基于GIS的農(nóng)電網(wǎng)絡(luò)智能化系統(tǒng)

張 兵，唐 斌，張 勇，張 輝，李 玲

（1.成都理工大學(xué) 地科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059；2.鄧州市電業(yè)局，河南 鄧州 474100；3.河南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007）

基于GIS的農(nóng)電網(wǎng)絡(luò)智能化系統(tǒng)

張 兵1，唐 斌1，張 勇2，張 輝2，李 玲3

針對目前農(nóng)電網(wǎng)絡(luò)存在的缺陷，結(jié)合GIS在處理空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)方面的優(yōu)勢，設(shè)計了一種突破傳統(tǒng)模式，可實現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)信息共享，極大增強現(xiàn)有基礎(chǔ)信息利用率的基于GIS的新型農(nóng)電網(wǎng)智能化系統(tǒng)。著重對供配電、監(jiān)控管理、通信、智能收費、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫等模塊的功能及實現(xiàn)思想進行了闡述，并對部分核心模塊的建設(shè)提出了建議。

農(nóng)電網(wǎng)絡(luò)；GIS；信息共享；智能化

1 GIS技術(shù)在農(nóng)電網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國電力在GIS方面的應(yīng)用開始于20世紀(jì)90年代中期，隨后慢慢與國際領(lǐng)先水平接軌。經(jīng)過農(nóng)網(wǎng)改造后，農(nóng)電網(wǎng)絡(luò)設(shè)施在各方面都有很大進步，但在信息化處理、利用方面還有很大不足，而且由于基層農(nóng)網(wǎng)存在技術(shù)缺陷，存在一系列的現(xiàn)實問題。隨著生活水平提高，面對用戶用電量增加，區(qū)域數(shù)據(jù)量的膨脹以及不定因素的增多，目前農(nóng)電部門常用的AutoCAD等工具已不能在現(xiàn)有資料基礎(chǔ)上做出合理分析，制定有效的管理策略，嚴重影響了管理效率。現(xiàn)有的農(nóng)電網(wǎng)絡(luò)維護、運營、管理等主要還是依靠人工，基層人員可利用資源比較單一，受客觀條件影響，無法在第一時間做出反應(yīng)，不能直觀、全面地發(fā)現(xiàn)問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)更新困難，從而大大延長了機動時間。GIS強大的數(shù)據(jù)、空間分析能力，結(jié)合計算機圖形、圖像處理技術(shù)，

能使管理人員更直觀地掌握電網(wǎng)實時運行情況，為農(nóng)電資源優(yōu)化配置提供了一套完善的信息化解決方案。目前GIS在農(nóng)網(wǎng)方面的應(yīng)用主要集中在配網(wǎng)方面，還有很大進步空間[1]。

2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的總體目標(biāo)是滿足鄉(xiāng)鎮(zhèn)級供電服務(wù)單位的業(yè)務(wù)需求，以實現(xiàn)供電所、上級單位、用戶之間的信息共享，每個模塊的屬性信息及其實時信息可被系統(tǒng)局域網(wǎng)內(nèi)其他用戶獲取，極好地解決了電網(wǎng)管理中電網(wǎng)數(shù)據(jù)與地理信息不統(tǒng)一的問題[2]。

在建設(shè)過程中采用一種B/S和C/S混合結(jié)構(gòu)，用戶可在Web上瀏覽發(fā)布的空間數(shù)據(jù)，也可在客戶端發(fā)布請求。利用平臺對特別案例加載相應(yīng)專題圖層，以改造目標(biāo)為基礎(chǔ)與新建要素對比，進行最優(yōu)方案配置，并將枯燥的數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為三維地理信息，為業(yè)務(wù)管理者提供更直觀的檢測信息。通過在局域網(wǎng)建立若干銷售管理工作站，實現(xiàn)電量的自動化計費。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)主要模塊的功能

3.1 供配電模塊

在電力資源管理中，GIS配電網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用最為廣泛，通過將各種信息數(shù)據(jù)進行集成構(gòu)成面向用戶的功能。目前的配電管理系統(tǒng)中GIS與SCADA兩個子系統(tǒng)最為重要，GIS作為存儲平臺的唯一數(shù)據(jù)源與配電SCADA之間做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，避免各個機制間出現(xiàn)信息孤島。在配電系統(tǒng)中，C/S構(gòu)架承擔(dān)輕負荷工作，采用Windows界面來實現(xiàn)信息查詢；B/S構(gòu)架主要承擔(dān)大量信息輸出，以滿足用戶對電力走向、設(shè)備屬性的了解需求。配電網(wǎng)采用三維GIS技術(shù)，真實直觀地展現(xiàn)地表的物理信息，包括設(shè)備、線路、建筑物等[3]。系統(tǒng)主要功能如下：

1）設(shè)置人機界面，提供給農(nóng)電人員權(quán)限管理，完成對圖形的基本操作，并及時做好多空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的更新，建立統(tǒng)一坐標(biāo)和度量的數(shù)據(jù)，對不同來源的信息進行整合，滿足不同程度不同需求的共享和轉(zhuǎn)換。

2）通過鷹眼導(dǎo)航、專題地圖做好故障分析，找出最佳搶修路徑，建立配電模型，科學(xué)選擇輸電線路完善規(guī)劃設(shè)計。

3）在局域網(wǎng)上與上級部門對接，完成各種圖標(biāo)報表。

4）在三維空間對停電區(qū)域模擬，分析影響程度，以保證重要用戶的用電。

5）輸入定點塔桿、變壓器、街道、線路、用戶量等信息，通過數(shù)碼實時監(jiān)控，對臺區(qū)實施可視化管理，不僅可以滿足營銷管理的需求，還可以透過現(xiàn)場考察工作質(zhì)量。

3.2 監(jiān)控管理模塊

現(xiàn)場監(jiān)控的關(guān)鍵在于建立合理的GIS與SCADA集成系統(tǒng)，保證兩個系統(tǒng)既能分別獨立運行，又能自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與共享。由于GIS與SCADA系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)拓撲和圖形的輸出格式方面有所不同，需要SCADA前置機與遠置機在通過遙測系統(tǒng)獲取電力信息的同時，又不影響GIS系統(tǒng)工作，相當(dāng)于把GIS各項功能加以區(qū)分，增加了系統(tǒng)的處理能力，但要把握好二者的結(jié)合程度，故選擇基于ActiveX控件的集成。

在系統(tǒng)中GIS主要用來對系統(tǒng)、模型、界面等進行維護，同時在SCADA集成中作為ActiveX實現(xiàn)功能的對象，ActiveX控件創(chuàng)建可自動獲取GIS功能的對象，SCADA通過人機接口與GIS相連，完成電網(wǎng)拓撲信息、實時數(shù)據(jù)的互獲取工作，如圖2所示。

3.3 通信模塊

通信單元往往是各大信息部門難以解決的問題，基層農(nóng)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信要么無法獲取信號、要么數(shù)據(jù)采集不及時，滿足不了線路復(fù)雜、環(huán)境惡略、信息量日益變大的需求，故采用無線和光纖的混合通信模式。在電網(wǎng)的主干通信中采用光纖或?qū)拵鬏敚匾獏^(qū)間采用專用光纜傳輸，支網(wǎng)則采用無線通信技術(shù)，也可與新興的WiFi、3G等技術(shù)結(jié)合，因地制宜更好地利用資源。在建設(shè)過程中既要考慮基層電網(wǎng)之間的饋線終端結(jié)構(gòu)，又要保證傳輸?shù)目煽啃耘c安全性，更要考慮地域空間的影響及未來通信發(fā)展。此系統(tǒng)已取得了很好的效果，可在其他供電企業(yè)中推廣使用[4]。

圖2 SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要承擔(dān)通信網(wǎng)絡(luò)圖層管理、圖層顯示、通信設(shè)備查詢和管理等工作，存儲歷史信息的同時關(guān)注系統(tǒng)的整體動態(tài)。通過簡單操作可完成基本的圖形插入、修改等工作，可通過網(wǎng)絡(luò)分析做出最優(yōu)通信設(shè)備路徑求解，也可與裝有無線設(shè)備的搶修車輛通信，把現(xiàn)場信息傳回服務(wù)中心做分析制定出決策。系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.4 智能收費模塊

目前市場上通用的計量電表大部分是電子式的，雖然性能比過去更穩(wěn)定，但依然是采用人工抄表收費的模式，不僅工作重復(fù)性高，而且工作量大，管理部門也因先用電后收費而造成壓力，經(jīng)常因電費問題產(chǎn)生糾紛。智能收費系統(tǒng)是一種基于智能電表的收費系統(tǒng)，有效緩解了以往勞動強度高但收獲甚微的狀況，提高了管理效率和社會效益。

系統(tǒng)的實現(xiàn)，可在現(xiàn)有電表基礎(chǔ)上增加存儲器等模塊，將電量、用戶使用記錄等信息存儲于存儲卡中；采用預(yù)付費形式向付費卡中充磁，通過磁卡給用戶支付相應(yīng)電量，系統(tǒng)通過載波等傳輸方式將用戶信息傳回服務(wù)中心存檔。電表與GIS平臺的連接采取ProfiBus通信方式，在智能化控制下完成數(shù)據(jù)的周期、非周期讀寫。ProfiBus為國內(nèi)唯一經(jīng)國家批準(zhǔn)的總線，標(biāo)準(zhǔn)為GB/T20450-2006，可使傳輸速率達12 Mb/ s[5]。隨著3G時代的到來，在計算機與通信技術(shù)的支持下，最新的WiFi技術(shù)也可應(yīng)用于系統(tǒng)中，WiFi通信技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸率高、組網(wǎng)靈活、可移動性好等優(yōu)點[6]。收費系統(tǒng)中的WiFi傳輸采用單元模式建立，其中WiFi信號有效范圍內(nèi)的用戶為一單元，每單元建立相對綜合的數(shù)據(jù)響應(yīng)、傳輸通信。這樣既可保證通信安全，也對設(shè)備的未來擴展有積極意義。對于整個農(nóng)網(wǎng)來說，以用戶為單位的設(shè)計，也體現(xiàn)了因用電量產(chǎn)生的問題需在客觀上做決策的科學(xué)性。在地域、電網(wǎng)分布的背景下剖析用戶熱點，合理做出臺區(qū)分割，有效解決臺區(qū)用電末端常年的電壓苦惱。ProfiBus系統(tǒng)框如圖4所示。

圖4 ProfiBus系統(tǒng)框架圖

3.5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)中各個模塊之間具有相對獨立性，由于需求不同所以在不同的技術(shù)和設(shè)備支持下，數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、格式等可能都不統(tǒng)一，因此需要一個綜合的自動化數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)各個模塊的無縫結(jié)合，將不同類型的數(shù)據(jù)、不同比例的圖形、不同格式的圖像、音頻、視頻等信息自動歸類，實現(xiàn)信息的整合，即需要建立一種面向電力Web/GIS應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫[7]。

①有關(guān)設(shè)備與電網(wǎng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)必須從應(yīng)用的角度來定義，包括設(shè)備的規(guī)格、價格、型號，電網(wǎng)最基本的一次設(shè)備連接屬性，各類數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)等。②電網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)，包括這類數(shù)據(jù)的類型，如電壓、電量、負荷等，以及采集這類信息的采集點分布，包括各點之間通信設(shè)備的技術(shù)參數(shù)都是復(fù)雜的，就需要將前置機的上傳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工程量和正確時標(biāo)值的物理單位。③系統(tǒng)圖形化數(shù)據(jù)。它是將連續(xù)變化的數(shù)據(jù)圖形化，使結(jié)果更簡單更直接更方便讀取，也包括各種三維空間地理圖形和專題圖形等。④與效益有關(guān)的經(jīng)濟數(shù)據(jù)。它是一種因電網(wǎng)分布而帶來的經(jīng)濟輻射數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

地理信息技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用還處于初步階段，但它的應(yīng)用卻是推動電力行業(yè)利用新技術(shù)的重要決策。在整個網(wǎng)絡(luò)管理中利用其強有力的數(shù)據(jù)、圖形處理平臺，從客觀上提高了工作的時效性與準(zhǔn)確性，降低了事故發(fā)生率，提高了服務(wù)質(zhì)量。系統(tǒng)以解決當(dāng)前農(nóng)網(wǎng)由于人力、技術(shù)、資金等資源不足而無法更好滿足用戶需求為目標(biāo)，采用先進技術(shù)解決了當(dāng)前配網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，缺乏改造發(fā)展可塑性；監(jiān)控不到位，無法滿足設(shè)備擴展；通信不及時，無法填補時效信息空缺；難以獲取與用戶一對一之間的客觀信息等難題，滿足了基層工作人員在工作中的種種需要。系統(tǒng)具備可擴展性、兼容性強等特點，在滿足自身需要的同時，可向其他授權(quán)單位開放，實現(xiàn)信息區(qū)域內(nèi)共享的同時綜合各級信息反饋，為科學(xué)、合理決策作技術(shù)支撐，為電力事業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化邁出第一步。

[1] 黃益莊,李樹軍．配電網(wǎng)智能監(jiān)控管理遠程抄表一體化系統(tǒng)[J]．電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(21)∶83-86

[2] 李國慶,潘振波,王丹,等．基于C/S與B/S混合架構(gòu)的配電地理信息系統(tǒng)[J]．電網(wǎng)技術(shù),2009,33(6)∶102-106

[3] 樸在林,張曉明,趙雪瑩．三維配電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2010,26(4)∶227-230

[4] 陳海宏,張靜,萬書亭．基于GIS的電力通信線路管理系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J]．電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2013,25(2)∶26-30

[5] 曹時偉,朱青,劉宏立．智能電表的數(shù)據(jù)抄讀新方法[J]．計算機應(yīng)用,2013,33(5)∶1 248-1 250

[6] 王科,童嶸,甘建平．WiFi通信在智能電表中的應(yīng)用研究[J]．電測與儀表,2013(9)∶64-68

[7] 彭云建,鄧飛其．電力綜合信息管理系統(tǒng)面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫的建模[J]．電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2007,19(1)∶49-54

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1672-4623（2016）01-0034-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.01.010近些年在計算機、Web網(wǎng)絡(luò)、GIS等一系列新興技術(shù)的支撐下，電力行業(yè)呈良性發(fā)展態(tài)勢，在規(guī)模、質(zhì)量、服務(wù)對象等方面都取得了可人成績。我國幅員遼闊，電力生產(chǎn)經(jīng)營分布體現(xiàn)出獨特的地域性和經(jīng)濟性，為實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、結(jié)構(gòu)調(diào)整，資源優(yōu)化配置，大力推動電力事業(yè)的發(fā)展勢在必行。

張兵，碩士，主要從事遙感、地理信息系統(tǒng)等方面的研究。

2014-03-20。