一种变电站内涝预警方法及预警系统与流程

本发明涉及一种基于三维模型的变电站内涝预警方法，属于电力系统防灾减灾领域。

背景技术：

近几年，强降雨事件持续增多，国内众多城市均遭受过不同程度的内涝灾害，内涝成为威胁电网安全的重要灾害之一，因内涝导致的变电站全停事故造成了巨大的经济损失和严重的社会影响。

变电站内涝的发生主要产生于两个方面：一是外部积水倒灌，这类现象出现的原因主要是由于城市整体排水不畅，目前变电站防涝措施中的防水门、下水道隔离等措施主要是应对这一问题。二是变电站内部排水能力不足，此类问题出现的原因是变电站排水能力设计不足，现有防涝措施中的抽水泵则是对排水能力不足的补充措施。

工程上，现有变电站内涝监测主要是依靠在电缆井设置水位计进行观测，并提前设置阈值，以水位是否达到某一设置值为标准进行预警。该方式是一种保守型的预警方法，且完全孤立了对降水强度的关注，虽然能实现预警的目的，但无法对未来趋势进行预测，一定程度上增加了运维人员的工作量。学术上对于内涝预警的研究则主要集中在内涝形成的物理模型上，由于内涝形成的影响环节众多，包括降雨、产汇流、排水等，模型对于数据数量和质量要求较高，在实际应用上难度较大。

而实际上，气象资料中的降雨量监测和预报数据较为可靠，水位监测数据通过监测装置也能可靠获取，变电站内涝形成模型中最重要的变电站排水能力评估与城市内涝模型相比简单得多。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服工程上现有变电站内涝预警方法过于保守、缺乏预测环节、运维人员工作量大等问题，提供一种综合工程可行性和数据逻辑性的更为科学的内涝预警方法。

为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

一种变电站内涝预警方法，其特征在于，

计算变电站内部空间离地不同空间高度上未被固定物占用的空置面积，建立变电站积水量与该空置面积、空间高度的关系函数；

根据变电站内排水管道物理参数评估变电站下水管网最大排水能力；

根据预测雨量、变电站下水管网最大排水能力和应急排水设施排水能力，结合建立的变电站积水量与该空置面积、空间高度的关系函数，计算变电站单位时间内累积的积水量和水位；

根据计算所得的变电站积水量和水位对变电站内涝进行预警。

根据变电站三维模型数据计算变电站内部空间不同高度上未被固定物占用的空置面积。

变电站三维模型数据包括变电站及站内建筑物、电气设备和附属物的三维空间数据。

离地面的空间高度为h的空置面积akh计算公式如下：

其中，ash为空间高度h时变电站围墙内的水平面积；ahi为第i座变电站内固定物在空间高度h时的水平面积，n为变电站内固定物的总数量。

变电站积水量与该空置面积、空间高度的关系函数为：

式中，vk为变电站积水量，akh为离地面的空间高度为h的空置面积,ash为空间高度h处变电站围墙内的水平面积；ahi为变电站内第i座固定物在空间高度h时的水平面积，n为变电站内固定物的总数量。

采用曼宁方程计算下水管道的排水能力q，根据下水管道的排水能力q评估变电站下水管网最大排水能力qmax，即下水管道的水量达到满流时的排水能力值，

式中，d为下水管道直径，c为下水管道的管壁粗糙率，s为下水管道的管底坡度。

根据计算的下水管道的排水能力结合出水口水位差评估下水管网最大排水能力。

变电站下水管网最大排水能力以下水管道的水量达到满流时进行计算。

采用下式计算变电站单位时间内累积的积水量和水位：

式中，vk为变电站积水量，ash为空间高度h处变电站围墙内的水平面积；ahi为变电站内第i座固定物在空间高度h时的水平面积，n为变电站内固定物的总数量，vrain为预测雨量，qmax为变电站下水管网最大排水能力，e为应急排水设施排水能力；

此时计算得到的空间高度h即水位。

当变电站积水量vk小于0，且其绝对值大于应急排水设施排水能力e时，下水管网最大排水能力qmax满足需求；

当变电站积水量vk小于0，且其绝对值不大于应急排水设施排水能力e时，采用应急排水设施辅助排水，此时发布变电站积水预警；

当变电站积水量vk大于0时，变电站最大排水能力不满足需求，此时发布变电站内涝预警及预测水位信息。

一种变电站内涝预警系统，其特征在于，包括

建模模块：计算变电站内部空间离地不同空间高度上未被固定物占用的空置面积，建立变电站积水量与该空置面积、空间高度的关系函数模型；

管网排水量评估模块：根据变电站内排水管道物理参数评估变电站下水管网最大排水能力；

积水量及水位预测模块：根据预测雨量、管网排水量评估模块评估的变电站下水管网最大排水能力和应急排水设施排水能力，通过变电站积水量关系函数模型计算变电站单位时间内累积的积水量和水位；

预警模块：根据预测的积水量和水位对变电站内涝进行预警。

本发明的有益效果：

本发明通过建立变电站积水量与空置面积、空间高度的关系函数，结合预测雨量、变电站下水管网最大排水能力和应急排水设施排水能力，提出强降雨天气下变电站水位计算模型和方法，实现对变电站内涝的预测预警，减少运维人员工作量，科学、有效地指导变电站防涝排涝工作，减少强降雨灾害对电网企业和全社会造成的影响。

附图说明

图1为基于三维模型的变电站内涝预警方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行说明。

实施例1

下面结合图1，对本发明的变电站内涝预警方法在具体实施时可采取的一种具体实施方式进行详细陈述，在其他实施例中还可以采用其他具体实施方式，该详细陈述只是为了更细致的陈述本方案实施时的一些具体做法，而并非限定本发明的方法仅可以适用于这一种具体实施方式。

本发明的变电站内涝预警方法，包括以下具体步骤：

步骤1，获取满足变电站内涝预警需求的三维建模数据，具体是指变电站及站内建筑物、电气设备的三维数据，数据源包括变电站及站内建筑物的设计图纸及文档资料、站内电气设备的出厂参数及文档资料以及变电站摄影测量数据。

用cad软件等建模工具建立变电站三维模型，其他建模工具包括3dmax动画软件和mutigencreator等专业软件。

步骤2，根据变电站三维模型，计算变电站不同高度非占用面积，非占用面积是变电站内某一高度上未被建筑物、电气设备或其他物体占用的空置面积。离地面高度为h的平面非占用面积akh计算公式如下：

其中，ash为高度h时变电站围墙内的水平面积；ahi为变电站内第i座建筑物、电气设备或其他物体在高度h时的水平面积，n为变电站内建筑物、电气设备或其他物体的总数量。

因此，变电站积水量vk与非占用面积ak、高度h的关系可用函数表示为

步骤3，根据变电站内排水管道物理参数评估变电站下水管网最大排水能力，变电站排水主要通过铺设在地面的下水管网实现，下水管网包括雨水口、支管、干管、检查井及出水口等部分组成，下水管网排水能力主要取决于干管形状和直径大小。因圆形管道水力性能好，下水管网常采用圆形管道，采用曼宁方程可以计算下水管道的排水能力q。

其中，c为下水管道的管壁粗糙率，ω、r、s分别为下水管道的过水断面面积、水力半径和管底坡度。

假设管道直径为d，管道内水深为d，水面弦长所对应的圆心角为θ，湿周为x，过水断面面积、湿周、水力半径采用式(4)～(6)计算。

以上公式代入式(3)可得，

评估下水管网最大排水能力时，下水管道的水量达到满流。此时θ＝0°，式(7)可变换为

针对具体变电站开展计算时，实际最大排水能力还需要根据出水口水位差进行差额计算。

步骤4，根据预测雨量vrain、变电站下水管网最大排水能力qmax和应急排水设施排水能力e，计算单位时间内累积的变电站积水量vk和水位。预测雨量vrain取自气象部门小时级的降雨量数值预报，应急排水设施排水能力e根据抽水泵等应急设施的参数确定。因此，强降雨天气下变电站积水量vk可由式(2)表示为

根据式(9)，即可计算得到高度h即水位。

步骤5，根据计算所得的变电站积水量vk和水位发布变电站内涝预警信息。当变电站积水量小于0，且其绝对值大于e时，表示下水管道排水能力能够满足要求，此时无需发布预警信息；当变电站积水量vk小于0，且其绝对值小于或等于e时，表示下水管道排水能力已不能满足要求，需要采用应急排水设施辅助排水，此时发布变电站积水预警并提出采用应急设施排水建议；当变电站积水量大于0，表示变电站最大排水能力已不能满足要求，此时发布变电站内涝预警及预测水位信息，并根据实时情况滚动修正，当预测水位达到变电站安全警戒水位时提出相应的设备停电建议。按照变电站运维要求和灾害应急管理要求，预警信息发送至相应运维人员。

实施例2

本发明的一种变电站内涝预警系统，包括

建模模块：计算变电站内部空间离地不同空间高度上未被固定物占用的空置面积，建立变电站积水量与该空置面积、空间高度的关系函数模型；

管网排水量评估模块：根据变电站内排水管道物理参数评估变电站下水管网最大排水能力；

积水量及水位预测模块：根据预测雨量、管网排水量评估模块评估的变电站下水管网最大排水能力和应急排水设施排水能力，通过变电站积水量关系函数模型计算变电站单位时间内累积的积水量和水位；

预警模块：根据预测的积水量和水位对变电站内涝进行预警。

以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。