输电线路精细化覆冰模型建立方法技术

本发明专利技术公开了输电线路精细化覆冰模型建立方法，包括以下步骤：提取输电线路杆塔点在的小时平均温度、相对湿度、降水量、风速和温湿垂直廓线数据；根据气象要素，判断当前时次所处的覆冰阶段类型，是处于覆冰增长阶段、覆冰脱落阶段还是覆冰维持阶段；根据不同的覆冰阶段计算出覆冰重量、覆冰导线直径和标准冰厚。本发明专利技术的优点是：可以提供输电线路诸多关键气象要素产品的精细化可靠分析产品，给出区域内差异化的覆冰厚度估测产品，应用于输电线路人工巡线安排计划，统筹集约，降低运维成本，提升线路运维效率；提供更为合理的输电线路覆冰厚度区划方案，结合线路建设成本，提升经济效益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及输电线路精细化覆冰模型建立方法。
技术介绍
受微地形、微气象条件影响，导线覆冰类型和覆冰量存在明显的时间变化和空间差异。但由于覆冰观测站点稀少，且大多位于覆冰少发的平原盆地地区，因此电力工程应用中经常面临覆冰数据缺乏的问题。为解决这一问题，国内外开展了大量的覆冰气象条件研究，并提出很多经验模型和数值模型。经验模型根据覆冰观测数据与气象因子的统计关系，用多元回归、神经网络或支持向量机等方法估算覆冰量。数值模型则根据覆冰的物理机制，以流体力学和热力学理论为基础，计算覆冰增长量。经验模型的参数容易获取，模拟效果也比较令人满意，但在覆冰观测资料缺乏的地区只能采用数值模型。覆冰增长模拟的数值模型众多，但应用最为广泛的是Makoneon模型和Jones简化模型。Makoneon模型可计算雨凇、雾凇和湿雪天气下的覆冰增长量，但因为雨凇和湿雪覆冰过程的参数化难度大，该模型主要用于计算雾凇覆冰量。Jones简化模型仅适于雨凇覆冰，它只需降水量和风速两个因子，就能比较准确地算出雨凇覆冰增长量。覆冰数值模型主要用于重建历史覆冰数据，并进行冰冻灾害区划以及灾害风险评估。例如，美国编美国土木工程师学会ASCE手册74“输变电线路结构负载指南”，以历史气象资料为基础，利用Jones简化模型和以CRREL(ColdRegionsResearchandEngineeringLaboratory)模型为基础，绘制冰荷载极值分布图。国家电网公司的2013年试行的行业标准《冰区分极标准和冰区分布图绘制规则》中，有一个推荐方法就是用Jones简化模型计算历史覆冰量并绘制冰区。近年随着数值预报快速发展，高时空分辨率预报产品准确度在不断提高，人们开始尝试用数值预报模式产品制作覆冰天气预报。Nygaard(2007)，Drage(2007)和Nygaard(2011)等人利用中尺度数值模式WRF和MM5模拟了北欧部分地区的雾凇天气过程，结果显示雾凇覆冰的预报值与观测值总体一致，但在地形起伏较大的地区，模式空间分辨率<1km才能达到较好的效果。Degateano(2008)，Musilek(2009)和Pytlak(2010)等人采用中尺度天气预报模式WRF模拟预报区域的格点气象要素，然后用Ramer算法及其订算法判别降水相态，再用Jones简化模型计算覆冰量，对区域覆冰天气过程和覆冰量进行了后验预报。结果表明覆冰预报的范围与实际接近，但是在降水、温度等要素有较大预报误差的情况下，覆冰预报的误差也会随之增加。上述学者选择了典型的覆冰天气过程，以数值预报模式产品为基础，开展了覆冰天气个例研究。丁圣和段旭等人(2012)的工作更进一步，把覆冰天气预报应用到实际业务中。他们以T639数值预报产品为基础，结合考虑地形改进的要素CRESSMAN插值技术，利用云南冰冻天气判识条件研究成果和滇东北电线覆冰考察修正覆冰估算模型，建立了云南冰冻天气和电线覆冰预报预估业务系统，提供1km空间分辨率下的电线覆冰厚度监测预估产品。导线覆冰过程根据覆冰重量的变化可划分为覆冰增长、维持和脱落三个阶段。其中维持阶段的覆冰重量基本保持不变；增长阶段的覆冰重量随着雨凇、雾凇或湿雪在导线上的冻结不断增加；脱落阶段的覆冰重量则因为热力融冰、机械破冰和升华脱冰等原因不断减少直至为零。一次覆冰过程至少包括一个覆冰增长和脱落阶段，同时也可能含有其它若干覆冰增长、维持和脱落阶段。Mankon模型和Jones简化模型仅能模拟增长阶段的覆冰量。但导线覆冰是一个累积过程，前一次天气过程形成的覆冰未完全脱落的情况下，可能就会紧接着发生下一次积冰增长过程。覆冰个例研究可以针对一次覆冰天气过程，而业务运行需要对整个冬季的覆冰状况和覆冰量进行监测预报，因此除了覆冰增长之外，还需要考虑覆冰脱落的影响。“云南冰冻天气和电线覆冰预报预估业务系统”建立了一套完整的覆冰监测预报业务流程。但该系统只考虑了雨凇覆冰的影响，而忽略了其它两种覆冰类型的影响。事实上，覆冰期间，雨凇、雾凇和湿雪经常会交替出现。湿雪对电网运行的危害较小，可以不作考虑；但雾凇及雨雾混合凇引发的输电线路事故并不鲜见。因此要准确计算导线覆冰量，需要综合考虑雨凇和雾凇的共同影响。另一方面，雨凇形成的条件十分复杂，只有在对整层大气的温湿条件进行分析之后才能做出判定，该业务系统利用地面温湿度和风速构建的判别指标也不够完善。此外，“云南冰冻天气和电线覆冰预报预估业务系统”采用了全球静力谱模式T639的产品。该产品的水平分辨率为0.28125°×0.28125°(约30km)，每天00UTC和12UTC更新一次。虽然系统对模式产品进行了降尺度处理，得到1km分辨率的预报产品。但是T639模式侧重对全球大气环流背景及大尺度天气系统的模拟，降尺度处理不能改变模式本身的物理特性，也就不可能捕捉到中小尺度天气系统过程。形成导线覆冰天气如冻雨、过冷却云雾等有明显的局地特征，因此只有更高时间空间分辨率的中尺度天气模式才能更准确地刻画这些覆冰天气过程。目前业务运行的中尺度数值模式产品的水平空间分辨率可达3km甚至更高，但模式产品反映的是网格范围内的平均大气状态结构特征。在复杂地形下，尤其是输电线路跨越地段，微地形地貌特征尤为明显，输电线路走廊的温度、湿度、降水量、风向风速、降水类型等环境信息与模式中网格化的环境信息仍有明显差异。这些差异最终会导致对关注地段的覆冰模拟偏差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供输电线路精细化覆冰模型建立方法，能够有效解决现有输电线路覆冰模型偏差大的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：输电线路精细化覆冰模型建立方法，包括以下步骤：A、根据周边气象台站的小时气象观测数据以及数值天气预报模式结果，提取输电线路杆塔点在的小时平均温度、相对湿度、降水量、风速和温湿度垂直廓线数据；B、根据步骤A中的气象要素，判断当前时次所处的覆冰阶段和覆冰类型，是处于是雨凇覆冰增长、雾凇覆冰增长、热力融冰、升华脱冰，还是覆冰维持阶段；C、根据步骤B中覆冰阶段和覆冰类型，计算覆冰重量变化量；D、根据步骤C得出的覆冰重量变化量，以及前一时次的覆冰重量和覆冰导线直径，计算当前时次的覆冰重量、覆冰导线直径和标准冰厚。优选的，步骤B根据当前时次的地面温度、降水量、相对湿度、气压、温湿度垂直廓线，判别当前时次所属的覆冰阶段以及覆冰增长或脱落的类型，具体为：1)、降水天气下(降水量≥0.05mm)，计算地面湿球温度以及水凝物到达地面时的冰晶率(icefraction)；如果湿球温度≤1.0℃且冰晶率≤0.85，则当前时次为覆冰增长阶段，覆冰增长类型为雨凇覆冰；否则，如果冰晶率>0.85则当前时次为覆冰维持阶段，其它情况下为覆冰脱落阶段的热力融冰类型；其中，I为水凝物到达地面时的冰晶率，N为降水形成层与地面之间的等压面层数，dI为冰晶率的变化值，Pn和Pn-1分别是第(n-1)和第(n)层的气压；和分别是(n-1)～(n)层间的平均湿球温度和相对湿度，E′为经验系数(本文档来自技高网...

【技术保护点】
输电线路精细化覆冰模型建立方法，其特征在于：包括以下步骤：A、根据周边气象台站的小时气象观测数据以及数值天气预报模式结果，提取输电线路杆塔点的小时平均温度、相对湿度、降水量、风速和温湿度垂直廓线数据；B、根据步骤A中的气象要素，判断当前时次所处的覆冰阶段和覆冰类型，是处于是雨凇覆冰增长、雾凇覆冰增长、热力融冰、升华脱冰，还是覆冰维持阶段；C、根据步骤B中的覆冰阶段和覆冰类型，计算覆冰重量变化量；D、根据步骤C得出的覆冰重量变化量，以及前一时次的覆冰重量和覆冰导线直径，计算当前时次的覆冰重量、覆冰导线直径和标准冰厚。

【技术特征摘要】
1.输电线路精细化覆冰模型建立方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、根据周边气象台站的小时气象观测数据以及数值天气预报模式结果，
提取输电线路杆塔点的小时平均温度、相对湿度、降水量、风速和温
湿度垂直廓线数据；
B、根据步骤A中的气象要素，判断当前时次所处的覆冰阶段和覆冰类型，
是处于是雨凇覆冰增长、雾凇覆冰增长、热力融冰、升华脱冰，还是
覆冰维持阶段；
C、根据步骤B中的覆冰阶段和覆冰类型，计算覆冰重量变化量；
D、根据步骤C得出的覆冰重量变化量，以及前一时次的覆冰重量和覆冰
导线直径，计算当前时次的覆冰重量、覆冰导线直径和标准冰厚。
2.如权利要求1所述的输电线路精细化覆冰模型建立方法，其特征在于：步骤
B中根据当前时次的地面温度、降水量、相对湿度、气压、温湿度垂直廓线，
判别当前时次所属的覆冰阶段以及覆冰增长或脱落的类型，具体为：
1)、降水天气下(降水量≥0.05mm)，计算地面湿球温度以及水凝物到达地
面时的冰晶率(icefraction)；如果湿球温度≤1.0℃且冰晶率≤0.85，则当前时
次为覆冰增长阶段，覆冰增长类型为雨凇覆冰；否则，如果冰晶率>0.85则
当前时次为覆冰维持阶段，其它情况下为覆冰脱落阶段的热力融冰类型；
I=Σn=1NdI]]>dI=(0-T‾W)[lnPn-1-lnPn]E′R‾H]]>其中，I为水凝物到达地面时的冰晶率，N为降水形成层与地面之间的等压
面层数，dI为冰晶率的变化值，Pn和Pn-1分别是第(n-1)和第(n)层的气
压；和分别是(n-1)～(n)层间的平均湿球温度和相对湿度，E′为经

\t验系数(E′＝0.045℃)；
2)、非降水天气条件下(降水量<0.05mm)，如果-10℃≤温度≤1℃且相对湿度
≥90％，则当前时次为覆冰增长阶段，覆冰增长类型为雾凇结冰；否则，如果
温度<-10℃或相对湿度<60％，则为覆冰脱落阶段的升华脱冰类型；如果温
度>0℃，则为覆冰脱落阶段的热力融冰类型；其它情况下为覆冰维持阶段。
3.如权利要求1所述的输电线路精细化覆冰模型建立方法，其特征在于：覆冰
重量变化量的计算方法：根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳平，姜文东，邓芳萍，姜瑜君，李颖，康丽莉，王灿灿，刘岩，赵汉鹰，初金良，苏良智，许宇奏，徐清波，吴建灵，
申请(专利权)人：国网浙江省电力公司丽水供电公司，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33