一种沿海地区架空输电线路设计风速的空间取值方法

摘要

本发明是一种沿海地区架空输电线路设计风速的空间取值方法。包括有如下步骤：1）资料收集、审查和修正；2）沿海地区热带气旋特征分析；3）长期气象台站理论风速计算；4）自动气象站补充计算；5）设计风速空间插值及优化。本发明提出的方法充分采用了海洋站和自动气象站数据，引入海洋站数据更清晰地反映风速由沿海边向内陆变化的趋势；引入自动气象站数据提供更多的设计风速空间插值点，增强输电线路工程基础气象资料代表性。此外，本发明优选空间插值方法保证设计风速空间分布的合理性和稳定性。本发明是一种风速计算结果更准确的沿海地区架空输电线路设计风速的空间取值方法。

说明书

技术领域

本发明属于输电线路工程设计与改造的技术领域，具体涉及一种 沿海地区架空输电线路设计风速的空间取值方法。

背景技术

我国东南沿海地区位于西北太平洋热带气旋和南海热带气旋的主 要活动路径上，受热带气旋侵袭严重，沿海地区输电线路的防灾减灾 形势严峻。

设计风速是架空输电线路设计的关键参数，设计风速取值直接关 系到线路工程的经济性、安全性和适用性。目前架空输电线路设计风 速主要依据线路走廊附近长期气象台站的风速资料、《建筑结构荷载 规范》GB50009-2012和同区域已建线路设计风速综合考虑确定。

由于长期气象台站分布较为稀疏，其观测场多位于市郊边界区或 近郊，随着城市化进程加快，测风环境普遍退化，不能客观反映线路 工程所经过的野外开阔地、山岭迎风坡和滨海强风区等不同地区的风 速空间分布规律。《建筑结构荷载规范》GB50009-2012研究范围遍及 全国，附录E中的全国各城市基本风压取值表和全国基本风压分布图 仅给出了空间尺度在10²公里量级的风速变化趋势，空间分辨率有限， 实际应用时无法精细化地描述沿海地区空间尺度在10¹～10²公里量 级的地形地貌对风场影响。因此沿海地区架空输电线路设计风速的取 值面临基础资料匮乏和代表性有限等问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种风速计算结果更准确的沿海地区架空 输电线路设计风速的空间取值方法。本发明通过统计沿海地区热带气 旋登陆频次及强度特征，补充收集整理沿海地区广泛分布的自动气象 站和海洋站风速资料，展开与长期气象台站风速数据相关性分析，解 决由于长期气象台站分布稀疏导致的设计风速空间分布代表性不足 的问题。

本发明的技术方案是：本发明沿海地区架空输电线路设计风速的 空间取值方法,包括有如下步骤：

1)资料收集、审查和修正；

2)沿海地区热带气旋特征分析；

3)长期气象台站理论风速计算；

4)自动气象站补充计算；

5)设计风速空间插值及优化。

本发明提出的方法充分采用了海洋站和自动气象站数据，与传统 的方法相比，本发明风速计算结果更准确。主要表现为：

1、本发明引入海洋站数据更清晰地反映风速由沿海边向内陆变化 的趋势；

2、本发明引入自动气象站数据提供更多的设计风速空间插值点， 增强输电线路工程基础气象资料代表性；

3、本发明优选空间插值方法保证设计风速空间分布的合理性和稳 定性。

附图说明

图1为设计风速取值总示意图；

图2～图6分别为资料收集、审查和修正，沿海地区热带气旋特征 分析，长期气象台站理论风速计算，自动气象站补充计算，设计风速 空间插值及优化流程图。

具体实施方式

本发明沿海地区架空输电线路设计风速的空间取值方法，包括有 如下步骤：

1)资料收集、审查和修正；

2)沿海地区热带气旋特征分析；

3)长期气象台站理论风速计算；

4)自动气象站补充计算；

5)设计风速空间插值及优化。

本实施例中，上述步骤1)资料收集包括如下内容：

历年《热带气旋年鉴》，国家气象台站历史沿革和历年最大10分 钟平均风速观测数据，海洋站历史沿革和历年最大10分钟平均风速 观测数据，区域自动气象站10分钟平均风速观测数据，不同电压等 级已建线路工程杆塔坐标、设计风速、风灾事故和基础地理信息数据。

本实施例中，上述步骤1)资料审查包括如下内容：气象台站代 表性、观测资料一致性和数据记录可靠性审查；

气象台站的代表性判断标准如下：

11)国家气象站和海洋站拥有30年以上测风资料；

12)自动站的风速资料序列不少于2年，且平均风速、最大风速 和极大风速资料序列的完整率大于95％；

13)站点周围地形平整度较好；

14)四周开阔空旷，附近障碍物对测风的最大遮挡角不大于5°。

观测资料一致性判断标准：

21)根据气象台站历史沿革中的迁站和更换仪器等信息确定资料 间断年份；

22)间断年之前(不包括该年)的风速序列为子序列1，其后的序 列为子序列2。设子序列1为x₁,x₂,….,x_n1，子序列2为y₁,y₂,….,y_n2， 子序列1和2的平均值分别为和全部数据平均值为于是

$\bar{G}=\frac{1}{n_1+n_2}(\underset{i=1}{\overset{n_1}{\Sigma }}{x}_i+\underset{i=1}{\overset{n_2}{\Sigma }}{y}_i)=\frac{(n_1\bar{x}+n_2\bar{y})}{n_1+n_2}$

全部数据对的偏差平方和为：

上式右端括号内平方和反映了各组数据内部差异程度，称为组内偏差 平方和，上式右端第2项反映了两组数据之间的差异程度，称为组间 偏差平方和；

23)判断组间差异是否显著，利用F检验方法来进行显著性检验：

$F=\frac{\frac{n_1{n}_2}{n_1+n_2}{(\bar{x}-\bar{y})}^2}{[\underset{i=1}{\overset{n_1}{\Sigma }}{(x_i-\bar{x})}^2+\underset{j=1}{\overset{n_2}{\Sigma }}{(y_j-\bar{y})}^2]}(n_1+n_2-2)$

数据记录可靠性判断标准：

以当地气象部门审核通过，进入气象系统数据库并上报中国气象局的 数据为准；对于显著偏大或偏小的风速资料进行分析，通过天气系统 过程分析、台站间对比分析、不同气象要素相关分析等审定数据记录 可靠与否。

本实施例中，上述步骤1)中资料修正包括风速高度订正和次时 换算：

风速高度订正采用幂指数公式：

$V=V_0{\left(\frac{Z}{10}\right)}^{\alpha }$

式中V为标准高度风速，Z为气象台站历史沿革中记录的风速仪 高度，V₀为风速仪观测风速，α为空旷平坦地区地面粗糙度系数，按 《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)取0.15；

风速次时换算采用线性回归模型：

V_10min＝aV_2min+b

31)从有风速自记的台站中，分别挑出年自记10分钟平均最大 风速值，并将其换算到标准高度，得到V_10min序列y₁,y₂,….,y_n；

32)从相应台站的相同年份中挑出定时2分钟平均最大风速值， 并换算到标准高度，得到与y₁,y₂,….,y_n相对应的V_2min序列x₁,x₂,….,x_n；

33)根据最小二乘法求常数a、b。

本实施例中，上述步骤2)沿海地区热带气旋特征分析是以历年 《热带气旋年鉴》记录的登陆热带气旋为样本，分析登陆频次的年际 和月际变化、空间分布和强度分级特征；

年际和月际变化特征包括省级行政界限内的历史登陆热带气旋总 数，极大值和极小值及其出现年份，登陆热带气旋逐年变化曲线，逐 月登陆频数分布形态，全年最早登陆热带气旋和全年最晚登陆热带气 旋日期等统计值；

空间分布特征包括沿海地级市行政界限内的登陆热带气旋总数和 比例；

按照《热带气旋等级》GB/T19201-2006对登陆时的热带气旋强度 进行分级，统计不同等级热带气旋总数和比例。

本实施例中，上述步骤3)长期气象台站理论风速计算是以修正 后的国家气象站、海洋站逐年离地10米高度10分钟平均最大风速为 样本，采用极值I型和皮尔逊III型概率分布中拟合效果更好的线型 计算重现期为30年和50年的理论风速。

本实施例中，上述步骤4)自动气象站补充计算方法如下：

选择与自动气象站大风样本相关系数最好的国家气象站作为参证 站，利用比值法计算各自动气象站的延长系数k，计算式如下：

$k=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{x_i}{y_i}$

式中x_i为自动站系列，y_i为参证站系列，n为样本总数。利用延长系 数k修正，得到与参证气象站长年代风速序列A_i相对应的序列B_i， 然后采用极值I型和皮尔逊III型概率分布中拟合效果更好的线型计 算重现期为30年和50年的理论风速。

本实施例中，上述步骤5)设计风速空间插值及优化方法如下：

国家气象站、海洋站以及自动气象站的理论风速空间插值采用反 距离加权插值法、Cressman插值法、径向基函数插值法、Kriging插 值法进行空间插值计算，并记录插值误差；交叉验证采用十折验证, 即将样本集随机分为10组进行计算，每次利用其中9组进行空间插 值，剩余1组用作验证，分析10次空间插值计算结果，选出插值误 差最小分组方法。

选择台风以上热带气旋登陆高频区和发生过断线倒塔事故的重点 地段，利用已建线路工程设计风速资料对理论风速插值结果进行复 核；通过调整空间插值参数(如搜索半径、半变异函数、变程等)对 理论风速空间分布进行优化。

本发明沿海地区限定在距海岸线约100公里范围内。即本发明收 集沿海地区100公里范围内国家气象站、海洋站和自动气象站风速观 测资料与历史沿革。经过气象站代表性、观测资料一致性和数据记录 可靠性审查筛选用于计算的参证气象站和自动气象站。利用高度订正 和次时换算对参证气象站和自动气象站原始资料进行修正。摘录历年 《热带气旋年鉴》在选定范围内登陆的热带气旋登陆地点、登录时强 度。收集选定范围内110kV以上已建线路工程杆塔坐标、设计风速 取值、风灾事故资料。

按照选定范围内地级市行政区划统计登陆热带气旋频数及强度。 绘制所有等级热带气旋登陆频数与台风等级以上热带气旋登陆频数 的空间分布示意图。

利用极值I型和皮尔逊III型概率分布对经过修正的国家气象站和 海洋站逐年离地10米高10分钟平均最大风速序列进行拟合。取拟合 效果更优的线型计算重现为30年和50年理论风速值。计算各自动气 象站的延长系数，并计算重现期为30年和50年理论风速值。

对国家气象站、海洋站与自动气象站进行十折交叉验证的数据分 组。分别利用反距离加权插值法、Cressman插值法、径向基函数插 值法、Kriging插值法进行空间插值计算，并记录插值误差。选定插 值误差最优且空间分布形态合理的空间插值方法，对气象台站重现期 为30年和50年理论设计风速进行空间插值。根据热带气旋登陆频数 空间分布图和已建线路风灾事故资料，选择台风以上热带气旋登陆高 频区和发生过断线倒塔事故的重点地段进行理论风速复核。根据复核 结果对理论风速空间分布图进行优化，形成适用于沿海架空输电线路 工程的设计风速空间分布示意图。