基于多要素动态权重算法的雷电风险智能预警技术研究

孙世军，韩 洪

（国网山东省电力公司，山东省 济南市，250000）

Research on Intelligent Lightning Risk Early Warning Technology Based on Multi-factor Dynamic Weight Algorithms

SUN ShiJun,HAN Hong

(State Grid Shandong Electric Power Company, Jinan City, Shandong Province, 250000)

Abstract: Intelligent lightning risk early warning technology based on multi-factor dynamic weight algorithm is studied. Real-time atmospheric electric field data are accessed to realize the standardized access of real-time data of atmospheric electric field meter. Through the multi-factor dynamic weight algorithm based on incremental data, the lightning location data, atmospheric electric field meter data and Doppler radar data are fused rapidly and intelligent early warning is realized. Through the lightning early warning area, monitoring location and power grid facilities analysis and judgment technology of power grid GIS, combined with real-time meteorological monitoring data on site, it is associated with power grid equipment of power grid GIS platform, which can be accurately labeled as follows: In the area where lightning will occur, the moving trend of thunderclouds will be judged, and lightning-prone poles and towers will be quickly located, which will provide technical support for better monitoring system of transmission and distribution lines and disaster prevention and mitigation in the future.

Key words: multi-factor;dynamic weight algorithm;lightning early warning; risk analysis;intelligent early warning

摘要：基于多要素动态权重算法的雷电风险智能预警技术研究，接入实时大气电场数据，实现大气电场仪实时数据的规范化接入。通过基于增量数据的多要素动态权重算法，实现雷电定位数据+大气电场仪数据+多普勒雷达数据的快速融合及智能预警；通过电网 GIS的雷电预警区域、监测定位及电网设施分析研判技术，结合现场实时气象监测数据，与电网GIS平台的电网设备进行关联，准确标注即将发生闪电的区域，判断雷云的移动趋势，快速定位易受雷击杆塔，为今后更优化的输配电线路监控体系及防灾减灾提供技术支撑。

关键词：多要素；动态权重算法；雷电预警；风险分析；智能预警

0  引言

山东省位于中纬度，属暖温带大陆性季风气候，受冷暖空气和海陆相互作用的共同影响，强对流天气活动频繁。据历年气象资料统计，山东省年平均雷暴日数在16~38天之间，属于雷暴活动较频繁的多雷区。雷电的高电压、大电流、时间短和强电磁辐射等特征，使其具有很强的破坏性，在三维空间对一切微电子设备、供配电系统、通信网络等构成威胁，给各行各业造成重大破坏，被国际电工委员会（IEC）称为“电子化时代的一大公害”。加强雷电及雷电防护、预警等相关的研究，防御和减轻雷电灾害显得非常重要。

开展多要素动态权重算法的雷电风险智能预警技术的研究，通过雷电预警主动研判，综合利用雷电定位数据+大气电场仪数据+多普勒雷达数据，能够增强电网运行、电网检修、电网防汛、电网营销、电网建设、电网应急等各专业精准管控能力，最大限度减少雷电灾害对电网的影响，对提高山东电网防灾减灾综合监测预警技术水平具有重要意义。

1  国内外现状

国内外传统的雷电监测手段是通过现有的闪电定位网来进行观测，目前国内的闪电定位技术均是采用磁场定向法（MDF）与基于GPS授时的时差法（TOA）两种技术相融合，但其只能观测到闪电发生后的数据，不能预先对即将发生雷电的区域进行预警预告，且定位坐标也时有较大的偏差，容易对应急抢修造成误导。

开展基于多要素动态权重算法的雷电风险智能预警技术研究可实现提前5-30分钟左右的进行雷电预警，通过对电场强度的连续观测，可判断云团移动趋势和方向，为电网雷电监测预警体系建设提供了重要的技术保障手段。当前电网GIS平台与山东省气象局专业气象信息数据的深度结合应用，使得山东电网灾害性天气监测和预警能力得到了很大的提高，但针对强对流雷击雷暴灾害监测预警能力较弱，不能提前进行有针对性的精细预警及趋势分析。开展多要素动态权重算法的雷电风险智能预警技术研究可实现提前5-30分钟左右的雷电预警，准确告知某杆塔附近电场异常、是否易接闪或已接闪，通过对电场强度的连续观测，可判断云团移动趋势和方向，实现基于大气电场仪的数据采集、分析、基于电网GIS的智能雷电预警、基于电网GIS的强对流预警等功能。

2  研究内容

多要素是由预警区域的实测可信赖要素数据、该要素物理模型理论推断的数据、相关气象要素数据组成。动态权重根据不同时空条件下历史数据分析得出，并在一次预警算法结果经历史数据的概率和密度进行回归验证后动态调整。大气电场因子：以0.25kV/M为一个步长，取64个步长，超过16kV/M统一级别为64；雷达强回波因子：对应雷达色标为一个步长，总共1至16个步长；闪电定位数据:以该格点周围35公里内闪电计数，表达式为1+n/5。为解决雷电预警涉及要素多、精度要求高等困难，创新应用多要素动态权重算法，在实时观测中，只有大气电场才能对雷电的起始、发展、活跃、消散四个过程全程进行数值跟踪，闪电定位数据体现在雷电发生以后的事件，雷达资料又有时间上的到达差异（一般数据时差在12分钟），故在预警模型建立的时候，确定了以大气电场为核心建模。

多要素动态权重算法的雷电风险智能预警技术研究与应用包括雷电风险智能预警技术研究，大气电场仪实时监测数据与雷电实时定位数据、多普勒雷达数据的多要素动态融合，物联网数据传输技术在电网监测中的应用等内容，主要内容如下：

2.1雷电风险智能预警技术研究

雷电预警是指在雷击发生前的10~30分钟左右发出警告讯号，提醒或告知那些在野外作业的人员，及时采取适当的措施避雷。IEC研究认为，“雷电预警”主要有三个方面的作用：提醒野外作业人员及时停止火暂停室外作业，进入安全地带避雷，防止雷击伤害；对某些可能造成重大危害的作业，雷击前及时采取适当措施，防止重大雷击事故发生。比如：易燃易爆场所的室外作业，此时必须停止或暂停；采取自动分合闸系统使供电线路隔离雷电，对一些重要设备进行保护。

在雷雨云层形成或靠近的时候，对地静电场的电场强度开始急剧变化，测量此电场强度可以在第一个雷电产生前侦测到雷雨的出现，测量的实现是依靠电场风车类型的侦测探头。此侦测探头根据配置可以侦测到20公里以外靠近的雷雨云层并能够灵敏的侦测到电场强度的提升。

图1-大气电场仪监测波形分析

2.2大气电场仪实时监测数据与雷电实时定位数据、多普勒雷达数据的多要素动态融合

通过雷电预警主动研判，综合利用雷电定位数据+大气电场仪数据+多普勒雷达数据，实现基于大气电场仪数据采集、分析、基于电网GIS的智能雷电预警、基于电网GIS的强对流预警等功能。结合多普勒雷达及雷电监测数据，进行强对流及雷电预警识别及分级预警。根据电场强度、距离，结合多普勒雷达数据及雷电监测定位数据进行雷电风险因子评估。雷电预警风险因子=大气电场因子*雷达回波因子*闪电定位预警因子*核心建模计算方程式。

当电场仪测量点周围55公里以内连续出现2次闪电定位数据，则系统将判断此时测站点周围可能有雷暴活动，自动根据闪电定位数据绘制闪电移动轨迹图，并提升预警信号权重；自动计算出离电场仪监测站点40公里以内有多少次闪电的发生，且该闪电距离该电场仪的距离，方便作出数据对比。利用闪电定位数据资料，形成闪电移动轨迹图，判断闪电是否向监测点靠近还是远去，适时的提升预警系统的灵敏度，当判断出闪电向我方移动，此时电场有微弱的变化，即使没到达电场仪雷电预警设定的门槛阈值，也可根据闪电定位数据库中设定的触发预警模式时的闪电定位数据资料及时报警，起到防灾减灾的作用。

以电网GIS地图为基础，叠加卫星图、地形图、平面图等各种地图模式，同时集成地图测距、地图边界绘制等功能。叠加多普勒雷达组合拼图数据，手动选择雷达回波强度，进行综合展示分析。叠加雷电监测定位数据，直观展示受影响范围及程度。结合多普勒雷达及雷电监测数据，进行强对流及雷电预警识别及分级预警。

半径圆内显示绿色：无雷电活动

半径圆内显示黄色：雷电一级预警、远方雷电活动

半径圆内显示橙色：雷电二级预警、近处雷电活动、预计5-20分钟后到达

半径圆内显示红色：雷电三级预警、本地雷电活动、随时会发生雷电。

图2-多要素动态权重雷电风险预警

2.4物联网数据传输技术在电网监测预警中的应用研究

在本项目中物联网技术主要应用于大气电场数据传输、输电线路监控、杆塔防护、远程控制等方面。传感器网络作为智能电网末梢信息感知不可或缺的基础环节，可以全方位提高智能电网各个环节的信息感知深度、广度以及密度，为实现电力系统的智能化以及“信息流、业务流、电力流的高度融合”提供基础数据支持。物联网的相应技术和产品将可以广泛应用于电力系统的发、输、变、配、用环节，并产生巨大的经济效益和社会效益。

利用物联网数据传输技术可以实现预警实时监测与应急精准抢修的融合，根据大气电场强度具有的数据实时性，能准确区分出雷电危害的高中低区域；综合线路故障测距与雷电监测预警数据，准确判断线路跳闸是否是因雷击引起；依托LBS位置定位与物联设备支持的视频监控，进一步确认故障现场。

3  结语

基于多要素动态权重算法的雷电风险智能预警技术研究，接入实时大气电场数据，实现大气电场仪实时数据的规范化接入。通过基于增量数据的多要素动态权重算法，实现雷电定位数据+大气电场仪数据+多普勒雷达数据的快速融合及智能预警；通过电网 GIS的雷电预警区域、监测定位及电网设施分析研判技术，结合现场实时气象监测数据，与电网GIS平台的电网设备进行关联，准确标注即将发生闪电的区域，判断雷云的移动趋势，快速定位易受雷击杆塔，为今后更优化的输配电线路监控体系及防灾减灾提供技术支撑。

多要素动态权重算法的雷电风险智能预警技术在电网运行监测、线路巡视、应急抢修、保障电网安全平稳运行等方面具有重要意义。该研究可提前优化电网运行方式，提高故障后巡线效率，减少经济损失，提高公司社会形象和客户满意度，具有良好的经济和社会效应。具体体现在提高电网雷电监测预警精细化程度，加强电网雷电灾害的主动预警及研判，有效提高雷电监测的技术手段，提前预警可能遭受雷击杆塔位置，对优化电网运行方式，正确快速应急处置，合理分配各种资源，保障主动精准服务，有力提升公司日常生产工作及应急处置效率。

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