基于电网微地形观测数据的风场校正算法及系统
阅读说明：本技术 基于电网微地形观测数据的风场校正算法及系统 (Wind field correction algorithm and system based on power grid micro-terrain observation data ) 是由 邸悦伦 章国勇 郭俊 叶钰 于 2020-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于电网微地形观测数据的风场校正算法及系统,通过从历史数据中获取待观测区域中各个微地形区域的杆塔坐标数据、杆塔处的风场监测数据以及地貌数据；使用杆塔坐标数据、杆塔处的风场监测数据以及地貌数据分别计算各个微地形区域的经向风速单点修正值和纬向风速单点修正值；基于各个微地形区域的经向风速单点修正值和纬向风速单点修正值,计算待观测区域的经向风速校正值和纬向风速校正值,相比现有技术,校正待观测区域的风场时,充分考虑微地形单点风场特异性的同时,并兼顾了区域风场的整体性,使校正的风场值能够更好的补充和完善常规气象观测数据,为电力气象分析和灾害预测管控提供了基础支撑。(The invention discloses a wind field correction algorithm and a system based on power grid micro-terrain observation data, which are used for acquiring tower coordinate data, wind field monitoring data at a tower and landform data of each micro-terrain area in an area to be observed from historical data; respectively calculating a warp-wise wind speed single-point correction value and a weft-wise wind speed single-point correction value of each micro-terrain area by using tower coordinate data, tower wind field monitoring data and landform data; compared with the prior art, when the wind field of the area to be observed is corrected, the micro-terrain single-point wind field specificity is fully considered, the integrity of the regional wind field is considered, the corrected wind field value can better supplement and perfect conventional meteorological observation data, and basic support is provided for power meteorological analysis and disaster prediction management and control.)
技术领域
本发明涉及电气工程技术领域，尤其涉及基于电网微地形观测数据的风场校正算法及系统。
背景技术
长期以来，电网微地形灾害分析和预测一直深受气象观测数据限制。一方面，目前可公开获取的常规气象数据主要由气象部门的站点观测资料产生，但受制于气象观测站点分布不均、山区微地形区域常规观测资料匮乏、数据差值方法局限性等缘故，常规气象数据在准确描述输电线路灾害多发的微地形区域气象特征时，存在一定的不足，客观上需要有效的微地形气象观测数据校正和补充；另一方面，电力企业在不少微地形区域输电线路杆塔上安装了气象观测装置，能够获取所在地点的气象数据，但受制于数据质量控制水平，大量原始观测数据被作为问题数据、奇异值处理，无法有效融入常规气象数据，无法起到有效提升背景场数据质量的作用，造成了数据浪费和废弃。两方面的问题导致电网灾害分析管控过程中的结构性数据失衡，特别是对风场这类不仅自身能够致灾，也是雷击、暴雨等其他电网灾害重要指标的气象要素的分析影响尤其明显。
因此，现有的气象风场数据匮乏且不够准确，无法准确描述输电线路灾害多发的微地形区域气象特征已成为本技术领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了基于电网微地形观测数据的风场校正算法及系统，用于解决现有的气象风场数据匮乏且不够准确，无法准确描述输电线路灾害多发的微地形区域气象特征已成为本技术领域亟待解决的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种基于电网微地形观测数据的风场校正算法，包括以下步骤：
从历史数据中获取待观测区域中各个微地形区域的杆塔坐标数据、杆塔处的风场监测数据以及地貌数据；
使用杆塔坐标数据、杆塔处的风场监测数据以及地貌数据分别计算各个微地形区域的经向风速单点修正值和纬向风速单点修正值；
基于各个微地形区域的经向风速单点修正值和纬向风速单点修正值，计算待观测区域的经向风速校正值和纬向风速校正值。
优选的，使用杆塔坐标数据、杆塔处的风场监测数据以及地貌数据分别计算各个微地形区域的经向风速单点修正值和纬向风速单点修正值，具体包括以下步骤：
对于任意微地形区域：
使用微地形区域的杆塔坐标数据以及地貌数据计算微地形入口处的风场等效通过面积、杆塔处的风场等效通过面积以及山谷水平倾角；
基于伯努力方程的风速变化理论，通过杆塔处的风场监测数据、微地形入口处的风场等效通过面积以及杆塔处的风场等效通过面积计算微地形入口处的风场；
基于微地形入口处的风场以及山谷水平倾角分别计算微地形的经向风速单点修正值和纬向风速单点修正值。
优选的，通过杆塔处的风场监测数据、微地形入口处的风场等效通过面积以及杆塔处的风场等效通过面积计算微地形入口处的风场，通过以下公式实现：
其中，VR表示微地形入口处的风场,SR表示微地形入口处的风场等效通过面积，VT表示杆塔处的风场监测数据，ST表示杆塔处的风场等效通过面积。
优选的，杆塔坐标数据包括杆塔的经度坐标、纬度坐标以及海拔高度，地貌数据为数字高程地形数据；使用微地形区域的杆塔坐标数据以及地貌数据计算微地形入口处的风场等效通过面积，包括以下步骤：
基于杆塔坐标数据，通过地形模糊分析方法从微地形的数字高程地形数据识别出杆塔最临近山峰的最高点经度、纬度和海拔高度，以及杆塔最临近山谷的最低点经度、纬度和海拔高度；
根据杆塔最临近山峰的最高点经度、纬度和海拔高度，以及杆塔最临近山谷的最低点经度、纬度和海拔高度计算杆塔对应微地形的山峰跨度和等效山坡长度；
基于微地形的山峰跨度和等效山坡长度计算微地形入口风场等效通过面积。
优选的，杆塔坐标数据包括杆塔的经度坐标、纬度坐标以及海拔高度，地貌数据为数字高程地形数据；使用微地形区域的杆塔坐标数据以及地貌数据计算微地形杆塔处的风场等效通过面积，具体包括以下步骤：
基于杆塔坐标数据，通过地形模糊分析方法从微地形的数字高程地形数据识别出杆塔最临近山谷的最低点经度、纬度和海拔高度；
基于杆塔坐标数据、杆塔高度以及杆塔最临近山谷的最低点经度、纬度和海拔高度，计算杆塔跨度和塔顶到山谷的距离；
根据杆塔跨度和塔顶到山谷的距离计算微地形杆塔处的风场等效通过面积。
优选的，若山谷两侧的杆塔对称，微地形杆塔处的风场等效通过面积为以两侧杆塔以及杆塔最临近山谷的最低点为顶点的三角形面积；若山谷两侧的杆塔对称，微地形杆塔处的风场等效通过面积为海拔高度较高一侧的杆塔与山谷垂直中线形成的直角三角形面积的两倍。
优选的，其特征在于，杆塔坐标数据包括杆塔的经度坐标、纬度坐标以及海拔高度，地貌数据为数字高程地形数据；使用微地形区域的杆塔坐标数据以及地貌数据计算微地形杆塔处的山谷水平倾角；包括以下步骤：
基于杆塔坐标数据，通过地形模糊分析方法从微地形的数字高程地形数据识别出杆塔最临近山谷的最低点经度、纬度和海拔高度；
基于杆塔坐标数据以及杆塔最临近山谷的最低点经度、纬度和海拔高度；计算杆塔与山谷之间连线与水平面的夹角作为山谷水平倾角。
优选的，基于各个微地形区域的经向风速单点修正值和纬向风速单点修正值，计算待观测区域的经向风速校正值和纬向风速校正值，通过以下公式实现：
其中，u为待观测区域的经向风速修正平均值，n表示微地形区域的数量，u1,..,un分别代表第1至第n个微地形区域经向风速单点修正值；v为待观测区域的纬向风速修正平均值，v1,..,vn分别代表第1至第n个微地形区域经向风速单点修正值。
一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中的基于电网微地形观测数据的风场校正算法及系统，通过从历史数据中获取待观测区域中各个微地形区域的杆塔坐标数据、杆塔处的风场监测数据以及地貌数据；使用所述杆塔坐标数据、杆塔处的风场监测数据以及地貌数据分别计算各个微地形区域的经向风速单点修正值和纬向风速单点修正值；基于各个微地形区域的经向风速单点修正值和纬向风速单点修正值，计算待观测区域的经向风速校正值和纬向风速校正值，相比现有技术，校正待观测区域的风场时，充分考虑微地形单点风场特异性的同时，并兼顾了区域风场的整体性，使校正的风场值能够更好的补充和完善常规气象观测数据，为电力气象分析和灾害预测管控提供了基础支撑。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例中的一种基于电网微地形观测数据的风场校正算法的流程图；
图2是本发明优选实施例中的构建的微地形风场校正模型示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一：
如图1所示，本实施中公开了一种基于电网微地形观测数据的风场校正算法，包括以下步骤：
从历史数据中获取待观测区域中各个微地形区域的杆塔坐标数据、杆塔处的风场监测数据以及地貌数据；
使用所述杆塔坐标数据、杆塔处的风场监测数据以及地貌数据分别计算各个微地形区域的经向风速单点修正值和纬向风速单点修正值；
基于各个微地形区域的经向风速单点修正值和纬向风速单点修正值，计算待观测区域的经向风速校正值和纬向风速校正值。
此外，在本实施例中，还公开了一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
本发明中的基于电网微地形观测数据的风场校正算法及系统，通过从历史数据中获取待观测区域中各个微地形区域的杆塔坐标数据、杆塔处的风场监测数据以及地貌数据；使用所述杆塔坐标数据、杆塔处的风场监测数据以及地貌数据分别计算各个微地形区域的经向风速单点修正值和纬向风速单点修正值；基于各个微地形区域的经向风速单点修正值和纬向风速单点修正值，计算待观测区域的经向风速校正值和纬向风速校正值，相比现有技术，校正待观测区域的风场时，充分考虑微地形单点风场特异性的同时，并兼顾了区域风场的整体性，使校正的风场值能够更好的补充和完善常规气象观测数据，为电力气象分析和灾害预测管控提供了基础支撑。
实施例二：
在本实施例中，公开了一种基于电网微地形观测数据的风场校正算法，该风场校正算法在考虑杆塔气象观测特点和地形环境信息，基于伯努力方程的风速变化理论和地形模糊分析方法，对区域背景风场进行校正计算，实现自动化判识。计算结果能够提升风场观测数据质量，满足数据价值深入挖掘的要求，减少因处理不当而造成的原始数据大量废弃和因缺乏数据基础造成的电网灾害分析失准，减少电网灾害分析管控过程中的结构性数据失衡。
该方法具体包括以下步骤：
1、收集待观测区域的输电线路微地形环境数据，并对待观测区域的微地形进行划分。所收集的输电线路微地形环境数据包括输电线路风场监测数据、地貌数据和杆塔坐标数据，其中，输电线路风场监测数据主要指山区微地形区域线路杆塔上安装的气象监测装置获取的、或现场运维人员实测的局地风场数据，地貌数据主要指该微地形区域的数值高程地形数据，杆塔坐标数据主要指微地形区域线路杆塔的经度、纬度和海拔高度数据；
在本实施例中，待观测区域的微地形区域的划分可以根据实际经验划分，一般情况下，对于跨越山谷的线路，为了保证线路的安全，会在山谷两侧海拔高度近似的地方部署杆塔，所以山谷一侧的杆塔一般都会有一个与之隔山谷相对的杆塔，能够形成一个三角形风场通过面积。在本实施例中，以两侧部署有具备监测输电线路风场监测数据的杆塔的山谷进行微地形区域的划分，即两侧部署有具备监测输电线路风场监测数据的杆塔的山谷以及两侧山峰即为一个微地形区域。
即一个具备监测输电线路风场监测数据的杆塔及最接近的山谷及包围该山谷的山峰即为一个微地形区域；
2、建立观测风场校正基础模型。根据伯努力方程：
其中，VR表示微地形入口处的风场,SR表示微地形入口处的风场等效通过面积，VT表示所述杆塔处的风场监测数据，ST表示所述杆塔处的风场等效通过面积。
若微地形入口处的风场等效通过面积与微地形杆塔处的风场等效通过面积差异较大时，则杆塔处风速和微地形入口风场会有较大差异。针对某一处有风场监测数据的微地形杆塔，已知处所测风场，求解微地形入口处的风场时，必须确定和。建立如图2所示的微地形风场校正模型示意图；在该示意图中，以两山山峰最高点和山谷最低点所成三角形截面为微地形入口处的风场，以山谷两侧杆塔塔顶最高点和山谷最低点所成三角形截面为所述杆塔处的风场等效通过面积。
具体的，若山谷两侧的杆塔对称，微地形杆塔处的风场等效通过面积为以两侧杆塔以及杆塔最临近山谷的最低点为顶点的三角形面积；若山谷两侧的杆塔对称，微地形杆塔处的风场等效通过面积为海拔高度较高一侧的杆塔与山谷垂直中线形成的直角三角形面积的两倍。
3、使用所述微地形区域的杆塔坐标数据以及地貌数据计算所述微地形入口处的风场等效通过面积、杆塔处的风场等效通过面积以及山谷水平倾角；
3.1、计算微地形入口风场等效通过面积。根据步骤1的杆塔坐标数据，确定和微地形对侧杆塔经纬度坐标，定位杆塔所在山地，从步骤1的数值高程地形数据中识别杆塔最临近山峰的最高点经度、纬度和海拔高度，以及杆塔最临近山谷的最低点经度、纬度和海拔高度。根据上述三维坐标，分别计算山峰跨度和等效山坡长度，最后计算出微地形入口处的风场等效通过面积；
该步骤具体为：
基于所述杆塔坐标数据，通过地形模糊分析方法从所述微地形的数字高程地形数据识别出所述杆塔最临近山峰的最高点经度、纬度和海拔高度，以及所述杆塔最临近山谷的最低点经度、纬度和海拔高度；
根据所述杆塔最临近山峰的最高点经度、纬度和海拔高度，以及所述杆塔最临近山谷的最低点经度、纬度和海拔高度计算所述杆塔对应微地形的山峰跨度和等效山坡长度；
基于所述微地形的山峰跨度和等效山坡长度计算所述微地形入口风场等效通过面积。
3.2、计算微地形杆塔处风场等效通过面积。根据步骤1的杆塔坐标数据，确定和微地形对侧杆塔的经度、纬度、海拔高度坐标，以及步骤3.1确定的杆塔最临近山谷的最低点经度、纬度和海拔高度，分别计算杆塔跨度和塔顶到山谷的距离，最后计算所述微地形杆塔处的风场等效通过面积；
该步骤具体为：
基于所述杆塔坐标数据、杆塔高度以及所述杆塔最临近山谷的最低点经度、纬度和海拔高度，计算杆塔跨度和塔顶到山谷的距离；
根据所述杆塔跨度和塔顶到山谷的距离计算所述微地形杆塔处的风场等效通过面积。
3.3、计算山谷水平倾角。根据步骤1的数值高程地形数据，以和微地形对侧杆塔所跨山谷的最低点连线形成山谷线，计算该线与经纬度网格夹角，得到山谷水平倾角。即：基于所述杆塔坐标数据以及所述杆塔最临近山谷的最低点经度、纬度和海拔高度；计算所述杆塔与山谷之间连线与水平面的夹角作为山谷水平倾角。
4、计算微地形入口风场。根据步骤1得到的输电线路风场监测数据、步骤3.1～3.2计算得到的关键截面积，即微地形入口处的风场等效通过面积和杆塔处的风场等效通过面积，将微地形入口处的风场等效通过面积、杆塔处的风场等效通过面积以及杆塔处的风场监测数据代入伯努力方程，计算微地形入口风场；
5、计算背景风场的单点校正值。根据步骤4得到的背景风场的山谷方向分量和步骤3.3得到山谷水平倾角，分别计算经向风速单点修正值和纬向风速单点修正值。
6、计算区域背景风场校正值。确定所选待观测区域内有风场监测数据的微地形杆塔数量，对每一处杆塔分别执行步骤2～5，分别求取各个微地形区域的经向风速单点修正值序列和纬向风速单点修正值序列，计算各个微地形区域经向风速修正平均值和区域纬向风速修正平均值，从而得到待观测区域的背景风场观测校正值。
基于各个微地形区域的经向风速单点修正值和纬向风速单点修正值，计算待观测区域的经向风速校正值和纬向风速校正值，通过以下公式实现：
其中，u为待观测区域的经向风速修正平均值，n表示微地形区域的数量，u1,..,un分别代表第1至第n个微地形区域经向风速单点修正值；v为待观测区域的纬向风速修正平均值，v1,..,vn分别代表第1至第n个微地形区域经向风速单点修正值。
综上所述，本发明中的基于电网微地形观测数据的风场校正算法及系统，通过从历史数据中获取待观测区域中各个微地形区域的杆塔坐标数据、杆塔处的风场监测数据以及地貌数据；基于地形模糊分析方法和伯努力方程的风速变化理论，并使用所述杆塔坐标数据、杆塔处的风场监测数据以及地貌数据分别计算各个微地形区域的经向风速单点修正值和纬向风速单点修正值；基于各个微地形区域的经向风速单点修正值和纬向风速单点修正值，计算待观测区域的经向风速校正值和纬向风速校正值，相比现有技术，校正待观测区域的风场时，充分考虑微地形单点风场特异性的同时，并兼顾了区域风场的整体性，使校正的风场值能够更好的补充和完善常规气象观测数据，为电力气象分析和灾害预测管控提供了基础支撑。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。