自动气象站和气象信息网络

本文介绍了自动气象站和电网气象信息，系统新技术的技术水平和控制方面。自动气象站由电子设备或计算机控制，自动观测天气并收集和传输数据。AWS 通常由传感器、传送器、数据处理装置、数据传输装置和电源组成。传送器将传感器感应到的天气参数转换为电信号；数据处理装置将对这些电信号进行处理，并将其转换为相应的气象要素。电网气象信息系统（PGMIS）是指应用于各级电网企业的电网气象信息综合平台，也是气象信息与电网生产经营相结合的专业应用系统。

该系统主要提供实时、全面的与电网运行相关的气象信息，实现对灾害性天气的监测、追踪、预报和预警，为电网负荷预测、经济调度和事故预测提供辅助决策，也是气象信息与电网生产经营相结合的专业应用系统。

1. 简介

自动气象站（AWS）是无线传感器在气象因子领域的一种新型应用。基于技术交流，自动气象站的结构和运行，可以按照两种不同的方法进行分类。通常按照数据提供的实时性，分为实时自动气象站和非实时自动气象站。实时自动气象站：此类站可根据特定时间提供实时气象观测数据。非实时自动气象站：此类站只能定期记录和存储观测数据，而不能提供实时气象观测数据。根据自动气象站的人工干预情况，自动气象站还可以分为有人值守自动站和无人值守自动站。自动气象站自动获取全部或部分气象要素，如气压、温度、湿度、风向、风速、降雨量、蒸发量、阳光、辐射和

Electrical and Electronics Engineering: An International Journal (ELELIJ) Vol 2, No 4, November 2013 ground temperature 等，对获取的天气数据进行统计和编码，根据实际业务需求传输到中心站计算机或保存到本地中等的。自动气象站可广泛应用于气象电力、水文、农业、环保、机场、仓库、风景名胜区、国土资源和科学研究等领域。

电网监控和信息服务是电网系统的一项基本功能，电网信息安全受到了特别关注。电网气象信息系统（PGMIS）涉及各级电网公司采用的电网气象信息综合平台，电网气象信息系统信息源主要来自专业气象部门、电力自动气象站和闪电定位系统。信息包括历史气象数据、实时气象数据、天气预报产品和气象灾害信息。透过数据通信和后台预处理模块的开发，完成多信息的储存、同化和分类。在通信安全防护方面，电网气象信息系统位于安全区域，透过网络隔离装置与其他保护区域的系统进行数据交换。数据档案交换格式原则上采用 E 语言文本。

2.自动气象观测系统的组成

自动气象观测系统是狭义的自动气象站，和广义的自动气象站网。自动气象站网络，是由一个中心站和若干个自动气象站，透过通信电路组成，如右图所示（透过 GPRS/GSM 通信组成网络）。该系统透过 GPRS/GSM 网络，实现数据采集和处理。

自动气象观测系统主要具有以下功能：自动观测所有气象要素，编制和储存各种气象报告和观测数据文件，建立气象观测数据库，实现气象观测报告和观测数据的自动传输、调用和实时控制档案和远端监控系统的运行状态。从结构图可以看出自动气象站的各个组成部分电气和电子工程：国际期刊（ELELIJ）第 2 卷第 4 期，2013 年 11 月。图 3 显示了示意图，它提供了一种可靠的方法来校准 AWS 数据采集和程序单元。

2.1. 气象传感器

最近气象传感器，已被积极引入用于气候监测。气象传感器可以感知被测气象要素的变化，并将其转化为有用的输出信号，通常由敏感元件和转换器组成。这里主要介绍用于六因子自动气象站的风速、风向、气压、温度、湿度和雨量传感器。这些传感器可以检测或预测范围广泛的现象，例如雾、降雨、洪水、风暴；飞机尾流湍流和风切变，以及地震和核事件。

- 风速和风向传感器：风速和风向传感器因环境或业务需求而异。这些传感器可辨识自动雨量和风量测量故障。目前有机械式风速风向仪和超音波风速风向仪。

- 机械式风速风向仪：风向部分由风向标和转换器组成。安装时需先确定北向。当风向标随风向变化而转动时，多数情况下输出格雷码或电压信号。风速传感器的感测元件是三杯风分量。风杯受水平风影响旋转时，大多输出频率信号。超音波风速风向仪发射音波脉冲，透过测量接收端不同的时间或频率（多普勒转换）来计算风速风向。大多数情况下输出数位量。数据界面包括 RS232、RS485 和 SDI-12。

- 气压传感器：气压传感器将大气压力的变化转化为电信号，透过电子测量电路对电信号进行测量和处理，获得压力值。常用的电压传感器有振动缸压力感测器和胶囊电容压力感测器。数据通常以类比量 4~20mA 和数位量 SDI-12 等形式输出。

- 温度传感器：常用的铂电阻温度传感器，是根据铂电阻随温度变化的特性来测量温度的。当被测感测具有温度梯度时，被测电气和电子工程：国际期刊（ELELIJ）第 2 卷第 4 期，2013 年 11 月温度似乎是感温元件所在感测层的平均温度。数据采集处理单元的类比量或数位量，可透过信号转换器输出

- 湿度传感器：湿度传感器的湿度敏感元件，主要有电阻式和电容式两种。湿敏电阻是指在基板上，覆盖一层由湿敏材料制成的薄膜。当空气中的水蒸气被吸收到薄膜上时，元件的电阻率和电阻都会发生变化。当环境湿度发生变化时，湿敏电容器的介电常数也会发生变化。电容变化与相对湿度成正比。数据采集处理单元的类比量或数位量，可透过信号转换器输出。

- 辐射领域：在自动气象站建设过程中，温湿度气象传感器通常安装在室外。因此，它们需要用辐射屏蔽（仪器罩）进行保护。目前，一些传感器厂家已经将温度传感器和湿度传感器整合在一起，直接安装在辐射屏蔽层中，如下图所示。

- 雨量传感器：各种气象站、水文站及环保、农林等部门利用雨量传感器，测量某地某一时刻的雨量，并将雨量转换成开关量、类比量或数位量信号测量。雨量传感器包括单翻斗式、双翻斗式和多翻斗式等。大多数气象站使用分辨率为 0.1mm 的雨量传感器。

2.2. 数据采集处理单元

数据采集和处理单元，通常被统称为数据采集单元。作为自动气象站的前端，它具有以下主要功能：数据采集、数据处理、数据储存和数据传输。自动气象站专为无人值守站，或其他恶劣条件下的气象监测需求而设计。因此，数据采集单元应具备以下主要特点。

- 微功率 由于自动气象站一般建在野外，大多数情况下是不供电的。因此，气象站必须是低功耗的 —— 强大的远端通信能力具有强大的远端通信能力，自动气象站可以接入微功率 SCADA 系统常用的远端通信通道，如PSTN、GSM/SMS、GSM/ GPRS、CDMA/1X、VHF、Inmarsat-C 和人造卫星等。

- 丰富的传感器界面和高精度采集，提供丰富的传感器接口，如单/双干簧继电器接口（主要用于翻斗式雨量计）、1-wire、SDI-12、RS485 和 4~20mA 电流环等等。

- 高可靠性：大多数自动气象站都是无人值守站。因此，其设备必须具有较高的可靠性。所有元件均采用工业（或军用）产品，每个传感器接口均配置有效的防雷措施，确保天气数据观测规范的数据处理实时稳定。

2.3. 电源供应

自动气象站需要稳定的供电系统。使用市电 如有可能，对备用电池进行浮充，以便在市电故障时供电。如果使用计算机，需要配置UPS和备用电池。在没有市电的地区，自动气象站可以由电池供电。在这种情况下，可以使用辅助电源为电池充电，如柴油或汽油发电机、风力发电机和太阳能电池板等。

 

2.4. 通讯终端

自动气象站主要是为无人值守站设计的。因此，它的远端通信能力非常重要。在整合时必须考虑功率、传输成本和终端设备的维护等问题。由于传输的数据量大，在传输频率低时使用 VHF、GSM/GPRS、CDMA/1X、PSTN 和卫星频道，在高传输时采用乙太网、专线、光纤等信道进行数据传输频率。

2.5. 中心站 SCADA 平台系统

监控与数据采集（SCADA）主要用于远端监控。中心站 SCADA 平台软件作为业务软件，通常根据地面气象服务的需要进行编程。其主要功能包括参数设置、实时数据显示、定期数据储存和数据维护等。以下功能

- 采用模块化设计；- 支持自动气象站的多通道采集和多种通信协议；

- 实现运行参数在线配置；

- 查看原码和遥测站的通道状态和当前数据实时信息；

- 支持远端计量站的数据调用和时间校正。也可根据不同的服务需求添加。

3. 自动气象站的应用

由于自动气象站的应用越来越广泛，根据建设目的主要可分为以下四种：

3.1. 标准自动气象站

标准型自动气象站，是根据地面气象自动监测规范设计的微电站，具有温度范围广、功耗低、可靠性高、抗干扰等特点。雨量、风向、风速、气压、地温、辐射、日照、蒸发等参数，也可根据实际需求接入其他气象传感器。标准的自动气象站必需根据气象局的要求，建立在一个特别合适的地方，如右图所示。

标准自动气象站处理数据如下：

气温、湿度、气压、地温、辐射的采样率为每分钟 6 次。删除最大值和最小值。然后，平均剩余的 4 个采样值。1 分钟的平均值是瞬时值。

风向和风速的采样率为每秒一次。确定 3 秒、2 分钟和 10 分钟的移动平均值。3 秒的平均值是瞬时值。

降雨、蒸发和阳光的采样率为每分钟一次。

3.2. 风电场风速塔自动气象站

风电场风速塔自动气象站获取风速、风向、温度、湿度、气压等数据，为风电预报系统提供实时数据源。透过该站，用户可以方便地了解主迎风侧的天气信息，方便风电场输出功率的调整，对电网的功率平衡和经济调度具有重要意义。

 

风电场风速塔自动气象站处理数据如下：

- 空气温度、湿度和气压的采样率为每分钟 6 次。删除最大值和最小值。然后，平均剩余的 4 个采样值。采样前 1 分钟的平均值为当前瞬时值

- 风向和风速的采样率为每秒一次，采样时在采样间隔内处理数据。目前，测风塔自动气象站每 5 分钟进行一次采样上传数据。风速风向数据包括瞬时值、5 分钟平均值、风速标准差、风速最大值和风速最小值。风速平均值为算术平均值，风向平均值为矢量平均值。

2.7. 输电线路状态监测自动气象站

输电线路状态监测自动气象站，应用于输电线路塔架设备，监测输电线路小气候区的气象状况，为电力防灾预警提供实时气象数据。该类气象站根据 Q/GDW 243-2008《架空天气网掳监测系统技术导则》对风速、风向、温度、湿度、气压、降雨量、光辐射等气象要素，进行实时监测输电线路，还可根据需要实现电力线路的实时影像图像监控，为输电线路的状态监测和维护，提供可靠的数据基础。所以，是保证输电线路安全运行的重要手段。

输电线路状态监测自动气象站数据处理如下：

- 气温、湿度、气压和辐射的采样和处理与标准自动气象站相同。

- 风速和风向的采样和处理，与风电场风速塔自动气象站相同。

- 降雨量和日照时长的采样和处理与标准自动气象站相同。

2.8. 光伏电站自动气象站

光伏电站自动气象站用于监测太阳能电站的气象状况，对总辐射、垂直入射、散射、风速、风向、温度、湿度、气压、太阳能板温度等参数进行采样，为太阳能发电预报系统提供实时天气数据。透过该电站，用户可以方便地了解光伏电站的气象信息，便于调整输出功率，对电网的功率平衡和经济调度具有重要意义。

光伏电站自动气象站处理数据如下：

- 气温、湿度、气压和辐射的采样，和处理同标准自动气象站。

- 风速和风向的采样和处理与风电场风速塔自动气象站相同。

- 日照时长的采样和处理与标准自动气象站相同。

4. 电网气象信息系统（PGMIS）

是一个将气象信息与电网生产经营，相结合的综合平台。它已被电网公司用于恶劣天气的监测、追踪、预报和预警。此外，它还为负载预测和调度提供辅助决策。

4.1. 系统功能

电网气象信息系统的数据接入，和通信信息源，主要来自专业气象部门、电力自动气象站和闪电定位系统。电网气象信息系统数据库采用 DB2 或关系型数据库（DM、东软 Open BASE 等）。其内部在逻辑上可以分为实时数据库和历史数据库。实时数据库用于保存从自动气象站获取的原始气象数据，包括气温、降雨量、湿度、风向、风速、气压等。历史数据库用于累积和保存气象数据、气象产品（如：云图集、雷达马赛克）、气象处理数据（如 气象要素静态值）、天气预报、操作日志等文本信息。此外，历史数据库可以保存多种形式的数据，包括数值、字符、简讯、图片和其他格式的二进制档案。

数据统计分析：用户可以对同一时期不同地区的气象要素值进行统计，对所得结果进行排序并存入数据库；然后，透过区域横向对比分析，获得不同区域天气变化的区域相关性，为气象灾害预警提供原始数据档案。比较分析同一地区不同时期（年、月或十天）气象要素的累计值或实测值，找出前后变化规律和差异，分析天气现象的内在原因及其可能的影响。

结合历史平均值计算当前不同天气的异常值，即 当前元素值与多年平均值之间的差值。还可以计算天气要素的同比值和环比。分析当年、当月或当前十天期间的天气特征；对各地区、各时期气象要素相关历史数据的发生概率，和极值进行统计，并以图表和列表的形式展示，为电网中长期生产调度管理提供决策依据。

4.2. GIS 地理信息整合

地理信息系统（GIS）的使用在 1980 年代迅速发展。提供矢量图层和图像数据的重叠，包括许多重要地理位置的信息，例如州\省界、城市区域、变电站、电力线和自动天气站台等，分别以点、线、面的形式绘制，并附加了透过文字和简单几何图形进行标记的功能。基本的地图操作也可以在用户图形界面上进行，包括地图视图控制（放大/缩小和平移和地图图层显示控制（不同比例的可见性和是否标记。用户可以定义地理元素的绘图属性）透过界面操作或编辑配置档案，如投影、标题、比例、图例、线条颜色、线条类型、

 

4.3. PGMIS 应用功能

- 气象信息显示：气象要素实况显示，气象要素实时监测：显示实时气象要素（包括气温、气压、湿度、风速、风向、降雨量和云量）地图上的重要城市。单击右键显示列表查询。气象要素实时查询：用户界面显示数据查询表和图形（折线图或条形图）和等温图显示：在 GIS 图上显示实时等温图，并附插图说明。

- 气象要素统计数据显示：气象要素统计数据查询：用户界面显示数据查询表和图形（折线图或条形图），雨量等值线图形显示：在GIS图上显示历史雨量等值线，并附插图说明，实时气象要素与历史平均数据对比显示：用户界面显示实时气象要素，与历史平均数据对比分析曲线。

- 预报信息显示：天气预报数据表格查询，天气预报查询内容，包括未来 36 小时内，每个小时的预报温度、风速、风向、气压、降雨量、湿度和总云量用户选择时间，可查询历史预报数据，可设置查询日期，显示区域指各地级市。

- 温度预测图对比分析：温度值预测图的监控：用户界面显示多个温度图（折线图），包括预测温度图与实际温度图的对比，显示未来 36 小时内各区域的温度预测值图表形式，可选择多个区域列表，实现区域气温预报图表对比，显示区域指各地级市。

- 预报信息显示：天气预报产品的显示，天气预报产品的显示，包括文字显示和图片显示。显示内容包括常规预报、文字预报预警和城市天气预报，静态页面显示最新的日、周、月、季预报文本，历史预报文本和文本文件可查询，随机时间可选查询预测产品。

- 卫星云图和雷达图动态显示：以静态图的形式显示过去一天的卫星云图和雷达图。透过图片叠加和自动播放，显示过去一天的卫星云图和雷达图，在 WEBGIS 上叠加卫星云图和雷达图，实现区域位置显示。可随时查询卫星云图和气象雷达图。

4.4. GIS 在电网气象中的应用

- 台风路径及灾害影响预警：在 WEBGIS 上精准绘制台风路径，及某时间运行状态，可查询当前台风过程反演，及历史台风路径。在每个路径点上画出 72 小时内台风预报路径，在每个路径点上，画出 7 级风和 10 级风的实际影响区域；分析该地区的关键电力设施；透过列表、警示标志等形式实现预警，不同颜色的路径点代表不同的风力，台风路径的行进过程可以动态展示，离台风眼的距离可以在 GIS 图上任意设置，必须圈出设置后在 GIS 图上。

- 极端灾害性天气预警：在 WEBGIS 上展示与抵御气象灾害相关的电力设备（重要变电站、线路等）的设计数据。当相应的实际气象数据，超过抗灾设备设计数据的限值时，以清单和警示标志的形式发出预警。

- 动态显示气象部门发布的各类预警信息，滚动显示已发布的预警和 GIS 功能扩展，并在 WEBGIS 上叠加自动气象站运行状态，覆盖 10KM*10KM 网格的气象值，预报 GIS 图形上的点，在 GIS 图形上形成基础设施项目层，包括名称、坐标等数据，该层数据可由用户维护。

4.5. 参考文献 电网气象信息系统应用效果

需要包含程序级管理技能的电网气象信息系统。为电网生产、运行和调度、电力营销、电力基础设施建设和基础设施管理，提供可靠的气象信息依据，为电网的生产、调度和决策提供有力支持。电网气象信息系统，提高电网对气象灾害的预警和防范能力，将气象因素对电网的影响降到最低，确保电网有效、安全、稳定运行。减少气象灾害对电网的破坏，提高防灾减灾能力。除了，

5. 结论

气象数据与我们的生产生活息息相关，对所有国家、企业和个人都具有极其重要的意义。在日益严峻的自然环境中，气象数据为我们防范自然灾害、合理利用自然能源提供了安全保障。随着科技的进步，自动气象站（AWS）和电网气象信息系统（PGMIS）的建设和应用将更加先进，数据更加精准及时，让我们未来的通信有更大的进步，享受美好的人居环境。本文进行了简要讨论，并说明了它们的原理、功能应用，并在系统的技术层面上附加了整个概述。