基于输电线路微气象在线数据的覆冰舞动预警系统及方法

摘要

本发明涉及一种基于输电线路微气象在线数据的覆冰舞动预警系统及方法，该系统包括：气象数据采集层，用于获取输电线路微气象在线观测的原始气象数据，并传送给气象数据处理层；气象数据处理层，用于对原始气象数据进行脏数据检验及清洗处理，得到干净的气象数据并传送给数据存储层；数据存储层，用于存储干净的气象数据及输电线路运行经验数据；输电线路覆冰舞动预警处置层，用于读取数据存储层中的干净的气象数据和输电线路运行经验数据，判定输电线路覆冰舞动预警级别并发布覆冰舞动告警信息。本发明能够对气象数据缺失值及气象数据异常值进行检验和清洗，并实现对覆冰舞动灾害天气的预警功能，有效提升输电线路设备的安全运行。

说明书

技术领域

本发明属于输电线路技术领域，尤其是一种基于输电线路微气象在线数据的覆冰舞动预警系统及方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展以及人民生活水平的不断提高，我国电网规模近年来保持着高强度的增长。人们对电力的需求越来越大，电力系统的安全稳定运行直接关系着国民经济的发展和人民群众的生活。然而，雨雪冰冻等自然灾害引发的输电线路事故时有发生，严重的自然灾害所造成的恶劣后果是不容忽视的。近年来，极端恶劣气象条件呈现频发的趋势，雨雪冰冻天气多发，导致输电设备覆冰过载极端严重，输电线路舞动事故灾害频发，给电网的安全稳定运行带来了巨大的威胁。

为了应对雨雪冰冻灾害天气造成输电线路覆冰舞动的问题，我国电力部门也在积极寻找有效办法来对气象灾害进行气象监测和灾害预警。目前所采取的措施主要是在架空输电线路上安装微气象在线监测装置，实时监测线路周边气象变化情况，并尝试对灾害天气进行预警。然而，由于输电线路微气象在线监测装置在监测过程中有可能出现的断电、故障、设备性能因素影响，以及装置周围恶劣环境的突发情况，因此，极易造成所监测的气象数据出现缺失、异常等非正常值(又称脏数据)。在电力领域现有技术中，对这类脏数据进行检测和处理的技术手段还不成熟，造成这些未经处理的原始气象数据与实际数据存在较大的偏差，会对后期气象数据的统计、分析、挖掘、诊断等工作产生不利影响，还会影响气象灾害预警的及时性和准确性。因此，如何对清洗输电线路微气象在线数据中的脏数据并进行灾害预警是目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于输电线路微气象在线数据的覆冰舞动预警系统及方法，能够有效清洗清洗输电线路微气象在线数据中的脏数据并利用清洗后的干净数据开展数据分析诊断，实现对覆冰舞动灾害天气的预警功能。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于输电线路微气象在线数据的覆冰舞动预警系统，包括气象数据采集层、气象数据处理层、气象数据存储层、输电线路覆冰舞动预警处置层；

所述气象数据采集层，用于获取输电线路微气象在线观测的原始气象数据，并传送给气象数据处理层；

所述气象数据处理层，用于对原始气象数据进行脏数据检验及清洗处理，得到干净的气象数据并传送给数据存储层；

所述数据存储层，用于存储干净的气象数据及输电线路运行经验数据；

所述输电线路覆冰舞动预警处置层，用于读取数据存储层中的干净的气象数据和输电线路运行经验数据，判定输电线路覆冰舞动预警级别并发布覆冰舞动告警信息。

而且，所述气象数据包括气温、导线温度、气压、相对湿度、水汽压、风速、风向和降水量中的至少之一；所述输电线路运行经验数据包括输电线路历史覆冰舞动记录要素、线路走向要素、微气象监测装置及输电线路位置要素中的至少之一。

而且，所述气象数据处理层包括气象数据缺失值检验及清洗处理模块和气象数据异常值检验及清洗处理模块，所述脏数据包括气象数据缺失值和气象数据异常值，所述气象数据缺失值检验及清洗处理模块对气象数据缺失值进行检验和清洗，所述气象数据异常值检验及清洗处理模块对气象数据异常值进行检验和清洗。

而且，所述气象数据异常值检验包括气候学界限检验、内部一致性检验、时间一致性检验和空间一致性检验中的至少之一；所述气候学界限检验是指观测的气象数据是否在气候学界限范围以内；所述内部一致性检验是指同一时间观测的气象要素记录之间的关系是否符合一定规律的检查；所述时间一致性检验是指对气象记录变化是否在一定的时间范围内变化具有特定规律的检查；所述空间一致性检验是指对气象记录变化是否与所监测的区域的空间特征保持一致的检查。

而且，所述输电线路覆冰舞动预警处置层包括输电线路覆冰舞动判定模块和输电线路覆冰舞动告警处置模块；

输电线路覆冰舞动判定模块用于读取数据存储层中的气象数据和运行数据，并按照设定规则判定输电线路覆冰舞动预警级别；

输电线路覆冰舞动告警处置模块用于读取输电线路覆冰舞动判定模块中的判定结果，并根据判定结果发布覆冰舞动告警信息。

而且，所述输电线路覆冰舞动预警处置层还包括输电线路覆冰类型判定模块，该输电线路覆冰类型判定模块根据不同的天气类型对覆冰进行分类，并将覆冰类型分为雾凇覆冰、雨凇覆冰、雪淞覆冰、湿雪覆冰和干雪覆冰。

一种基于输电线路微气象在线数据的覆冰舞动预警系统的预警方法，包括以下步骤：

步骤1、气象数据采集层获取输电线路微气象在线观测的原始气象数据，并将原始气象数据传送给气象数据层；

步骤2、气象数据处理层对气象数据采集层获取的原始气象数据进行脏数据检验及清洗处理，并将清洗后的干净的气象数据传送给数据存储层；

步骤3、数据存储层将接收到的干净的气象数据进行存储；

步骤4、输电线路覆冰舞动预警处置层读取数据存储层中的气象数据和运行数据，判定输电线路覆冰舞动预警级别并发布覆冰舞动告警信息。

而且，所述步骤2清洗处理方法为：对原始气象数据中检验筛选出的脏数据进行数据处理校正，用正确数值替换缺失和异常的数值，其处理过程为：

设定一气象要素在某一时段内的气象数据集合为{X

如果与X

如果与X

而且，所述步骤4判定输电线路覆冰舞动预警级别的方法为：

⑴从数据存储层中读取干净的气象数据以及输电线路运行经验数据，建立与覆冰风险分析模型相关的气象要素和运行经验要素预警数据矩阵；

⑵判断湿度条件是否符合输电线路覆冰舞动形成的基本条件，如果湿度条件不满足，则发布覆冰预警级别为零级；如果湿度条件满足，则进入下一步判断；

⑶判断温度条件是否符合输电线路覆冰舞动形成的基本条件，如果温度条件不满足，则发布覆冰预警级别为零级；如果温度条件满足，则进入下一步判断；

⑷判断风速条件是否有利于导线对过冷水滴的碰撞获取，如果风速0m/s

⑸检验湿度条件、温度条件及风速条件的持续时间是否有利于导线覆冰的加剧，如果持续时间≥5小时，则判断导线覆冰会累积增长，发布覆冰预警级别为三级。

而且，所述步骤4后还包括对覆冰进行分类的步骤：

当有降雨或大雾天气时，气温T1≤-5℃，归类为雾凇覆冰，气温T1在-5-0℃间，归类为雨凇覆冰；

当无降雨但有降雪天气时，气温T1在0℃附近，归类为雪淞覆冰，且气温T1>0℃，为湿雪覆冰，气温≤0℃，为干雪覆冰。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明通过气象数据处理层对气象数据缺失值及气象数据异常值进行检验和清洗，能够有效清洗输电线路微气象在线监测装置所观测的原始气象数据中的脏数据，解决了脏数据对后期气象数据统计、分析、挖掘、诊断等工作产生不利影响的问题，并通过输电线路覆冰舞动预警处理层实现对覆冰舞动灾害天气的预警功能。

2、本发明通过对气象数据及运行数据进行分析诊断，得到输电线路覆冰舞动预警级别并给出告警信息，便于电力部门针对灾害天气提前采取相关应急处置措施，有效提升输电线路设备的安全运行。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明的覆冰舞动预警流程图；

图3为本发明的覆冰种类判定流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

一种基于输电线路微气象在线数据的覆冰舞动预警系统，如图1所示，包括气象数据采集层、气象数据处理层、气象数据存储层、输电线路覆冰舞动预警处置层。下面对系统中各个部分分别进行说明：

(1)气象数据采集层用于获取输电线路微气象在线监测装置中所观测的原始气象数据。其中，原始气象数据主要包括气温、导线温度、气压、相对湿度、水汽压、风速、风向、降水量等。

(2)气象数据处理层用于对所述气象数据采集层获取的原始气象数据进行脏数据检验及清洗处理。

原始气象数据中需要处理的脏数据包括气象数据缺失值和气象数据异常值两种。

清洗处理是对气象数据采集层中原始气象数据中检验筛选出的脏数据通过一定的清洗规则进行数据处理校正，用正确合理的数值替换缺失和异常的数值。

气象数据缺失值指的是原始气象数据中某个或某些属性的值是不完全的。

气象数据异常值指的是原始气象数据中某个或某些属性的值是异常的，包括超出气候学界限的数据值、与内部不一致的数据值、与时间不一致的数据值以及与空间不一致的数据值。

所述气象数据处理层包括气象数据缺失值检验及清洗处理模块和气象数据异常值检验及清洗处理模块。其中：

气象数据缺失值检验及清洗处理模块进行气象数据缺失值检验，检验原始气象数据中某个或某些属性的值是否完全并进行清洗处理。

气象数据异常值检验及清洗处理模块包括气候学界限检验及清洗处理、内部一致性检验及清洗处理、时间一致性检验及清洗处理、空间一致性检验及清洗处理。

气候学界限检验：一般情况下，所观测的气象数据应在气候学界限范围以内。但是由于微气象在线监测装置性能不稳定问题，有时可能会出现所监测的数据出现超出气候学界限的异常情况，比如从气候学角度看我国气温的界限范围一般为-50-50℃，但微气象在线监测装置所监测的某一时刻的气温数据出现了70℃的不可能发生的情况，明显超出了气候学界限范围，此时由气候学界限检验及处理模块判断该气温数据为异常值。这里规定气候学界限范围如表所示，当微气象在线监测装置的监测数据超出气候学界限范围时，由气候学界限检验及处理模块判断该数据为异常值，进行清洗处理。

表1气候学界限允许范围

内部一致性检验：同一时间观测的气象要素记录之间的关系必须符合一定规律的检查。例如气温与降水的一致性，通常如果有降水现象，则地面接受的太阳辐射减少，而且由于地表与土壤水分蒸发也消耗大量热量，也会降低地面气温。如果发现某一时刻微气象在线监测装置所监测的气温为3℃，该时刻的降水量为20mm，而上一时刻的气温为0℃，该时刻的降水量为0mm，则可以判断该时刻气温数据为异常值，并进行数据清洗。

时间一致性检验：对气象记录变化是否在一定的时间范围内变化具有特定规律的检查。例如正处于冬季12月份，某一时刻气温却为30℃，不符合时间一致性的要求，判断气象数据为异常值，并进行清洗处理。

空间一致性检验：对气象记录变化是否与所监测的区域的空间特征保持一致的检查。例如三亚地区所观测到的气温数据为-8℃，但三亚地区属于热带海洋性季风气候区，不可能出现气温低于0℃的情况，不符合空间一致性的要求，判断气象数据为异常值，并进行清洗处理。

所述缺失值和异常值的清洗处理：

设定某一气象要素在某一时段内的气象数据集合为{X

如果与X

如果与X

将清洗后的干净的气象数据存储到数据存储层的气象数据存储模块中的目标数据库中，完成对原始气象数据资源的清洗处理及存储。

(3)数据存储层用于存储气象数据及运行数据。其中所存储的气象数据为气象数据处理层中对原始气象数据进行清洗处理后输出的干净的气象数据，包括相对湿度、降水量、气温、风速、风向等气象要素；所存储的运行数据为输电线路运行经验数据，包括输电线路历史覆冰舞动记录要素、线路走向要素、微气象监测装置及输电线路位置要素等。

(4)输电线路覆冰舞动预警处置层：根据输电线路覆冰舞动产生的基本条件，包括湿度、温度、风速、风向、线路走向等关键因素，设定不同预警级别下各关键要素的阈值范围区间，通过读取清洗处理后的干净的气象数据，进行分析判断各气象要素是否处于不同预警级别的阈值范围内，根据判断结果最终发布预警并给出告警信息。覆冰预警发布后，输电线路覆冰类型分类模块会根据不同的天气类型对覆冰进行分类，供电力部门参考，便于采取对应处理措施。

输电线路覆冰舞动预警处置层包括输电线路覆冰舞动判定模块、输电线路覆冰舞动告警处置模块、输电线路覆冰类型判定模块。其中：

输电线路覆冰舞动判定模块用于读取数据存储层中的气象数据和运行数据，并按照设定规则判定输电线路覆冰舞动预警级别。

在本实施例中，将输电线路覆冰舞动预警级别分为零级、一级、二级、三级共4个预警级别，不同预警级别所代表的含义如下：

所述零级预警表示“输电线路不会发生覆冰舞动”；

所述一级预警表示“输电线路可能出现轻微覆冰”；

所述二级预警表示“输电线路覆冰舞动可能性较大”；

所述三级预警表示“输电线路已经出现覆冰舞动”。

输电线路覆冰舞动告警处置模块用于读取输电线路覆冰舞动判定模块中的判定结果，并根据判定结果发布覆冰舞动告警信息。

输电线路覆冰舞动判定模块中的判定结果，针对不同预警级别并给出如下告警信息：

零级预警建议正常监视，无需采取相关措施；

一级预警建议加强监视；

二级预警建议密切监视，安排相关应急人员做好除冰准备工作，确保除冰相关设备及装置随时能够启用；

三级预警建议安排相关应急人员赶赴现场，根据覆冰增长情况适时开展除冰、融冰作业和抢修工作。

输电线路覆冰类型判定模块用于根据气象数据，按照设定规则判定覆冰类型。覆冰类型包括：雾凇覆冰、雨凇覆冰、雪淞覆冰、湿雪覆冰和干雪覆冰。

基于上述基于输电线路微气象在线数据的覆冰舞动预警系统，本发明还提供一种基于输电线路微气象在线数据的覆冰舞动预警方法，包括以下步骤：

步骤1、气象数据采集层获取输电线路微气象在线监测装置所观测的原始气象数据，并将原始气象数据传送给气象数据层。

步骤2、气象数据处理层对气象数据采集层获取的原始气象数据进行脏数据检验及清洗处理，并将清洗后的干净的气象数据传送给数据存储层。

步骤3、数据存储层将接收到的干净的气象数据进行存储。

步骤4、输电线路覆冰舞动预警处置层读取数据存储层中的气象数据和运行数据，判定输电线路覆冰舞动预警级别，发布覆冰舞动告警信息。

覆冰舞动预警过程；

如图2所示，本步骤的具体实现方法包括以下步骤：

(1)从数据存储层中的气象数据存储模块读取微气象在线监测装置实时观测到的清洗后的气象数据，包括相对湿度、降水量、气温、风速、风向等气象要素，从数据存储层中的运行经验存储模块读取的输电线路运行经验数据，包括输电线路历史覆冰舞动记录要素、线路走向要素、微气象监测装置及输电线路位置要素。然后建立与覆冰风险分析模型相关的气象要素和运行经验要素预警数据矩阵。

(2)判断湿度条件是否符合输电线路覆冰舞动形成的基本条件，即降水量P>0或者相对湿度H≥75％。如果湿度条件不满足，则发布覆冰预警级别为零级，即输电线路不会发生覆冰舞动，并给出“正常监视，无需采取相关措施”的告警信息；如果湿度条件满足，则进入下一步判断。

(3)判断温度条件是否符合输电线路覆冰舞动形成的基本条件，即气温T1≤1℃且导线温度T2≤1℃，如果温度条件不满足，则发布覆冰预警级别为零级，即输电线路不会发生覆冰舞动，并给出“正常监视，无需采取相关措施”的告警信息；如果温度条件满足，则进入下一步判断。

(4)判断风速条件是否有利于导线对过冷水滴的碰撞获取，如果风速0m/s

(5)检验湿度条件、温度条件及风速条件的持续时间是否有利于导线覆冰的加剧，如果持续时间≥5小时，则判断导线覆冰会累积增长，发布覆冰预警级别为三级，即输电线路已经发生覆冰舞动，并给出“安排相关应急人员赶赴现场，根据覆冰增长情况适时开展除冰作业工作”的告警信息。

步骤5、覆冰预警发布后，输电线路覆冰类型分类模块根据不同的天气类型对覆冰进行分类。

如图3所示，本步骤的具体实现方法为：

当有降雨或大雾天气时，气温T1≤-5℃，归类为雾凇覆冰，气温T1在-5-0℃间，归类为雨凇覆冰；

当无降雨但有降雪天气时，气温T1在0℃附近，归类为雪淞覆冰，且气温T1>0℃，为湿雪覆冰，气温≤0℃，为干雪覆冰。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。