架空输电线路覆冰厚度预测技术研究

黄俊杰,胡丹晖，王文烁，方 圆

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.国家电网公司高压电气设备现场实验技术重点实验室，湖北 武汉 430077）

架空输电线路覆冰厚度预测技术研究

黄俊杰1,2,胡丹晖1,2，王文烁1,2，方 圆1,2

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.国家电网公司高压电气设备现场实验技术重点实验室，湖北 武汉 430077）

通过统计和分析历年输电线路覆冰案例，根据气象和地理规律，提出一种基于气象信息的输电线路覆冰厚度预测方法。利用气象模式预报资料、气象台站观测资料和地形地貌信息，对冷空气中心路径预报，并通过覆冰气象地理模型预报未来一段时间出现覆冰的区域和线路，给出输电线路覆冰厚度预报值。另外采用高精度的地理信息资料订正冰厚，实现输电线路覆冰厚度预报。系统在湖北电网部署以来，多次准确预报了覆冰发生区域和输电线路冰厚，为线路运维人员防灾应急处置争取了宝贵时间。经实际验证，本方法预测输电线路覆冰厚度准确度高、实用性强，具有推广价值，同时也为开发输电线路舞动、雷电等灾害预报系统积累了经验。

输电线路；覆冰；预报；气象地理信息

0 引言

近年来，随着气候变化的加剧，以覆冰为代表的各类极端恶劣天气的发生范围、频率和强度都呈显著增加趋势[1-2]。随着我国电网规模扩大，输电线路发生覆冰事故的频率和危害程度呈明显增加的趋势，给电网系统造成了大范围的破坏，经济损失巨大[3-4]。输电线路覆冰已经成为电网安全稳定运行的重大威胁。

利用常规气象预报信息，结合地形特征预测输电线路覆冰厚度，可以为有关部门制定应急预案，开展防灾应急处置争取时间，减少覆冰灾害造成的损失。实现防冰灾工作由被动抢险向主动防御，由事后分析向事前预测的转变。同时，可以为有针对性的采取线路防冰差异化设计和改造提供依据，增强输电线路抗冰灾能力[5]。

本文结合湖北电网实际情况，提出一种基于气象预报信息的输电线路覆冰厚度预测方法，利用气象模式预报资料和高精度的地理信息，对架空输电线路覆冰厚度及发展趋势进行预测，实现湖北电网输电线路覆冰短期和临近预报。

1 输电线路覆冰机理分析

输电线路覆冰一般发生在冬季，其形成与很多因素有关，如温度、湿度、风速、地形、海拔高度等。但是覆冰的发生有其特定的天气系统，高湿和低温是其最为主要的两个因素，而高湿又是一个决定性的因素。

为找出导致湖北输电线路覆冰的主要天气系统，分析了湖北电网1 533 d的输电线路覆冰典型个例气流来向轨迹。所选用的模型为HySplit轨迹分析模型，所用资料为NCEP逐日再分析资料，分析的基准点为武汉气象站观测点，计算覆冰发生时100 kPa向前24 h的气流来向，并对其结果进行聚类分析，覆冰主要影响天气系统信息如图1所示。

图1 典型覆冰天气系统轨迹聚类结果Fig.1 Typical icing weather system trajectories clustering

从图1可知，覆冰发生时，影响系统以偏北、偏东气流为主。根据气流方向和速度不同，共有3类主导天气系统，其中来自于东北路的天气系统居多，占比63%。东北路冷空气的典型特征是其水汽含量较为丰富，同样水汽较为丰富的天气系统是第1类西路冷空气，由于其主体经过西南地区，会携带部分西南地区的暖湿气流影响湖北，也是容易造成覆冰的典型天气系统，而这两类高湿型的天气系统占主导天气系统的比例达到87%。

1.1 输电线路覆冰厚度气象模型

通过研究输电线路覆冰样本和气象台站电线覆冰样本数据，得到输电线路覆冰厚度气象模型[6]。但是按照覆冰观测规范，所记录的覆冰样本是在覆冰达到最大时进行的观测记录。而覆冰的形成是一个增长过程，在观测之前，其已经开始逐渐形成并增长，当开始观测记录时，覆冰增长的条件已经被破坏，进入到逐步消融阶段，因此，利用观测同期的气象记录来进行拟合，无法反映出覆冰形成时的真实气象条件。一个覆冰过程一般在2～3 d之间，因此建模时考虑使用覆冰观测当日和前两日的气象因子。

经过回归分析，建立导线覆冰厚度与相关性高的气象要素之间的关系模型为

式中：Y为输电线路等值覆冰厚度（mm）。需要注意的是，等值覆冰厚度指离地10 m高，26.8 mm线径导线上的密度为0.9 g/cm3的覆冰厚度；x1为前2 d平均气温（℃）；x2为前1 d最高气温（℃）；x3为前1 d最低气温（℃）；x4为当天水汽压（hPa）；x5为前1 d相对湿度（%）；x6为前2 d最小相对湿度（%）；x7为前2 d降雨量（0.1 mm）；x8为前2 d平均风速（0.1 m/s）。

覆冰的形成不仅与气象要素密切相关，与局地地形因子也有紧密联系。因此，气象模型要与实际情况相符，还必须经地形修订。

1.2 输电线路覆冰模型地形订正

分析湖北省高海拔气象台站历史覆冰厚度观测资料，可知覆冰厚度整体上是随着海拔高度的增加而增大。在海拔200 m以下区域，覆冰厚度与海拔高度无显著关系；而海拔200 m以上时，覆冰厚度随海拔增加的关系非常明显，海拔高度成为影响输电线路覆冰厚度的主导因素；当海拔达2 000 m以上时，覆冰厚度增加不明显。

在海拔高度200～2 000 m的区域，建立输电线路覆冰厚度和海拔高度回归模型

其中DEM为海拔高度(m)。当DEM＞2 000 m时，式（2）中的DEM值仍取2 000 m。

1.3 输电线路覆冰模型地形因子订正

通过对输电线路冰厚与地形因子的相关性进行分析计算，选用的订正地形因子为坡向、起伏度和坡度变率三个。采用多元线性回归方法，最终建立的地形订正模型如下：

式中：x1为坡向；x2为起伏度；x3为坡度变率。

经验证，地形订正后的冰厚拟合值与观测值的相关系数达到0.87，且通过了0.001显著性检验水平，经过地形订正后的覆冰模型，结果不仅从趋势走向上更为一致，还能重现实况中出现的极端值。

2 输电线路覆冰厚度预测方法

2.1 输电线路覆冰厚度预测原理

输电线路腹部厚度预测是利用天气形势分析、预报结果，结合覆冰厚度计算模型，实现对输电线路覆冰状况的判断和预测。

特定天气形势的配置对覆冰的出现可以起到预判的作用。通过对湖北地区雨雪冰冻灾害的分析，发现以下5种天气形势特征极易导致输电线路覆冰灾害的出现：（1）大气环流持续异常，中高纬阻塞高压长时间位于西西伯利亚，副热带高压偏西偏北；（2）环流系统较为深厚；（3）西风带南支槽稳定维持且十分活跃，将大量水汽输送至我国南方地区；（4）一条准静止锋长期稳定维持于长江流域；（5）上空存在逆温层。

1）天气形势

分析近年来湖北省覆冰过程中天气背景场，发现其共同点为：受来自中国西北向东南推进冷锋的影响，气温降低到0℃以下，地面形势场多次冷锋过境，大量的过冷水滴与物体碰冻，产生雨凇雾凇。850 hPa高度场中覆冰观测站受冷高压和冷温度槽控制，500 hPa表现为西南气流提供水汽。因此，冷空气的南下是导致覆冰情况出现的主要原因。

如2010年1月21～25日覆冰过程，21日14时位于我国西北部的冷高压携带着冷锋进一步向东南方向移动，于21日20时左右到达覆冰观测站，大股冷空气被不断输送南下。22日8时到25日14时西北部形成的冷锋不断向东南部输送，覆冰观测站一直处于冷高压控制和冷锋影响下，随后大陆冷高压东移入海，寒潮过程宣告结束。

2）边界层特征

与我国北方冬季气候干燥，输电线路上以积雪为主不同，湖北地区输电线路覆冰以冻雨形成的雨淞、雾淞为主。

温度高于0℃的暖空气层覆盖在冷空气上，雪花（冰晶）在下落过程中经过暖层融化为液滴，然后在经过近地面冷层过程中变成过冷却液滴，当其碰到低于0℃的架空输电线路表面时，在导线周围凝结而形成覆冰。当较强的冷空气南下遇到暖湿气团时，冷空气楔入暖空气下方，近地层气温骤降到零度以下，暖湿空气被抬升，并成云致雨，这种冻雨多出现在暖锋面一侧，冻雨出现时高空为逆温层结，且存在气温高于0℃的暖层。

3）气象要素特征

通过分析湖北电网输电线路覆冰资料，可总结出输电线路覆冰的气象要素特征为：（1）雨雪天气维持，量级偏弱。一方面维持覆冰发生发展需要的水分，另一方面，小量级雨水下落速度较缓，有利于输电线路覆冰的发生和发展。（2）气温日较差小，且平均温度接近0℃。气温日较差小，说明不断有冷空气补充，且天气阴沉，是输电线路覆冰维持和不断增长的必要条件。

4）数据来源

输电线路覆冰厚度预测采用EC细网格预报数据，即欧洲中期天气预报中心（ECMWF）0.25°×0.25°数值预报产品。其具有较高的时空分辨率，且预报频次高和预报物理量种类多的特征可以为输电线路覆冰厚度计算模型提供足够的物理参数。

5）预测结果订正

输出结果订正是利用冻雨出现的边界层特征和覆冰出现的气象要素阈值对覆冰厚度预测结果进行订正，以避免错误预测覆冰出现的情况。

2.2 冷高压影响范围的预报

对湖北全省区域进行格点化，每个格点代表1 km×1 km范围。对不同格点区域的气压和气温变化进行分析，当出现区域性增压和降温明显出现时，即认为冷高压开始影响我国，对比该区域气压大小，得到冷高压中心的经纬度，并实时对其进行预报，给出冷高压中心的移动路径，预估其影响湖北的时间。

选用EC细网格资料中的气压数据，采用相减的方法（03点的变压为03的预报值减去00的初始值；06点的变压为06的预报值减去03的预报值，以此类推）来判断各个格点处3 h变压（2 hPa以上)；选用地面气温资料，与气压一样采用相减的方法，不过计算的是24 h变温。当3 h变压大于2 hPa，24 h变温小于-5℃时，认为受冷高压影响。

2.3 覆冰厚度预报

对覆冰是否出现和冰厚大小的预报主要通过2种预报方案，一种预报时效为12～72 h，时间步长为3 h，每12 h更新一次预报结果；另一种预报时效为0～12 h，时间步长为3 h，每6 h更新一次预报结果，更新频次的增加能够有效提高0～12 h预报时效相应结果的准确率。与此同时，分别利用模式预报数据和气象站监测数据，结合覆冰模型对湖北省的覆冰可能出现区域及冰厚的大小进行判断，直至冷空气完全消散或移出湖北境内。

当平均气温大于3℃，格点的冰厚取值为0 mm，小于0℃，则覆冰可能出现,各个时刻，相应格点计算得到的冰厚要进行累加，不过一旦出现气温大于3℃，则该格点的冰厚归0。当日08:00开始预报今后72 h的覆冰情况所使用的是前一天20:00的初始场。采用式（1）、（2）的覆冰厚度计算模型和式（3）的地形订正模型，结合气象预报数据，就可以得出输电线路覆冰的预报值。

获得覆冰预报结果后需要利用冻雨出现的边界层特征和气象要素阈值进行预报数据的筛选，对于不符合覆冰出现条件的地区，需要将覆冰厚度预估结果订正为0。

3 应用实例

基于上述输电线路覆冰预报分析方法，开发了湖北电网输电线路覆冰灾害预报系统。按照电网对灾害监测和预警无缝化衔接的要求，预警系统采用了后台数据自动切换的方法，确保前台的用户在时间连续性上不会出现间断。

由气象部门每日定时定点向电力部门传送输电线路覆冰预报所需数值预报产品资料，并检查资料的正确性与完整性。数据经安全隔离装置进入电力内网后，结合用于地形订正分析的地理信息资料和输电线路坐标，生成并发布覆冰预报产品。

图2为系统在2015年1月30日20:00系统发出的未来24 h湖北电网输电线路覆冰风险区域预报结果。按覆冰风险大小分为3级，其中三级风险最高，由图可知未来24 h鄂西大部分地区为覆冰二级风险区域。同时，系统对存在覆冰风险区域的输电线路覆冰厚度进行了计算，如±800 kV复奉线鄂西段覆冰为10～15 mm。经现场验证，预报值与现场情况相符。

图2 覆冰预报结果Fig.2 Icing forecast results

将输电线路覆冰厚度预报结果与设计冰厚比较，一旦出现预报冰厚接近或超过设计冰厚，系统将报警，为输电线路防冰应急处理提供决策依据。

4 结论

本文通过对输电线路覆冰机理分析，得到输电线路覆冰厚度的气象模型，并考虑了地理因素对输电线路覆冰的影响。在此基础上提出了基于气象信息的输电线路覆冰厚度预报方法，并实现了输电线路覆冰厚度预报平台的搭建。经实际检验，本方法能够准确预报输电线路覆冰区段和覆冰厚度，及时发出冰灾预警，为线路运维人员防灾应急处置争取了宝贵时间。同时，也为输电线路舞动、雷害等气象灾害预报系统建设积累了经验。

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Research of Icing Thickness Forecast of Transmission Lines

HUANG Junjie1,2,HU Danhui1,2,WANG Wenshuo1,2,FANG Yuan1,2

(1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China;2.Key Laboratory of High-voltage Field-test Technique of State Grid,Wuhan Hubei 430077,China)

By summarizing weather and geographical laws of the transmission lines icing over the years,a new icing thickness forecast method for transmission line is proposed in this paper based on the weather information.Using the meteorological model forecast data,weather station observa⁃tions and topography information,the path of cold air center is forecasted.The region and transmis⁃sion lines which would appear icing are forecasted by the meteorological and geographic model.The value of ice thickness on the transmission lines is obtained,which is revised by the high-preci⁃sion geographic information.The forecast of the transmission lines icing thickness is realized.Since the system is deployed in Hubei power grid,the region and the icing thickness of transmis⁃sion lines are predicted accurately,valuable time has been gained for the operation and mainte⁃nance personnel for the disaster prevention and emergency response.This method has high accura⁃cy,and is suitable for application and dissemination.It also accumulates experience for the other disaster forecasting system.

transmission lines;icing;forecast;weather and geographical information

TM75

A

1006-3986(2016)12-0001-04

10.19308/j.hep.2016.12.001

2016-11-05

黄俊杰（1976），男，湖北荆州人，博士，高级工程师。