基于GIS技術的高壓輸電巡檢系統研究

王素珍,夏振華,孫紹凱,張德華,劉樹坤

青島理工大學自動化學院,山東青島266520

基于GIS技術的高壓輸電巡檢系統研究

王素珍,夏振華,孫紹凱,張德華,劉樹坤

青島理工大學自動化學院,山東青島266520

為保證高壓輸電網絡的安全運營，本文以地理信息系統技術為核心，研發了高壓輸電網智能巡檢系統。該系統的基礎數據管理層，采用了C/S架構的地理信息系統技術研發，實現對輸電線路及設備的基礎數據的空間管理與維護，為系統運行提供基礎數據。系統的巡檢管理層，采用了B/S模式的WEBGIS研發技術，實現對巡檢任務的制定與分發，并通過GPRS無線通信技術和GPS全球定位技術實時定位監督、管理與控制巡檢任務的執行狀況，實時匯總巡檢任務產生的缺陷數據并統計分析，再根據專家知識給出消缺處理方案；系統的野外巡檢層，采用了基于PDA的嵌入式GIS開發技術，采用GPS實時精確定位并采集巡檢人員的工作路徑和巡檢數據，再通過GPRS實現與基礎數據管理層和巡檢管理層的數據交互。該系統的實際應用，證明了系統的可行性和有效性。

高壓輸電網;智能巡檢系統;GPS;GIS;WebGIS;嵌入式GIS

輸電網絡是電力系統的重要組成部分，其線路和設備長期暴露在自然環境中，不僅需要承受正常機械載荷和電力負荷的作用，還要經受污穢、雷擊、強風、洪水、滑坡、沉陷、地震和鳥害等各種外界因素的不斷危害。這些因素均會導致輸配電線路上各元件及設備的老化、疲勞、氧化和腐蝕等安全隱患，對電力系統的安全與穩定構成嚴重威脅[1]。因此，對輸電網絡的電力線路及其相關設備進行有效的管理并及時檢修，實時掌握線路及設備運行狀況及周邊環境的變化，及時發現設備缺陷和危及線路安全的隱患，給出具體檢修意見，及時消除缺陷，避免或降低危險事故的發生，從而確保輸配電線路的安全與穩定運行[2]。而輸電網絡的分布，具有廣域的地理空間特性，傳統的管理信息系統(IMS)無法實現對該種數據的有效管理與維護，而必須借助于地理信息系統（Geographic Information System-GIS）技術來實現。

地理信息系統，是以地理空間數據庫為基礎，在計算機軟硬件的支持下，運用系統公衡和信息科學的理論，科學管理和綜合分析具有空間內涵的地理數據，以提供管理、決策等所需信息的技術系統[3]。簡單的說，地理信息系統就是綜合處理和分析地理空間數據的一種技術系統。本文將以地理信息系統GIS技術為核心，集成計算機網絡技術、通信技術、空間數據庫技術以及PDA嵌入式開發技術，研發高效可行的高壓輸電網絡智能巡檢系統，在實現對高壓輸電網絡廣域地理空間分布數據進行有效管理與維護的基礎上，對高壓輸電網絡進行全面的巡視與監督、管理與控制，確保電網中心實時掌握高壓輸電網的安全運營狀況，并根據專家知識及時預警并提供輔助消缺處理方案，以減少或避免安全事故的發生。

1　系統架構

在網絡拓撲結構和功能邏輯上，系統研發采用了兩層架構模型，分別是電網中心管理層用的基礎數據管理GIS系統和輸電巡檢管理WebGIS系統，以及野外巡檢手持設備PDA用野外巡檢嵌入式GIS系統，如圖1所示。

基礎數據管理GIS系統，為巡檢工作提供基礎的數據支持，實現對輸電網所處地形地貌、輸電線路與設備空間地理數據及其相關屬性數據、危險區域地理空間數據及其相關屬性數據、輸電巡檢用缺陷標準專家知識、消缺處理專家知識以及輸電巡檢人員基礎信息等的日常管理與維護功能。

輸電巡檢管理WebGIS系統，實現對巡檢任務制定、分派并對任務的執行進行實時的監督、管理與控制，實現對巡檢人員的實時定位監督與管理，統計分析上報的巡檢缺陷數據，準確了解巡線員巡視線路及設備的時間、所在位置以及電網的缺陷情況，及時發現電網線路及設備運行缺陷和存在的事故隱患，并為消缺處理提供合理可行的方案，為電網線路及設備的綜合治理、以及要采取的相應改進措施提供詳實的依據。

圖1　系統網絡架構圖Fig.1 Network topology of intelligent patrol inspection system

圖2　管理層技術架構Fig.2 Technical framework of management layer

野外巡檢嵌入式GIS系統，內嵌于手持式PDA巡檢儀，采用GPS定位技術實現巡檢人員的實時定位坐標采集，并實時地圖匹配以智能導航巡檢人員按任務定制路徑進行電力的巡檢工作；采用GPRS或USB實現與內業巡檢管理層的數據交互[4]，實現任務下載、缺陷數據的上報以及巡檢人員巡檢路徑的上傳，便于管理人員及時掌握并監督管理巡檢人員的到位情況，及時發現輸配電線路及設備的工作狀態與缺陷狀況并及時上報。

2　系統中心管理層研發

2.1研發技術架構

高壓輸電巡檢系統中，基礎數據管理GIS系統和巡檢管理WebGIS系統，均為海量的空間數據和屬性數據。因此，在技術實現上[4-6]，采用ESRIArcGIS9.3作為基礎數據管理GIS系統的開發平臺，采用AO技術和VS C#開發實現C/S模式下的輸配電網基礎數據管理與維護；采用ESRI ArcGIS9.3 Server作為巡檢管理WebGIS系統的開發平臺，采用JSP/C#.Net技術研發實現B/S模式下的各項功能。系統數據庫采用Oracle11g，統一管理基礎數據管理GIS系統和巡檢管理WebGIS系統中各功能運行所涉及的空間數據和屬性數據，其空間數據訪問技術采用ArcSDE空間數據引擎實現[7]，屬性數據的訪問采用ADO技術[8]。系統應用層研發技術架構如圖2所示。

2.2功能邏輯

電網中心管理層的功能實現邏輯如圖3所示。其基礎數據管理GIS系統，實時檢測系統數據庫，若發現新建/廢除的輸電線路及設備地理坐標數據，便自動添加或刪除該線路及設備的地理數據以及時更新輸電網絡地理圖層，巡檢管理WebGIS系統和野外巡檢嵌入式GIS系統提供最新的電子地圖數據支持。

巡檢管理WebGIS系統，首先按巡檢需求定制各項巡檢任務，并連同該任務所轄的高壓輸電網絡地理數據經地圖切片處理后通過GPRS/USB發送任務至各PDA，并通過GPRS無線通信方式實時接收各PDA發送來的電力缺陷數據和巡檢路徑軌跡；針對缺陷數據，系統會根據缺陷標準專家知識統計分析其缺陷嚴重程度并在地圖上進行標記，再根據消缺處理專家知識發送消缺處理策略給相關人員并安排時間及時進行消缺處理，以實時跟蹤處理消缺全過程；針對巡檢路徑軌跡，實時監視野外巡檢人員的巡檢路徑及巡檢狀況，定位監督并管控野外巡檢人按要求執行巡檢任務。

圖3　管理層功能實現邏輯架構Fig.3 Logic framework of functional implementation of management layer

2.3數據庫規劃

系統中心管理層用數據庫，是整個高壓輸電智能巡檢系統的數據支撐層，既有廣域的空間地理數據，又有屬性數據。這些數據中，既包含了系統運行所需的基礎數據，又包含業務流程中所產生的業務數據。系統數據庫結構如圖4所示。

基礎數據，分為空間數據和屬性數據。其中，空間數據包括行政區劃地理圖層數據、高壓輸電線路/設備地理圖層數據、危險區域地理圖層數據；屬性數據，線路/設備基礎信息數據，包含缺陷標準專家知識數據和消缺處理專家知識數據。

業務數據，也分為空間數據和屬性數據。其中，空間數據包含任務定制線路圖層數據、新建電網線路/設備位置采集數據、缺陷狀態專題數據、消缺狀態專題數據、任務執行中野外巡檢歷史軌跡地理圖層數據；屬性數據，包括任務定制中產生的地理數據之外的數據，如巡檢時間、周期、巡檢狀況以及巡檢人員安排等，還有巡檢過程中實時上報的電網線路/設備缺陷數據以及消缺處理過程中產生的修復決策、處理狀態、處理結果以及消缺處理人員等相關數據。

圖4　系統數據庫劃分Fig.4 Partition of the system database

圖5　外業層業務流程Fig.5 Working flowchart of out side task layer

3　系統野外巡檢層研發

3.1研發技術

系統中，其外業的野外巡檢PDA小系統，其嵌入式操作系統采用WIN CE，嵌入式數據庫采用MS SQL Server CE，嵌入式GIS開發平臺為ESRIArcGIS Mobile，用VS C#具體開發實現。

3.2功能邏輯

野外巡檢人員手持PDA進行野外巡檢。開機后，系統先自動檢測是否有未完成的任務，若有，則接上次任務執行點位開啟電網線路設備的智能身份識別與GPS定位導航繼續完成該任務；若沒有，則檢測是否有新發來的任務，若有，則開啟智能身份識別和GPS定位導航功能進行巡檢[9,10]。其業務流程如圖5所示。

根據任務定制巡檢時，小系統首先檢測是否有新建線路/設備，若有，則先采集新建線路/設備的地理坐標和人員移動坐標，經濾波處理后，存入PDA小系統臨時數據庫，然后再定位采集缺陷數據。若任務定制路徑為已有線路，則確定起始點后根據GPS定位導航并與系統數據庫進行坐標數據匹配智能識別正在巡檢線路/設備是否符合任務定制區域，若符合，則定位采集缺陷數據和人員移動坐標，再將數據暫存至PDA小系統臨時數據庫；否則，重新GPS導航至任務定制區域再巡檢。小系統實時判斷GPRS通信是否正常，若正常，則將各暫存至臨時數據庫中的數據經GPRS發送至系統數據庫[11]；否則，采用USB方式傳輸各數據至系統數據庫。

3.3數據庫規劃

系統野外巡檢曾用數據庫為PDA嵌入式數據庫，其數據機構如圖4所示的系統中心管理層數據庫規劃。但考慮到PDA數據處理能力的有限性，該數據庫僅存儲與當前巡檢任務相關的數據，即巡檢任務區域范圍內的行政區劃、線路/設備圖層及基本屬性、危險區域圖層以及缺陷標準和消缺處理專家知識等基礎數據，以及與巡檢任務區域范圍相關的業務數據。

4　系統功能描述

4.1系統中心管理層

4.1.1任務管理實現對輸電巡檢任務的創建、編輯、分配、以及查詢等功能。用戶可根據需求，點選或手動輸入需要巡檢的輸配電線路以及變電站的巡檢范圍，若為周期性或階段性巡檢，可直接套用歷史巡檢任務相關內容。其功能界面如圖6（A）所示。

4.1.2缺陷管理實現對輸電巡檢缺陷數據以及消缺狀況進行編輯與管理。對輸電巡檢數據的缺陷等級以及消缺狀況進行統計分析，并以報表形式或電子地圖形式進行空間展布。其功能界面如圖6（B）所示。

4.1.3巡檢監督根據巡檢現場實時反饋的巡檢人員定位坐標，實時生成巡檢路徑，并與任務定制路徑實時匹配，實現對現場巡檢人員的24 h實時監控與管控；實現對巡檢人員的歷史巡檢任務的軌跡回放，統計分析歷史任務巡檢狀況的定位監督與管理。

4.1.4消缺管理為缺陷處理提供消缺方案，并定位跟蹤監督缺陷處理狀況。

圖6　管理層功能界面Fig.6 Functional interface of management layer

4.2系統野外巡檢層

4.2.1任務下載PDA開機，系統首先判斷當天將要執行的任務是否下載；若未下載，則以無線方式自動下載或USB手動下載。若已下載，顯示當天需執行任務編號及內容。

4.2.2輸電巡檢根據當前巡檢任務的定制路線或區域進行巡檢；在PDA上打開要執行的任務的地圖文件，并空間展布，作為巡檢用底圖；按底圖給定的任務路線及設備巡檢范圍，導航巡檢人員執行巡檢任務，并錄入巡檢結果數據和拍照取證；自動采集巡檢人員巡檢方位坐標并上傳至電網中心管理層，若巡檢路徑非任務定制路徑，則接收中心管理層發回的任務確認信息并調整巡檢路徑；巡檢員可根據線路及設備的具體缺陷狀況按國家缺陷標準進行點擊選區，若國家標準中未有或與實際狀況不符，巡檢員可手動寫入巡檢結果，并保存到缺陷庫以備后用。其功能界面如圖7（A）所示。

4.2.3數據管理對PDA本地存儲的巡檢數據進行核實，并檢測是否已經上傳；若巡檢數據與現場狀況不符，則對巡檢數據進行修改。對檢測無誤且未上傳的巡檢數據，則在GPRS正常通訊的情況下上傳至中心管理層系統數據庫，并自動清空本地數據；若GPRS通信不正常，則暫存數據至PDA本地數據庫。其功能界面如圖7（B）所示。

圖7　野外巡檢功能界面Fig.7 Function interface of outdoor patrol inspection

5　結論

將GIS技術應用于高壓輸電網的巡檢而研發的高壓輸電智能巡檢系統，既能實現對高壓輸電網廣域地理空間數據的管理于維護，又結合GPS技術實時定位監督巡檢人員的野外巡檢情況，亦確保了巡檢人員按巡檢任務制定的工作路徑進行巡檢，智能記錄巡檢人員的實際巡檢路徑并實時與任務定制的路徑相比對，指引巡檢人員按正確路徑、按正確方向進行巡檢，避免重復巡檢、漏檢，避免錯檢導致的人員傷亡事故的發生。缺陷標準專家知識和消缺處理專家知識的運用，使得對電網線路/設備的缺陷描述實現標準化作業，再結合消缺處理專家知識為消缺處理提供了良好的輔助決策。

該系統的研發符合電力巡檢的業務流程，且在實際應用中取得了良好的應用成果，得到了國家電網公司的認可，更驗證了該系統的可行性和有效性。

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Research on Patrol Inspection System for High Voltage Transmission Network Basedon GIS

WANG Su-zhen,XIA Zhen-hua,SUN Shao-kai,ZHANG De-hua,LIU Shu-kun
Automation Engineering College of Qingdao Technological University,Qingdao 266520,China

For the safe operation of high voltage transmission network,this paper applied the technology of Geographic Information System to establish a High Voltage Transmission Network Patrol Inspection System(HVTNPIS).The basic data management layer of HVTNPIS was developed by the technology of C/S-based GIS to manage and provide basic spatial data of the high voltage transmission network for the whole system.The patrol inspection management layer of HVTNPIS was implemented with the technology of B/S-based Web GIS to create and distribute patrol inspection tasks,supervise,manage and control timely the execution states of all tasks by using GPRS and GPS technology,to collect and analyze the power defect data,and further provide maintenance solution with the expert knowledge.The field patrol inspection layer of HVTNPIS was designed by introducing embedded GIS to position,collect and transmit the patrol paths of patrol workers and power defect data to the basic data management layer and patrol inspection management layer in a real time method.The application results of HVTNPIS showed its feasibility and effectiveness.

High voltage power transmission network;intelligent patrol inspection system;GPS;GIS;WebGIS;embedded GIS

TM723

A

1000-2324(2015)02-0238-05

2013-05-13

2013-05-29

青島市開發區科技攻關基金項目(2013-107)

王素珍(1975-),女,濰坊人,博士后,副教授,主要從事電氣自動化及智能技術系統的研發.E-mail:wangsuzhen2020@163.com