Preliminary validation of GLASS-DSSR products using surface measurements collected in arid and semi-arid regions of China

Global Land Surface Satellite-downward surface shortwave radiation(GLASSDSSR)products have been routinely produced from 20082010 based on an improved look-up table algorithm,which explicitly accounts for the variations of cloud optical depth,water vapor content,and elevation.In this study,we validated and assessed the accuracy of these products in arid and semiarid regions of China.Toward this goal,observation data-sets provided by the Arid and Semiarid Region Collaborative Observation Project as well as four other metrological sites were collected,chosen,and preprocessed for the final validation.Due to the possible effect of spatial collocation and the strong adjacency pixel effect in instantaneous products,we used a more sophisticated validating scheme in order to reduce the impacts from these effects as much as possible.Evidences indicate that the GLASS-DSSR products are considerably accurate over most parts of arid and semiarid regions in China,but in complex terrain areas the products might need further refinements.The R2 at all sites(except Naqu)was larger than 0.8 with a root mean square error(RMSE)range of about in 90130 W/m2.Linear regression analyses suggest that GLASS-DSSR products tend to overestimate DSSR in the interval of low surface-measured values and symmetrically underestimate DSSR in the interval of high values.This systematic error may result from inappropriate assumptions about clouds and aerosol loadings over the regions in the operational algorithm.

配电系统安全域的数学定义与存在性证明

该文从数学上描述了配电系统的N-1安全性,给出了安全域(distribution system security region,DSSR)的严格数学定义,并首次证明DSSR的存在性。首先,从数学上描述了配电系统运行的状态空间与正常运行方式下的约束条件。其次,为描述N-1安全性及安全程度,提出了安全函数的概念,并给出一个具体的安全函数,并证明其具有连续和单调减的重要性质。再从数学上将N-1安全性描述为安全函数满足某个预定临界值的问题。然后,给出了更严格的DSSR数学定义:DSSR是所有安全工作点的集合,该集合具有封闭的边界,边界内部均为安全工作点,外部均为不安全工作点。最后,从数学上证明了对于任意给定配电网,其DSSR一定存在。文中工作对揭示配电网安全域的数学本质具有重要意义,为未来智能配电系统安全高效的运行及规划技术奠定理论基础。

配电网安全域的实证分析

完成了具有一定规模的实际配电网安全域(DSSR)实证研究,并应用于该电网的夏季大负荷分析。首先,简要介绍了现有的DSSR概念和理论,并针对调度部门需求对安全评价方法与安全控制方法进行了实用化改进。其次,在天津市核心城区选择了一个4.82km2的完全配电自动化覆盖的配电网,根据电网数据计算出该电网的安全边界方程,再进一步验证了该安全边界在电网运行中是实际存在的。最后,基于DSSR对夏季大负荷数据进行了安全分析,并将分析结果与已有安全分析报告对比。对比表明,计算得到的安全边界准确地反映了该电网的N-1安全运行范围,对于夏季大负荷的分析结果也与实际情况相符。

配电网安全边界的产生机理

该文研究揭示了配电网安全边界的形成机理。首先,定义了元件间的拓扑距离,根据N-X后两馈线是否产生电气连接以及故障后负荷转带路径的不同,将馈线联络关系归纳为3大类:N-1联系、N-2联系和无联系,并细分为7种。其次,在观测馈线来自同一主变和不同主变的两种情况下,分析了斜线边界、直线边界的产生原因,得出边界数量计算公式。最后,总结得到7种网络结构与完整安全边界二维视图的对应表,能无需仿真绘制安全域图像或解析列写边界方程,直接按网络结构查表确定安全边界的基本图像。总结发现了安全边界的形成机理和规律:当且仅当馈线联络为N-1联系时才会出现斜线边界;而直线边界总是存在。边界数由常量和变量两部分构成,斜线数常量随拓扑距离增加而减少,直线数常量则相反。

配电系统安全域的体积

该文提出了配电系统安全域(distribution system security region,DSSR)体积的概念与算法,分析了DSSR体积对电网的意义。首先,对DSSR体积进行了定义,DSSR描述了配电系统满足N-1安全的运行范围,体积是DSSR大小的度量。其次,提出了DSSR高效运行区的体积定义。再次,提出了基于蒙特卡罗仿真的DSSR体积算法。最后,通过算例验证了体积算法,并进一步研究了体积的用途。DSSR体积能提供一些最大供电能力(total supply capacity,TSC)无法给出的重要信息,选取TSC相同但DSSR体积不同的电网比较,发现体积大的电网具有更好的安全性能,在各个负荷增长方向上的安全裕量更均衡。该文提出的DSSR体积是反映配电网安全性能的新指标,对未来配电网的规划和运行具有重要的应用价值。

配电网安全域法的改进及与N-1仿真法的对比验证

配电系统安全域(DSSR)是一种新的配电网安全评价方法,但是现有DSSR方法尚未给出N-1仿真安全评价法能够得到的所有信息,文中对DSSR法进行改进并与仿真法全面对比。首先,分析了两种方法的原理:N-1仿真法逐个模拟元件故障,通过校验是否满足过负荷等静态安全约束来评价是否安全,并用停电范围和容量裕度来分别衡量不安全和安全的程度;DSSR方法预先根据网络结构和参数计算N-1安全边界,不需要仿真,能够通过判断工作点在安全边界内外快速计算电网是否安全,再依据工作点到安全边界的距离来衡量安全或不安全程度。然后,在此基础上提出了DSSR安全评价的改进方法,使其能够得到仿真法的所有结果,包括按严重程度排序的故障集、过负荷元件集和过负荷的大小。最后,通过算例将两种方法进行对比,验证了改进方法的正确性和快速性。所述工作不仅扩展了DSSR方法的功能,还揭示了DSSR方法与仿真法的关系,解释了DSSR法能够不经过仿真准确得到N-1安全分析结果的原理,为DSSR的实际应用奠定了理论基础。

配电网安全域的全维观测

提出了配电网安全域(DSSR)全维观测的概念与方法。首先,在总结现有2维、3维投影观测不足的基础上提出全维观测的概念。其次,提出一种基于安全距离的全维观测方法。该方法包括以下内容:(1)定义DSSR的等效半径,即原点到所有有效安全边界的距离;(2)通过DSSR半径的折线图和雷达图进行全维可视化,以观察域的特征和凹陷;(3)定义凹陷指标和形状畸变指标量化描述域的凹陷程度和圆润程度;(4)分析凹陷对应的边界表达式,得出凹陷原因及改善方案。最后,进行算例验证并与投影法对比。上述方法能完整地观测高维域的形态,发现投影法难以发现的隐藏缺陷,为安全域信息的深度挖掘提供了新的工具。

配电网安全域的特殊二维图像:发现、机理及用途

二维图像是配电网安全域(distribution system security region,DSSR)可视化观测的最常用方式,所有可能出现的图像被归纳成DSSR图谱。该文发现现有图谱外的2种新图像,并揭示了图像的产生机理。首先,简介DSSR二维观测和现有图谱。其次,给出新发现图像,其特征是斜线边界上具有直角"凸起"或"凹陷",故命名为"斜线凸"和"斜线凹"。然后,分析得到特殊图像的产生机理:若配电网N-1后存在多种负荷转带方式,对应DSSR为非凸集,造成域表面的凸起与凹陷,二维切割后出现"斜线凸"和"斜线凹"。实际配电网一般具有多转带方案,因此特殊图像是普遍存在的。为阐述机理,该文3D打印了两供一备接线的完整DSSR,二维剖面后成功复现了新图像,并采用分段联络接线及2个IEEE RBTS-Bus4扩展算例进行了验证。该文是完整DSSR图谱的重要补充,能帮助人们更全面认识DSSR的几何特征。研究结果具有应用价值,不仅能提高安全性评估的准确性,还能引导工作点规避凹区和利用凸区,从而达到安全高效。

配电网安全域的二维图谱

提出了配电网安全域(DSSR)图谱的概念,并绘制了无源配电网和2种典型有源配电网的DSSR二维图谱。首先,给出了DSSR图谱的定义和绘制方法。DSSR图谱是某一类型配电网所有可能的安全域二维图像的集合,包含了域的象限、形状等图像特征。然后,针对无源配电网、高渗供电网(容量渗透率约为40%)和自给网(容量渗透率约为100%),分别绘制其N-0(正常运行)和N-1的2套DSSR图谱。最后,对比分析了不同渗透率下的DSSR图谱变化规律。DSSR图谱的建立使得DSSR二维图像研究更具系统性,有助于直观理解配电网安全运行范围的几何特征。

配电网安全域的N×N形式维度

配电网安全域(DSSR)的维度描述了DSSR的问题规模,提出了一种新的维度定义,相比现有定义不仅更符合人们看待问题空间的习惯,还能得到单一数值表示问题规模。首先,提出了采用形式的DSSR维度定义。其次,给出了这种维度定义的计算方法和一般算法流程图,先根据馈线关联矩阵得到馈线组合,再计算虚拟全联络时的馈线组合数,最终得到维度定义中的等价馈线数。再次,研究了DSSR维度与网络结构的关系。最后,采用算例验证了文中定义和方法,并将维度用于解决DSSR二维观测组合规模大的难题,即任两回馈线都可能组合观测,但很多组合都不必要,根据文中方法能精确得到真正需要的组合,简化DSSR结果的使用。

Accurate Shortwave Radiation Simulation with a Two-Layer Aerosol Model in Xinjiang Region

To harness the rich solar energy resources in Xinjiang Region of Northwest China,this study tries to address the issue of lack of downward surface shortwave radiation(DSSR)observations and the need to improve the accuracy of satellite retrieval and numerical simulation of DSSR under varied sky and meteorological conditions.(1)A two-layer aerosol model specific to Xinjiang was developed to capture the vertical distributions of aerosols based on multiple data sources including lidar,GPS sounding,ground meteorological observations,and profiles from the ECMWF reanalysis version 5(ERA5)data.The results show that the ERA5/PBLH(planetary boundary layer height)and ERA5/ALH(aerosol layer height)could be used to establish the two-layer aerosol model and characterize the vertical distribution of aerosols in Xinjiang Region.(2)Using the Santa Barbara Discrete Atmospheric Radiative Transfer(SBDART)model,a localized inverse model of clear-sky DSSR was established.After parameter adjustment and using the optimal combination of input parameters for DSSR simulation together with the two-layer aerosol model,the model-simulated DSSR(DSSRSBD)under clear-sky conditions improved significantly compared to the initial results,with all fitting indices greatly improved.(3)In addition,the study demonstrated that the impact of the two-layer aerosol model on DSSR was more pronounced under dust conditions than clear-sky conditions.(4)Using the localized clear-sky DSSR inversion model and its required parameters,simulations were also conducted to capture the spatiotemporal distribution of DSSR under clear-sky conditions in Xinjiang from 2017 to 2019.The annual average DSSR_(SBD)under clear-sky conditions in Xinjiang during 2017–2019 was 606.78 W m^(-2),while DSSR from CERES(DSSR_(CER))under the same conditions was generally higher(703.95 W m^(-2)).(5)It is found that satellite remote sensing products experienced data loss in high-altitude snow areas,where numerical simulation technology could serve as a valuable complement.

FY-4A太阳短波辐射产品在黑河流域的精度分析

FY-4A是我国自主研发的新一代静止气象卫星,其太阳短波辐射(downward surface shortwave radiation,DSSR)产品在水文、生态研究和能源开发利用等方面具有广阔的应用前景。基于祁连山综合观测网2018年4-12月的12个辐射站点观测数据,对黑河流域FY-4A DSSR产品进行精度验证和误差分析。结果表明:FY-4A DSSR产品与地面测量值具有较好的一致性。在晴空条件下,FY-4A DSSR与地面辐射站点观测数据的相关性(相关系数r=0.95)较高,平均偏差(MBE)为11.74 W·m^(-2),均方根误差(RMSE)为59.43 W·m^(-2);在全天空条件下,r为0.82,MBE和RMSE分别为75.99和163.80 W·m^(-2),精度比晴空条件下低;FY-4A DSSR产品在不同的月份存在一致高估现象。此外,随高程升高,FY-4A DSSR与地面测量值的相关性总体降低。本文对FY-4A DSSR产品精度进行了定量分析,为了解其质量及其应用提供科学参考。