一種基于大氣電場儀和雷云移動的雷電預警方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及大氣電場監(jiān)測和多普勒雷電技術領域,具體的指一種利用多普勒雷達 技術進行雷云追蹤,并通過大氣電場監(jiān)測技術預測電場強度的雷電預警方法。
【背景技術】
[0002] 隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展,電力輸電線路,設備,桿塔發(fā)生雷擊事故的比例不斷增加, 傳統(tǒng)的監(jiān)控預警模式和管理手段已經(jīng)無法滿足"合理規(guī)劃、科學管理、優(yōu)質服務"的要求。在 取得發(fā)展的同時,雷電災害信息的處理和統(tǒng)計也存在一定的問題,具體表現(xiàn)在以下幾個方 面。如:雷電預報數(shù)據(jù)發(fā)布不及時;雷電預報數(shù)據(jù)地理位置不準確;雷擊事故發(fā)生后上報不 及時。這些問題的存在給電網(wǎng)安全運行、維護造成了很大的困難,運維成本居高不下;另一 方面也影響著輸電線路以及設備的更進一步合理規(guī)劃和建設。
[0003] 雷電是造成云南輸電線路跳閘主要因素,作為"西電東送"、"云電外送"的主體支 撐者,云南電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行對本省清潔能源送出目標具有積極的推動作用,這也對云 南電網(wǎng)雷電監(jiān)測與防護能力提出了更高的要求。與傳統(tǒng)的雷電防護技術相比,雷電預警是 實現(xiàn)電網(wǎng)雷害主動性防御必要技術,可實現(xiàn)在雷雨到來前,依據(jù)預警信息提前制定調度、應 急預案,合理配置輸電線路、變電站與發(fā)電廠的工作狀態(tài),保障電網(wǎng)安全和減少因停電給用 戶帶來的經(jīng)濟損失。
[0004] 本發(fā)明的目的是,針對雷云的移動來實現(xiàn)對雷電的預警,通過現(xiàn)有的大氣電場監(jiān) 測技術獲取電場強度數(shù)據(jù),研宄分析雷電發(fā)生前后電場強度的變化矩陣,再分析多普勒雷 達監(jiān)測數(shù)據(jù),確定出雷云的移動矢量并推測出雷電預警區(qū)域,結合大氣電場監(jiān)測的電場強 度數(shù)據(jù)和電場強度變化矩陣就能得出雷電預警矩陣。
[0005] 本發(fā)明的技術解決方案步驟如下:
[0006] 步驟1,通過氣象監(jiān)測網(wǎng)獲取多普勒雷達的回波反射數(shù)據(jù),根據(jù)空間交叉相關計 算,計算公式如下:
[0007]
[0008] 計算出來的相關系數(shù)逐一比較,取最大相關系數(shù),作為該區(qū)域在下一時刻的位置, 把本時刻區(qū)域中心點和下一時刻區(qū)域中心點相連,就能得出雷電定位矩陣的移動矢量泛
[0009] 步驟2,將雷電發(fā)生前的時間定為h,發(fā)生時的時間定為h,預警的雷電發(fā)生時間 為t2;通過大氣電場儀監(jiān)測系統(tǒng)獲?。r刻的電場強度數(shù)據(jù),制作為電場強度矩陣A ;并獲 取在h時刻的電場強度數(shù)據(jù),制作電場強度矩陣B;
[0010] 步驟3,將雷電預警的區(qū)域在矩陣A和矩陣B中的部分截取出來,分別制作雷電子 矩陣A1和雷電子矩陣B1,通過分析兩個雷電矩陣的電場強度值,獲取雷電定位數(shù)據(jù)生成前 后的電場強度的變化度,用矩陣中每一個點進行關聯(lián)性分析,獲取變化度的矩陣F。變化度 計算公式如下:
[0011]
[0012] 步驟4,通過結合雷電定位矩陣以及測算出的移動矢量f,推測下一個預警區(qū)域, 并在矩陣B中得到預警區(qū)域的電場強度矩陣圖B2,通過電場強度變化矩陣F,獲取t2時刻 的雷電預警區(qū)域預警矩陣圖B2' ;雷電預警矩陣計算公式如下:
[0013] B2=B
[0014] B2' = B2*F〇
[0015] 公式字母說明:
[0016] F:變化度矩陣
[0017] B1 :^時刻的電場強度矩陣的子矩陣
[0018] A1 時刻的電場強度矩陣的子矩陣
[0019] A :t。時刻的電場強度數(shù)據(jù)
[0020] B 4時刻的電場強度數(shù)據(jù)
[0021] R :空間交叉相關系數(shù);
[0022] K:雷電場的移動次數(shù)
[0023] Z1:tl時刻的雷達回波定位場
[0024] Z2:t2時刻的雷達回波定位場
[0025] N :劃分出的雷達回波場區(qū)域數(shù)
[0026] 蕾:雷電定位矩陣的移動矢量
[0027] B2' :t2時刻的雷電預警區(qū)域預警矩陣圖
[0028] 本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0029] 1.通過多普勒雷達進行數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析獲得雷云的移動矢量,這樣對雷云進行的 預測可以根據(jù)自己的需求進行調節(jié),而不需要氣象局給的固定位置的雷電預警數(shù)據(jù)。
[0030] 2.通過大氣電場儀獲取電場強度,最終進行預警得出的矩陣為電場強度矩陣更加 適用于電網(wǎng)系統(tǒng),而區(qū)別于氣象局提供的雷電產(chǎn)生的概率矩陣。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明方法的總體流程圖。
【具體實施方式】
[0032] 本發(fā)明為基于大氣電場儀和雷云移動的雷電預警方法。其特征是通過使用多普勒 雷電獲取雷達回波數(shù)據(jù),通過空間交叉相關計算得出雷電云的位移矢量;并根據(jù)位移矢量 確定出雷電預警的區(qū)域;通過大氣電場儀收集雷電發(fā)生前后的電場強度值,計算出雷電發(fā) 生前后電場強度的變化值;結合雷電預警區(qū)域的電場強度可以計算出雷電預警區(qū)域的雷電 發(fā)生時的電場強度值;從而實現(xiàn)一種雷電的電場強度預警。流程圖如圖1所示。
[0033] 1)首先是收集安裝在雷電發(fā)生區(qū)域的多普勒雷達的回波數(shù)據(jù),采用交叉相關外 推算法計算雷電云的位移矢量。交叉相關外推算法主要是利用求最優(yōu)化空間相關的方法, 建立不同時次雷達回波的最佳擬合關系,從而達到追蹤一定區(qū)域內雷達回波在過去的移動 特征,然后通過這些特征來外推確定回波未來的位置和形狀;交叉相關算法的核心就是通 過計算連續(xù)時次雷達回波不同區(qū)域的最優(yōu)空間相關系數(shù),來確定回波在過去的移動矢量特 征。
[0034] 2)首先將極坐標格式的雷達回波資料插值并轉換到規(guī)則的三位直角坐標系中; 其次,取能代表對流水平特征的一層雷達回波場,將該二維回波場按lKMxlKM分成若干個 大小相等的正方形"區(qū)域",這些"區(qū)域"均包含相同的資料點數(shù);然后,將第一時刻tl的每 個"區(qū)域"分別與下一時刻t2(t2 = tl+At)的所有"區(qū)域"做空間交叉相關計算,其相關 系數(shù)記為R,計算公式為
[0035]
[0036] 計算出來的相關系數(shù)逐一比較,取最大相關系數(shù),作為該區(qū)域在下一時刻的位置, 把本時刻區(qū)域中心點和下一時刻區(qū)域中心點相連,就得到該區(qū)域回波的移動矢量f;
[0037] 3)通過安裝在雷電發(fā)生的區(qū)域的大氣電場儀裝置,能夠獲得雷電發(fā)生前后,該區(qū) 域的電場強度值。將雷電發(fā)生前的時間定為h,發(fā)生時的時間定為h,預警的雷電發(fā)生時間 為t 2;通過大氣電場儀監(jiān)測系統(tǒng)獲?。r刻的電場強度數(shù)據(jù),制作為電場強度矩陣A ;并獲 取在h時刻的電場強度數(shù)據(jù),制作電場強度矩陣B ;
[0038] 4)將矩陣圖劃分為若干塊區(qū)域,從中截取出雷電發(fā)生區(qū)域部分的矩陣,制作出子 矩陣A1和B1,通過分析兩個雷電矩陣的電場強度值,獲取雷電定位數(shù)據(jù)生成前后的電場強 度的變化度,用矩陣中每一個點進行關聯(lián)性分析,獲取變化度的矩陣F ;變化度計算公式如 下:
[0039]
[0040] 5)根據(jù)雷電發(fā)生后的矩陣圖B以及發(fā)生區(qū)域B1,結合測算出的移動矢量f,可以推 測出雷電云即將移動到的區(qū)域,并在矩陣B中找到該區(qū)域對應的矩陣B2,通過電場強度變 化矩陣F進行計算。雷電預警矩陣計算公式如下:
[0041] B2=B*V
[0042] B2' = B2*F
[0043] 通過該計算公式,就能得到t2時刻的雷電預警區(qū)域預警矩陣圖B2',該預警矩陣 圖為電流值預警矩陣圖。
[0044] 公式字母說明:
[0045] F :變化度矩陣
[0046] B1七時刻的電場強度矩陣的子矩陣
[0047] A1 時刻的電場強度矩陣的子矩陣
[0048] A :t。時刻的電場強度數(shù)據(jù)
[0049] B心時刻的電場強度數(shù)據(jù)
[0050] R:空間交叉相關系數(shù);
[0051] K:雷電場的移動次數(shù)
[0052] Z1:tl時刻的雷達回波定位場
[0053] Z2:t2時刻的雷達回波定位場
[0054] N :劃分出的雷達回波場區(qū)域數(shù)
[0055] f:雷電定位矩陣的移動矢量
[0056] B2' :t2時刻的雷電預警區(qū)域預警矩陣圖
[0057] 具體實施例:
[0058] 提取幾組多普勒雷達數(shù)據(jù)進行分析:
[0059]
[0061] 多普勒數(shù)據(jù)表
[0062] 列表字母說明:
[0063] PRF :電場影響值
[0064] r_:雷電云與預測區(qū)域的距離
[0065] V_:風的移動速度
[0066] 通過空間交叉相關計算,計算出R值,R分別為0. 11232、0.3123、0.2541、0.6678、 0. 3532、0. 7985、0. 4589,取R最大0. 7985,計算出雷云移動方向守=2. 134;
[0067] 之后提取大氣電場儀數(shù)據(jù)進行分析,繪制出電場矩陣圖A1、B1 :
[0068]
[0069] 雷電發(fā)生前場強矩陣A1
[0070]
[0071] 雷電發(fā)生時場強矩陣B1
[0072] 根據(jù)公式可以計算出變化度矩陣F :
[0073]
[0074] 變化度矩陣F
[0075] 其中括號部分為變化前值為0,變化后值不為0,在預警矩陣部分用括號中的值取 代對應位置的數(shù)據(jù)。變化前后都為0不變時,預警矩陣中的值不做修改。
[0076] 在確定了雷電云移動的區(qū)域,獲取該區(qū)域的場強矩陣B2 :
[0077]
[0078] 雷電預警區(qū)域場強矩陣B2
[0079] 通過變化度矩陣F與B2分析能得出雷電發(fā)生時的場強矩陣B2' :
[0080]
[0081] 當預警的雷電發(fā)生時的場強矩陣B2'。
【主權項】
1. 一種基于大氣電場儀和雷云移動的雷電預警方法,其特征在于,包括以下步驟: 步驟1:通過氣象監(jiān)測網(wǎng)獲取多普勒雷達的回波反射數(shù)據(jù),根據(jù)空間交叉相關計算,計 算公式如下:其中R空間交叉相關系數(shù),Zjk)為^時刻的雷達回波定位場,Z2(k)為t2時刻的雷達 回波定位場,k為雷電場的移動次數(shù),N為劃分出的雷達回波場區(qū)域數(shù);為計算出來的相關 系數(shù)逐一比較,取最大相關系數(shù),作為該區(qū)域在下一時刻的位置,把本時刻區(qū)域中心點和下 一時區(qū)域中心點相連,就能得出雷電定位矩陣的移動矢量歹; 步驟2 :將雷電發(fā)生前的時間定為、,發(fā)生時的時間定為h,預警的雷電發(fā)生時間為t2。 通過大氣電場儀監(jiān)測系統(tǒng)獲取h時刻的電場強度數(shù)據(jù),制作為電場強度矩陣A;并獲取在^ 時刻的電場強度數(shù)據(jù),制作電場強度矩陣B; 步驟3 :將雷電預警的區(qū)域在矩陣A和矩陣B中的部分截取出來,分別制作雷電子矩陣A1和雷電子矩陣B1,通過分析兩個雷電矩陣的電場強度值,獲取雷電定位數(shù)據(jù)生成前后的 電場強度的變化度,用矩陣中每一個點進行關聯(lián)性分析,獲取變化度的矩陣F;變化度計算 公式如下:步驟4:通過結合雷電定位矩陣以及測算出的移動矢量推測下一個預警區(qū)域,并在 矩陣B中得到預警區(qū)域的電場強度矩陣圖B2,通過電場強度變化矩陣F,獲取12時刻的雷 電預警區(qū)域預警矩陣圖B2' ;雷電預警矩陣計算公式如下: B2 = B*¥ B2' =B2*F。
【專利摘要】一種基于大氣電場儀和雷云移動的雷電預警方法,通過多普勒雷達獲取雷達回波定位數(shù)據(jù),使用空間交叉相關計算可以獲得的雷電云的移動矢量;使用大氣電場儀可以獲取到雷電發(fā)生前后該地區(qū)的電場強度矩陣圖,并將該地區(qū)的電場矩陣圖劃分為若干塊區(qū)域矩陣圖;提取雷電發(fā)生前后該區(qū)域的電場矩陣圖,通過對比分析可以得出電場強度變化值;結合雷電云的移動矢量,可以確定雷電云即將移動到的區(qū)域即為雷電預警區(qū)域;將該預警區(qū)域的電場強度矩陣與電場強度變化值進行關聯(lián)分析,最終得出雷電預警區(qū)域的電場強度矩陣,從而實現(xiàn)雷電預警功能。
【IPC分類】G06F19/00, G01R31/00
【公開號】CN104991145
【申請?zhí)枴緾N201510423075
【發(fā)明人】王磊, 梁仕斌, 黃然, 申元, 吳云龍, 王一風
【申請人】云南電力試驗研究院(集團)有限公司, 云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年7月17日