一种基于小型雷达的输电线路雷电监测预警方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于小型雷达的输电线路雷电监测预警方法，包括以下步骤：步骤1.获取小型雷达多层雷达回波反射率数据；步骤2.判断真实的雷电云团；步骤3.用图像分割的方式找出边界，画出雷暴区域；步骤4.获取步骤1中雷暴区域对应的回波径向速度，并跟踪多次体积扫描，推导该区域的切向发展速度，计算雷暴区域运动方向和速度；步骤5.估计雷暴未来时刻k出现位置的雷电活动强度；步骤6.依据输电线路杆塔坐标与雷暴预测区域进行匹配，并考虑杆塔耐雷水平，进行报警。本发明使用了毫米波雷达与雷电定位仪的结合，具备监测范围广，准确度高的优点；雷电对线塔风险预警过程中，考虑雷电的自身强度和线塔的耐受水平，风险预警更贴近实际，精度更高。
【专利说明】
一种基于小型雷达的输电线路雷电监测预警方法
技术领域
[0001]本发明涉及输电线路雷电监测预警领域，具体涉及一种基于小型雷达的输电线路雷电监测预警方法。
【背景技术】
[0002]雷暴天气是自然现象中的一种天气现象，近些年来由雷电引发的灾害频繁发生，并呈迅速上升的趋势。雷电对输电线路安全运行危害极大。输电线路的故障以雷击跳闸占的比重较大，防止雷击跳闸可大大降低输电线路的故障，进而降低电网中事故的发生频率。经多年摸索，我国的输电线路防雷基本形成了一系列行之有效的常规防雷方法，如降低接地电阻、架设避雷线、安装自动重合闸等，但是对于一些山区线路，雷害十分频繁，降低接地电阻又极其困难，而且费用高、工作量大，效果也受到一定的限制;为此，防雷害需要有针对地提前预警，对可能发生雷击跳闸的线路进行重点保护。
[0003]现有雷电预警技术主要依赖各种硬件设备监测捕获雷电发生前释放的物理特征，它们各有优缺点。常见的有以下几种。地面电场仪:地面电场仪可以对其上空一定半径范围内的云层带电状况进行监测，因此通过设置不同的电场强度门限等级，就能够对当地发生闪电的可能性进行预测。它的缺点是不知道电场的增加反映的是当地云层带电量还是因为有强的带电云在向电场仪所在位置移动。闪电宽带干涉仪系统:可以探测闪电发生前云内微弱放电活动，较早的预警雷电的发生，也可利用其宽频带的特征有效地识别、排除非雷电辐射信号的干扰信号。缺点是探测范围偏小。卫星:卫星通过识别雷电云层和跟踪估计雷电云层的运动轨迹来判断雷电的发生。但是卫星对雷电云亚类的分辨较差，例如区别云闪和地闪。雷达:通过探测雷电形成的气候特征来预报雷电。具体地，公开号CN203054097U名为“一种雷电预警组网系统”的专利利用普通电场仪及其他支持设备提出一种雷电预警组网系统。公开号CN202025042U名为“雷电预警装置”提出了利用偶极子天线依靠雷电辐射信号到达天线阵列的仰角估算雷电源的距离。公开号CN102095943A名为“雷电预警方法及装置”基于闪电干涉仪原理利用测量雷电辐射信号到达天线阵列的仰角，进而来估算雷电源的距离。除了基于单型设备的，还有基于组合设备的，公开号CN202975175U名为“一种雷电预警的设备”将多个磁场监测天线和红外光谱监测系统结合。
[0004]现有的雷电预警方法普遍只使用了雷达、卫星、闪电资料、大气电场仪等中的少数几个，并没有在雷电预警系统中考虑它们的优缺点和应用的场景目标融合起来。数据不完整会带来雷电潜势预报和雷电预警空间分辨率较差以及雷电潜势预报和雷电预警的公共、决策服务材料制作自动化程度较低的问题。
[0005]有鉴于此，有必要提供一种基于小型雷达的输电线路雷电监测预警方法，以解决上述问题。
【发明内容】
[0006]针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种基于易于实施维护的小型雷达的输电线路雷电监测方法。相较于传统方式，本发明同时运用了雷达、雷电定位仪器，使定位硬件更为全面，更具有目标针对性，得到多种数据来源进行预测评估;为克服雷达、卫星只能识别云层，不能对云层是否可能发生雷电现象进行判别，雷电定位仪对有较高可能发生雷电的部分进行筛选。这样利用雷电发生的历史数据的分析，加上雷达反馈的雷电云的径向速度及切向速度，可实时推导雷电未来时刻位置，并推导出未来可能雷暴区域内的活动强度。目标端，将输电线杆塔坐标和雷暴预测区域匹配后，考虑杆塔耐雷水平，对雷击跳闸的部分发出报警。
[0007]为实现此目的，本发明所采用的技术方案是:一种基于小型雷达的输电线路雷电监测预警方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤:
步骤1.获取小型雷达多层雷达回波反射率数据;特别关注5000至7000米高空的活动目标，获得与雷电活动密切相关的雷达回波强反射区域；
步骤2.判断真实的雷电云团；依据两个方面的信息，一个是广域上的小型雷达返回的雷达波，该雷达波包括了各种气象云团，二是雷电定位系统；
步骤3.用图像分割的方式找出边界，画出雷暴区域；
步骤4.获取步骤I中雷暴区域对应的回波径向速度，并跟踪多次体积扫描，推导该雷暴区域的切向发展速度，最后综合计算出雷暴区域运动方向和速度；
步骤5.估计雷暴未来时刻k出现位置的雷电活动强度；
步骤6.依据输电线路杆塔坐标与雷暴预测区域进行匹配，并考虑杆塔耐雷水平，进行报警。
[0008]如上所述的基于小型雷达的输电线路雷电监测预警方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤:
步骤2-1:设在当前时刻t，提取雷达设备气象实体反射数据P;
步骤2 — 2:从雷电定位仪获得t时的落雷数据I;
步骤2 — 3:将雷云与雷电事件关联出来，雷达返回云数据P和雷电定位仪返回落雷数据I的重叠部分。
[0009]如上所述的基于小型雷达的输电线路雷电监测预警方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤:
步骤4 一 I:利用离散事件，求得径向速度V;
步骤4 一 2:利用雷达数据返回五次数据，跟踪雷云运动轨迹求得切向速度p，
步骤4 一 3:利用平行四边形矢量求和，求得雷云的v、p的合速度。
[0010]如上所述的基于小型雷达的输电线路雷电监测预警方法，其特征在于，所述步骤5包括以下步骤:
步骤5— 1:由于雷电活动的持续性和预测间隔的短时性，假设以当前雷电个数和雷电流分布代表未来雷暴区域的可能雷电活动强度；
步骤5 — 2:此处预测时利用该地区历史雷电流幅值数据，进行建模推算出雷电流概率分布函数，确定其中常量的权值后得出该地区的概率分布图；
步骤5 — 3:根据雷电定位仪输入的数据，进行曲线拟合，求得a、b参数，其中:a为中值电流(超过该幅值的雷电流出现概率为50%)，kA;b为雷电流幅值分布的集中程度参数;估算出雷电活动强度，利用最小二乘法控制误差标准。
[0011]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
1、本发明使用了毫米波雷达与雷电定位仪的结合，具备监测范围广，准确度高的优点。
[0012]2、雷电对线塔风险预警过程中，考虑到了雷电的自身强度和线塔的耐受水平，风险预警更贴近实际，精度更高。
【附图说明】
[0013]图1为本发明的基于小型雷达的输电线路雷电监测预警方法流程图。
[0014]图2为步骤I中与雷电活动密切相关的雷达回波强反射区域(雷暴区域)。
【具体实施方式】
[0015]为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。
[0016]如图1所示，本发明提供一种基于小型雷达的输电线路雷电监测预警方法，所述方法包括以下步骤:
步骤I.获取小型雷达多层雷达回波反射率数据。特别关注5000至7000米高空的活动目标，获得与雷电活动密切相关的雷达回波强反射区域(雷暴区域)，如图2所示。
[0017]步骤2.判断真实的雷电云团。依据两个方面的信息，一个是广域上的小型雷达返回的雷达波(该雷达波包括了各种气象云团)，二是雷电定位系统。
[0018]所述步骤2包括以下步骤:
步骤2-1:设在当前时刻t，提取雷达设备气象实体反射数据P;
步骤2 — 2:从雷电定位仪获得t时的落雷数据I;
步骤2 — 3:将雷云与雷电事件关联出来，雷达返回云数据P和雷电定位仪返回落雷数据I的重叠部分；
步骤3.用图像分割的方式找出边界，画出雷暴区域。
[0019]步骤4.获取步骤I中雷暴区域对应的回波径向速度，并跟踪多次体积扫描(每次体积扫描约5分钟，通常跟踪5次)，推导该区域的切向发展速度，最后综合计算出雷暴区域运动方向和速度。
[0020]所述步骤4包括以下步骤:
步骤4 一 I:利用离散事件，求得径向速度V;
步骤4 一 2:利用雷达数据返回五次数据，跟踪雷云运动轨迹求得切向速度p，
步骤4 一 3:利用平行四边形矢量求和，求得雷云的v、p的合速度。
[0021]步骤5.估计雷暴未来时刻k出现位置的雷电活动强度。
[0022]所述步骤5包括以下步骤:
步骤5— 1:由于雷电活动的持续性和预测间隔的短时性，假设以当前雷电个数和雷电流分布代表未来雷暴区域的可能雷电活动强度；
步骤5 — 2:此处预测时利用该地区历史雷电流幅值数据，进行建模推算出雷电流概率分布函数，确定其中常量的权值后得出该地区的概率分布图；
步骤5 — 3:根据雷电定位仪输入的数据，进行曲线拟合，求得a、b参数，其中:a为中值电流(超过该幅值的雷电流出现概率为50%)，kA;b为雷电流幅值分布的集中程度参数;估算出雷电活动强度，利用最小二乘法控制误差标准。
[0023]步骤6.调取线塔资料库，依据输电线路杆塔坐标与雷暴预测区域进行匹配，并考虑杆塔耐雷水平，进行报警。除了雷电自身强度外，风险的发生还与线塔的耐雷水平有关。耐雷水平指被击对象自身存在的耐受水平。由于输电线路绝缘配置等参数随着输电线路电压等级的升高而升高，输电线路电压等级决定其耐雷水平的范围;再次，输电线路的结构及其参数是影响其耐雷水平的重要因素。
[0024]本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【主权项】
1.一种基于小型雷达的输电线路雷电监测预警方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 步骤1.获取小型雷达多层雷达回波反射率数据;特别关注5000至7000米高空的活动目标，获得与雷电活动密切相关的雷达回波强反射区域； 步骤2.判断真实的雷电云团；依据两个方面的信息，一个是广域上的小型雷达返回的雷达波，该雷达波包括了各种气象云团，二是雷电定位系统； 步骤3.用图像分割的方式找出边界，画出雷暴区域； 步骤4.获取步骤I中雷暴区域对应的回波径向速度，并跟踪多次体积扫描，推导该雷暴区域的切向发展速度，最后综合计算出雷暴区域运动方向和速度； 步骤5.估计雷暴未来时刻k出现位置的雷电活动强度； 步骤6.依据输电线路杆塔坐标与雷暴预测区域进行匹配，并考虑杆塔耐雷水平，进行报警。2.根据权利要求1所述的基于小型雷达的输电线路雷电监测预警方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤: 步骤2 — 1:设在当前时刻t，提取雷达设备气象实体反射数据P; 步骤2 — 2:从雷电定位仪获得t时的落雷数据I; 步骤2 — 3:将雷云与雷电事件关联出来，雷达返回云数据P和雷电定位仪返回落雷数据I的重叠部分。3.根据权利要求1所述的基于小型雷达的输电线路雷电监测预警方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤: 步骤4 一 I:利用离散事件，求得径向速度V; 步骤4 一 2:利用雷达数据返回五次数据，跟踪雷云运动轨迹求得切向速度p， 步骤4 一 3:利用平行四边形矢量求和，求得雷云的v、p的合速度。4.根据权利要求1所述的基于小型雷达的输电线路雷电监测预警方法，其特征在于，所述步骤5包括以下步骤: 步骤5 — 1:由于雷电活动的持续性和预测间隔的短时性，假设以当前雷电个数和雷电流分布代表未来雷暴区域的可能雷电活动强度； 步骤5 — 2:此处预测时利用该地区历史雷电流幅值数据，进行建模推算出雷电流概率分布函数，确定其中常量的权值后得出该地区的概率分布图； 步骤5 — 3:根据雷电定位仪输入的数据，进行曲线拟合，求得a、b参数，其中:a为中值电流(超过该幅值的雷电流出现概率为50%)，kA;b为雷电流幅值分布的集中程度参数;估算出雷电活动强度，利用最小二乘法控制误差标准。
【文档编号】G01R29/033GK106019287SQ201610606099
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月29日
【发明人】谷山强, 冯万兴, 王剑, 姜文东, 郭钧天, 蒲路, 赵淳, 梁文勇, 曾瑜, 王佩, 李涛, 何君, 丁国宁, 闵毅
【申请人】国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司