基于Arcgis的雷電分布圖繪制方法研究

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，昆明 650217）

0 前言

架空輸電線路除了人為因素，設(shè)備故障外還與自然災(zāi)害密不可分。根據(jù)云南近幾年跳閘數(shù)據(jù)統(tǒng)計在各類自然災(zāi)害，影響因子排序如下：雷電、山火、覆冰、外破、鳥害、風(fēng)偏及其他，其中雷電占比大約為60%，為造成線路跳閘的主要原因，本文提出了一種基于網(wǎng)格分析的雷區(qū)圖繪制方法，將統(tǒng)計數(shù)據(jù)以不同形式展示包括圖形、表格等，為運維人員提供詳實的雷電分布趨勢，為線路防雷決策提供支持和數(shù)據(jù)支持，對電網(wǎng)的安全運行有意義。

1 云南地形地貌概況

云南地形極為復(fù)雜,大體上西北部是高山深谷的橫斷山區(qū),東部和南部是云貴高原。最高峰是西北部迪慶藏族自治州德欽縣的梅里雪山，其主峰卡瓦格博峰海拔6740米。最低點是河口縣的元江河谷，海拔僅有76.4米.整個云南西北高、東南低，有94%多的面積是山地，僅有不到6%是壩子、湖泊之類.個別縣市的山地比重竟然超過了98%。而由于云南地處低緯高原地區(qū)，復(fù)雜的地形地貌及南北氣候的差異特殊地形使得雷電活動尤為頻繁，一般從每年4月份開始一直持續(xù)到十月份結(jié)束，其中西雙版納為云南省雷暴最多的地方，年平均雷暴日可達(dá)一百多天，相當(dāng)于每年的三分之一時間在打雷。

2 雷電原始數(shù)據(jù)處理

為此收集了云南省內(nèi)44個雷電探測站近十年觀察數(shù)據(jù)以及探測站位置信息，收集數(shù)據(jù)包括：落雷時間、落雷位置、落雷電流幅值、落雷極性、定位站數(shù)、回?fù)舸螖?shù)、平均角度誤差、誤差橢圓長半軸、誤差橢圓短半軸等。

相較于故障錄波或者其他監(jiān)控系統(tǒng)容易造成較大誤差以及漏報落雷點，云南省雷電定位系統(tǒng)采用高精度GPS技術(shù)，能將落雷位置精確到毫秒級別，準(zhǔn)確的收集落雷數(shù)據(jù)，大大提高信息的可信度及準(zhǔn)確度，一般數(shù)據(jù)處理包括以下幾個部分：

2.1 數(shù)據(jù)采集

雷電探測站采集到落雷數(shù)據(jù)后通過指定服務(wù)傳輸給數(shù)據(jù)服務(wù)器，通信服務(wù)器一般采用雙機(jī)熱備技術(shù)，當(dāng)一臺出現(xiàn)故障無法正常工作時，可啟動另外一臺設(shè)備保證雷電數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。

2.2 數(shù)據(jù)定位計算

雷電數(shù)據(jù)定位計算為系統(tǒng)核心部分，通過不同探測站采集到的數(shù)據(jù)通過綜合分析后，根據(jù)定義好的計算模型從新計算得出真實的落雷位置，并將計算結(jié)果保存至數(shù)據(jù)庫中。

2.3 雷電數(shù)據(jù)服務(wù)

由于每年采集的落雷數(shù)據(jù)量大，為了方便查看及保存需將數(shù)據(jù)保存至專門的存儲數(shù)據(jù)庫中，包括采集到的雷電位置數(shù)據(jù)、雷電相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)、計算結(jié)果數(shù)據(jù)等。且數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通常采用磁盤陣列技術(shù)防止由于設(shè)備故障而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。

2.4 雷電統(tǒng)計分析服務(wù)

通過分析統(tǒng)計落雷數(shù)據(jù)，可針對性的未雷電數(shù)據(jù)研究提供相關(guān)服務(wù)，包括區(qū)域地閃密度分析、線路地閃密度分析、雷暴日分析、雷暴小時分析、有雷日分析、雷電賦值分析等。

通過上述數(shù)據(jù)處理后，系統(tǒng)自動剔除了采集的非雷電數(shù)據(jù)信號，并通過不同探測站的數(shù)據(jù)比對篩選出真實的雷電信息數(shù)據(jù)，為后續(xù)的雷電參數(shù)統(tǒng)計[1]、空間規(guī)律分析提供有力的數(shù)據(jù)支持。

3 基于網(wǎng)格劃分的雷電數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的地形處理已經(jīng)不能滿足大數(shù)據(jù)良、復(fù)雜空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的需求，相較于單機(jī)計算下的計算速度慢效率低下的問題，基于網(wǎng)格技術(shù)的分布式并行處理能將計算速度大大提高，并能有效解決由于數(shù)據(jù)量太大無法分析計算的問題。

空間數(shù)據(jù)[2]索引是指空間對象在現(xiàn)實中的地理位置的某種特定關(guān)系，并按照實際情況進(jìn)行排列的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括屬性信息、空間位置信息、地理對象標(biāo)識ΙD等，然后通過索引得到各元素間的約束關(guān)系。

網(wǎng)格分析[3]是研究網(wǎng)絡(luò)上的資源流動和分配情況，并對其進(jìn)行優(yōu)化處理的空間分析[4]方法。顧名思義就是將整個區(qū)域劃分為一個個大小相同的正方形網(wǎng)格，從左至右，從上至下排序，每個網(wǎng)格的面積都相等，可按需分為0.5*0.5、1*1、2*2、5*5、10*10的大小，負(fù)荷和負(fù)荷密度成比例關(guān)系。由于云南省邊界不會隨意變化，所以只用劃分一次便可以一直使用。統(tǒng)計時取網(wǎng)絡(luò)中心點為相對地理坐標(biāo)，同時將網(wǎng)格內(nèi)負(fù)荷等效為點的負(fù)荷，這樣可以大大簡化數(shù)據(jù)的提取及分析，流程圖如圖1所示：

圖1 網(wǎng)格分析流程圖

4 雷電分布圖繪制方法

為了使圖像最終的顯示效果顯得更為平滑，不顯得突兀，通常采用插值方法對圖像進(jìn)行處理?？臻g插值就是通過已知點的數(shù)值來估算其他點的數(shù)值，并其點位數(shù)值進(jìn)行覆蓋，也是一種將點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為面數(shù)據(jù)的一種方法，使得點數(shù)據(jù)能用于空間分析和建模?？臻g插值的理論假設(shè)是：空間位置上越靠近的點，越可能具有相似的特征值，而距離越遠(yuǎn)的點，其特征值相似的可能性越小?？臻g插值方法正式根據(jù)該假設(shè)設(shè)計的，分為整體插值方法和部分插值方法。

4.1 固定閾值IDW算法

ΙDW基本思想是目標(biāo)離觀察點越近則權(quán)重越大，受該觀察點的影響越大。好處是觀察點本身是絕對準(zhǔn)確的，而且可以限制插值點的個數(shù)。

設(shè)置一個固定的閾值進(jìn)行插值計算，插值后得到的分布圖。優(yōu)點是地圖在任何比例尺下看到的分布情況都是一樣的，缺點是小比例尺下分布區(qū)域不連貫，地圖顯示的小片區(qū)域比較多。效果如圖2、3、4：

圖2 固定閾值示例圖

圖3 1:1,000,000比例尺效果

圖4 1:500,000比例尺效果

4.2 多閾值IDW算法

根據(jù)地圖顯示的比例尺不同，不同放大級別使用不同的閾值進(jìn)行插值計算，小比例尺下只顯示全省分布的大概情況，大比例尺下顯示某個區(qū)域分布的詳細(xì)情況。

優(yōu)點是任何比例尺下顯示的分布圖都是簡潔明快的，缺點是大比例尺下鋸齒明顯、不同比例尺下顯示的分布結(jié)果不一樣。效果如圖5：

圖5 多閾值示例圖

4.3 Kriging算法

Kriging插值[5,6]與ΙDW插值的區(qū)別在于權(quán)重的選擇，ΙDW僅僅將距離的倒數(shù)作為權(quán)重，而克里金考慮到了空間相關(guān)性的問題。它首先將每兩個點進(jìn)行配對，這樣就能產(chǎn)生一個自變量為兩點之間距離的函數(shù)。對于這種方法，原始的輸入點可能會發(fā)生變化。在數(shù)據(jù)點多時，結(jié)果更加可靠。

目前來看是插值效果最好的算法，任何比例吃下顯示的分布圖都是平滑、連貫的，缺點是計算時間太長，用測試數(shù)據(jù)需要計算20多分鐘。效果如圖6：

圖6 Kriging算法示例圖

5 繪制方法應(yīng)用展示

通過提前將地圖進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可快速提高計算速度，提高運行效率，本文利用該方法針對幾種常用的雷電分析處理做了應(yīng)用展示：

5.1 危險雷害圖分析

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。其計算邏輯圖如下圖所示：

圖7 計算邏輯圖

效果圖如圖8所示：

圖8 云南省雷電效果圖

5.2 特定電壓等級線路雷電分析

針對云南省內(nèi)500 kV線路，只統(tǒng)計分析線路走廊半徑內(nèi)雷電活動分布，根據(jù)線路覆蓋區(qū)域與網(wǎng)格進(jìn)行交叉對比，僅統(tǒng)計二者交叉區(qū)域的網(wǎng)格落雷數(shù)量，最后進(jìn)行分級繪制。在盡可能將網(wǎng)格劃分為最小的情況下了有效的避免統(tǒng)計線路走廊與網(wǎng)格區(qū)域的無效部分，在本文中，在不影響機(jī)器性能的情況下采用1 km*1 km的網(wǎng)格大小，效果圖如下圖9：

圖9 特定電壓等級線路雷電分析效果

6 結(jié)束語

本文以云南省為研究對象，基于云南省內(nèi)44個探測站近十年的雷電位置、雷電大小、賦值 分布等海量數(shù)據(jù)，分別采用固定閾值ΙDW法、多閾值ΙDW法、Kriging算法繪制相應(yīng)雷區(qū)圖，并進(jìn)行相關(guān)對比。從測試樣本可以看出，Kriging算法插值圖形效果最好，能較好的體現(xiàn)細(xì)節(jié)變化，在不考慮計算時間的條件下，優(yōu)先采用該方法進(jìn)行處理。由于雷電活動與地形地貌、氣象環(huán)境等因素有關(guān)，由于獲取數(shù)據(jù)的途徑有限，本文僅針對雷電活動進(jìn)行了統(tǒng)計分析，并未考慮其他因素對雷電活動的影響及雷區(qū)圖的疊加等。為了滿足日益提高的雷區(qū)圖使用需求，在下一步的研究中加入地形地貌及氣象等多因子的數(shù)學(xué)模型，并優(yōu)化該方法對雷電進(jìn)行更為精確、全面的研究。