基于大气质量指数的电网污区分布图自动绘制

基于大气质量指数的电网污区分布图自动绘制

0建立传统污区图、借助在线制作电网污染带的分布图（以下简称图区图）是对高压空白线路和核电站电气装置的外部绝缘材料对外部绝缘材料强度的区域图。多年来，它一直在指导电网装置的调试和爬复方向，进一步提高了电网的抗污染能力，在规范新区块互联项目的外部绝缘布局方面发挥了重要作用。但在实际工作中,污区图的修订仍由人工完成,不仅制图时间周期长,且受制图者主观影响较大,不够科学和精确。随着地理信息系统(GIS)在电力系统的广泛使用,客观提供了用计算机自动绘制污区图的条件,文献提出在GIS系统的基础上建立电子版的污区图以缩短修订周期,并由程序控制污区图尽量消除人为干预。本文研究了如何使用计算机自动绘制污区图,结合防污工作要求,提出以盐密分布图为基础,将影响污区分布的积污素和湿润因素转化为等效盐密和等效盐密系数,综合绘制污区图。1绘制污区图的程序传统人工绘制的污区图是根据国家电力公司安运223号文《关于修订电力系统污区分布图的通知》(以下简称223号文)及其附件绘制,以全国各地、市供电局(电业局)为基本绘制单位,各省局的污区图由所辖地、市局已绘成的污区图综合绘制而成,各网局的污区图由所辖省局已绘成的污区图综合绘制而成,一般4年修订一次。其具体绘制流程如下:①调查本地区的污源分布状况,绘制污源分布图;②调查收集本地区有关气象参数,绘制气象分布图,也可用文字、图表等说明;③根据盐密测量情况,绘制盐密测量图,同时在图中标出污闪故障点的位置;④综合上述3种图,并结合设备运行经验,绘制本局所辖区域的污区图。其中污源分布图要求反映污源位置、主要污染物年排放量和主要大气质量参数;气象分布图要求反映近3～5年的降水(雨、雾、霜、雪)情况、温湿度情况、主导风向、风速和静风频;盐密测量图要求测量饱和盐密;各监测点、变电站污秽等级按照文献标准确定。人工绘制的电子版湖南省电网污区分布图见图1。人工绘制的污区图充分考虑了引起污闪的各种因素,但这种分别绘图、三图合一、层层综合的流程加大了绘图的工作量,拖长了污区图的修订周期;且如何综合污源分布图、气象分布图和盐密测量图,国家标准和国家电力公司文件没有具体说明,在实际绘制过程中难以操作。2绘制盐密分布的区划图目前污秽等级划分的主要指标是饱和盐密,本文首先使用饱和盐密绘制盐密分布的区划图(以下简称盐密分布图)。以下过程均在MapInfoProfessional地理信息软件中编程实现。2.1电厂、变盐水质、盐密等值线划分线路设备污秽等级分为5级,即由轻到重分为O、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级,发电厂、变电所设备污秽等级分为4级,则盐密分布图可相应分为5级,以盐密为0.03、0.06、0.10、0.25mg/cm2盐密等值线来划分,等值线间可分别填充不同的颜色以区分污秽等级。2.2空间数据插值技术盐密测量点大多根据线路、变电站、重污染源的分布设定,空间分布不均匀。湖南省的盐密测量点分布情况示意图见图2,由图可见,盐密测量点数据在平面等值线绘图中属于任意点离散数据。对于任意点离散数据绘制等值线图,根据基本插值方式可分为:三角法和网格法。三角法使用最佳的Delaunay三角形,数据点连线成三角形,给定三角形内的全部节点都要受其表面的限制,因为各个三角形都用原始数据点定义,从而将三角形和原始数据联系起来。三角法将在网格范围内均匀分配数据,地图上稀疏的区域将形成截然不同的三角面。盐密在空间分布上是非线性的,且稀疏区域相对较大,故不适合使用三角法绘制等值线图。本文采用网格法绘制盐密等值线,绘制出的湖南省盐密分布图见图3。任意点离散数据以网格法绘制等值线图,其基本过程是:将含有数据点的矩形区域划分成M×N的网格,以插值法计算各格点值,在网格的四边以内插法寻找跟踪等值点,并将它们连来成为折线,并对其光滑处理得到等值线。网格法绘制等值线图的关键是格点的插值计算,它直接与等值线图的物理意义相关。空间数据插值技术常用的有样条函数、最小二乘趋势面、傅里叶级数、克里金(Kriging)法等。本文采用Kriging法(又称空间自协方差最佳插值法)计算格点插值。该法广泛应用于地下水模拟、土壤制图等领域,是地质统计格网化方法。Kriging内插的公式为:ˆz(x0)=n∑i=1λiz(xi),n∑i=1λi=1,zˆ(x0)=∑i=1nλiz(xi),∑i=1nλi=1,式中,z(xi)为观测值,它们分别位于区域内采样点xi的位置;x0是未采样点;λi为权,ˆz(x0)zˆ(x0)是z(x0)的无偏估计值。选取λi,使ˆz(x0)zˆ(x0)的估计无偏,且使方差σ2e2e小于任意观测值线形组合的方差。最小方差由下式给定:ˆδ2e=n∑i=1λiγ(xi,x0)+φ=γ(xj,x0)∀j,δˆ2e=∑i=1nλiγ(xi,x0)+φ=γ(xj,x0)∀j,式中,γ(xi,xj)是z在采样点xi和xj之间的半方差,他们都由适宜的变异函数得到。φ是极小化处理时的拉格朗日乘数。空间统计的本征假设可表示为以下公式:E(z(x)-z(x+h))=0,E((z(x)-z(x+h))2)=E((ε′(x)-ε′(x+h))2)=2γ(h),式中,h为任意两采样点间的距离,ε′(x)为随机指示项,γ(h)为半方差函数。ˆγ(h)γˆ(h)是γ(h)的无偏估计值,且:ˆγ(h)=12nn∑i=1(z(xi)-z(xi+h))2。γˆ(h)=12n∑i=1n(z(xi)−z(xi+h))2。上式提供了内插、优化采样的有用信息。常用的半方差理论模型有球面、线性和指数模型。因盐密值随距污染源距离的增加而近似负指数趋势减小,本文采用指数模型拟合半方差函数,即:γ(h)=c0+c1(1-exp(-h/α)),γ(h)=c0+c1(1−exp(−h/α)),式中α称为变程,c0为核方差,c0+c1为梁。3采集误差值的消除污区图主要反映盐密的分布,计算机自动绘制的与人工绘制的污区图有以下不同之处:1)与污区图相比,盐密分布图上有很多细块。造成此现象的原因是细块附近有许多空间分布上的奇异值,这可能是实际盐密分布情况自身产生,也可能是测量或采集误差。为了避免误差影响,目前仍需人工根据运行经验剔除误差值,将来需用计算机算法综合考虑其他因素剔除误差值。2)污区图上无○级区域,而盐密分布图上有相当部分的○级区域。造成此现象的原因是:①盐密监测点主要设置在污源和主要线路附近,分布不够均匀,采用Kriging插值时,某些格点周围的盐密测量点距离格点较远,从而使所得格点盐密值过小;②污区图适当提高了清洁地区的污秽等级,从而留有一定的裕度。3)Ⅱ、Ⅲ级区域在两图中相差较大。Ⅱ、Ⅲ级区域在盐密分布图中的面积比在污区图中的大很多。这与污区图中人为因素的影响有关;也与部分盐密偏高地区因其气候条件不利于污闪的形成,使发生污闪概率较低有关。Ⅳ级区域在两图中相差不大,位置基本一致,面积大小除两处外相差不大。4三个方案的结合描绘了污区的分布4.1设备表面污水把控三图合一、综合制图需理清三图间以及它们与污区图的关系。而污源、气象、盐密与污闪及污秽等级的关系是问题的关键。污源是造成设备表面积累污秽的根本原因;设备表面污秽中湿润后所含盐分导电是污闪的成因;气象条件中的风和降水对设备表面污秽的积累量和速度有重要影响,降水是设备表面污秽湿润的重要条件,是污闪事故的诱因。综合上所述,气象条件中的风和降水与污源条件是影响积污的因素,盐密是设备表面积污中有效成分的重要指标,气象条件中的降水是影响表面污秽湿润的因素。三图合一实际是综合考虑积污因素、盐密指标、湿润因素。4.2大气质量指数的计算污源不仅包括点状的工业污源,且包括线状的交通线(公路、铁路),块状的工业区、城区、盐碱地等。设备表面积污受风向、风速、静风频、地形、降水等多种因素的影响。综合考虑各因素对积污影响,一则将导致积污函数过于复杂,科研难度太大;二则所需数据过多,实际工作中难以采集齐全。人工绘制污区分布图的过程中,污源对污区划分的影响最难处理、也最依赖绘制人员的经验。本文提出了一种综合上述因素且简单易行的大气质量指数等效盐密法。文献中提到根据大气污染物实测浓度计算大气质量指数进而计算年度盐密值的方法,即先取得积污期SO2、NOX和总悬浮颗粒物(TotalSuspendedParticulatematter,TSP)的月均值,并计算大气质量指数P:Ρ=13√USΟ2BSΟ2(USΟ2BSΟ2+UΝΟXBΝΟX+UΤSΡBΤSΡ),式中USO2、UNOx和UTSP分别为SO2、NOX和TSP的月均浓度;BSO2、BNOx和BTSP分别为SO2、NOX和TSP的评价标准值;P综合反映了污源、风、地形因素的对大气质量的影响。再根据盐密与P的经验公式推算年度盐密值SDD:SDD=-0.015+0.086Ρ,将SDD代入饱和盐密计算公式Sb=S1/(1-C),可计算出等效饱和盐密SDb=SDD/(1-C),式中S1为平均年度最大盐密;(1-C)即为绝缘子的自清洗率,可根据当地降水情况确定。实际操作中可在部分大气环境监测点附近设置盐密测量点,以测得的数据修正经验公式参数和自清洗率。将计算出的等效饱和盐密与实际测量的盐密数据作为绘制盐密等值线的原始数据,即可绘制出综合积污因素的等效盐密分布图。4.3增加盐密测量点不考虑湿润因素时,污区图划分效果的主要衡量标准是盐密测量值。本文提出的污区图自动绘制方法是基于饱和盐密值的等值线绘制,故盐密测量很重要。目前盐密测量点的设置不能较好满足插值的需要。为了更准确绘制污区图,需增加盐密测量点:①为了准确反映污源的影响,需根据风向等气象因素围绕污源设置盐密测量点;②Kriging插值对原始数据(盐密测量值)极为敏感,为了保证用P等效的盐密值的准确性,必须在部分大气环境监测点附近设置盐密测量点,用测得的数据修正经验公式参数和自清洗率。4.4图合一的污区图如将各地的微雨、浓雾、冰霜等降水情况转化为反映湿润因素影响的权重系数,将此系数与(等效)饱和盐密的积作为污秽值,绘制等值线图,就可得出三图合一的污区图。5测量环境质量和自清洗率a)基于克里金插值网格法绘制盐密分布图的半方差理论模型使用指数模型可适应盐密分布特点。b)该法所绘盐密分布图出现分块过细的原因是图上细块附近的测量点有奇异值,该值可能是实际盐密分布本身产生,也可能是测量或采集误差。为提高绘图准确性,需剔除误差产生的奇异值。c)应用大气质量指数等效盐密法,可综合各种积污因素绘制等效盐密分布图,且简单易行。但该法需根据当地实际情况,修正由大气质量指数计算的年度盐密值的经验