摘要
本文介紹了分別在氣象系統中，廣泛應用的 AWS 和 PGMIS 的組成觀測系統和應用。簡要討論了自動氣象站和電網氣象資訊，系統新技術的技術水準和控制方面。自動氣象站由電子設備或電腦控制，自動觀測天氣並收集和傳輸數據。AWS 通常由感測器、傳送器、數據處理裝置、數據傳輸裝置和電源組成。傳送器將感測器感應到的天氣參數轉換為電信號；數據處理裝置將對這些電信號進行處理，並將其轉換為相應的氣象要素。電網氣象資訊系統（PGMIS）是指應用於各級電網企業的電網氣象資訊綜合平台，也是氣象資訊與電網生產經營相結合的專業應用系統。
該系統主要提供即時、全面的與電網運行相關的氣象資訊，實現對災害性天氣的監測、追踪、預報和預警，為電網負荷預測、經濟調度和事故預測提供輔助決策，也是氣象資訊與電網生產經營相結合的專業應用系統。
關鍵詞
AWS、PGMIS、氣象要素、感測器、監控、電網
1. 簡介
自動氣象站（AWS）是無線感測器在氣象因子領域的一種新型應用。基於技術交流，自動氣象站的結構和運行，可以按照兩種不同的方法進行分類。通常按照數據提供的即時性，分為即時自動氣象站和非即時自動氣象站。即時自動氣象站：此類站可根據特定時間提供即時氣象觀測數據。非即時自動氣象站：此類站只能定期記錄和存儲觀測數據，而不能提供即時氣象觀測數據。根據自動氣象站的人工干預情況，自動氣象站還可以分為有人值守自動站和無人值守自動站。自動氣象站自動獲取全部或部分氣象要素，如氣壓、溫度、濕度、風向、風速、降雨量、蒸發量、陽光、輻射和
Electrical and Electronics Engineering: An International Journal (ELELIJ) Vol 2, No 4, November 2013 ground temperature 等，對獲取的天氣數據進行統計和編碼，根據實際業務需求傳輸到中心站電腦或保存到本地中等的。自動氣象站可廣泛應用於氣象電力、水文、農業、環保、機場、倉庫、風景名勝區、國土資源和科學研究等領域。
電網監控和資訊服務是電網系統的一項基本功能，電網資訊安全受到了特別關注。電網氣象資訊系統（PGMIS）涉及各級電網公司採用的電網氣象資訊綜合平台，電網氣象資訊系統資訊源主要來自專業氣象部門、電力自動氣象站和閃電定位系統。資訊包括歷史氣象數據、即時氣象數據、天氣預報產品和氣象災害資訊。透過數據通信和後台預處理模組的開發，完成多資訊的儲存、同化和分類。在通信安全防護方面，電網氣象資訊系統位於安全區域，透過網路隔離裝置與其他保護區域的系統進行數據交換。數據檔案交換格式原則上採用 E 語言文本。
2.自動氣象觀測系統的組成
自動氣象觀測系統是狹義的自動氣象站，和廣義的自動氣象站網。自動氣象站網路，是由一個中心站和若干個自動氣象站，透過通信電路組成，如右圖所示（透過 GPRS/GSM 通信組成網路）。該系統透過 GPRS/GSM 網路，實現數據採集和處理。
插圖在此摘錄中不可見
圖 1. 透過 GPRS/GSM 通信的網路
自動氣象觀測系統主要具有以下功能：自動觀測所有氣象要素，編制和儲存各種氣象報告和觀測數據文件，建立氣象觀測數據庫，實現氣象觀測報告和觀測數據的自動傳輸、調用和即時控制檔案和遠端監控系統的運行狀態。從結構圖可以看出自動氣象站的各個組成部分電氣和電子工程：國際期刊（ELELIJ）第 2 卷第 4 期，2013 年 11 月。圖 3 顯示了示意圖，它提供了一種可靠的方法來校準 AWS 數據採集和程序單元。
插圖在此摘錄中不可見
圖 2 自動氣象站組成示意圖
2.1. 氣象感測器
最近氣象感測器，已被積極引入用於氣候監測。氣象感測器可以感知被測氣象要素的變化，並將其轉化為有用的輸出信號，通常由敏感元件和轉換器組成。這裡主要介紹用於六因子自動氣象站的風速、風向、氣壓、溫度、濕度和雨量感測器。這些感測器可以檢測或預測範圍廣泛的現象，例如霧、降雨、洪水、風暴；飛機尾流湍流和風切變，以及地震和核事件。
- 風速和風向感測器：風速和風向感測器因環境或業務需求而異。這些感測器可辨識自動雨量和風量測量故障。目前有機械式風速風向儀和超音波風速風向儀。
- 機械式風速風向儀：風向部分由風向標和轉換器組成。安裝時需先確定北向。當風向標隨風向變化而轉動時，多數情況下輸出格雷碼或電壓信號。風速感測器的感測元件是三杯風分量。風杯受水平風影響旋轉時，大多輸出頻率信號。超音波風速風向儀發射音波脈衝，透過測量接收端不同的時間或頻率（多普勒轉換）來計算風速風向。大多數情況下輸出數位量。數據介面包括 RS232、RS485 和 SDI-12。
- 氣壓感測器：氣壓感測器將大氣壓力的變化轉化為電信號，透過電子測量電路對電信號進行測量和處理，獲得壓力值。常用的電壓感測器有振動缸壓力感測器和膠囊電容壓力感測器。數據通常以類比量 4~20mA 和數位量 SDI-12 等形式輸出。
- 溫度感測器：常用的鉑電阻溫度感測器，是根據鉑電阻隨溫度變化的特性來測量溫度的。當被測感測具有溫度梯度時，被測電氣和電子工程：國際期刊（ELELIJ）第 2 卷第 4 期，2013 年 11 月溫度似乎是感溫元件所在感測層的平均溫度。數據採集處理單元的類比量或數位量，可透過信號轉換器輸出
- 濕度感測器：濕度感測器的濕度敏感元件，主要有電阻式和電容式兩種。濕敏電阻是指在基板上，覆蓋一層由濕敏材料製成的薄膜。當空氣中的水蒸氣被吸收到薄膜上時，元件的電阻率和電阻都會發生變化。當環境濕度發生變化時，濕敏電容器的介電常數也會發生變化。電容變化與相對濕度成正比。數據採集處理單元的類比量或數位量，可透過信號轉換器輸出。
- 輻射領域：在自動氣象站建設過程中，溫濕度氣象感測器通常安裝在室外。因此，它們需要用輻射屏蔽（儀器罩）進行保護。目前，一些感測器廠家已經將溫度感測器和濕度感測器整合在一起，直接安裝在輻射屏蔽層中，如下圖所示。
- 雨量感測器：各種氣象站、水文站及環保、農林等部門利用雨量感測器，測量某地某一時刻的雨量，並將雨量轉換成開關量、類比量或數位量信號測量。雨量感測器包括單翻斗式、雙翻斗式和多翻斗式等。大多數氣象站使用分辨率為 0.1mm 的雨量感測器。
2.2. 數據採集處理單元
數據採集和處理單元，通常被統稱為數據採集單元。作為自動氣象站的前端，它具有以下主要功能：數據採集、數據處理、數據儲存和數據傳輸。自動氣象站專為無人值守站，或其他惡劣條件下的氣象監測需求而設計。因此，數據採集單元應具備以下主要特點。
- 微功率 由於自動氣象站一般建在野外，大多數情況下是不供電的。因此，氣象站必須是低功耗的 —— 強大的遠端通信能力具有強大的遠端通信能力，自動氣象站可以接入微功率 SCADA 系統常用的遠端通信通道，如PSTN、GSM/SMS、GSM/ GPRS、CDMA/1X、VHF、Inmarsat-C 和人造衛星等。
- 豐富的感測器介面和高精度採集，提供豐富的感測器接口，如單/雙幹簧繼電器接口（主要用於翻斗式雨量計）、1-wire、SDI-12、RS485 和 4~20mA 電流環等等。
- 高可靠性：大多數自動氣象站都是無人值守站。因此，其設備必須具有較高的可靠性。所有元件均採用工業（或軍用）產品，每個感測器接口均配置有效的防雷措施，確保天氣數據觀測規範的數據處理即時穩定。
2.3. 電源供應
自動氣象站需要穩定的供電系統。使用市電 如有可能，對備用電池進行浮充，以便在市電故障時供電。如果使用電腦，需要配置UPS和備用電池。在沒有市電的地區，自動氣象站可以由電池供電。在這種情況下，可以使用輔助電源為電池充電，如柴油或汽油發電機、風力發電機和太陽能電池板等。
2.4. 通訊終端
自動氣象站主要是為無人值守站設計的。因此，它的遠端通信能力非常重要。在整合時必須考慮功率、傳輸成本和終端設備的維護等問題。由於傳輸的數據量大，在傳輸頻率低時使用 VHF、GSM/GPRS、CDMA/1X、PSTN 和衛星頻道，在高傳輸時採用乙太網、專線、光纖等信道進行數據傳輸頻率。
圖 3 GPRS 通信結構圖
插圖在此摘錄中不可見
2.5. 中心站 SCADA 平台系統
監控與數據採集（SCADA）主要用於遠端監控。中心站 SCADA 平台軟體作為業務軟體，通常根據地面氣象服務的需要進行編程。其主要功能包括參數設置、即時數據顯示、定期數據儲存和數據維護等。以下功能
- 採用模組化設計；- 支持自動氣象站的多通道採集和多種通信協議；
- 實現運行參數在線配置；
- 查看原碼和遙測站的通道狀態和當前數據即時資訊；
- 支持遠端計量站的數據調用和時間校正。也可根據不同的服務需求添加。
3. 自動氣象站的應用
由於自動氣象站的應用越來越廣泛，根據建設目的主要可分為以下四種：
3.1. 標準自動氣象站
標準型自動氣象站，是根據地面氣象自動監測規範設計的微電站，具有溫度範圍廣、功耗低、可靠性高、抗干擾等特點。雨量、風向、風速、氣壓、地溫、輻射、日照、蒸發等參數，也可根據實際需求接入其他氣象感測器。標準的自動氣象站必需根據氣象局的要求，建立在一個特別合適的地方，如右圖所示。
圖 4. 標準自動氣象站
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標準自動氣象站處理數據如下：
氣溫、濕度、氣壓、地溫、輻射的採樣率為每分鐘 6 次。刪除最大值和最小值。然後，平均剩餘的 4 個採樣值。1 分鐘的平均值是瞬時值。
風向和風速的採樣率為每秒一次。確定 3 秒、2 分鐘和 10 分鐘的移動平均值。3 秒的平均值是瞬時值。
降雨、蒸發和陽光的採樣率為每分鐘一次。
3.2. 風電場風速塔自動氣象站
風電場風速塔自動氣象站獲取風速、風向、溫度、濕度、氣壓等數據，為風電預報系統提供即時數據源。透過該站，用戶可以方便地了解主迎風側的天氣資訊，方便風電場輸出功率的調整，對電網的功率平衡和經濟調度具有重要意義。
風電場風速塔自動氣象站處理數據如下：
- 空氣溫度、濕度和氣壓的採樣率為每分鐘 6 次。刪除最大值和最小值。然後，平均剩餘的 4 個採樣值。採樣前 1 分鐘的平均值為當前瞬時值
- 風向和風速的採樣率為每秒一次，採樣時在採樣間隔內處理數據。目前，測風塔自動氣象站每 5 分鐘進行一次採樣上傳數據。風速風向數據包括瞬時值、5 分鐘平均值、風速標準差、風速最大值和風速最小值。風速平均值為算術平均值，風向平均值為矢量平均值。
圖 5 風電場風速塔自動氣象站
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2.7. 輸電線路狀態監測自動氣象站
輸電線路狀態監測自動氣象站，應用於輸電線路塔架設備，監測輸電線路小氣候區的氣象狀況，為電力防災預警提供即時氣象數據。該類氣象站根據 Q/GDW 243-2008《架空天氣網擄監測系統技術導則》對風速、風向、溫度、濕度、氣壓、降雨量、光輻射等氣象要素，進行即時監測輸電線路，還可根據需要實現電力線路的即時影像圖像監控，為輸電線路的狀態監測和維護，提供可靠的數據基礎。所以，是保證輸電線路安全運行的重要手段。
輸電線路狀態監測自動氣象站數據處理如下：
- 氣溫、濕度、氣壓和輻射的採樣和處理與標準自動氣象站相同。
- 風速和風向的採樣和處理，與風電場風速塔自動氣象站相同。
- 降雨量和日照時長的採樣和處理與標準自動氣象站相同。
2.8. 光伏電站自動氣象站
光伏電站自動氣象站用於監測太陽能電站的氣象狀況，對總輻射、垂直入射、散射、風速、風向、溫度、濕度、氣壓、太陽能板溫度等參數進行採樣，為太陽能發電預報系統提供即時天氣數據。透過該電站，用戶可以方便地了解光伏電站的氣象資訊，便於調整輸出功率，對電網的功率平衡和經濟調度具有重要意義。
光伏電站自動氣象站處理數據如下：
- 氣溫、濕度、氣壓和輻射的採樣，和處理同標準自動氣象站。
- 風速和風向的採樣和處理與風電場風速塔自動氣象站相同。
- 日照時長的採樣和處理與標準自動氣象站相同。
圖 6 中國南瑞集團光伏電站自動氣象站
4. 電網氣象資訊系統（PGMIS）
是一個將氣象資訊與電網生產經營，相結合的綜合平台。它已被電網公司用於惡劣天氣的監測、追踪、預報和預警。此外，它還為負載預測和調度提供輔助決策。
4.1. 系統功能
電網氣象資訊系統的數據接入，和通信資訊源，主要來自專業氣象部門、電力自動氣象站和閃電定位系統。電網氣象資訊系統數據庫採用 DB2 或關係型數據庫（DM、東軟 Open BASE 等）。其內部在邏輯上可以分為即時數據庫和歷史數據庫。即時數據庫用於保存從自動氣象站獲取的原始氣象數據，包括氣溫、降雨量、濕度、風向、風速、氣壓等。歷史數據庫用於累積和保存氣象數據、氣象產品（如：雲圖集、雷達馬賽克）、氣象處理數據（如 氣象要素靜態值）、天氣預報、操作日誌等文本資訊。此外，歷史數據庫可以保存多種形式的數據，包括數值、字符、簡訊、圖片和其他格式的二進製檔案。
數據統計分析：用戶可以對同一時期不同地區的氣象要素值進行統計，對所得結果進行排序並存入數據庫；然後，透過區域橫向對比分析，獲得不同區域天氣變化的區域相關性，為氣象災害預警提供原始數據檔案。比較分析同一地區不同時期（年、月或十天）氣象要素的累計值或實測值，找出前後變化規律和差異，分析天氣現象的內在原因及其可能的影響。
結合歷史平均值計算當前不同天氣的異常值，即 當前元素值與多年平均值之間的差值。還可以計算天氣要素的同比值和環比。分析當年、當月或當前十天期間的天氣特徵；對各地區、各時期氣象要素相關歷史數據的發生概率，和極值進行統計，並以圖表和列表的形式展示，為電網中長期生產調度管理提供決策依據。
4.2. GIS 地理資訊整合
地理資訊系統（GIS）的使用在 1980 年代迅速發展。提供矢量圖層和圖像數據的重疊，包括許多重要地理位置的資訊，例如州\省界、城市區域、變電站、電力線和自動天氣站台等，分別以點、線、面的形式繪製，並附加了透過文字和簡單幾何圖形進行標記的功能。基本的地圖操作也可以在用戶圖形介面上進行，包括地圖視圖控制（放大/縮小和平移和地圖圖層顯示控制（不同比例的可見性和是否標記。用戶可以定義地理元素的繪圖屬性）透過介面操作或編輯配置檔案，如投影、標題、比例、圖例、線條顏色、線條類型、
4.3. PGMIS 應用功能
- 氣象資訊顯示：氣象要素實況顯示，氣象要素即時監測：顯示即時氣象要素（包括氣溫、氣壓、濕度、風速、風向、降雨量和雲量）地圖上的重要城市。單擊右鍵顯示列表查詢。氣象要素即時查詢：用戶介面顯示數據查詢表和圖形（折線圖或條形圖）和等溫圖顯示：在 GIS 圖上顯示即時等溫圖，並附插圖說明。
- 氣象要素統計數據顯示：氣象要素統計數據查詢：用戶介面顯示數據查詢表和圖形（折線圖或條形圖），雨量等值線圖形顯示：在GIS圖上顯示歷史雨量等值線，並附插圖說明，即時氣象要素與歷史平均數據對比顯示：用戶介面顯示即時氣象要素，與歷史平均數據對比分析曲線。
- 預報資訊顯示：天氣預報數據表格查詢，天氣預報查詢內容，包括未來 36 小時內，每個小時的預報溫度、風速、風向、氣壓、降雨量、濕度和總雲量用戶選擇時間，可查詢歷史預報數據，可設置查詢日期，顯示區域指各地級市。
- 溫度預測圖對比分析：溫度值預測圖的監控：用戶介面顯示多個溫度圖（折線圖），包括預測溫度圖與實際溫度圖的對比，顯示未來 36 小時內各區域的溫度預測值圖表形式，可選擇多個區域列表，實現區域氣溫預報圖表對比，顯示區域指各地級市。
- 預報資訊顯示：天氣預報產品的顯示，天氣預報產品的顯示，包括文字顯示和圖片顯示。顯示內容包括常規預報、文字預報預警和城市天氣預報，靜態頁面顯示最新的日、週、月、季預報文本，歷史預報文本和文本文件可查詢，隨機時間可選查詢預測產品。
- 衛星雲圖和雷達圖動態顯示：以靜態圖的形式顯示過去一天的衛星雲圖和雷達圖。透過圖片疊加和自動播放，顯示過去一天的衛星雲圖和雷達圖，在 WEBGIS 上疊加衛星雲圖和雷達圖，實現區域位置顯示。可隨時查詢衛星雲圖和氣象雷達圖。
圖 7 實際氣象要素圖與電力負荷對比顯示
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4.4. GIS 在電網氣象中的應用
- 颱風路徑及災害影響預警：在 WEBGIS 上精準繪製颱風路徑，及某時間運行狀態，可查詢當前颱風過程反演，及歷史颱風路徑。在每個路徑點上畫出 72 小時內颱風預報路徑，在每個路徑點上，畫出 7 級風和 10 級風的實際影響區域；分析該地區的關鍵電力設施；透過列表、警示標誌等形式實現預警，不同顏色的路徑點代表不同的風力，颱風路徑的行進過程可以動態展示，離颱風眼的距離可以在 GIS 圖上任意設置，必須圈出設置後在 GIS 圖上。
- 極端災害性天氣預警：在 WEBGIS 上展示與抵御氣象災害相關的電力設備（重要變電站、線路等）的設計數據。當相應的實際氣象數據，超過抗災設備設計數據的限值時，以清單和警示標誌的形式發出預警。
- 動態顯示氣象部門發布的各類預警資訊，滾動顯示已發布的預警和 GIS 功能擴展，並在 WEBGIS 上疊加自動氣象站運行狀態，覆蓋 10KM*10KM 網格的氣象值，預報 GIS 圖形上的點，在 GIS 圖形上形成基礎設施項目層，包括名稱、坐標等數據，該層數據可由用戶維護。
圖 8 中國南瑞集團公司 DWQX100 電網氣象信息系統（GIS）降雨分佈
4.5. 參考文獻 電網氣象資訊系統應用效果
需要包含程序級管理技能的電網氣象資訊系統。為電網生產、運行和調度、電力行銷、電力基礎設施建設和基礎設施管理，提供可靠的氣象資訊依據，為電網的生產、調度和決策提供有力支持。電網氣象資訊系統，提高電網對氣象災害的預警和防範能力，將氣象因素對電網的影響降到最低，確保電網有效、安全、穩定運行。減少氣象災害對電網的破壞，提高防災減災能力。除了，
5. 結論
氣象數據與我們的生產生活息息相關，對所有國家、企業和個人都具有極其重要的意義。在日益嚴峻的自然環境中，氣象數據為我們防範自然災害、合理利用自然能源提供了安全保障。隨著科技的進步，自動氣象站（AWS）和電網氣象資訊系統（PGMIS）的建設和應用將更加先進，數據更加精準及時，讓我們未來的通信有更大的進步，享受美好的人居環境。本文進行了簡要討論，並說明了它們的原理、功能應用，並在系統的技術層面上附加了整個概述。
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