基于電力大數據的輸電線路防災減災分析系統設計——以貴州電網為例

虢　韜，劉　銳，沈　平，許曉路，周贊東，郭　江

(1.貴州電網有限責任公司輸電運行檢修分公司，貴州 貴陽 550005；2.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北 武漢 430074；3.武漢大學，湖北 武漢 430072)

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基于電力大數據的輸電線路防災減災分析系統設計——以貴州電網為例

虢韜1，劉銳1，沈平1，許曉路2，周贊東2，郭江3

(1.貴州電網有限責任公司輸電運行檢修分公司，貴州 貴陽 550005；2.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北 武漢 430074；3.武漢大學，湖北 武漢 430072)

摘要:結合目前貴州電網輸電線路防災減災工作的實際需求及電力企業海量大數據現狀，提出了一種基于GIS的輸電線路防災減災分析預警系統，以貴州電網常見的山火、覆冰和地質災害為研究對象，以ArcGIS平臺和Oracle 11g為載體，通過對氣象數據、監測數據、運維數據等大數據集成分析，設計基于數據存儲層、數據交換層、數據服務層、分析應用層和綜合展示層的總體架構，形成具有山火、覆冰和地質災害預警的災害預防和提前防護功能的決策支持系統，通過實際運行可知，系統為貴州電網線路防災減災工作提供了有力的支撐。

關鍵詞:輸電線路; 大數據; 地理信息系統; 防災減災; 預警

隨著社會經濟不斷發展，電網已進入以高電壓、大容量、多元化為特征的智能電網大數據時代。然而，近年來自然界異常惡劣的天氣頻發，給電網的安全穩定運行水平造成極大的破壞和影響。架空輸電線路作為電網的重要基礎設施之一，其運行狀況直接影響著整個電力系統的穩定和安全。但受線路自身條件的限制，其長期暴露于自然環境之中，受外界條件影響較大，因此提高線路的運維能力，做好線路防災減災工作顯得尤為重要[1-2]。目前各網省公司大多建立了災害應急響應機制，但如何利用先進技術進行災害預警、監測和災后評估卻相對較為薄弱。

貴州省地處云貴高原，是我國自然災害發生頻率較高的省份，輸電線路走廊內的氣象和地質條件相對復雜。雖然近幾年電網大面積災害發生次數明顯降低，但山火、極端低溫、暴雨泥石流等氣象災害時有發生。電力企業通過采集到的海量運行維護數據，研究如何有效利用海量數據研發與建設集輸電線路災害預警、監測與評估于一體的防災減災系統具有重要意義。本文利用地理信息系統，通過獲取電力大數據，集成挖掘多源信息，可有效分析山火、冰災和地質災害，形成具有災害預防和提前防護功能的決策系統，以提高整個電網應對極端氣象的能力，提高電網穩定性，保證供電可靠性[2-3]。

1地理信息及大數據分析

1.1　地理信息系統

地理信息系統在我國電力系統中的研究應用相對于發達國家來講較為落后，但近幾年隨著科技的不斷發展，其已廣泛應用于電網運維業務系統中。目前，GIS軟件已日趨專業化和商業化，市面上涌現出多種GIS平臺，如：知名度較高的美國環境系統研究所公司的ArcGIS，國內認可度較高的武大吉奧之星產品GeoStar等。

輸電線路由于其自身所處環境的特殊性和復雜性，途徑江河、平原、高山等復雜地質環境，其防災減災工作與地理位置息息相關。GIS作為防災減災系統中的關鍵技術，是貴州電網開展輸電線路防災減災分析預警系統的基礎，有助于對電網災害進行分析、發布和展示[4]。

本文以功能強大的基于服務器的GIS產品ArcGIS Server為工具，它提供了豐富強大的GIS功能，如空間數據編輯、地圖可視化管理、二維或三維地圖分析定位器等服務與應用，同時它可用于構建Web應用及服務以及運行在Web服務器上的企業應用。基于ArcGIS為載體，能有效滿足貴州輸電線路防災減災系統的應用需求[5]。

1.2　大數據來源

目前電力系統輸電線路采集實時、離線數據呈指數化增長，為了有效利用大數據支撐電網災難預警，數據分析主要包括設備空間信息數據、通道基礎地形數據、基礎臺賬信息、運行維護專題數據等，如圖1所示。通過對各類數據分析計算，利用預警分析模型分析線路薄弱環節，識別危險源。

圖1　系統數據來源

(1) 設備空間信息數據

輸電線路設備空間信息數據主要包括桿塔空間信息、桿塔位置信息、塔-線拓撲結構信息、導線相位變化情況、導地線連接方式、絕緣子懸掛位置等。

(2) 通道基礎地形數據

基礎地形數據主要包括貴州電網地形地貌背景數據、線路通道內交通道路路網數據、線路覆蓋地區區域的地名注記數據、輸電線路管理應用所需的其他基礎測繪成果數據。

(3) 基礎臺賬信息

輸電線路可細化為導地線、桿塔、接地裝置、附屬設施、絕緣子串、金具、基礎、通道環境等部件。針對線路及其部件的設備檔案信息包括線路長度、導線型號、地線型號、導線排列方式、導線分裂根數、地線股數、絕緣子型號、金具型號、桿塔型號、架設方式、絕緣子盤徑、絕緣子串形、安裝位置、電壓等級、所屬工區、出廠日期、投運日期等。

(4) 運行維護專題數據

運行維護專題數據包括山火、覆冰、地質災害等相關基礎數據。其中山火、覆冰相關信息等均來源于巡檢管理系統、在線監測裝置、氣象服務器等；地質災害分布數據，如：暴雨點數據、泥石流數據、山體滑坡數據等來源于氣象服務器[5-6]。

2總體設計

2.1　系統應用平臺

(1) ArcGIS Server 10.2

地理信息系統是貴州電網輸電線路防災減災分析預警系統的基礎，是對電網災害進行分析、發布和展示的支撐。ArcGIS Server用于構建集中管理、支持多用戶的企業級GIS應用的平臺。它提供了豐富的GIS功能，例如地圖、定位器和用在中央服務器應用中的軟件對象。ArcGIS Server包含兩個主要部件：GIS服務器和.NET與Java的Web應用開發框架(ADF)。GIS服務器ArcObjects對象的宿主，供Web應用和企業應用使用。它包含核心的ArcObjects庫，并為ArcObjects能在一個集中的、共享的服務器中運行提供一個靈活的環境。ADF允許用戶使用運行在GIS服務器上的ArcObjects來構建和部署.NET或Java的桌面和Web應用。ADF包含一個軟件開發包，其中有軟件對象、Web控件、Web應用模板及例子源碼。同時，它也包含一個用于部署Web應用的Web應用運行，為項目的Web開發提供極大的便利性，提高了系統開發效率[3-7]。

(2) Oracle 11g

本項目中數據庫平臺采用甲骨文公司的Oracle 11g，Oracle 11g是目前最為流行的新一代數據庫系統之一，其強大的數據庫海量處理能力和優秀的運行性能為企業級應用提供堅實的數據服務支撐，特別適合輸電線路防災減災預警與應用系統海量的數據存儲和巨大的數據吞吐，為項目開發的數據庫建設提供了優良的數據處理方案。其日志備份和恢復等功能，可以高效穩定地管理電網防災減災應用數據；并且它提供的安全性能可以有效防止在 B/S 結構的網絡中遭受攻擊；其提供的觸發器和存儲過程可以很方便地對數據進行再加工，生成報表或查詢等。

2.2　系統架構設計

基于GIS的輸電線路防災減災分析預警系統實現空間數據和輸電線路設備臺帳等基礎數據的集成，利用空間數據和輸電線路運行維護相關業務信息數據的融合以及分析應用和可視化直觀展示。為了滿足防災減災分析預警系統數據來源多、覆蓋面廣的要求，符合系統可擴展性、一體化建設標準，系統采用基于數據存儲層、數據交換層、數據服務層、分析應用層和綜合展示層的總體架構設計，如圖2所示。

圖2　系統總體架構

(1) 數據存儲層

數據存儲層進行數據庫結構設計，分析存儲系統所需的大數據。包括運維指揮系統的臺帳、潮流、防冰、山火、氣象數據；氣象服務器的天氣、溫度、濕度、降水量、風速、風向、大氣壓、凝凍災害、火險指數等級等關乎線路運維的氣象數據；輸電線路現場巡檢標準化作業平臺的輸電線路臺帳、巡檢結果、山火、防冰數據；雷電定位系統提供的雷電數據。同時，綜合三類災害所需的實時氣象、冰區分布圖、風區分布圖、地災分布圖、山火分布圖等基礎數據。

(2) 數據交換層

數據交換層構建規范數據接口，與各業務系統交互，組成以Web服務為主體，數據庫直連、FTP傳輸、文件解析等方法輔助的大數據交換體系。完成與運維指揮系統、在線監測系統、生產管理系統、智能巡檢系統、調度管理系統、氣象監測系統等系統的互聯互通，完成與氣象服務器、能量管理系統的文件訪問。

(3) 數據服務層

數據服務層以數據交換層和數據存儲層為數據源，綜合實時和歷史數據，按照類型封裝成系統服務組件，實現數據組織和增刪改查應用，滿足各類業務應用的需求。主要包含業務主站數據服務(臺帳、潮流、巡檢)、防災減災數據服務(防冰、山火、地災)、圖層分析數據服務和狀態監測數據服務(視頻狀態監測、覆冰狀態監測等)五類。

(4) 分析應用層

分析應用層劃分功能模塊，以模塊為單位利用封裝的數據服務組件開發應用，實現綜合展示、災害預警、風險分析、故障告警、統計分析、高級應用和輔助決策。

(5) 綜合展示層

綜合展示層集中將業務邏輯和功能模塊封裝到前臺，供用戶交互操作。完成氣象及災害二維地圖、災害趨勢圖等動態圖表、圖層分布、圖像視頻、動態圖標、美化UI等功能的排布配置。分析客戶需求，完成界面布局和智能交互功能[6,7]。

3系統功能設計與實現

輸電線路防災減災分析預警系統實現對山火、冰災和地質災害3種對貴州輸電線路影響較大的自然災害的分析預警能力，利用多源狀態監測數據建立一體化綜合監測平臺，實現線路狀態信息、氣象信息和二維全景地理信息的集中化分析、處理與展示，實現對氣象信息的展示和氣象災害的預警，智能評估線路本體對三類災害的容災能力，分析薄弱環節，實現技改分析閉環管理。

(1) 氣象信息

氣象信息來源于貴州省氣象局獲取的數據，結合GIS疊加電網分布圖，展示未來3 d的各地天氣預報，各縣級以上氣象站點逐小時溫度、降雨量、濕度、風速風向等實況信息。氣象預警主要包括大霧、強降雨、寒流、山火、高溫和強對流預警等，通過各氣象數據的接入和集成為線路運行維護人員提供直觀的氣象實況和氣象預報、預警信息[8-9]。

圖3　貴州省氣象站信息

圖4　覆冰預警功能細化

圖5　覆冰預警信息

(2) 覆冰預警信息

結合氣象監測數據、覆冰監測系統中線路覆冰的實時觀測數據、輸電線路的運行數據、巡檢平臺中的人工觀冰點數據，通過建立的輸電線路覆冰預警模型，找出短期內輸電線路防冰薄弱點，及時提出重點觀冰區域和急需融冰的線路。根據微氣象信息的預報，結合線路的運行數據，歷史覆冰情況等，精確的做出中長期冰災預警，實現防冰信息的綜合展示、冰害風險評估和技改分析，為輸電線路運行檢修人員提供線路的覆冰防護信息參考和技術改造措施[10]。

(3) 山火預警信息

結合山火監測數據、氣象監測數據、防山火監測點數據和線路運行數據、線路環境數據，通過建立的輸電線路山火預警模型，實現對已經發生的山火進行準確的定位，對山火影響到的附近輸電線路進行預警，快速對受影響的線路提出防治措施。根據氣象監測和預報數據，結合線路運行數據，實現對可能會發生山火的地區及附近的線路進行預報，并發出預警信息[11-12]。

(4) 地質災害預警信息

結合氣象地質災害預報數據和線路運維數據、線路地形地貌等環境數據進行地質災害風險分析和告警，通過建立的地質災害風險預警模型，結合貴州省地災專題圖、氣象監測信息、輸電線路容災設計閾值等信息，實現泥石流預警、暴雨點預警等功能，并根據桿塔傾斜監測信息，實現對極易發生地質災害地段附近的桿塔進行預警，結合線路本體狀況和地質災害環境狀況，提出可行的、有針對性的防護措施[13-15]。

目前，該系統已在貴州省電網公司成功上線運行，實現了與貴州省氣象局的氣象數據實時對接，能夠對覆冰、山火和地質災害進行有效預警，為2015年春節期間的保電活動提供了有力的依據，尤其是覆冰的預警效果顯著，多次分析和判斷了覆冰隱患，給線路運維工作帶來極大的便利。

4結論

本文研究設計了一套基于電力大數據的輸電線路防災減災分析預警系統設計，目前已部署于貴州電網公司輸電運行檢修分公司系統內，為貴州電網的110kV及以上的輸電線路覆冰、山火和地質災害的防治提供分析與預警功能，為線路運維提供災害信息參考和輔助決策，提高了電網運維水平，但對于覆冰、山火和地質災害的三類預警模型還有待進一步驗證。

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A Disaster Prevention and Reduction Analysis System in Transmission Line Based on Power Big Data——A Case Study on Guizhou Power Grid

Guo Tao1, Liu Rui1, Shen Ping1, Xu Xiaolu2, Zhou Zandong2and Guo Jiang3

(1.TransmissionOperationMaintenanceBranch,GuizhouPowerGridLinitedLiabilityCorporation,

Guiyang550005,China; 2.WuhanNARILimitedLiabilityCompanyofStateGridElectricPower

ResearchInstitute,Wuhan430074,China; 3.WuhanUniversity,Wuhan430074,China)

Abstract:Combined with the actual demand of disaster prevention and reduction in transmission line and large data status of power enterprises, we propose a disaster prevention and reduction analysis system based on GIS of Guizhou power grid. Taking Guizhou power grid common fires, icing and geological disasters as the research object, using ArcGIS and Oracle 11g platform, We design the overall framework of the disaster prevention and reduction system of data storage layer, data exchange layer, data service layer, application layer and the presentation layer analysis. Through the integration of meteorological data, monitoring data, operation data, formed with the disaster prevention and advance the protection function of the decision system, it provides a strong support for the work of disaster prevention and reduction of Guizhou power grid.

Key words:transmission line; big data; GIS; disaster prevention and reduction; pre-warning

通訊作者：許曉路(1988-)，男，湖北荊門人，碩士，主要從事智能輸電線路運維工作.E-mail：505787574@qq.com

作者簡介：虢韜(1983-)，男，湖南長沙人，碩士，高級工程師，主要從事輸電線路信息化建設和防災減災研究.E-mail：79169957@qq.com

基金項目：南方電網貴州電網有限責任公司科技項目(K-GZ2013-021)

收稿日期：2015-08-04修回日期：2015-09-10

中圖分類號：TP3；X4

文獻標志碼：A

文章編號：1000-811X(2016)01-0135-04

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.01.025