基于中小尺度模式耦合的导线覆冰预报方法及系统

技术领域

本发明涉及电网防灾减灾技术领域，尤其涉及一种基于中小尺度模式耦合的导线覆冰预报方法及系统。

背景技术

随着我国输电线路的不断发展，西部大开发、西电东送等发展战略的逐步实施，越来越多的高压超高压输电线路经过覆冰灾害多发地区。输电线路覆冰极易造成电网安全事故，对国民经济危害巨大。因此，准确预报输电线路覆冰的发生以及发展，不但能为输电线路的设计提供合理的方案，对指导输电线路上的冰冻灾害防治具有重要意义。

目前对电线积冰厚度方法有两种，分别是设备观察法和运用普通反演的算法预测导线覆冰。设备观察法比如2020年专利申请CN111047177A和CN110866693A，是指通过图像、影像资料分析结果或者传感器数值的变化情况来观察输电线路的情况，来获取电线覆冰情况。设备观察法虽然可以估算冰厚的大小并做出预警。但是由于监测数据的实时性，导致冰冻发出的时间非常有限，大大降低了调度和运维工作的准备时间，导致预警效果并不理想。普通反演的算法预测导线覆冰比如专利CN105654189A。目前，专业气象台站和WRF模型都提供的气象预报还无法给出重要输电通道走廊附近和地形相关精确的气象条件，且气象阈值法未考虑冰冻天过程持续时间的长短和冰冻厚度大小变化，特别的是电线结冰受高精度GIS地形和气候因素的影响，导致冰冻预警的客观性和准确性有所降低。

因此，亟需针对重要输电通道构建一种考虑电线所在地区的微地形气候的影响、冰冻天气过程持续时间影响、又考虑冰厚的预警方法，提高重要输电通道应对电线冰冻的能力，提高重要输电通道的安全稳定运行水平，同时为输电线路提供合理设计方案。

发明内容

本发明目的在于公开一种基于中小尺度模式耦合的导线覆冰预报方法及系统，为输电线路的设计提供合理的方案，对指导输电线路上的冰冻灾害预报和预警提供技术支撑。

为达上述目的，本发明公开一种基于中小尺度模式耦合的导线覆冰预报方法，包括：

步骤S1、结合实况大气资料，通过中尺度模式模拟计算线路区域未来的设定时间内的气象要素数据；所述气象要素数据包括风速、温度、大气压、空气液态水含量；

步骤S2、开发中小尺度耦合模式接口模块，将所述气象数据信息作为小尺度模式计算模型程序入口条件和初始条件；

步骤S3、收集待分析线路区域的高精度网格地形数据，将高精度网格地形数据、入口条件、边界条件和初始条件输入到中小尺度耦合模式，通过中小尺度耦合方式计算和微地形相关且和覆冰相关的包括风速、温度、大气压、空气液态含水量和水汽含量的气象信息数据；

步骤S4、将中小尺度耦合方式得到的气象要素数据作为导线覆冰模型数据输入，得到导线所在地区的实时的覆冰情况预测结果。

优选地，所述中尺度模式采用WRF(Weather Research and Forecasting，天气研究和预报)，所述小尺度模式采用CFD(ComputationalFluidDynamics，计算流体力学)通用软件。

优选地，所述步骤S2中还包括：以过线性插值把大网格WRF的点和CFD的小网格点数据进行对应，把插值处理后的WRF的结果作为小尺度模式计算模型程序的边界条件和初始条件。

优选地，在所述步骤S2中小尺度模式计算模型程序中，以CFD多相流模型采用VOF(volume of fluid)算法实现。

优选地，所述步骤S4采用Jones等效冰厚模型计算和Makkonen结冰模型；采用Jones的雨凇等效冰厚模型的公式为：

其中，Req为冰增长的冰厚，P

当地面温度回升至零度及以上且无冻雨产生时，启动积冰融化公式：

dM＝-0.087-0.08T

其中，T为当前时刻温度，dM为单位时间内积冰融化的质量；

所述Makkonen结冰模型采用如下实现：

其中，

为达上述目的，本发明还公开一种基于中小尺度模式耦合的导线覆冰预报系统，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述方法的步骤。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明技术方案通过天气模式WRF和CFD耦合模拟得到了重要输电通道走廊的天气要素数值，气象要素精选可以达到30米，甚至1米的级别精度，提高了导线冰厚的准确性和针对性。

2、本发明技术方案考虑了冰厚天气过程持续时间长短的影响，充分体现了导线冰厚事件对电网影响的强弱程度。

3、本发明技术方案根据天气要素预报结果，并结合重要输电通道的地形地貌、线路结构参数，既可以提高冰厚预警的时效性，又可以避免安装力传感器等在线监测装置对重要输电通道的影响。

4、本发明技术方案冰厚预警同时考虑了天气过程持续时间长短和也考虑到冰生长和融合的影响，使得冰厚预警结果更加可信，提高了冰厚预警的实用性。

5、本发明技术方案高分辨率的冰厚预警结果，可以针对重要输电通道的杆塔开展冰厚预警，实用性强。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例一种基于中小尺度模式耦合的导线覆冰预报方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

本实施例公开一种基于中小尺度模式耦合的导线覆冰预报方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1、结合实况大气资料，通过中尺度模式模拟计算线路区域未来的设定时间内的气象要素数据；所述气象要素数据包括风速、温度、大气压、空气液态水含量。

步骤S2、开发中小尺度耦合模式接口模块，将所述气象数据信息作为小尺度模式计算模型程序入口条件和初始条件。

步骤S3、收集待分析线路区域的高精度网格地形数据，将高精度网格地形数据、入口条件、边界条件和初始条件输入到中小尺度耦合模式，通过中小尺度耦合方式计算和微地形相关且和覆冰相关的包括风速、温度、大气压、空气液态含水量和水汽含量的气象信息数据。

步骤S4、将中小尺度耦合方式得到的气象要素数据作为导线覆冰模型数据输入，得到导线所在地区的实时的覆冰情况预测结果。

可选地，本实施例中尺度模式可采用WRF，所述小尺度模式采用CFD通用软件。

基于上述主旨，更详细的实现步骤如下：

1、收集输电线路上地形数据和网格数据生成WPS的数据，以及输电线路上的真实的大气资料数据；收集理想ARW所需要的二维、三维和斜压坡数据；根据所述信息和数据通过WRF中的运用ARW模拟和预测出高分辨率温度、风速和湿度等气象要素。

2、为了获得在局部地形区域内的精确气候流场信息，利用高精度(30米，10米，1米)的级别GIS高程地形，建立用于CFD计算的地形数值模型；所提取的GIS高程数据格式为：经度，纬度，海拔，对数据进行处理，转换格式为三维(x，y，z)坐标形式，并对坐标进行规整化处理，使得各行各列坐标均匀分布；把经过规整化处理的三维坐标点导入到OPEN FOAM中，建立模型，并引用OPENFOAM划分网格，即完成用于CFD计算的地形模型的建立。

3、根据WRF获得的温度等气象数据，由于WRF的网格较大，CFD的网格较小，过线性插值把大网格WRF的点和CFD的小网格点数据给对应起来。把WRF的结果作为CFD多相流的边界条件和初始条件；对WRF模式的水平网格和垂直网格的设置，使得模式在水平方向上精度达到1km；在垂直方向上加密了近地面垂直网格层数，使模式在1km以内垂直分层17层，基本满足中小尺度CFD嵌套的数据传递需求。

4、根据各个输电区域的气候特点，选择适合CFD多相流模型，可以充分考虑到影响导线结冰的气象因素；这里多相流选择有模型，有VOF(volume of fluid)、混合物(mixture)模型、欧拉(Eulerian)模型等。

比如，通过VOF算法：

其中，ρ为流体密度，t为流动时间，

5、通过CFD的多相流模型，计算和预测出一段时间内所处导线结冰模型所需要的含水量、风速、温度、空气密度、空气粘性。

6、根据电线积冰模型和不同地形数据和天气分别采用Jones的等效冰厚模型计算和Makkonen结冰模型；其中Jones的等效冰厚模型为冻雨的判定与积冰厚度增长及融化三个部分：

(1)冻雨的判定降水形成层高度处的湿球温度Tw≥-6.6℃或者从地面到该层温度廓线中有一点Tw≥0℃，同时IF值(冰相降水与总降水量的比值)介于0至0.85之间且地表温度Tw＜0℃时，判断为冻雨。降水类型为冻雨时才会启动冻雨积冰机制，降水类型为雪或雨夹雪时积冰状态将处于维持阶段，降水类型为雨时积冰将处于融化状态。

(2)出现冻雨后，采用Jones的雨凇等效冰厚模型的公式为：

其中，Req为冰增长的冰厚，P为单位时间内的降水量，ρ

(3)当地面温度回升至零度及以上且无冻雨产生时，启动积冰融化公式：

dM＝-0.087-0.08T

其中，T为当前时刻温度，dM为单位时间内积冰融化的质量。

Makkonen结冰模型采用如下实现：

其中，

同时利用数值天气模式以及气象资料同化方式，开展细网格上与导线覆冰舞动的所述气象要素物理变量的模拟；在模拟过程中，综合考虑高分辨率的地形资料，并按照气象行业规范输出所述气象参量。其中将重要输电通道走廊区域区分为若干个6km*6km的CFD计算的网格，CFD采用30*30米的细网格，每个所述细网格由W(i,j,k)代表，每个细网格W(i,j,k)均有温度、湿度、风速、风向、降水量和覆冰厚度的逐15分钟数据；每日预报四次气象要素，起报时间为2点，8点，14点和20点；每次预报未来72小时，输出时间分辨率为逐15分钟。

实施例2

本实施例为基于上述实施例具体实施方式的又一种变形。本实施例包括：

1、收集重要输电通道所处地理整个大区域的WRF地形数据和网格数据，传给WRF的前处理程序WPS。

前处理程序WPS的主要是通过设置namelist.wps文件中的变量，根据输电通道所处地理整个大区域定义模拟区域的嵌套层次及嵌套比例(可设置为3-5层之间)，最外层嵌套区域的网格点数、网格间距，一般三层嵌套为第一层(d01)、第二层(02)、第三层(d03)，第三层(d04)嵌套域的水平分辨率分别为27km、9km、3km、1km。

利用geogrid.exe程序命令插值所需的地形数据(GMTED30地形数据)。

高精度地形数据引入WRF步骤：

(1)下载所需的GMTED30m地形数据。

(2)使用gdal软件将下载的地形数据文件格式转为WRF静态地形数据的格式。

(3)将转化了格式后的数据重命名并为其建立索引文件，然后将所有文件存入WPS的地理数据文件夹中。

(4)在WPS文件下的geogrid中，打开GEOGRID.TBL指定该数据的插值方法和目录。

在WPS中的namelist.wps指定使用该数据的模拟域。

利用ungrib.exe程序命令读取积冰所要气象数据(风速，温度，湿度，降雨量等气象站给出的气象要素)，将其插值到所需的模拟区域中；metgrid.exe程序命令将两者进行整合，从而插值到所在区域。

2、根据前处理WPS的网格数据和输电通道所处区域的真实气象数据，结合理想数据模型，运用WRF中ARW模式模拟风速、温度和含水量等气象要素。

选择WRF的参数化方案：

以及步骤1中的地形数据。

3、根据输电通道所处小的地理区域的GIS地形高程数据和网格划分方法，生成CFD数值模拟计算区域。

设置根据输电通道所处地理小区域的实际情况一般设置为6km×6km、6km×6km或者10km×10km等区域，把GIS高程数据的网格分辨率一般设置为30M。

4、根据WRF所述风速、温度和含水量等气象要素，结合WRF大网格和CFD小网格气象要数线性插值方案，生成CFD所需要的初始条件和边界条件。

如果设置输电通道内其中WRF的网格大小由1KM，CFD的网格分辨率为30M，网格大小6KM。这里只需要用WRF网格的24个点线性插值成CFD所需要的网格点。其中WRF网格上的风速，温度，湿度，降雨量等气象要数通过插值函数就可以折算到CFD的30M精度的网格上。

5、根据重要输电通道所处小的区域的CFD计算网格、初始条件和边界条件，运用多相流模型计算出电力积冰模型所需要的温度、风速等气象要素。

选择CFD中的多相流模型：比如上述实施例1的VOF算法。

6、根据电线积冰模型，结合输电线路上导线的实际参数，模拟和预测出输电线路的导线积冰的厚度和积冰变化情况。并提供预警。具体实施同实施例1，不做赘述。

实施例3

与上述方法实施例相对应地，本实施例提供一种微地形区域风电场覆冰预测系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现上述方法的步骤。

综上，本发明上述各实施例所分别公开的基于中小尺度模式耦合的导线覆冰预报方法及系统，具有以下有益效果：

1、本发明技术方案通过天气模式WRF和CFD耦合模拟得到了重要输电通道走廊的天气要素数值，气象要素精选可以达到30米，甚至1米的级别精度，提高了导线冰厚的准确性和针对性。

2、本发明技术方案考虑了冰厚天气过程持续时间长短的影响，充分体现了导线冰厚事件对电网影响的强弱程度。

3、本发明技术方案根据天气要素预报结果，并结合重要输电通道的地形地貌、线路结构参数，既可以提高冰厚预警的时效性，又可以避免安装力传感器等在线监测装置对重要输电通道的影响。

4、本发明技术方案冰厚预警同时考虑了天气过程持续时间长短和也考虑到冰生长和融合的影响，使得冰厚预警结果更加可信，提高了冰厚预警的实用性。

5、本发明技术方案高分辨率的冰厚预警结果，可以针对重要输电通道的杆塔开展冰厚预警，实用性强。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。