[业务技术] 应建立架空输电线覆冰预报和风险评估业务

将臣

作者：章国材   发布日期：2008-03-04


　　今年1月中旬到2月上旬,我国南方地区出现50年一遇的大范围持续低温雨雪冰冻天气，有的地方甚至超过百年一遇，致使这些地区的架空输电线路遭受了历史上最严重的覆冰灾害。灾后，电力部门一方面按原标准修复倒塌断线的输电线路，另一方面正在着手研究新的架空输电线设计标准，这为气象部门发挥作用提供了新的机遇。气象部门可以开展的工作主要包括：架空输电线路覆冰风险区划、预报和预评估，并在研究的基础上，建立架空输电线路覆冰预报和风险评估业务。
　　

架空输电线覆冰预报和风险评估研究思路


　　如果有架空输电线覆冰的历史资料，那么风险评估就会十分简单，用柯西概率分布函数就可以求得各种覆冰厚度的再现期(多少年一遇)。但是，实际上并没有架空输电线覆冰观测的历史资料，解决的办法有两个：

　　一是用气象站的电线结冰资料推算输电线覆冰厚度和风险。研究表明，覆冰厚度与电线的粗细没有因果关系，因此可以利用气象站电线结冰的历史资料，研究各种厚度的电线结冰气象条件，找到不同电线覆冰厚度的临界气象条件(或称指标)，然而用GIS软件将再分析资料内插到输电线所在位置，求出每条架空输电线路上满足临界气象条件的地点、日期和覆冰厚度，从而得到架空输电线覆冰历史资料，最后用柯西概率分布函数求得各种覆冰厚度的再现期(多少年一遇)。云南电力设计院曾经研究过电线覆冰的条件，积累了不少输电线覆冰的资料，可以跟他们合作进行研究，以估计用气象站电线结冰资料分析得到的电线覆冰指标的误差。

　　二是用输电线实际覆冰资料求输电线覆冰风险。获取今年引起输电线倒塌或断线处的覆冰厚度资料，把再分析资料内插到输电线倒塌或断线处，分析形成不同覆冰厚度的气象条件，以下的工作与第一种方法相同。这种方法要求获得不同厚度的覆冰资料，而且要求资料准确完整。由于调查资料的可靠性和完整性难以保证，用它们来做不同厚度覆冰的气象条件分析有一定的困难，但是这种方法的分析结果可以用来对第一种方法进行验证；另外，如果能获得历史(包括今年)架空输电线断线和倒塌的历史资料，我们也可以用这些资料进行架空输电线覆冰的风险区划。

　　不管是用哪一种方法，电线覆冰资料与气象要素资料应当同时同地点。有了电线覆冰的气象指标，我们就可以根据气象要素的预报来做电线覆冰的预报和风险评估了。


架空输电线覆冰气象条件分析


　　气象部门有500多个电线结冰观测资料，选取那些电线结冰观测质量较高、样本较齐全且气象要素观测时次较多的站作为研究对象比较合适，因为虽然电线结冰一天只观测一次，但是覆冰厚度的形成和增长不仅与日值有关，而且与某些关键时次的气象要素有关，选择气象要素观测时次较多的站(例如国家基准站和基本站)有利于找出电线结冰的临界气象指标。

　　我国中东部地区输电线所在高度一般从地面到海拔800米，都超过当地气象站海拔高度，输电线的覆冰厚度一般要超过当地气象站观测到的覆冰厚度，但从全国来说，总是能找到各种厚度的覆冰观测记录，只要这些站的海拔高度与输电线路差别不是很大，覆冰形成和增长的气象条件可以视为相同。一般来说，覆冰厚度(S)是温度(T)、相对湿度(RH)、风速(FF)、降水量(R)、持续时间(σ)、微物理过程(M)等的函数，T、RH、FF、R等既可以是日值也可以是某时次的观测值，T可以是平均温度也可以是最低温度。下面分析架空输电线路覆冰的临界气象条件时主要是用气象再分析资料，与此相一致，最好选用本站的日值和2时、8时、14时、20时(北京时)　　的资料。由于气象台站没有微物理过程观测，目前只能分析气象要素及其导出量与电线覆冰的关系。

　　由于电力部门在架空送电线路设计技术规程中对不同的输电线路规定了不同的覆冰厚度，例如华中采用10～15毫米覆冰设计，华东采用10毫米覆冰设计，华南沿海采用5毫米或无覆冰设计，华北、东北、西北、西南地区输电线覆冰设计标准都不相同，所以我们在分析架空输电线覆冰的气象条件时，应当同时分析开始覆冰、覆冰厚度达5毫米、10毫米、15毫米、20毫米……的气象指标，分别建模。

　　如果利用上面所述的气象观测资料尚不足以区分不同的覆冰厚度，说明我们尚未找到形成不同覆冰厚度的临界气象条件，一定是漏了某些因素，例如微物理过程等，需要加强这方面的科研工作。


架空输电线覆冰的风险区划


　　今年1月持续时间达20多天的低温雨雪和冰冻天气给我国许多地区输电线造成巨大的破坏，说明架空送电线路设计技术规程中规定的330千伏以下线路采用15年一遇、500千伏以下线路采用30年一遇、500千伏以上线路采用50年一遇的设计标准偏低，电力部门正在研究新的设计标准，这里的一个关键问题是输电线所在位置达到规定的重现期的覆冰厚度到底应当是多少？以前电力部门对此并没有做科学的电线结冰的风险区划，上述的华中、华东、华南沿海地区覆冰厚度标准并不科学，气象部门恰恰具有这方面的优势，应当做好架空送电线路覆冰风险区划工作，为当地电力部门新一轮的输电线路的设计做出贡献。

　　这里的困难在于没有架空输电线路沿线的气象资料，气象部门恰恰掌握着解决这个问题的钥匙，这里有两种办法，一是用探空资料内插得到架空输电线路沿线的气象资料，二是用气象再分析资料内插，目前能得到的这两种资料空间分辨率是相同的，再分析资料是经过资料同化后得到的，除了8时、20时之外还有2时、14时(北京时)的资料，而且是网格资料，在使用上既方便又优于探空资料。当然这两种资料空间分辨率都比较低，在建立了不同海拔高度自动气象站的地方，可以用这些自动气象站的资料加密和订正气象再分析资料。用了可用的资料，我们就可以进行架空输电线覆冰的风险区划了。

　　第一种方法是利用上面研究得到的产生各种厚度覆冰的临界气象条件进行电线覆冰风险区划，其步骤如下：

　　第一步把气象再分析资料内插到架空输电线路处，可以用GIS软件把气象再分析资料内插到每条输电线路处，得到输电线路处所需的产生电线覆冰的气象资料，需要内插的气象因子就是由上面分析得到的产生电线覆冰的气象因子，如果再分析资料有这些因子，直接内插就行了；再分析资料没有给出的因子可以先计算再内插。

　　第二步求每一条架空输电线路各种覆冰厚度的历史序列，对每一条架空输电线路，用上一节分析得到的不同厚度电线覆冰的临界气象指标，分析从有气象再分析资料以来覆冰季节每天可能出现的覆冰厚度，得到历史上输电线路各种覆冰厚度序列。

　　第三步用柯西概率分布函数求各种覆冰厚度重现期。

　　用最小二乘法，根据第二步得到的电线覆冰历史资料可以求得。

　　对每条架空输电线路上的不同高度求概率函数表达式，有了概率函数表达式，就可以求架空输电线路上不同高度不同覆冰厚度的重现期。

　　第二种方法是利用历史架空输电线断线和倒塌的历史资料做风险区划。首先把再分析资料内插到输电线断线和倒塌的地点，然后分析输电线断线和倒塌的临界气象条件。如果架空输电线断线和倒塌的历史资料足够完整，每条输电线路不同高度都有资料，就可以画出风险区划图。另外，要注意架空输电线断线和倒塌的历史资料只有设计标准相同时才可以合并使用，设计标准变了(承灾体的脆弱性变了)，产生风险的临界气象条件也就不同了。


架空输电线覆冰的预报和预评估


　　有了求得的不同覆冰厚度的气象指标和数值天气预报产品，就可以做架空输电线的覆冰预报了。我们只要把数值天气分析预报产品用GIS软件内插到每条架空输电线的不同高度上，再用电线覆冰的气象指标判别是否会出现电线覆冰，覆冰厚度是多少。由于数值预报存在误差，不同高度上的气象要素数值预报值最好由预报员订正后再内插，这样做可以提高电线覆冰厚度预报的准确率。如果电线覆冰的临界气象条件中有日常业务预报中没有的项目，那么就需要增加这个预报项目。

　　架空输电线覆冰的预评估不仅包括覆冰厚度的预报而且还包括风险的预评估，有了上面的工作，架空输电线覆冰风险的预评估就不难了，只要从电力部门获取架空输电线的设计标准，知道每条架空输电线的设计覆冰厚度，当我们预报覆冰厚度达到和超过这个厚度时，就可以预报这条架空输电线存在断线或倒塌的风险。如果我们的预报时效比较长，电力部门就可以采取措施降低这个风险。

　　由于全国输电线路很多，路程又长，架空输电线覆冰的预报和预评估全靠人工做是不可能的，需要编制有关软件，好在电线覆冰的气象指标和数值预报产品都是定量的，GIS软件又是现成的，编制这个软件并不困难，其中只有一个环节就是数值预报产品的订正要靠预报员去做，其他环节全部可以实现自动化。

　　架空输电线路的覆冰预报和风险区划是国民经济和社会发展提出来的新任务，气象部门完全有能力做好这项工作。重点是做好各种厚度电线覆冰的临界气象条件的研究工作，这项工作做好了，架空输电线覆冰的预报和风险区划就迎刃而解了。