今天天氣怎么樣？這不僅影響著每個人的日常生活，也關系到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。從2014年開始，中國電科院同美國國家大氣研究中心（NCAR）合作研發(fā)數(shù)值天氣預報模式，針對電網(wǎng)需求，可實現(xiàn)天氣情況的高精度預報，極大方便了電網(wǎng)氣象災害預警和新能源發(fā)電調(diào)度工作，促進了電網(wǎng)服務的智慧化。
電力與氣象有什么關系
可能會有很多人認為，氣象和電力是完全不同的兩個領域，但其實，二者之間的關系非常密切。
氣象條件是影響電網(wǎng)穩(wěn)定運行的重要因素。電網(wǎng)輸變電設備普遍分布于野外、100米高度以下，氣象環(huán)境復雜多變，尤其是特高壓線路路徑長、覆蓋廣、局部走廊線路密集，且沿途所經(jīng)區(qū)域多為高原山區(qū)、雷害區(qū)、重冰區(qū)、大風區(qū)，自然環(huán)境惡劣，極端天氣多發(fā)。據(jù)統(tǒng)計，雷擊、覆冰、風偏、舞動、暴雨等氣象原因?qū)е碌墓收险茧娋W(wǎng)總故障數(shù)的60%以上。
氣象資源隨機波動是制約新能源消納的關鍵因素。風速、輻照度等氣象資源具有強烈的隨機波動特性，由于缺乏對氣象資源變化趨勢的準確把握，導致新能源輸出功率不確定度大。大規(guī)模接入電網(wǎng)后，為保證發(fā)用電平衡，常規(guī)電源備用容量顯著增大，新能源消納空間嚴重壓縮。
以往國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)從氣象機構獲取的氣象預報信息，主要建立在公共氣象服務的基礎上，與電網(wǎng)實際需求差距巨大，存在觀測站點遠離電網(wǎng)輸變電設備、僅關注常規(guī)氣象要素、電力關鍵氣象要素欠缺、預報數(shù)據(jù)的分辨率偏粗、未針對電網(wǎng)需求優(yōu)化數(shù)值天氣預報模式等問題。
針對上面提到的種種問題，中國電科院從2009年起開始電力氣象研究工作，其中最重要的，就是發(fā)展適合于電網(wǎng)應用的數(shù)值天氣預報模式。
所謂數(shù)值天氣預報模式，就是使用大型計算集群求解離散化的大氣運動原始方程組，為方程組輸入基于觀測的預報初始場和邊界場，并添加各種微尺度物理過程參數(shù)化方案，再利用觀測數(shù)據(jù)進行同化和訂正，最終得到隨時間演化的預報場數(shù)據(jù)?，F(xiàn)今，數(shù)值天氣預報模式是氣象領域最為重要的技術之一，從6小時的短期預報，到長達數(shù)十年的氣候預測，世界各大氣象中心都以數(shù)值預報模式的模擬結果作為主要參考信息。
電力氣象技術大顯身手
2017年6月21日，北京迎來入汛以來的一場最強降水，事前有網(wǎng)絡媒體將此次降雨炒作為“六年來最強特大暴雨”。然而，中國電科院提前對數(shù)值預報結果和天氣形勢進行了縝密分析，判斷這場雨沒有那么大，并將預報結果通過《電網(wǎng)氣象日報》發(fā)出。最后，天氣實況報告顯示，中國電科院預報的降水量和降水時間都和實況高度吻合。這次降水過程的成功預報，為公司防汛工作提供了有力支撐。
同是2017年6月，張北風電檢測中心的工作人員計劃吊裝一臺風電測試設備，但那兩日風一直很大，無法安排作業(yè)。工作人員根據(jù)中國電科院的預報結果，發(fā)現(xiàn)28日下午2時到6時是一段小風期，可以吊裝，于是就在吊裝地點等到2時，風確實變小了，就抓緊在6時前完成了吊裝。在返回駐地的路上，風真的又大起來了，當時現(xiàn)場的施工人員都豎起大拇指說：“神了！”
從2014年開始，中國電科院同美國國家大氣研究中心（NCAR）合作研發(fā)數(shù)值天氣預報模式，研發(fā)成果包括實時四維資料同化、快速循環(huán)更新、集合預報等技術。另外，針對重要輸電通道和重點區(qū)域進行重點分析，優(yōu)化局地的參數(shù)化方案，提升通道區(qū)域的預報準確度。針對電網(wǎng)需求，還研究了覆冰、雷電、風災、沙塵暴、舞動、暴雨、高低溫、寒潮等災害，以及近地面太陽輻照度、風機輪轂高度風速等的定制化診斷預報要素。生產(chǎn)的格點化預報要素，可實現(xiàn)針對桿塔和發(fā)電機組定點、定時、定量的高精度預報，大大方便了電網(wǎng)氣象災害預警和新能源發(fā)電調(diào)度工作，促進了電網(wǎng)服務的智慧化。
數(shù)值天氣預報模式由于計算量非常大，全國的3千米×3千米模式格點達108，每日積分時間步可達105，為此，中國電科院專門搭建了高性能數(shù)值天氣預報集群系統(tǒng)。集群配備了多達623臺刀片服務器、15080顆計算核，運算速度達200萬億次每秒，存儲容量達2000太字節(jié)。
此外，為了進一步提升預報水平，中國電科院還多次邀請了包括國家氣象局、中國科學院大氣物理所、中國氣科院、中央氣象臺的相關科學家和首席預報員進行溝通和技術經(jīng)驗交流。
定制化服務電網(wǎng)多方面需求
近幾年，中國電科院發(fā)揮電力氣象專業(yè)優(yōu)勢，已成為公司系統(tǒng)內(nèi)氣象服務的主要支撐單位，目前已為調(diào)度、運檢等多級生產(chǎn)部門提供了定制化氣象服務，填補了公司長期以來缺乏專業(yè)氣象服務的空白，有效支撐了電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。
電力調(diào)度控制方面，實驗室每日兩次為國家電力調(diào)度控制中心提供全國新能源預報數(shù)據(jù)，及特高壓輸電通道沿線精細化電力氣象預報預警數(shù)據(jù)，包括風速、風功率密度、輻照度、氣溫、降水量、大風、高溫、雷電等要素，數(shù)據(jù)空間分辨率3千米×3千米、時間分辨率1小時、預報時長24小時。
電網(wǎng)運維檢修方面，為國網(wǎng)運檢部每日兩次提供全國范圍的常規(guī)數(shù)值天氣預報、歷史氣象數(shù)據(jù)、雷電、覆冰、暴雨、大風、高低溫及寒潮等定制化數(shù)據(jù)服務，協(xié)助實現(xiàn)了桿塔級的氣象預報預警信息查詢，并在覆冰期間提供了每日的《電網(wǎng)覆冰日報》。
新能源消納方面，開發(fā)了新能源監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)，為全國26個網(wǎng)省公司提供新能源功率預測所需的風速、風向、輻照度、云量、功率等預報數(shù)據(jù)，支撐新能源高效消納。
全球能源互聯(lián)網(wǎng)方面，為支撐公司全球能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，完成了北極、赤道、亞洲、歐洲、非洲、大洋洲等區(qū)域風能、太陽能資源分布圖繪制、儲量評估及主要開發(fā)基地選址工作。
電網(wǎng)防汛方面，汛期每日早晨7時為國網(wǎng)防汛辦提供《電網(wǎng)氣象日報》，預報公司范圍未來48小時降雨、大風、雷暴、高溫等天氣過程以及次生災害信息，指導公司防汛工作的科學開展。每日《電網(wǎng)氣象日報》可在國家電網(wǎng)公司主頁的精益生產(chǎn)—防汛管理選項卡中閱讀。2017年6月21日至23日，華北地區(qū)經(jīng)歷了一次入夏以來的最強降雨過程，中心的預報效果得到了公司上下的一致好評。
電網(wǎng)地質(zhì)災害預警方面，為國網(wǎng)地質(zhì)災害監(jiān)測預警中心提供未來三天、逐小時地質(zhì)災害相關氣象要素預報，包括降水、濕度、溫度等。
電網(wǎng)舞動預警方面，為國網(wǎng)輸電線路舞動預警系統(tǒng)提供未來三天、逐小時舞動相關的氣象要素預報，包括覆冰厚度、風速、風向、降水量、溫度等。
此外，還為國網(wǎng)四川、冀北、新疆、重慶、黑龍江、湖南、河北等電力公司提供氣象支撐服務。
2015年12月1日，中國電科院在公司內(nèi)網(wǎng)發(fā)布了面向電力生產(chǎn)運行的專業(yè)氣象服務網(wǎng)站——電力氣象網(wǎng)，每日4次更新預報結果。公司各單位均可查詢最新的氣象災害和新能源發(fā)電相關氣象信息。
2015年，中國電科院獲批新能源與儲能運行控制國家重點實驗室，研究方向之一就是新能源資源數(shù)值模擬與發(fā)電功率預測。未來，中國電科院將在現(xiàn)有基礎上，著眼于電力氣象研究領域，秉承冷靜判斷科學分析的原則，提供精準的電網(wǎng)氣象信息，為公司各部門提供全方位的定制化氣象服務。（中國電科院供圖）
高性能數(shù)值天氣預報集群系統(tǒng)設備
數(shù)值天氣預報技術流程圖
為海上風能基地選址提供定制服務