输电线路精细化覆冰模型建立方法
【技术领域】
[0001 ]本发明设及输电线路精细化覆冰模型建立方法。
【背景技术】
[0002] 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。为解决运一问题，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， W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模型可计算雨舱、 雾舱和湿雪天气下的覆冰增长量，但因为雨舱和湿雪覆冰过程的参数化难度大，该模型主 要用于计算雾舱覆冰量。Jones简化模型仅适于雨舱覆冰，它只需降水量和风速两个因子， 就能比较准确地算出雨舱覆冰增长量。
[0003] 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W及灾害风险评 估。例如，美国编美国±木工程师学会ASCE手册74"输变电线路结构负载指南"，W历史气象 资料为基础，利用Jones简化模型和WCRREL(Cold Regions Research and Engineering Laborato巧)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。
[0004] 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舱天气过程，结果显示 雾舱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<lkm才 能达到较好的效果。Degateano(2008)，]/[113；[164(2009)和?71:1曰4(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，再用化nes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、溫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。
[0005] 上述学者选择了典型的覆冰天气过程，W数值预报模式产品为基础，开展了覆冰 天气个例研究。下圣和段旭等人(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WT639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滨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。
[0006] 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Ξ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舱、雾舱或湿雪在导线 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。
[0007] Mankon模型和化nes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W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。
[000引"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舱覆冰的影响，而忽略了其它两种覆冰类型的影响。事实 上，覆冰期间，雨舱、雾舱和湿雪经常会交替出现。湿雪对电网运行的危害较小，可W不作考 虑;但雾舱及雨雾混合舱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 综合考虑雨舱和雾舱的共同影响。另一方面，雨舱形成的条件十分复杂，只有在对整层大气 的溫湿条件进行分析之后才能做出判定，该业务系统利用地面溫湿度和风速构建的判别指 标也不够完善。
[0009] 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° X 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运些 覆冰天气过程。
[0010] 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，输电线路走廊的溫度、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。运些差异最终会导致对关注地段 的覆冰模拟偏差。
【发明内容】
[0011] 本发明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。
[0012] 为了解决上述技术问题，本发明是通过W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W下步骤：
[0013] A、根据周边气象台站的小时气象观测数据W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溫度、相对湿度、降水量、风速和溫湿度垂直廓线数据；
[0014] 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 雨舱覆冰增长、雾舱覆冰增长、热力融冰、升华脱冰，还是覆冰维持阶段；
[0015] 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；
[0016] D、根据步骤C得出的覆冰重量变化量，W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。
[0017] 优选的，步骤B根据当前时次的地面溫度、降水量、相对湿度、气压、溫湿度垂直廓 线，判别当前时次所属的覆冰阶段W及覆冰增长或脱落的类型，具体为：
[0018] 1)、降水天气下（降水量> 0.05mm)，计算地面湿球溫度W及水凝物到达地面时的 冰晶率(ice打action);如果湿球溫度含1.0°C且冰晶率含0.85，则当前时次为覆冰增长阶 段，覆冰增长类型为雨舱覆冰;否则，如果冰晶率〉〇. 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；
[0021] 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， dl为冰晶率的变化值，Pn和Pn-i分别是第(n-1)和第(η)层的气压；馬和而分别是(n-1)~ (η)层间的平均湿球溫度和相对湿度，护为经验系数化/=0.045°C);
[0022] 2)、非降水天气条件下（降水量<0.05mm)，如果-10°C ^溫度^rC且相对湿度> 90%，则当前时次为覆冰增长阶段，覆冰增长类型为雾舱结冰;否则，如果溫度<-10°C或相 对湿度<60%，则为覆冰脱落阶段的升华脱冰类型;如果溫度〉0°C，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；
[0023] 优选的，覆冰重量的计算方法:根据步骤B的判断结果，采用不同的方法计算小时 覆冰变化量dMt:
[0024] 1)、覆冰维持阶段的变化量为0，即dMt = 0;
[0025] 2)、雨舱期间的覆冰增长量dMt为：
[0031]其中，式歡为当前时次标准冰厚增长量，Dt-i(mm)为前一时次的覆冰导线直径;Pi 是冰的密度，取〇.9g · cnf3;Pw是水的密度，取l.Og · cnf3，P和V分别为降水强度(mm/h)和风 速(m/s); Γ I和ΓΤ分别为冰晶率和湿球溫度的权重函数，I为水凝物到达地面时的冰晶率，1〇 和Ii分别为冰晶率的上、下限，取0.85和0.05，Tw为地面湿球溫度，Tu和Τι分别为湿球溫度的 上、下限阔值，取l.〇°C和0.0°C;
[0032] 3)、雾舱覆冰的增长量计算方法为：
[0033] dMt = 3600aia2a3WvDt-i
[0034] 其中，W为液态含水量(g.nf3)，α功碰撞率，〇2为收集率(〇2=1)，〇3为冻结率(〇3 = 1)；
[0(Χ3日]4)热力融冰量计算方法为:dMt = -87-80Tt
[0036] 其中，Tt为当前时次的气溫rC);
[0037] 5)升华脱冰的计算方法为:dMt = 7。
[003引优选的，当前时次的覆冰导线直径Dt(mm)、重量Mt(g)和标准冰厚bt(mm)分别为：
[0042] 其中，导线的直径为Do(mm)，前一时次的覆冰导线直径和重量分别为Dt-i和Mt-i，当 前时次的覆冰重量变化量为dMt,化为当前时次的覆冰密度，
（0.2g · cnf3 <f?t<0.9g · cm-3)。
[0043] 与现有技术相比，本发明的优点是：1)、可W提供输电线路杆塔位置的溫度、相对 湿度、风速和降水等关键气象要素的精细化分析产品，可W给出输电线路具体位置的覆冰 厚度估测产品，应用于输电线路人工巡线计划W及融冰除冰方案制定，可降低运维成本，提 升线路运维效率；
[0044] 2)、可W提供更为合理的输电线路覆冰厚度区划方案，提供精细化的多种重现期 覆冰厚度分析产品，结合线路建设成本，提升经济效益。
【附图说明】
[0045] 图1为本发明输电线路精细化覆冰模型建立方法的结构流程图；
[0046] 图2为本发明输电线路精细化覆冰模型建立方法中覆冰类型判断流程图；
[0047] 图3为本发明输电线路精细化覆冰模型建立方法中实际应用案例上10个监测点的 逐时标准冰厚变化曲线。
【具体实施方式】
[004引如图1所示，输电线路精细化覆冰模型建立方法，包括W下步骤：
[0049] A、设覆冰导线直径为Do,模型模拟的起始时间为to~tl，模拟时间步长为1小时， 令当时次t为开始时次，即t = to，则前一时次的覆冰重量Mt-i = 0，覆冰导线直径Dt-i = Do;
[0050] B、根据当前时次t的气象观测数据和数值天气预报模式产品，通过插值方法得到