基于大氣質量指數的電網污區分布圖自動繪制

0建立傳統污區圖、借助在線制作電網污染帶的分布圖（以下簡稱圖區圖）是對高壓空白線路和核電站電氣裝置的外部絕緣材料對外部絕緣材料強度的區域圖。多年來，它一直在指導電網裝置的調試和爬復方向，進一步提高了電網的抗污染能力，在規范新區塊互聯項目的外部絕緣布局方面發揮了重要作用。但在實際工作中,污區圖的修訂仍由人工完成,不僅制圖時間周期長,且受制圖者主觀影響較大,不夠科學和精確。隨著地理信息系統(GIS)在電力系統的廣泛使用,客觀提供了用計算機自動繪制污區圖的條件,文獻提出在GIS系統的基礎上建立電子版的污區圖以縮短修訂周期,并由程序控制污區圖盡量消除人為干預。本文研究了如何使用計算機自動繪制污區圖,結合防污工作要求,提出以鹽密分布圖為基礎,將影響污區分布的積污素和濕潤因素轉化為等效鹽密和等效鹽密系數,綜合繪制污區圖。1繪制污區圖的程序傳統人工繪制的污區圖是根據國家電力公司安運223號文《關于修訂電力系統污區分布圖的通知》(以下簡稱223號文)及其附件繪制,以全國各地、市供電局(電業局)為基本繪制單位,各省局的污區圖由所轄地、市局已繪成的污區圖綜合繪制而成,各網局的污區圖由所轄省局已繪成的污區圖綜合繪制而成,一般4年修訂一次。其具體繪制流程如下:①調查本地區的污源分布狀況,繪制污源分布圖;②調查收集本地區有關氣象參數,繪制氣象分布圖,也可用文字、圖表等說明;③根據鹽密測量情況,繪制鹽密測量圖,同時在圖中標出污閃故障點的位置;④綜合上述3種圖,并結合設備運行經驗,繪制本局所轄區域的污區圖。其中污源分布圖要求反映污源位置、主要污染物年排放量和主要大氣質量參數;氣象分布圖要求反映近3～5年的降水(雨、霧、霜、雪)情況、溫濕度情況、主導風向、風速和靜風頻;鹽密測量圖要求測量飽和鹽密;各監測點、變電站污穢等級按照文獻標準確定。人工繪制的電子版湖南省電網污區分布圖見圖1。人工繪制的污區圖充分考慮了引起污閃的各種因素,但這種分別繪圖、三圖合一、層層綜合的流程加大了繪圖的工作量,拖長了污區圖的修訂周期;且如何綜合污源分布圖、氣象分布圖和鹽密測量圖,國家標準和國家電力公司文件沒有具體說明,在實際繪制過程中難以操作。2繪制鹽密分布的區劃圖目前污穢等級劃分的主要指標是飽和鹽密,本文首先使用飽和鹽密繪制鹽密分布的區劃圖(以下簡稱鹽密分布圖)。以下過程均在MapInfoProfessional地理信息軟件中編程實現。2.1電廠、變鹽水質、鹽密等值線劃分線路設備污穢等級分為5級,即由輕到重分為O、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級,發電廠、變電所設備污穢等級分為4級,則鹽密分布圖可相應分為5級,以鹽密為0.03、0.06、0.10、0.25mg/cm2鹽密等值線來劃分,等值線間可分別填充不同的顏色以區分污穢等級。2.2空間數據插值技術鹽密測量點大多根據線路、變電站、重污染源的分布設定,空間分布不均勻。湖南省的鹽密測量點分布情況示意圖見圖2,由圖可見,鹽密測量點數據在平面等值線繪圖中屬于任意點離散數據。對于任意點離散數據繪制等值線圖,根據基本插值方式可分為:三角法和網格法。三角法使用最佳的Delaunay三角形,數據點連線成三角形,給定三角形內的全部節點都要受其表面的限制,因為各個三角形都用原始數據點定義,從而將三角形和原始數據聯系起來。三角法將在網格范圍內均勻分配數據,地圖上稀疏的區域將形成截然不同的三角面。鹽密在空間分布上是非線性的,且稀疏區域相對較大,故不適合使用三角法繪制等值線圖。本文采用網格法繪制鹽密等值線,繪制出的湖南省鹽密分布圖見圖3。任意點離散數據以網格法繪制等值線圖,其基本過程是:將含有數據點的矩形區域劃分成M×N的網格,以插值法計算各格點值,在網格的四邊以內插法尋找跟蹤等值點,并將它們連來成為折線,并對其光滑處理得到等值線。網格法繪制等值線圖的關鍵是格點的插值計算,它直接與等值線圖的物理意義相關?？臻g數據插值技術常用的有樣條函數、最小二乘趨勢面、傅里葉級數、克里金(Kriging)法等。本文采用Kriging法(又稱空間自協方差最佳插值法)計算格點插值。該法廣泛應用于地下水模擬、土壤制圖等領域,是地質統計格網化方法。Kriging內插的公式為:?z(x0)=n∑i=1λiz(xi),n∑i=1λi=1,z?(x0)=∑i=1nλiz(xi),∑i=1nλi=1,式中,z(xi)為觀測值,它們分別位于區域內采樣點xi的位置;x0是未采樣點;λi為權,?z(x0)z?(x0)是z(x0)的無偏估計值。選取λi,使?z(x0)z?(x0)的估計無偏,且使方差σ2e2e小于任意觀測值線形組合的方差。最小方差由下式給定:?δ2e=n∑i=1λiγ(xi,x0)+φ=γ(xj,x0)?j,δ?2e=∑i=1nλiγ(xi,x0)+φ=γ(xj,x0)?j,式中,γ(xi,xj)是z在采樣點xi和xj之間的半方差,他們都由適宜的變異函數得到。φ是極小化處理時的拉格朗日乘數?？臻g統計的本征假設可表示為以下公式: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為任意兩采樣點間的距離,ε′(x)為隨機指示項,γ(h)為半方差函數。?γ(h)γ?(h)是γ(h)的無偏估計值,且:?γ(h)=12nn∑i=1(z(xi)-z(xi+h))2。γ?(h)=12n∑i=1n(z(xi)?z(xi+h))2。上式提供了內插、優化采樣的有用信息。常用的半方差理論模型有球面、線性和指數模型。因鹽密值隨距污染源距離的增加而近似負指數趨勢減小,本文采用指數模型擬合半方差函數,即:γ(h)=c0+c1(1-exp(-h/α)),γ(h)=c0+c1(1?exp(?h/α)),式中α稱為變程,c0為核方差,c0+c1為梁。3采集誤差值的消除污區圖主要反映鹽密的分布,計算機自動繪制的與人工繪制的污區圖有以下不同之處:1)與污區圖相比,鹽密分布圖上有很多細塊。造成此現象的原因是細塊附近有許多空間分布上的奇異值,這可能是實際鹽密分布情況自身產生,也可能是測量或采集誤差。為了避免誤差影響,目前仍需人工根據運行經驗剔除誤差值,將來需用計算機算法綜合考慮其他因素剔除誤差值。2)污區圖上無○級區域,而鹽密分布圖上有相當部分的○級區域。造成此現象的原因是:①鹽密監測點主要設置在污源和主要線路附近,分布不夠均勻,采用Kriging插值時,某些格點周圍的鹽密測量點距離格點較遠,從而使所得格點鹽密值過小;②污區圖適當提高了清潔地區的污穢等級,從而留有一定的裕度。3)Ⅱ、Ⅲ級區域在兩圖中相差較大。Ⅱ、Ⅲ級區域在鹽密分布圖中的面積比在污區圖中的大很多。這與污區圖中人為因素的影響有關;也與部分鹽密偏高地區因其氣候條件不利于污閃的形成,使發生污閃概率較低有關。Ⅳ級區域在兩圖中相差不大,位置基本一致,面積大小除兩處外相差不大。4三個方案的結合描繪了污區的分布4.1設備表面污水把控三圖合一、綜合制圖需理清三圖間以及它們與污區圖的關系。而污源、氣象、鹽密與污閃及污穢等級的關系是問題的關鍵。污源是造成設備表面積累污穢的根本原因;設備表面污穢中濕潤后所含鹽分導電是污閃的成因;氣象條件中的風和降水對設備表面污穢的積累量和速度有重要影響,降水是設備表面污穢濕潤的重要條件,是污閃事故的誘因。綜合上所述,氣象條件中的風和降水與污源條件是影響積污的因素,鹽密是設備表面積污中有效成分的重要指標,氣象條件中的降水是影響表面污穢濕潤的因素。三圖合一實際是綜合考慮積污因素、鹽密指標、濕潤因素。4.2大氣質量指數的計算污源不僅包括點狀的工業污源,且包括線狀的交通線(公路、鐵路),塊狀的工業區、城區、鹽堿地等。設備表面積污受風向、風速、靜風頻、地形、降水等多種因素的影響。綜合考慮各因素對積污影響,一則將導致積污函數過于復雜,科研難度太大;二則所需數據過多,實際工作中難以采集齊全。人工繪制污區分布圖的過程中,污源對污區劃分的影響最難處理、也最依賴繪制人員的經驗。本文提出了一種綜合上述因素且簡單易行的大氣質量指數等效鹽密法。文獻中提到根據大氣污染物實測濃度計算大氣質量指數進而計算年度鹽密值的方法,即先取得積污期SO2、NOX和總懸浮顆粒物(TotalSuspendedParticulatematter,TSP)的月均值,并計算大氣質量指數P:Ρ=13√USΟ2BSΟ2(USΟ2BSΟ2+UΝΟXBΝΟX+UΤSΡBΤSΡ),式中USO2、UNOx和UTSP分別為SO2、NOX和TSP的月均濃度;BSO2、BNOx和BTSP分別為SO2、NOX和TSP的評價標準值;P綜合反映了污源、風、地形因素的對大氣質量的影響。再根據鹽密與P的經驗公式推算年度鹽密值SDD:SDD=-0.015+0.086Ρ,將SDD代入飽和鹽密計算公式Sb=S1/(1-C),可計算出等效飽和鹽密SDb=SDD/(1-C),式中S1為平均年度最大鹽密;(1-C)即為絕緣子的自清洗率,可根據當地降水情況確定。實際操作中可在部分大氣環境監測點附近設置鹽密測量點,以測得的數據修正經驗公式參數和自清洗率。將計算出的等效飽和鹽密與實際測量的鹽密數據作為繪制鹽密等值線的原始數據,即可繪制出綜合積污因素的等效鹽密分布圖。4.3增加鹽密測量點不考慮濕潤因素時,污區圖劃分效果的主要衡量標準是鹽密測量值。本文提出的污區圖自動繪制方法是基于飽和鹽密值的等值線繪制,故鹽密測量很重要。目前鹽密測量點的設置不能較好滿足插值的需要。為了更準確繪制污區圖,需增加鹽密測量點:①為了準確反映污源的影響,需根據風向等氣象因素圍繞污源設置鹽密測量點;②Kriging插值對原始數據(鹽密測量值)極為敏感,為了保證用P等效的鹽密值的準確性,必須在部分大氣環境監測點附近設置鹽密測量點,用測得的數據修正經驗公式參數和自清洗率。4.4圖合一的污區圖如將各地的微雨、濃霧、冰霜等降水情況轉化為反映濕潤因素影響的權重系數,將此系數與(等效)飽和鹽密的積作為污穢值,繪制等值線圖,就可得出三圖合一的污區圖。5測量環境質量和自清洗率a)基于克里金插值網格法繪制鹽密分布圖的半方差理論模型使用指數模型可適應鹽密分布特點。b)該法所繪鹽密分布圖出現分塊過細的原因是圖上細塊附近的測量點有奇異值,該值可能是實際鹽密分布本身產生,也可能是測量或采集誤差。為提高繪圖準確性,需剔除誤差產生的奇異值。c)應用大氣質量指數等效鹽密法,可綜合各種積污因素繪制等效鹽密分布圖,且簡單易行。但該法需根據當地實際情況,修正由大氣質量指數計算的年度鹽密值的經驗