基于Gumbel极值I型的惠州电网风区分布统计研究

基于Gumbel极值I型的惠州电网风区分布统计研究

陈峰陈涛威

陈峰陈涛威

（广东电网有限责任公司惠州供电局广东惠州516000）

摘要：利用惠州地区近30多年的气象资料，并结合惠州电网气象监测终端的风速监测数据，建立了惠州地区标准风速数据库，利用基于Gumbe极值I型法，统计分析了惠州电网不同地区10年一遇，30年一遇，50年一遇、100年一遇最大风速，得到了惠州电网风速分区分布的基本情况，为惠州电网抵御大风灾害，实现输电线路运行风险的有效评估，及惠州电网指挥系统提供理论依据。

关键词：Gumbel极值I型；惠州电网；风区分布；重现期

引言

惠州市位于广东省东南部，珠江三角洲东北端，处在欧亚大陆与太平洋交接地带，大陆性气团与海洋性气团交会频繁，此外惠州地区还受到处于西风带纬度以及季风系统共同影响，同时毗邻太平洋，每年都会遭受台风侵袭。通过分析惠州地区的气象资料及电网历史运行记录，表明在众多气象灾害中，风灾是威胁对惠州电网安全稳定运行的主要因素。因而，有必要研究分析惠州电网分区分布的详细情况，为惠州电网输电线路的设计、防风加固工程及电网实时运行风险评估，提供重要的依据。

极端大风灾害天气的出现往往具有不确定性，其发生年份一般采用概率分布来进行描述。不同重现期常常用来表征灾害的出现的周期和严重程度[1]，如“10年一遇（10a一遇），30年一遇（30a一遇）”、“50年一遇（50a一遇）”、“100年一遇（100a一遇）”。在国内，国内许多学者开展了有关最大风速的分析和估算研究，文献[2]分析了1958～2007年厦门年最大风速的数据，并利用极值I型分布估算了不同再现期可能一遇的最大风速值。文献[3]利用1971～2006年长江下游40个气象站的风速资料，采用极值I型，并通克里格内插值法对长江中下游地区百年一遇风速进行估算；文献[4]分析了上海市1901~2011年的年最大风速数据，比较了P-III型和极值I型分布曲线在最大风速计算中的应用，两者对风速的估算精度相当；文献[5]采用福建省36年风速统计数据，估算了概率极值I型尺度参数和位置参数，得到福建省风速分布概率函数，并结合该地区配电网运行的可靠概率，给出了福建配调电网运行的风险情况，为福建省配电网的规划建设提供了理论依据；文献[6]根据江门市1979~2013年最大风速资料，用极值I型和线性回归分析方法研究了江门市年最大风速的空间分布形式和长期变化趋势；文献[7]提出了一中基于Bayes后验分布的极值I型分析方法，用于计算不同重现期风速，该方法具有较高的估计精度，但算法太过复杂，需要的数据样本量大，不利于工程应用。目前常用的风速分析方法有，概率极值I型分布，P-III型分布和布威尔分布等[8]。国研究表明，概率极值I型分布最适合用于风速分布计算。本文采用基于Gumbel极值I型，计算惠州地区不同重现期风速，该方法计算简单，具有较高的估算精度，且采用耿贝尔法估算概率极值I型的参数，与矩估计法，和极大似然估计法比较，具有剩余方差、拟合相对偏差及柯尔莫哥洛夫拟合适度检验指标较小等优良的统计指标[9]，具有较高的工程应用价值。

本文利用惠州地区1986年~2016年的气象资料，并结合惠州电网线路观测点对风速监测的数据，建立了标准风速数据库，利用Gumbel极值I型，统计分析了惠州电网不同地区10a一遇，30a一遇、50a一遇，100a一遇最大风速，得到了惠州电网风速分区分布的基本情况，为分析风灾对惠州电网的影响，实现输电线路运行风险的有效评估，及惠州电网指挥系统提供理论依据。

1标准风速数据库的建立

受不同观测点所处的高度及地形的影响，不同观测点的数据差异较大，无法反应惠州地区风速分布的规律，为了能对气象观测数据进行有效的统计分析，本文首先对不同观测的数据进行标准化处理，采用平坦开阔地区10m处观测仪高度作为标准，建立标准风速数据库，为利用Gumbel极值I型计算不同地区、不同重现期最大风速提供数据基础，可采用式（1）对实时观测的风速数据进行标准化：

（1）

式（1）中，vc为实际观测风速，h为观测点风速仪实际高度，k为修正指数，文中取为0.16。

2惠州地区年最大风速分布及变化趋势

图1为惠州地区整体年最大风速随时间变化图，图中虚线为线性回归曲线，表明惠州地区年极大风速随时间变化的趋势。图1表明惠州地区风速呈逐年弱上升趋势，约为0.19m/s*yr。其中在2003年、2013年出现了风速的极大值分别为35m/s、39m/s，这是与当年杜鹃、天兔台风登陆惠州地区的情况一致。

图1

由此可见，惠州地区近年来气象的变化对电网的安全稳定运行将会产生不利的影响，为此计算，并分析惠州地区分布的情况对于惠州电网今后的规划及防风加固工程具有重要的意义，同时也为今后电网的运行风险分析和电网指挥系统的建设重要的参考依据。

3基于Gumbel极值I型的惠州地区电网不同重现期计算

3.1Gumbel极值I型分布

Gumbel极值I型分布常用于计算电网覆冰重现期、最大降水重现期，在电网风灾重现期计算中也有广泛的应用。本文利用极值I型分布函数对标准化后的年最大风速进行统计分析，用于惠州地区不同重现期的分布情况，极值I型分布函数的数学表达式如下：

（2）

式中：α为尺度参数，β为位置参数，为多年一遇风速，若某地区的平均重现期为T年，则T年一遇风速为：

（3）

3.2基于耿贝尔法的极值I型分布参数估计

耿贝尔法是一种直接与经验频率相结合的参数估计方法，与矩估计法，和极大似然估计法比较，具有剩余方差、拟合相对偏差及柯尔莫哥洛夫拟合适度检验指标较小等优良的统计指标，具有较高的拟合精度，且计算方法简单。

取xi为年风速观测极值，若为某一观测站数据总数为n，则经验分布函数为：

。

3.3惠州地区最大风速重现期计算实例

以惠东县的年最大风速统计数据为例，进行重现期计算，自1986年起的年最大风速观测数据见表1。

概率极值I型参数计算结果为：

（7）

当重现期为50a一遇时，即取，由式（3）（7）可以得到：

（8）

同理，可以求得10a一遇最大风速为32.54m/s，30a一遇年最大风速为34.85m/s，100a一遇年最大风速为38.81m/s。

3.4惠州地区最大风速重现期计算结果

采用与3.3节相同的计算方法，结合惠州地区气象观测资料及输电线路监测终端速监测的数据，分别计算了惠州地区10a一遇、30a一遇、50a一遇和100a一遇年最大风速，各县区的计算结果见表2。

表2的计算结果表明，100a一遇大风主要分布在惠州沿海地区，约占惠州市总面积的10%，风力强度均大于37m/s，大部分地区风速集中在15m/s左右。

从惠州地区风速分布来看，10a一遇、30a一遇、50a一遇和100a一遇风速分布趋势保持一致。风速由西至东，由南至北呈风速分布呈现明显减弱趋势，大风地区主要分布在惠东县、惠阳区和大亚湾区，最高风速42.32m/s出现在大亚湾区。这和惠州地形明显相关，沿海县区地势平坦，且处于大陆性气团与海洋性气团频繁交会带，大气运动比较剧烈，每年7~9月份都会受到来自海洋的热带风暴的影响。惠州北部为山区，对风速有明显的阻滞作用，因而风速相对比较小。

结合本文的计算结果，按照《110kV～750kV架空输电线路设计规范：GB50545—2010》和《电力工程气象勘测技术规程：DL/T5158—2012》中的技术原则，并参照近年来的惠州电网线路设计和运行经验，建议考虑将惠州电网风区分为7个等级，分级标准为：<28.5m/s、28.5m/s、32.5m/s、34m/s、37m/s、41m/s、>41m/s。

4、结论

本文利用1986年~2016年惠州地区共31年的风速数据，统计得了惠州地区风速分布特征，并采用Gumbel极值I型计算惠州地区不同重现年最大风速的情况，确定了惠州电网风区分级标准，为惠州电网输电线路的设计、电网的调度运行及惠州电网指挥系统的开发提供重要的理论依据。

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基金项目：

中国南方电网基金项目（GDKJQQ20161064）