基于PnPoly算法的桿塔所屬風(fēng)區(qū)研判及風(fēng)速配置校核研究

郭飛，賈璐，吳佳靜，李秀廣，劉世濤

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001；2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司寧東供電公司，寧夏 銀川 750411；3.寧夏信通網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，寧夏 銀川 750001;4.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011)

隨著電網(wǎng)建設(shè)里程的增加，沿線氣候存在一定差異，尤其是沿線大風(fēng)情況較為復(fù)雜，輸電線路在風(fēng)荷載下斷線情況屢有發(fā)生，由此引發(fā)的停電、倒塔事故給生產(chǎn)造成了嚴重的經(jīng)濟損失，甚至人員傷亡[1]。與此同時，城市發(fā)展和技術(shù)進步對電網(wǎng)可靠性的要求越來越高，設(shè)計風(fēng)速的科學(xué)性和精準性對工程安全運行及經(jīng)濟效益愈加重要[2-3]。隨著環(huán)境的變化和基本風(fēng)速樣本容量的積累，風(fēng)區(qū)風(fēng)速呈現(xiàn)逐年減弱或逐年增大的趨勢，需定期對風(fēng)區(qū)圖進行迭代修訂。輸電桿塔設(shè)計和建設(shè)階段的風(fēng)區(qū)參數(shù)可能與目前環(huán)境存在非常大的偏差，根據(jù)修訂后的風(fēng)區(qū)圖重新判定桿塔所屬風(fēng)區(qū)并進行風(fēng)區(qū)校核，對電網(wǎng)安全運行非常關(guān)鍵。本文提出利用PnPoly算法開展輸電線路桿塔所屬風(fēng)區(qū)研判與糾偏，結(jié)合PMS數(shù)據(jù)利用Python實現(xiàn)桿塔設(shè)計風(fēng)速校核，為桿塔設(shè)計、運維等工作提供參考，有效避免強風(fēng)引起的桿塔倒塌、線路器件損壞、風(fēng)偏閃絡(luò)跳閘等事故。

1 PnPoly算法概念

輸電桿塔所屬風(fēng)區(qū)的研判可以抽象為數(shù)學(xué)概念上點與多邊形的判定問題，利用PnPoly算法能有效判斷點是否位于任意多邊形區(qū)域內(nèi)[4]。PnPoly算法判斷點與多邊形的位置關(guān)系，即通過待測點作一條射線，與多邊形邊界交點個數(shù)為奇數(shù)，則該待測點位于多邊形內(nèi)部；若與多邊形邊界交點個數(shù)為偶數(shù)，則該待測點位于多邊形外部。

由圖1可知，沿測試點P向左右做射線L，點P的Y坐標與多邊形的每一個點進行比較，得到一個測試點所在的行與多邊形邊的交點的列表。在圖1中有8條邊與測試點所在的行相交，有6條邊沒有相交。如果測試點的兩邊點的個數(shù)都是奇數(shù)，則該測試點在多邊形內(nèi)，否則在多邊形外。在這個例子中測試點的左邊有5個交點，右邊有3個交點，它們都是奇數(shù)，所以點在多邊形內(nèi)。

圖1 射線算法原理

如果射線與多邊形頂點相交，且該頂點是其所屬邊上縱坐標最大的頂點，則將其作為交點計數(shù)；如果點P在多邊形邊上，則判斷P在多邊形內(nèi)。圖2所示為PnPoly算法流程。

圖2 PnPoly算法流程

2 桿塔所屬風(fēng)區(qū)研判模型

2.1 風(fēng)區(qū)邊界點提取

風(fēng)區(qū)邊界點[5]的提取是判斷桿塔所屬風(fēng)區(qū)的基礎(chǔ)，利用ArcGIS軟件對基礎(chǔ)氣象站坐標及歷年基本風(fēng)速數(shù)據(jù)進行插值計算，得到區(qū)域風(fēng)區(qū)圖空間插值圖形。以30年重現(xiàn)期風(fēng)區(qū)為例提取風(fēng)區(qū)邊界點，結(jié)果如圖3所示。

圖3(b)中存在明顯的嵌套風(fēng)區(qū)，為保證桿塔所屬風(fēng)區(qū)研判準確性，必須對嵌套風(fēng)區(qū)進行人工修偏。尋找所有具有嵌套關(guān)系的風(fēng)區(qū)圖片區(qū)，人工去除嵌套風(fēng)區(qū)，處理后的風(fēng)區(qū)如3(c)所示。

2.2 桿塔所屬風(fēng)區(qū)研判及風(fēng)速配置校核

2.2.1 所屬風(fēng)區(qū)研判

采用PnPoly算法，通過待測點作一條射線，與多邊形邊界交點個數(shù)為奇數(shù)，則該待測點位于多邊形內(nèi)部；若與多邊形邊界交點個數(shù)為偶數(shù)，則待測點位于多邊形外部。利用Python編寫該算法腳本，對于所有桿塔所屬的風(fēng)區(qū)進行研判，對嵌套風(fēng)區(qū)人工處理前后研判結(jié)果對比分析。由于存在部分省外桿塔，所以校核的首要工作就是根據(jù)臨近省份風(fēng)區(qū)分布情況，人工標注寧夏區(qū)域外桿塔所屬風(fēng)區(qū)。對于區(qū)域外的桿塔所屬風(fēng)區(qū)，只能參照臨省風(fēng)區(qū)分布情況，以及桿塔所處位置就近參考風(fēng)區(qū)所屬等級進行人工標注。

(a)風(fēng)區(qū)

(b)風(fēng)區(qū)中片區(qū)0邊界點

(c)風(fēng)區(qū)嵌套處理后

2.2.2 風(fēng)速配置校核

對于設(shè)計風(fēng)速的校核，從PMS2.0系統(tǒng)中抽取桿塔參數(shù)數(shù)據(jù)，然后編寫Python腳本，參考《寧夏電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布圖編制說明(國網(wǎng))》中不同電壓等級輸電線路設(shè)計時采用的風(fēng)速重現(xiàn)期[6-7]，如表1所示，對設(shè)計風(fēng)速進行校核。

表1 不同電壓等級輸電線路設(shè)計時采用的風(fēng)速重現(xiàn)期

算法流程如圖4所示。

圖4 桿塔所屬風(fēng)區(qū)研判及校核流程

圖5(a)以30年重現(xiàn)期的風(fēng)區(qū)圖為例，片區(qū)1的邊界點可以基本勾勒片區(qū)1所在的范圍。圖5(b)是30年重現(xiàn)期風(fēng)區(qū)，匹配到該風(fēng)區(qū)的片區(qū)1的桿塔分布情況。對比可知，該部分桿塔匹配結(jié)果準確。

圖6(a)是50年重現(xiàn)期的風(fēng)區(qū)圖中片區(qū)1的邊界點，可以基本勾勒片區(qū)1所在的范圍。圖6(b)是50年重現(xiàn)期風(fēng)區(qū)圖中匹配到該風(fēng)區(qū)的片區(qū)1的桿塔分布情況。對比可知，該部分桿塔匹配結(jié)果準確。

(a)片區(qū)1邊界點

(b)片區(qū)1內(nèi)匹配的桿塔

(a)片區(qū)1邊界點

(b)片區(qū)1內(nèi)匹配的桿塔

圖7(a)是100年重現(xiàn)期的風(fēng)區(qū)圖中片區(qū)0的邊界點，可以基本勾勒片區(qū)0所在的范圍。圖7(b)是100年重現(xiàn)期風(fēng)區(qū)圖中匹配到該風(fēng)區(qū)的片區(qū)0的桿塔分布情況。對比可知，該部分桿塔匹配結(jié)果準確。

(a)片區(qū)0邊界點

(b)片區(qū)0內(nèi)匹配的桿塔

圖8(a)是30年重現(xiàn)期的風(fēng)區(qū)，圖8(b)是30年重現(xiàn)期風(fēng)區(qū)未匹配到任何風(fēng)區(qū)的桿塔分布情況，此部分桿塔即為疑似省外桿塔。對比可知，該部分桿塔匹配結(jié)果較為準確，但是有部分桿塔坐標點可能存在問題，需要進一步校核。

(a)30年重現(xiàn)期風(fēng)區(qū)

(b)未匹配任何風(fēng)區(qū)—疑似省外桿塔分布

3 實例分析

采用上文提出的模型，對某省桿塔所屬風(fēng)區(qū)進行研判分析，嵌套風(fēng)區(qū)人工處理前后研判結(jié)果如表2所示。

表2 風(fēng)區(qū)研判結(jié)果分析

由表2可知:對于嵌套風(fēng)區(qū)的人工處理對于桿塔所屬的各個重現(xiàn)期的風(fēng)區(qū)圖的研判準確率影響較大，尤其是30年重現(xiàn)期的風(fēng)區(qū)圖，桿塔錯判個數(shù)最多達到1400個，而50年重現(xiàn)期的風(fēng)區(qū)圖也有1188個桿塔錯判。由于嵌套風(fēng)區(qū)的影響，導(dǎo)致多數(shù)錯判的桿塔被“誤認為”是省外桿塔，也就是無法匹配到任何風(fēng)區(qū)，同樣導(dǎo)致省外桿塔從實際個數(shù)546個突增到2618個，整體準確率下降至88%左右。相比較而言，對于嵌套風(fēng)區(qū)經(jīng)過人工處理之后，只有極少數(shù)桿塔被錯判，整體準確率超過99%。實證表明，采用人工處理嵌套風(fēng)區(qū)的方式，能夠有效提升桿塔所屬風(fēng)區(qū)研判準確率。

由于存在部分省外桿塔，根據(jù)臨近省份風(fēng)區(qū)分布情況，人工標注寧夏區(qū)域外桿塔所屬風(fēng)區(qū)，在此基礎(chǔ)上開展風(fēng)速配置校核。根據(jù)風(fēng)區(qū)校核結(jié)果，發(fā)現(xiàn)設(shè)計風(fēng)速小于最低標準的桿塔占比7.62%。校核結(jié)果與現(xiàn)有風(fēng)區(qū)不匹配，主要是受線路設(shè)計年份氣象環(huán)境變化等因素影響，此處對小于最小設(shè)計風(fēng)速要求的桿塔投運年限進行分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 主要年份投運桿塔設(shè)計風(fēng)速小于最低標準情況

由圖9可以看出，1975年、1989年投運的桿塔設(shè)計風(fēng)速均小于最低標準，說明此類桿塔因投運年限過久，需要重新進行整改，并根據(jù)目前實際氣象條件及時優(yōu)化巡檢及大修計劃等。

4 分析結(jié)果

(1)采用PnPoly算法能夠有效判別桿塔所屬風(fēng)區(qū)，利用人工處理嵌套風(fēng)區(qū)的方式，能夠有效提升桿塔所屬風(fēng)區(qū)研判準確率。因桿塔投運年份較早，桿塔的設(shè)計風(fēng)速與最新風(fēng)區(qū)圖有較大偏差，需要著重對該部分桿塔進行整改，加強設(shè)備巡檢與大修技改投入力度。

(2)根據(jù)寧夏風(fēng)區(qū)特征[8]，應(yīng)加強對西北偏向設(shè)計風(fēng)速小于最低標準桿塔的巡檢力度，對處于風(fēng)口的桿塔塔身進行補強處理，著力加強線路轉(zhuǎn)角、耐張桿塔跳線防風(fēng)偏改造力度。根據(jù)桿塔所屬風(fēng)區(qū)，針對微氣象區(qū)域特征明顯，颮線風(fēng)頻發(fā)地區(qū)，在設(shè)計時應(yīng)預(yù)留裕度，根據(jù)風(fēng)區(qū)校核結(jié)果，調(diào)整絕緣子串型式或優(yōu)化防風(fēng)偏措施。

綜上所述，對在運桿塔進行所屬分區(qū)研判及設(shè)計風(fēng)速校核，能夠從源頭上控制輸電線路風(fēng)偏等故障的發(fā)生，有效減少電網(wǎng)經(jīng)濟損失，有利于提高線路運行可靠性和健康水平。