǒng)計等多個功能模塊，為探索區(qū)域雷電發(fā)生規(guī)律及防雷設(shè)計提供了堅實的基礎(chǔ)。

[1]谷山強(qiáng)，陳維江，向念文，等.一次自然雷擊過程的光學(xué)觀測分析[J].高電壓技術(shù)，2014，40（3）：683-689.

[2]彭向陽，錢冠軍，李鑫，等.架空輸電線路跳閘故障智能診斷[J].高電壓技術(shù)，2012，38（8）：1965-1972.

[3]陳家宏，張勤，馮萬興，等.中國電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)與雷電監(jiān)測網(wǎng)[J].高電壓技術(shù)，2008，34（3）：425-431.

[4]陳維江，陳家宏，谷山強(qiáng)，等.中國電網(wǎng)雷電監(jiān)測與防護(hù)亟待研究的關(guān)鍵技術(shù)[J].高電壓技術(shù)，2008，34（10）：2009-2015.

[5]陳家宏，鄭家松，馮萬興，等.雷電日統(tǒng)計方法[J].高電壓技術(shù)，2006，32（11）：115-118.