GB/T 40619-2021 基于雷电定位系统的雷电临近预警技术规范

　　ICS 9 1 . 120 . 40 CCS M 04

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 40619—2021

　　基于雷电定位系统的雷电临近预警

　　技术规范

　　Technicalspecificationforlightningnowcastingandwarningbasedon

　　lightninglocationsystem

　　2021-10-1 1 发布 2022-05-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 40619—202 1

　　GB/T 40619—202 1

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

　　本文件由全国雷电防护标准化技术委员会(SAC/TC 258)提出并归口 。

　　本文件起草单位：国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司、四川中光防雷科技股份有限公司、湖北省防雷中心、江西省气象服务中心、湖南省气象灾害防御技术中心、福建省气象科学研究所、陆军工程大学野战工程学院、广州华炜科技有限公司、中科天际科技股份有限公司、国网北京市电力公司电力科学研究院。

　　本文件主要起草人：谷山强、李健、杨国华、王学良、姚喜梅、吴大伟、余建华、唐瑶、曾金全、郝胤博、邱实、房翔、刘凤姣、高攀亮、张建培、周恺。

　　GB/T 40619—202 1

　　引

　　言

　　可用于雷电临近预警的参量有多种，如雷电定位数据、大气电场强度、雷达回波等。 本文件中雷电临近预警技术是基于雷电定位数据实现，不涉及其他预警参量。 如对预警准确率要求较高，可加入其他参量进行综合预警。

　　GB/T 40619—202 1

　　基于雷电定位系统的雷电临近预警

　　技术规范

　　1 范围

　　本文件规定了基于雷电定位系统的雷电临近预警中预警参数确定、预警流程设置、预警信息生成等方面的要求，描述了对应的证实方法。

　　本文件适用于基于雷电定位系统的雷电临近预警。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。 其中，注 日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 38121—2019 雷电防护 雷暴预警系统

　　3 术语和定义

　　GB/T 38121—2019 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　地闪 colud-to-groundlightning;CG

　　云地间的大气放电现象。

　　注 ：由一个或多个雷击组成。

　　[来源：GB/T 21714 . 1—2015,3 . 1,有修改]

　　3.2

　　雷电定位系统 lightninglocationsystem;LLS

　　闪电定位系统

　　通过探测雷电放电过程中产生的电磁辐射信号，采用多种雷电定位技术和方法，来确定雷电发生时间、位置、极性等多项雷电参数的系统。

　　注 ：由多个设在不同地理位置的雷电传感器(又称子站)、数据处理和系统监控中心(又称中心站)、产品输出和显示系统以及配套的通信设施等组成。

　　3.3

　　雷电相关事件 lightningrelatedevent;LRE

　　雷电击中被保护的建筑物或建筑物附近或与建筑相连的线路及线路附近的事件。

　　[来源：GB/T 38121—2019,3 . 1 . 16]

　　3.4

　　目标区域 targetarea;TA

　　需要进行预警的地理区域，以便该区域发生雷电相关事件前帮助决策并采取预防措施。

　　[来源：GB/T 38121—2019,3 . 1 . 24]

　　GB/T 40619—202 1

　　3.5

　　周边区域 surroundingarea;SA

　　环绕并包围目标区域，且存在雷电相关事件引发潜在风险的地理区域。

　　注：任何在周边区域发生的雷电相关事件均具有潜在风险。 当评估一个雷暴预警系统时，该区域用于确定虚警率和其他性能参数。

　　[来源：GB/T 38121—2019,3 . 1 . 23,有修改]

　　3.6

　　雷电临近预警 lightningnowcastingandwarning

　　对目标区域和周边区域未来一段时间内雷电发生情况进行告警。

　　注：通常以级别表征。

　　3.7

　　中值定位精度 medianlocationaccuracy;MLA

　　实际雷击位置与雷电定位系统确定的雷击位置之间距离的中值。

　　[来源：GB/T 37047—2018,3 . 1 . 15]

　　3.8

　　缓冲区域 bufferarea;BA

　　以预先设置的宽度环绕并包围目标区域，用于监测目标区域之外的地闪活动，确定雷电临近预警等级的区域。

　　3.9

　　驻留时间 dwelltime;DT

　　不符合预警判据后，警报持续的时间。

　　[来源：GB/T 38121—2019,3 . 1 . 5]

　　4 总则

　　4 . 1 雷电定位系统在目标区域和周边区域的地闪探测效率宜大于 85%。

　　注：地闪探测效率指探测到的地闪次数占实际发生的地闪总数的百分比。 在一次地闪中，至少探测到其中任意 一次回击，即认为探测到该地闪。

　　4 . 2 用于预警的雷电定位数据中值定位精度宜优于 500 m。

　　4 . 3 雷电临近预警宜包含预警参数确定、预警流程设置、预警信息生成等内容。

　　5 雷电临近预警

　　5 . 1 预警参数确定

　　5 . 1 . 1 参数内容

　　根据目标对象防雷需求确定雷电临近预警参数，应包括目标区域、缓冲区域、预警阈值、预警数据源时间窗口以及预警信息更新周期。

　　5 . 1 . 2 目标区域

　　目标区域可为一个单一的点，例如有工人作业的塔、规模有限的工厂等，如图 1 a);也可以是特定区域，例如大型建筑、风电场、高尔夫球场等，如图 1 b)。但安全起见，与 目标物理相连且可能产生雷击过电压传导效应的区域应一并设置为目标区域，如图 1 c) , 目标区域发生的每一次地闪被视为一个可引起

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　　过电压的雷电相关事件。

　　a)单点 b)任意形状 c)涵盖服务区

　　注 1 ：黑色区域表示目标物本身。

　　注 2：外延连接线表示与 目标物连接的因 自身雷击可导致目标物致灾的关联部分。

　　图 1 不同形状目标区域示例

　　5 . 1 . 3 缓冲区域

　　缓冲区域应根据目标区域的地理环境、雷击特性、防雷需求预先设定。 通常宜设置成三层级缓冲区域，如图 2 所示。 每一级缓冲区域的宽度(d)应不小于中值定位精度的 2 倍 。

　　标引序号说明：

　　d1 — 一级缓冲区宽度;

　　d2 — 二级缓冲区宽度;

　　d3 — 三级缓冲区宽度。

　　图 2 缓冲区域

　　5 . 1 . 4 预警阈值

　　预警阈值指预警启动或预警等级更新时缓冲区内地闪个数需要达到的数值，预警启动时预警阈值宜设置为 1 。

　　5 . 1 . 5 预警数据源时间窗口

　　从启动(或更新)预警时刻往回截取雷电预警数据源的时间段宜不超过 30 min。

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　　5 . 1 . 6 预警信息更新周期

　　预警信息更新的时间间隔可依据预警实时性需求设置，宜不超过 10 min。

　　5 . 2 预警流程设置

　　5 . 2 . 1 预警流程组成

　　雷电临近预警流程应包含启动预警、持续预警和结束预警三个阶段，具体流程设置见图 3 。

　　注 1 : Δt为预警信息更新周期。

　　注 2：雷电临近预警过程示例见附录 A 的 A. 1 。

　　图 3 雷电临近预警流程

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　　5 . 2 . 2 启动预警

　　预警数据源可采用实际监测的地闪数据或外推后的地闪数据，基于外推的预警数据源生成方法见A.2 。

　　当地闪个数大于或等于预警阈值时应启动预警。

　　注：地闪个数指雷电预警数据源时间窗口 内各缓冲区域和 目标区域的地闪个数。

　　5 . 2 . 3 持续预警

　　启动预警后，进入持续预警阶段。 应依据预警信息更新周期，滚动开展预警等级计算。 预警等级的计算应综合考虑地闪个数以及所处缓冲区域的层级，宜分为三个等级，由高到低依次为 Ⅰ 级 、Ⅱ 级 、Ⅲ级，见表 1 。

　　表 1 雷电临近预警等级划分

　　预警等级计算过程中，当地闪个数小于预警阈值时，应判断不满足预警条件的持续时间是否小于预警驻留时间，若小于则预警等级降低一级，直至降为 Ⅲ级保持不变。 驻留时间宜不小于 3 个预警信息更新周期。

　　5 . 2 . 4 结束预警

　　当地闪个数小于预警阈值且持续时间大于或等于预警驻留时间时，结束预警。

　　5 . 3 预警信息生成

　　启动、结束预警阶段应分别直接生成启动、结束预警信息。

　　在持续预警阶段，仅当预警等级发生变化时，生成持续预警信息。

　　启动、持续预警信息内容宜包含预警阶段、预警时间、目标名称、预警等级。 结束预警信息内容宜包含预警阶段、预警时间、目标名称。

　　6 证实方法

　　使用虚警率、漏报率等指标评价雷电临近预警效果，具体方法按 GB/T 38121—2019 中第 8 章执行。

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　　附 录 A

　　(资料性)

　　雷电临近预警过程示例

　　A.1 雷电临近预警过程

　　A.1 . 1 概述

　　本示例描述点状目标的雷电临近预警过程，具体预警步骤见 A. 1 . 2~A. 1 . 5 。

　　A.1 . 2 预警参数确定

　　预警参数确定如下：

　　— 设置成三层级缓冲区域，每级缓冲区域的宽度为 1 km;

　　— 设置三个预警等级，由高到低依次为 Ⅰ 级 、Ⅱ级、Ⅲ级;

　　— 预警阈值为 1 ;

　　— 预警数据源时间窗口为 20 min;

　　— 预警信息更新周期为 10 min;

　　— 驻留时间为 30 min。

　　图 A. 1 为 18 点 50 分至 20 点 40 分某建筑物在每个预警信息更新周期内以雷电预警数据源时间窗口查询到的地闪个数及分布情况。

　　注：N表示雷电。

　　图 A.1 某建筑物的雷电活动情况示意图

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　　A.1 . 3 启动预警

　　在 19 点 00 分，建筑物 A 的 目标区域和缓冲区域内存在 1 个雷电，此时启动预警，预警等级为Ⅲ级，生成预警信息“启动预警：19 点 00 分，建筑物 A 附近区域可能发生雷电活动，预警等级为 Ⅲ级，请密切关注。”

　　A.1 . 4 持续预警

　　启动预警后，进入持续预警阶段。 依据预警等级计算规则，滚动的开展预警等级计算。

　　在 19 点 10 分，预警等级为 Ⅱ级，较启动预警阶段增加一级，生成预警信息“持续预警：19 点 10 分 ，建筑物 A 附近区域可能持续发生雷暴活动，预警等级为 Ⅱ级，请密切关注。”

　　在 19 点 20 分，预警等级为 Ⅰ 级，较上一时次增加一级，生成预警信息“持续预警：19 点 20 分，建筑物 A 附近区域可能持续发生雷暴活动，雷暴活动趋势增强，预警等级为 Ⅰ 级，请密切关注并做好相应的安全防护应急措施。”

　　在 19 点 30 分 ~19 点 50 分，预警等级均为 Ⅰ 级，未发生变化，不生成预警信息。

　　在 20 点 00 分，预警等级为 Ⅱ级，较上一时次下降一级，生成预警信息“持续预警：20 点 00 分，建筑物 A 附近区域可能持续发生雷暴活动，雷暴活动趋势减弱，预警等级为 Ⅱ级，请密切关注。”

　　在 20 点 10 分，预警等级为 Ⅲ级，较上一时次下降一级，生成预警信息“持续预警：20 点 10 分，建筑物 A 附近区域可能持续发生雷暴活动，雷暴活动趋势减弱，预警等级为 Ⅲ级，请密切关注。”

　　在 20 点 20 分，地闪个数等于 0,此时不满足预警条件的持续时间为 10 min,小于预警驻留时间，上一个时次的预警等级为 Ⅲ级，此时预警等级保持不变仍为 Ⅲ级，不生成预警信息。

　　在 20 点 30 分，地闪个数等于 0,此时不满足预警条件的持续时间为 20 min,小于预警驻留时间，预警等级仍为 Ⅲ级，不生成预警信息。

　　A.1 . 5 结束预警

　　在 20 点 40 分，地闪个数等于 0,此时不满足预警条件的持续时间为 30 min,等于预警驻留时间，结束本次预警并生成预警信息“结束预警：20 点 40 分，建筑物 A 附近区域无雷暴活动发生。”

　　A.2 基于外推的预警数据源生成方法

　　A.2 . 1 步骤一：确立外推区域，一般为方便计算可划一个比缓冲区域更大的矩形框区域，矩形框区域任意边界至少离最大缓冲区域边界 10 km 范围。

　　A.2 . 2 步骤二：获取过去一段时间外推区域内全部雷电地闪，将该数据集合采用可滑动的时间窗进行切分，时间窗采用 30 min,滑动时间间隔取值为预警信息更新周期。 数据集被分为 S1 , S2 , … , SN ，其中N 宜不大于 5 。

　　A..2 . 3 步骤三：对 S1 采用密度聚类算法进行分类划分，得到 K 个分类，并分别求出每个分类的聚类质心点 c11 , c12 , … , c1K 。设第 i个分类中有 M 个雷电地闪，第 j 个雷电地闪的坐标为(xij，yij)，则第 i个分类的质心点c1i的坐标(xi，yi)按公式(A. 1)计算：

　　i ∈ [1,2, ... , K] ……………………( A.1 )

　　A.2 . 4 步骤四：采用质心点 c11 , c12 ,…,c1K为初始点，对 S2 采用同样的密度聚类算法进行分类划分，得到 K 个分类，并计算出每个分类质心点 c21 , c22 , … , c2K 。

　　A.2 . 5 步骤五：循环步骤四直到计算完所有集合 S1 , S2 , … , SN ，获得了一组质心点集合{{c11 , c12 , … ,

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　　c1K｝，{c21 ,c22 ,…,c2K｝，…,{cN1 ,cN2 ,…,cNK｝｝，对每一个类别质心集{c1m，c2m，…,cNm｝，m ∈ { 1 , 2 , … ,

　　K｝，采用线性回归方法计算拟合质心运动函数，并预测未来质心位置 c(N+1)m ，求出未来质心位置与当前最新质心位置的位置变化(Δxm，Δym)。

　　A.2 . 6 步骤六：依据(Δxm，Δym)对 SN 中所有的地闪雷击点进行位置的外推偏移，得到外推雷电地闪集合 SN+ 1 。

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　　参 考 文 献

　　[1] GB/T 21714 . 1—2015 雷电防护 第 1 部分：总则

　　[2] GB/T 37047—2018 基于雷电定位系统(LLS)的地闪密度 总则

　　[3] DL/T 1283—2013 电力系统雷电定位监测系统技术规程

　　[4] QX/T 79—2007 闪电监测定位系统 第 1 部分：技术条件

　　[5] QX/T 262—2015 雷电临近预警技术指南