李曉軍，嚴福章

（國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市，100052）

0 引言

2008年初，我國長江沿線多數(shù)省份遭遇百年不遇的低溫雨雪冰凍天氣，嚴重影響了電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行。為降低和避免氣象災(zāi)害對電力設(shè)施的破壞，國家電網(wǎng)公司先后出臺了多項意見和措施，要求在今后電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)過程中，利用科技手段研究自然災(zāi)害規(guī)律，提升電網(wǎng)設(shè)施的抗災(zāi)害能力，保障電網(wǎng)的安全運行，使自然災(zāi)害造成的損失最小化，以期實現(xiàn)電網(wǎng)防冰減災(zāi)“預(yù)防為主，綜合治理，損失最小，恢復(fù)最快”的基本要求。

國家電網(wǎng)公司提出《差異化規(guī)劃設(shè)計指導(dǎo)意見》，推行差異化設(shè)計的基本思路和原則，旨在提高電網(wǎng)抵御自然災(zāi)害的能力，提升電網(wǎng)運行的安全水平，保障國家的經(jīng)濟安全。與發(fā)達國家電網(wǎng)防御重大自然災(zāi)害的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)相比，我國電力設(shè)施的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)較低，在極端天氣條件下難以保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行。因此，國家電網(wǎng)公司決定在普遍提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對不同線路、不同區(qū)段進行差異化設(shè)計，確定一批抵御嚴重自然災(zāi)害能力更強的重要線路，提高其設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)差異化設(shè)計后，在面臨重大自然災(zāi)害時，由重要線路組成的網(wǎng)架及最小骨干網(wǎng)架能夠保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行[1]。

本文以輸電線路工程為主要論述對象，結(jié)合我國電網(wǎng)差異化規(guī)劃設(shè)計的原則，闡述氣象勘測成果對電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計優(yōu)化和投資優(yōu)化的影響，提出我國電網(wǎng)氣象勘測技術(shù)研究發(fā)展方向，使電網(wǎng)工程氣象技術(shù)適應(yīng)我國電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，在“十二五”期間，為實現(xiàn)建設(shè)統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)和特高壓網(wǎng)架做好技術(shù)支撐。

1 工程氣象勘測對電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的影響

1.1 對規(guī)劃路徑優(yōu)化的影響

電網(wǎng)的建設(shè)和運行受外界環(huán)境的影響較大，受氣象條件的影響尤為顯著。氣象條件是電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的主要依據(jù)，它的真實性和客觀性直接影響著工程建設(shè)的經(jīng)濟性與電網(wǎng)運行的安全性，并經(jīng)受工程長期安全運行的考驗。

在電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計階段，勘測設(shè)計人員必須認真進行規(guī)劃線路沿線的氣象、水文、植被、地形等資料收集，對路徑區(qū)域內(nèi)的微地形、微氣候進行實地調(diào)查，確認是否存在重冰區(qū)（覆冰厚度大于20 mm）以及重冰區(qū)出現(xiàn)的范圍。當(dāng)山區(qū)存在重冰區(qū)時，設(shè)計冰厚對電網(wǎng)線路的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)有顯著的影響。因此，規(guī)劃設(shè)計部門要求對于存在重冰區(qū)的線路，應(yīng)在電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計階段開展設(shè)計冰厚與冰區(qū)分布的專項調(diào)查，并在勘測成果中著重體現(xiàn)對各方案有重大影響的氣象條件，分析比較并提出建議。在條件允許的情況下，應(yīng)盡量避開存在重冰區(qū)可能的微氣候區(qū)域，優(yōu)化規(guī)劃方案，對重要的電網(wǎng)規(guī)劃方案采取差異化設(shè)計。

不同的線路路徑方案，由于地理位置及外界氣象條件等因素不同，所遭遇的自然災(zāi)害也不盡相同，自身能夠抵抗災(zāi)害的能力也有所差異。同時，不同線路在電網(wǎng)工程中所處的地位也不盡相同，在面臨自然災(zāi)害時所需要擁有的抗災(zāi)能力也不同。因此，基于差異化設(shè)計原則中的重要線路、部分路徑或全部路徑，在其線路走廊規(guī)劃設(shè)計過程中，如沒有準(zhǔn)確、詳實的氣象勘測資料，規(guī)劃設(shè)計人員是無法準(zhǔn)確判斷氣象因素對重要電網(wǎng)設(shè)施的影響程度，以及電網(wǎng)規(guī)劃方案的優(yōu)劣，以致影響規(guī)劃方案的比選、優(yōu)化等工作。因此，電網(wǎng)工程氣象勘測資料是電網(wǎng)規(guī)劃評估與方案優(yōu)化的最基礎(chǔ)性的資料之一。

1.2 對工程投資優(yōu)化的影響

為提高電網(wǎng)抵御嚴重自然災(zāi)害的能力，在普遍提高電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，國家電網(wǎng)公司針對重要線路采取差異化規(guī)劃設(shè)計，提高了設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，對電網(wǎng)工程投資也相應(yīng)進行了調(diào)整[2-6]。根據(jù)新的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所有電網(wǎng)工程普遍提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，其中線路投資提高5%～7%。對冰區(qū)進行重新劃分，增加中冰區(qū)，提高中冰區(qū)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。按照新標(biāo)準(zhǔn)，中冰區(qū)線路投資增加10%～15%。

導(dǎo)線覆冰多出現(xiàn)在山區(qū)，山區(qū)輸電線路的造價受多種因素影響，其中覆冰因素對輸電線路造價投資的影響最為明顯。以500 kV單回線路4×400 mm2導(dǎo)線覆冰厚度為例，20，30，40和50 mm覆冰厚度的線路本體造價分別是覆冰10 mm線路造價的1.8、2.6、3.6和4.8倍?？梢钥闯觯脖穸戎笜?biāo)對線路造價投資的影響十分顯著。

利用氣象勘測成果，對線路的不同區(qū)段采取差異化規(guī)劃設(shè)計，優(yōu)化比選投資方案，將會節(jié)省大量的工程投資，并保證重要線路的運行安全性和經(jīng)濟合理性。據(jù)資料統(tǒng)計，2008—2012年，我國電網(wǎng)建設(shè)在提高抗災(zāi)能力方面共需要增加投資1285億元?？梢钥闯觯瑸樘岣唠娋W(wǎng)的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和抗災(zāi)能力，國家將增加大量的投資。因此，氣象勘測成果將對優(yōu)化投資結(jié)構(gòu)，節(jié)省電網(wǎng)建設(shè)投資起到重要作用。

2 電網(wǎng)工程氣象勘測技術(shù)研究方向探討

隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，輸電走廊越來越緊張，能夠利用的輸電走廊的自然條件越來越差，微地形、微氣候地段不斷增多，輸電線路受覆冰、大風(fēng)（臺風(fēng)、龍卷風(fēng)、颮線風(fēng)）、低溫、雷暴等氣象因素影響更加突出，引發(fā)的電網(wǎng)事故不斷增加、規(guī)模不斷擴大、危害不斷升級。其原因一是與發(fā)達國家相比，我國電力設(shè)施設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)相對較低，在極端天氣條件下難以保證安全、穩(wěn)定運行；另一個原因是我國地域遼闊，自然條件多樣、復(fù)雜，越是惡劣條件的地區(qū)氣象資料越缺少，甚至空白。多年來，氣象災(zāi)害資料的積累基本上來自電網(wǎng)的運行經(jīng)驗，用以往的電網(wǎng)災(zāi)害經(jīng)驗指導(dǎo)后期電網(wǎng)設(shè)施的設(shè)計和建設(shè)，缺乏資料長期考證的客觀性和數(shù)據(jù)分析的科學(xué)性。

電網(wǎng)工程氣象勘測技術(shù)人員在輸電線路覆冰、大風(fēng)理論研究過程中取得了豐碩的成果，對我國電網(wǎng)建設(shè)和安全運行做出了重要貢獻。但受全球氣候變暖的影響，極端天氣災(zāi)害越來越頻繁，再加之輸電線路規(guī)劃走廊通道越來越緊張，使得輸電線路的氣象環(huán)境越來越復(fù)雜，給電網(wǎng)氣象勘測技術(shù)人員提出了更多的新課題，需要不斷努力去探索和研究。

下面就差異化規(guī)劃設(shè)計原則的要求，探討電網(wǎng)工程氣象技術(shù)領(lǐng)域需要研究和解決的幾方面問題。

2.1 根據(jù)電網(wǎng)長期規(guī)劃，科學(xué)布設(shè)氣象觀測站點，研究地域災(zāi)害特征

氣象參數(shù)的取值對電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的安全性及經(jīng)濟性影響顯著。發(fā)達國家電網(wǎng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)取值是建立在長期的氣象觀測和大量的統(tǒng)計分析基礎(chǔ)上的。我國的氣象臺（站）一般沒有覆冰觀測數(shù)據(jù)，或已有數(shù)據(jù)但不符合電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的技術(shù)要求，工程氣象技術(shù)人員只能通過沿線氣象調(diào)查，建立氣象觀測點（站）短期觀測，再根據(jù)相鄰已運行電網(wǎng)設(shè)施的運行資料和經(jīng)驗來確定設(shè)計冰厚等氣象參數(shù)值。盡管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了重現(xiàn)期，設(shè)計取值大都能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，但與發(fā)達國家相比，我國的設(shè)計取值缺乏長期氣象觀測數(shù)據(jù)，覆冰、大風(fēng)觀測及其量化分析一直是電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的難點和薄弱環(huán)節(jié)。因此，一要根據(jù)電網(wǎng)中長期規(guī)劃，科學(xué)布設(shè)氣象觀測站（點），在我國不同地區(qū)、不同海拔、不同地形進行覆冰觀測，加強氣象觀測數(shù)據(jù)的積累；加強對覆冰物理參數(shù)的形成理論及計算方法的研究，以便定性推斷導(dǎo)線覆冰對線路的危害程度；同時，加強與氣象部門的交流合作，保證對比分析站（點）氣象信息能夠準(zhǔn)確獲取。二要加強電力系統(tǒng)自身的氣象觀測能力，以獲取可靠的第一手資料數(shù)據(jù)，研究地域氣象災(zāi)害形成的機制和影響范圍，保證提供給電網(wǎng)設(shè)計使用的氣象數(shù)據(jù)具有代表性和可靠性，以達到全面評價區(qū)域及局部地區(qū)微地形條件下氣象災(zāi)害特征。

2.2 建立電網(wǎng)氣象地理信息系統(tǒng)

國內(nèi)氣象部門發(fā)布的氣象預(yù)警、預(yù)報缺乏專業(yè)的電網(wǎng)災(zāi)害信息，不能與電網(wǎng)系統(tǒng)安全運行需要相結(jié)合，更不能滿足電網(wǎng)系統(tǒng)防御各類惡劣氣象狀況的實際需要。各種惡劣氣象對電網(wǎng)系統(tǒng)影響的程度無法做出相應(yīng)合理的判斷，使得電網(wǎng)對惡劣氣象的防御處于被動的局面。因此，建議開發(fā)電力行業(yè)具有氣象（觀測）數(shù)據(jù)分析、運行在線觀測數(shù)據(jù)解讀和設(shè)計部門氣象水文信息共享等功能，并可進行電網(wǎng)工程項目前期的氣象分析與評估的地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）。GIS可成為電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的輔助技術(shù)平臺，并可拓展成為電網(wǎng)生產(chǎn)運行部門的預(yù)警、預(yù)報、監(jiān)測等信息平臺，以及電網(wǎng)事故后評估、災(zāi)害分析以及各區(qū)域電網(wǎng)災(zāi)害發(fā)生規(guī)律研究的信息平臺。

2.3 研究山區(qū)極值風(fēng)速基本模型

設(shè)計風(fēng)速對電網(wǎng)工程建設(shè)的經(jīng)濟性和安全性皆存在顯著影響，是電網(wǎng)工程差異化規(guī)劃設(shè)計依據(jù)的基礎(chǔ)資料之一。目前，設(shè)計風(fēng)速均依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笈_站的觀測資料分析確定，而我國的氣象臺站多位于川道、河谷、盆地等地勢相對較低的城鎮(zhèn)近郊，受城鎮(zhèn)化影響顯著，且與電網(wǎng)項目所處的山區(qū)在地形、地勢、海拔等方面差異較大?，F(xiàn)行的規(guī)程、規(guī)范僅給出了一個修正范圍，隨意性大。近年來，我國電力設(shè)計單位與氣象研究單位合作，對山區(qū)風(fēng)速進行了大量的研究，獲得了一些區(qū)域性研究成果，并用于工程實踐中。如采用TayLot-Lee的風(fēng)譜模型[7]，結(jié)合平地與高山氣象站約100個站最大風(fēng)速資料，研究出華北地區(qū)平地與高山風(fēng)速轉(zhuǎn)換的數(shù)值模型。通過GUIDE模型驗證，該模型在華北地區(qū)應(yīng)用及參數(shù)率定結(jié)果較為理想。再如青藏高原東邊緣山區(qū)極值風(fēng)速推算方法的研究[8]，利用了青藏高原東邊緣地區(qū)氣象站風(fēng)速資料，通過對地形的參數(shù)化處理，建立了極值風(fēng)速隨海拔高度和地形參數(shù)變化的擬合模型，推算該地區(qū)的極值風(fēng)速。利用該模型來推算該地區(qū)山區(qū)風(fēng)速具有一定的可行性。以上這些研究成果基本滿足地區(qū)電網(wǎng)工程設(shè)計和建設(shè)需求，但具有一定的地域性特征。為提高電網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟性和安全性，滿足電網(wǎng)差異化規(guī)劃設(shè)計的要求，有必要建立一個具有普遍價值的山區(qū)極值風(fēng)速推算基本模型，以提高山區(qū)極值風(fēng)速資料轉(zhuǎn)換計算的精度，規(guī)范電網(wǎng)工程極值風(fēng)速的計算。

2.4 加強覆冰計算方法研究

2.4.1 完善輸電線路覆冰參數(shù)計算方法

根據(jù)多年送電線路覆冰災(zāi)害事故的后分析，線路導(dǎo)線覆冰厚度變化較大，導(dǎo)線覆冰量級分布復(fù)雜，一般線路冰害事故多發(fā)生在局部微地形或微氣候點。不同重現(xiàn)期的標(biāo)準(zhǔn)冰厚劃分考慮的安全裕度較大，工程設(shè)計上取值較難，也涉及到專業(yè)之間合作上的困難。受季風(fēng)氣候及地勢上的影響，氣候帶在水平和垂直上分布比較復(fù)雜，加上微地形、微氣候的作用，使得各區(qū)域輸電線路導(dǎo)線覆冰特征差異性較大。我國先后在西南等地區(qū)建立了觀冰站（點），進行覆冰、大風(fēng)等氣象因子的觀測和研究，通過多年的覆冰觀測資料的積累和覆冰形成機理的研究，結(jié)合國外發(fā)達國家覆冰研究經(jīng)驗，總結(jié)出我國導(dǎo)線覆冰計算的方法，該方法在工程中應(yīng)用比較廣泛且效果良好。但一些研究成果是根據(jù)西南地區(qū)氣象站、觀冰站實測資料分析得出，只適用于川西南地區(qū)，有一定的地區(qū)局限性[9]。

由于電網(wǎng)線路走廊環(huán)境不斷惡化，微地形、微氣候條件的影響越來越突出，許多在典型環(huán)境下形成的研究成果和計算方法已不能適應(yīng)其他地區(qū)特殊環(huán)境下的覆冰參數(shù)的計算，需要通過對這些地區(qū)的覆冰氣象因素的觀測和研究，總結(jié)具有代表性的地區(qū)覆冰研究成果和經(jīng)驗，并建立代表不同地區(qū)、不同環(huán)境狀況下的導(dǎo)線覆冰參數(shù)的計算方法，細化覆冰氣象條件組合，研究覆冰隨海拔高度的變化規(guī)律，使其成果符合各地區(qū)覆冰生成環(huán)境的實際情況，誤差值在合理的范圍內(nèi)，滿足工程設(shè)計和線路運行安全的要求。

2.4.2 利用氣象觀測站測冰資料分析確定山區(qū)線路設(shè)計覆冰參數(shù)方法

我國氣象部門有極少的高山氣象站，因此，地面氣象觀測站的覆冰資料是山區(qū)送電線路設(shè)計冰區(qū)確定的重要資料來源。我國氣象部門的500余個氣象站有覆冰觀測資料。這些站一般位于平原或山間平壩的縣、市城區(qū)，觀測資料受環(huán)境影響大，在一定程度上可以反映區(qū)域的覆冰特性，但它不能代表局地山區(qū)覆冰環(huán)境和覆冰分布狀況。如何利用這些覆冰觀測紀(jì)錄資料來確定線路設(shè)計覆冰參數(shù)，主要還應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的氣候背景及天氣特點，配合一定的覆冰調(diào)查，建立一定的數(shù)學(xué)模型關(guān)系及分析方法，實現(xiàn)覆冰資料的真實性和客觀性，提高工程氣象數(shù)據(jù)分析的科學(xué)性。

2.4.3 分析我國地域覆冰氣候背景，完善我國覆冰量級分布范圍及變化規(guī)律的理論研究

從覆冰形成的機制分析，覆冰為冷暖空氣共同作用的一種現(xiàn)象。通過對高空穩(wěn)定氣流的天氣形勢分析，各地區(qū)覆冰量級受大氣環(huán)流控制比較明顯。總結(jié)我國覆冰研究成果，結(jié)合各地氣象特點，研究我國各地區(qū)覆冰量級的分布和變化規(guī)律與天氣形勢的基本關(guān)系，及天氣形勢的周期性變化與地區(qū)覆冰重現(xiàn)期的聯(lián)系。此項研究可指導(dǎo)跨區(qū)長距離輸電線路初期規(guī)劃，在缺乏線路走廊氣象資料時，可作為總體路徑方案及造價投資的比選依據(jù)。

3 結(jié)語

電網(wǎng)工程氣象技術(shù)對電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計及運行安全至關(guān)重要，同時對電網(wǎng)工程建設(shè)的投資影響巨大。本文提出的電網(wǎng)工程氣象技術(shù)的研究方向是以提高氣象資料的真實性、客觀性，及處理手段的科學(xué)性為目的，更好地服務(wù)于電網(wǎng)的快速發(fā)展，為保障電網(wǎng)安全運行做好技術(shù)支撐。

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[3]Q/GDW 178—20081000 kV交流架空輸電線路暫行技術(shù)規(guī)定[S].北京：國家電網(wǎng)公司，2008.

[4]Q/GDW 179—2008110 kV～750 kV架空輸電線設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S].北京：國家電網(wǎng)公司，2008.

[5]Q/GDW 182—2008中重冰區(qū)架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S].北京：國家電網(wǎng)公司，2008.

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