基于GIS的云南电网雷电信息分析系统研究

2018-02-06钱国超徐肖伟

机电信息 2018年3期

黄然钱国超徐肖伟

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明650217）

0 引言

雷击会引起架空输电线路跳闸，威胁电网的安全可靠运行，所以建立雷电观测装置的重要性不言而喻。目前，国内外通过在杆塔/建筑物安装引雷针、火箭引雷等手段积累自然雷击参数[1]，并使用行波监测装置获取雷击线路暂态参数[2]。美、中、法、日等国还在全国建立起雷电定位系统[3-4]，截至目前，云南全省范围内已安装雷电定位系统44套，可探测全网雷电数据。雷电定位系统（也称雷电监测系统或雷电定位监测系统）是一套结合了电磁遥测技术、卫星技术、地理信息技术、计算机应用技术等科技的全自动、大面积、高经度、实时雷电监测系统，能实时测量雷电发生的时间、方位、极性、强度、回击次数等多项雷电参数。该系统在云南电网已运行近十年，积累了大量雷电监测数据，为雷电参数特征分析应用系统提供了有力的数据保障。

1 云南电网雷电信息分析系统简介

经过多年的发展和完善，云南省雷电定位系统已经在全省各地建立起来，积累了大量的雷电监测数据，可以充分利用这些数据进行各种雷电参数的分析研究，包括雷电日、雷电小时、地闪密度Ng、地面落雷密度γ、雷电流幅值累积概率分布P（＞I）、回击次数、正极性比率等。鉴于雷电定位系统自动监测的雷电数据量巨大，为了方便、快捷地对雷电参数进行统计，以雷电定位系统的监测数据为基础开发了这套云南电网雷电信息分析系统。不同于原有雷电定位系统中附带的统计模块，它为从雷电定位系统测量数据统计样本分析，到完整的区域雷电参数统计、输电线路走廊雷电参数统计提供了全套方案，为防雷设计、评估提供了基础和平台。

2 云南电网雷电信息统计分析原理及方法

雷电特征量反映的是一个区域雷电活动的强弱，通过对大量雷电特质参数的分析总结出重要区域雷电活动规律特征[5]，建立科学规范的雷电特征量统计分析方法，从而为电力系统制定针对性保护策略，降低通道雷击风险提供数据基础。该系统中统计雷电特征参数包括：雷电日、雷电小时、地闪密度Ng、地面落雷密度γ、地闪总数、正极性比率、平均电流、雷电流幅值累积概率曲线和表达式、雷电流幅值比率曲线等。

统计区域/线路的雷电特征量即统计每条雷电数据中心点位置，并将该条雷电数据定义为一个要素点，然后把区域/线路（缓冲区）抽象成一个面状要素，这样就可在一个地理坐标系或投影坐标系下判断点状要素和面状要素之间的空间关系。当点状要素和面状要素几何关系为相交时，则说明此落雷数据处于该区域内，在统计时把该落雷数计算进去。

对雷电参数进行统计有两种方法，一种为按行政区域或特定区域（线路缓冲区、手动绘制统计区域）进行统计，另外一种则将该区域划分为不同网格大小进行统计。分网格法就是将行政区域分成若干连续的面积近似的虚拟小格，通过与雷电数据的位置关系数出每格中雷电参数，这样就可以用若干个在二维空间上连续分布的小格来描述某一区域内雷电参数的地理分布情况，精确度可以自行设定，通常分级分色来描述地理分布规律。利用网格的区域统计时，网格越小越能真实地反映出该区域内的雷电分布情况。而采用区域统计虽然在管理和习惯上比较方便，但是在统计时由于行政区域轮廓很不规则，将导致统计结果不够精确，无法真实地反映该区域的落雷情况。

雷电特征量统计分析方法有：常规数理统计、滑动平均分析、聚类统计和渲染分析。首先统计总数、最大值、最小值、平均值、数值分布，然后根据统计值生成特定报告。渲染分析则是将要素的属性值划分为不同的等级，其中该系统地闪密度的分级为国网地闪密度图划分标准及自然分级，然后再用不同的颜色标示，这样就可以非常直观地反映出该区域的雷电分布情况。

3 云南电网雷电信息统计系统功能设计

基于云服务的新一代雷电信息分析系统能大幅度提高雷电监测数据的利用率及利用深度，生成可直接指导区域及线路防雷工作的有效数据，不断完善系统应用功能。主要功能技术要求如下：

（1）对每一个用户分配系统权限，简单分为三种级别权限进行自由排列组合，可查询分析数据，可导出数据，可编辑数据。

（2）危险雷电密度分布在地闪密度分布和雷电流幅值分布的基础上绘制，是雷害风险分布图的基础。对于不同电压等级、不同雷害性质，具有不同的危险电流段，绘制各类危险电流段内的地闪的密度分布，得到相应的危险雷电密度分布。

（3）可对重要线路走廊的雷电活动进行评价，并按周、月、年提供雷电活动评估报告；或根据用户需求定制相关模板，并在计算分析后自动生成区域/线路雷电活动分析报告。

（4）分析多个行政区、线路走廊、线路走廊区块、点位缓冲区、网格、自定义多边形内的某种类型的数据样本，通过比较多个区域之间的雷电日、雷电小时、密度等参数得到雷电活动在这多个区域组成的大区域上的空间分布规律。

（5）分析一个行政区、线路走廊、线路走廊区块、点位缓冲区、网格、自定义多边形内的某种类型的数据样本，按月、按年来比较雷电日、雷电小时、密度、比率等参数，得到该区域雷电活动在时间上的分布规律。

（6）在分析点、线等对象时，先定义一个缓冲区；为了研究输电线路沿线雷电活动规律，系统针对输电线路提供了对线路缓冲区沿线按长度等分的功能；为了研究线路的引雷宽度，提供了建立多级缓冲区的功能。

图1 雷害风险计算逻辑图

4 基于GIS的云南电网雷电信息统计系统设计

由于雷电数据样本巨大，并且雷电数据本身具有空间属性，所以必须选用一个高效的、功能强大的GIS平台来处理这海量的数据，以它为基础扩展出雷电参数分析功能模块，最终构成分析软件。美国ESRI公司是专业开发地理信息系统的厂家，是目前世界上GIS的三大厂家之一，其开发的ArcObjects是当前最优秀的GIS软件之一。其组件提供了大量的通用的统计程序与统计方法，方便雷电系统进行相关的分析与直观显示。它还提供了独立COM组件的产品ArcGIS Engine，方便进行再开发。

数据上传、下载均通过Web Service接口进行通信，该技术能使运行在不同机器上的不同应用无须借助附加的、专门的第三方软件或硬件，就可以相互交换数据或集成，大大方便了应用接口的开发。

通过对雷电日、雷电小时、地闪密度Ng、地面落雷密度γ、地闪总数、正极性比率、平均电流等各种雷电参数的统计，对采集的信息进行时间、空间、电流不同维度的分析，统计结果有Excel表、Word报告、gif图片、图层文件等形式。

5 基于GIS的云南电网雷电信息统计系统应用

系统可根据不同需求，选择不同大小网格，即统计精度，可得出同一区域不同分析结果。网格分析统计运行结束后，在“雷电数据分析系统”图层栏中出现所选区域各年及平均年的网格分析结果，这些结果文件存储在“保存到”指定路径下，自动命名规则为：在“网格分析”对话框中“保存到”方框中的指定名称后加上“（网格大小年份）”。

危险雷电密度分布在地闪密度分布和雷电流幅值分布的基础上绘制，是雷害风险分布图的基础。对于不同电压等级、不同雷害性质，具有不同的危险电流段，绘制各类危险电流段内的地闪的密度分布，得到相应的危险雷电密度分布。其计算逻辑图如图1所示。

危险雷电密度分布的分级方法建立在地闪密度分级基础上，以地闪密度等级划分时的3个分割点（分别为A级与B1级的分割点、B2级与C1级的分割点、C2级与D1级的分割点）对应的地闪密度Ng值，以及当地雷电流幅值累积概率分布P（＞I）为依据，得到绕击危险雷电密度分布中相应的3个分割点值，然后根据得到的反击危险雷电密度分布中相应的3个分割点值，分别将绕击危险雷电密度分布和反击危险雷电密度分布划分成4个等级，作为雷害风险分布图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级区域划分的基础。

将线路走廊划分成一系列小段，统计各个小区段内的雷电参数，这样多个区段内雷电参数的分布即可反映线路走廊沿线雷电活动规律的变化。任务完成后，在图层栏左侧自动显示出结果图层文件，在主窗口中则显示出划分的缓冲区结果。线路沿线地闪密度空间分布按不同分色图显示出来，不同的颜色代表不同的密度值范围，所代表的范围值显示在左侧图层栏该图层下，也可通过“+图例”按钮让其显示在主窗口中。