基于多源監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化電網(wǎng)災(zāi)害預(yù)警應(yīng)急數(shù)字化應(yīng)用研究

李尚杰 丁妙

（北京洛斯達(dá)科技發(fā)展有限公司，北京 100120）

0.引言

近年來，國家應(yīng)急管理體制機制不斷完善，對電網(wǎng)應(yīng)急管理工作提出了更加嚴(yán)格的要求，國家能源局針對加強電力突發(fā)事件應(yīng)對能力，明確提出立足電力行業(yè)應(yīng)急管理工作實際，建立覆蓋應(yīng)急管理全過程的電力應(yīng)急管理體系，加強制度保障、應(yīng)急準(zhǔn)備、預(yù)防預(yù)警、救援處置、恢復(fù)重建等方面能力，實現(xiàn)電力突發(fā)事件科學(xué)高效應(yīng)對。

由于電網(wǎng)輸送通道容易受到氣象災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害的影響，必須提高電網(wǎng)防災(zāi)抗災(zāi)能力，推進電力系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究。要利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)實現(xiàn)風(fēng)險和隱患全過程動態(tài)識別和分析，逐步實現(xiàn)電力系統(tǒng)自然災(zāi)害至災(zāi)機理-趨勢感知-損失預(yù)測-預(yù)警生成-信息發(fā)布的一體化管理，提高電力應(yīng)急支撐保障能力，推進電網(wǎng)應(yīng)急準(zhǔn)備和預(yù)測預(yù)警能力建設(shè)。

國內(nèi)外許多專家學(xué)者針對電網(wǎng)災(zāi)害進行了深入研究并提出預(yù)警方法，如 Nicola Casagli、Filippo Catani等人利用遙感技術(shù)針對滑坡穩(wěn)定性進行預(yù)警監(jiān)測[1]，Tamronglak S.和Horowitz S.E提出針對電網(wǎng)安全狀態(tài)的預(yù)警方法[2]，王景亮、李崇浩等研究了氣象類災(zāi)害對電力系統(tǒng)的影響情況[3]，羅永勤、周景等人針對電網(wǎng)覆冰災(zāi)害進行研究，建立了分級預(yù)警模型[4]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)+時代的到來，連接到互聯(lián)網(wǎng)以傳輸信息并進行分析的設(shè)備和及其的數(shù)量呈指數(shù)增長，針對電力行業(yè)，通過對監(jiān)測電網(wǎng)運行狀態(tài)而布設(shè)的各種物聯(lián)設(shè)備進行管理，針對其傳感器、智能設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備收集獲取海量的結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)用于進行處理與分析，并提取有用的信息，從而對電網(wǎng)運行狀態(tài)進行有效的電控管理。

國內(nèi)的一系列電網(wǎng)企業(yè)和科研單位已經(jīng)結(jié)合各類物聯(lián)數(shù)據(jù)進行監(jiān)控分析并開展針對性應(yīng)用研究，如國網(wǎng)四川省電力公司構(gòu)建的智能運檢管控平臺實現(xiàn)了針對設(shè)備狀態(tài)以及覆冰、雷電、山火等風(fēng)險的智能評估和診斷，國網(wǎng)江蘇省電力公司實現(xiàn)了針對氣象災(zāi)害監(jiān)測、輸變電設(shè)備污穢預(yù)警、配電網(wǎng)故障統(tǒng)計等功能的監(jiān)控系統(tǒng)，國網(wǎng)武漢南瑞公司、湖南防災(zāi)減災(zāi)中心等單位先后結(jié)合布設(shè)的監(jiān)測站點，組織開展了雷電、山火、覆冰、氣象、地災(zāi)、地震等專題數(shù)據(jù)獲取及研究工作。本文重點圍繞西南片區(qū)電網(wǎng)資產(chǎn)和電網(wǎng)重要斷面作為試點，接入氣象監(jiān)測、本體監(jiān)測、地質(zhì)監(jiān)測等多源監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理與分析，構(gòu)建基于多源監(jiān)測數(shù)據(jù)的電網(wǎng)預(yù)警模型，并充分結(jié)合三維可視化手段實現(xiàn)西南電網(wǎng)災(zāi)害預(yù)警工作的可視化管理，推動電網(wǎng)災(zāi)害預(yù)警的信息化、自動化和智能化管理。

1.系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)圍繞“多源數(shù)據(jù)-預(yù)警模型-可視化展現(xiàn)”的主線，以電網(wǎng)預(yù)警應(yīng)急規(guī)范化響應(yīng)流程為依據(jù)，圍繞多源監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取、預(yù)警典型模型構(gòu)建、預(yù)警應(yīng)急智能決策等方面開展工作，并最終利用信息化手段建設(shè)形成一套可視化的電網(wǎng)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)總體建設(shè)思路和方法如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體建設(shè)思路和研究方法

（1）多源異構(gòu)電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取。監(jiān)測、預(yù)警數(shù)據(jù)是開展電網(wǎng)災(zāi)害預(yù)警和決策支持工作的基礎(chǔ)，由于數(shù)據(jù)來源分散、獲取渠道眾多，系統(tǒng)內(nèi)外單位的數(shù)據(jù)傳輸渠道也各有不同，通過建立合適的數(shù)據(jù)獲取與傳輸通道，針對電網(wǎng)工程本體在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、通道環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、電網(wǎng)運行監(jiān)測數(shù)據(jù)進行獲取，實現(xiàn)為電網(wǎng)預(yù)警應(yīng)急提供多源、長期、可持續(xù)性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

（2）預(yù)警應(yīng)急典型模型建立。針對可能突發(fā)的自然災(zāi)害事件，基于獲取的多源監(jiān)測數(shù)據(jù)，梳理并探尋事故發(fā)生機理，針對地震、山火、滑坡、導(dǎo)線覆冰、桿塔傾斜等各類事件對電網(wǎng)的影響進行判別并建立預(yù)警應(yīng)急典型模型，制定預(yù)警綜合評價指標(biāo)，實現(xiàn)監(jiān)測異常數(shù)據(jù)的自動判斷與預(yù)警。

（3）預(yù)警應(yīng)急規(guī)范化響應(yīng)。通過依托電網(wǎng)典型災(zāi)害預(yù)警應(yīng)急模型，以電網(wǎng)安全的預(yù)測預(yù)警能力建設(shè)為核心，充分依據(jù)PPRR理論（預(yù)防-Prevention，準(zhǔn)備-Preparation，響應(yīng)-Response，恢復(fù)-Recovery）建立主動型、數(shù)字化的電網(wǎng)綜合預(yù)警應(yīng)急處置手段，從數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)監(jiān)測分析、預(yù)測預(yù)警、信息發(fā)布、預(yù)案匹配等方面進行設(shè)計。

（4）數(shù)字化輔助決策支持應(yīng)用。通過集合多源異構(gòu)電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取、典型災(zāi)害預(yù)警模型、預(yù)警響應(yīng)機制，充分利用三維可視化手段建立電網(wǎng)災(zāi)害預(yù)警應(yīng)急可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)多源監(jiān)測數(shù)據(jù)集中展示、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析研判、預(yù)警響應(yīng)觸發(fā)等應(yīng)用，輔助電網(wǎng)預(yù)警應(yīng)急科學(xué)決策。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)按照應(yīng)用層、邏輯層、數(shù)據(jù)層進行設(shè)計，總體架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

（1）感知層。感知層主要解決數(shù)據(jù)來源的問題，結(jié)合電網(wǎng)預(yù)警應(yīng)急工作需要，需要針對各類多源專項監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集，通過接入各類感知類監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)，實現(xiàn)專項在線監(jiān)測與預(yù)警數(shù)據(jù)的獲取，實現(xiàn)電網(wǎng)本體、通道環(huán)境、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)的采集。

（2）數(shù)據(jù)管理層。數(shù)據(jù)管理層實現(xiàn)對多源監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯集與管理，針對電網(wǎng)災(zāi)害類預(yù)警分析需要依托多源傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括本體在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、通道環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、專業(yè)機構(gòu)數(shù)據(jù)。其中本體在線監(jiān)測數(shù)據(jù)主要涉及輸電線路和變電站等設(shè)備的本體運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，諸如桿塔傾斜、微風(fēng)振動、導(dǎo)線溫度、線路覆冰、視頻監(jiān)控等物聯(lián)感知設(shè)備采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容；通道環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，涉及輸電線路和變電站所在電力通道范圍內(nèi)的地址災(zāi)害、山火、雷電、地震等自然環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)、地理位置信息；專業(yè)機構(gòu)數(shù)據(jù)則主要涉及從政府應(yīng)急管理機構(gòu)、國家突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布平臺、地震臺網(wǎng)、氣象公共服務(wù)中心等官方渠道獲取的應(yīng)急事件消息。

（3）業(yè)務(wù)層。業(yè)務(wù)層實現(xiàn)電網(wǎng)預(yù)警應(yīng)急業(yè)務(wù)邏輯，通過建立山火、地震、滑坡、電網(wǎng)本體監(jiān)測等預(yù)警模型，結(jié)合電網(wǎng)預(yù)警應(yīng)急標(biāo)準(zhǔn)處置流程實現(xiàn)對各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的提取、分析、綜合判斷、決策指導(dǎo)。

（4）應(yīng)用層。應(yīng)用層構(gòu)建用戶直接操作的軟件平臺，實現(xiàn)包括電網(wǎng)資產(chǎn)展示、在線監(jiān)測統(tǒng)計、預(yù)警信息統(tǒng)計、突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)、輔助決策等一系列應(yīng)用功能，基于大屏端、PC端提供可視化的、方便快捷、界面友好的可視化操作平臺。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)實現(xiàn)電網(wǎng)應(yīng)急資源集中展示、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析研判、預(yù)警事件響應(yīng)觸發(fā)等功能應(yīng)用，具體功能如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊圖

（1）系統(tǒng)首頁。系統(tǒng)首頁通過基于三維GIS、電網(wǎng)設(shè)備設(shè)施模型實現(xiàn)電網(wǎng)資產(chǎn)可視化、電網(wǎng)專題數(shù)據(jù)管理、應(yīng)急專題數(shù)據(jù)管理，同時關(guān)聯(lián)氣象、地災(zāi)、通道、本體、斷面等監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對通道、環(huán)境、電網(wǎng)本體運行動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理與統(tǒng)計。

（2）監(jiān)測預(yù)警模塊。監(jiān)測預(yù)警模塊通過對接入的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，對一定時期內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)波動進行監(jiān)控，同時結(jié)合預(yù)警模型對地質(zhì)地災(zāi)、本體監(jiān)測、通道環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，判斷災(zāi)害發(fā)生可能性及對周邊電網(wǎng)造成的影響，及時觸發(fā)預(yù)警流程，生成預(yù)警通知單。

（3）應(yīng)急響應(yīng)模塊。應(yīng)急響應(yīng)模塊實現(xiàn)對應(yīng)急狀態(tài)下聯(lián)系人員、物資庫信息、應(yīng)急物資信息以及政府、公安、醫(yī)院、消防站點等機構(gòu)信息的管理，同時結(jié)合典型案例庫、電網(wǎng)應(yīng)急標(biāo)準(zhǔn)處置流程對發(fā)生的應(yīng)急事件進行響應(yīng)等級、處置措施的判定，并結(jié)合路網(wǎng)數(shù)據(jù)生成相關(guān)人員、應(yīng)急物資進場路徑，輔助開展應(yīng)急響應(yīng)，有效指導(dǎo)后續(xù)應(yīng)急搶修工作開展。

1.3 數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計

平臺數(shù)據(jù)來源分為內(nèi)網(wǎng)、公網(wǎng)數(shù)據(jù)，其中公網(wǎng)數(shù)據(jù)包括互聯(lián)網(wǎng)抽取應(yīng)急信息、專業(yè)地災(zāi)監(jiān)控信息，通過物理隔離網(wǎng)閘單向穿透到電網(wǎng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進行存儲，內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)還包括定期更新的電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從內(nèi)網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)對接的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、自然災(zāi)害數(shù)據(jù)、應(yīng)急資源數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)架構(gòu)圖

2.系統(tǒng)應(yīng)用及效果

本系統(tǒng)以西南地區(qū)部分電網(wǎng)工程作為試點，以利用數(shù)字化手段推動電網(wǎng)預(yù)警應(yīng)急管理工作的信息化、自動化和智能化，提高電力應(yīng)急科技水平。

2.1 專題數(shù)據(jù)可視化

通過充分利用可視化手段，系統(tǒng)對片區(qū)內(nèi)環(huán)境、氣象、地震等專題數(shù)據(jù)進行管理，并結(jié)合三維數(shù)字地球?qū)ο嚓P(guān)專題圖層進行可視化展現(xiàn)，同時通過結(jié)合西南三省高清影像、重點電網(wǎng)工程模型對西南地區(qū)部分重要電網(wǎng)資產(chǎn)進行可視化模擬。專題數(shù)據(jù)可視化如圖5所示。

圖5 電網(wǎng)專題數(shù)據(jù)可視化

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計管理

通過接入各類監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)實現(xiàn)對西南地區(qū)部分電網(wǎng)工程本體監(jiān)測數(shù)據(jù)、通道環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、外部專業(yè)機構(gòu)數(shù)據(jù)的接入、匯總、統(tǒng)計與管理。監(jiān)測數(shù)據(jù)管理模塊如圖6所示。

圖6 監(jiān)測數(shù)據(jù)管理

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

通過對通道環(huán)境監(jiān)測、本體監(jiān)測、斷面監(jiān)測、視頻監(jiān)控等多源監(jiān)測數(shù)據(jù)進行管理并結(jié)合預(yù)警應(yīng)急模型進行分析研判。實現(xiàn)對片區(qū)內(nèi)電網(wǎng)整體監(jiān)測預(yù)警情況及趨勢的有效管理與查看，輔助應(yīng)急指揮中心工作人員及時了解片區(qū)整體監(jiān)測狀況。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析功能如圖7和圖8所示。

圖7 電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖8 山火分析

2.4 預(yù)警應(yīng)急信息發(fā)布

實現(xiàn)監(jiān)測-預(yù)警-應(yīng)急-輔助決策自動觸發(fā)與流轉(zhuǎn)，通過接入預(yù)警、應(yīng)急模型，實現(xiàn)對異常數(shù)據(jù)的監(jiān)控和研判，自動判別事件嚴(yán)重程度、響應(yīng)等級并生成相應(yīng)的通知單和事件報告單，同時與事件關(guān)聯(lián)的工程檢測指標(biāo)、檢測數(shù)據(jù)自動彈出，同步觸發(fā)預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)流程。預(yù)警應(yīng)急響應(yīng)信息發(fā)布如圖9所示。

圖9 電網(wǎng)預(yù)警信息發(fā)布

2.5 應(yīng)急標(biāo)準(zhǔn)措施庫

通過對應(yīng)急預(yù)案以及2017年以來部分突發(fā)事件處置快報與典型案例進行梳理，形成應(yīng)急響應(yīng)措施庫以及歷史案例庫。系統(tǒng)實現(xiàn)了根據(jù)歷史案例庫和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)急響應(yīng)流程快速生成應(yīng)急響應(yīng)報告單，提升響應(yīng)流程發(fā)布效率。標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)措施庫如圖10所示。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)措施庫

2.6 輔助指揮決策

圍繞應(yīng)急指揮工作開展需要，結(jié)合區(qū)域內(nèi)物資站點及物資存儲數(shù)據(jù)、應(yīng)急隊伍分布數(shù)據(jù)、區(qū)域內(nèi)路網(wǎng)數(shù)據(jù)，利用最優(yōu)路徑分析等方法實現(xiàn)關(guān)鍵物資、隊伍進場路線優(yōu)化，物資調(diào)配優(yōu)化，為現(xiàn)場開展應(yīng)急搶修工作提供信息化支持。輔助決策功能模塊中進場最短路徑分析如圖11所示。

圖11 進場最短路徑分析

3.結(jié)語

近年來，國家應(yīng)急管理體制機制發(fā)生了深刻變化，對電網(wǎng)應(yīng)急管理工作提出了更高要求，特別是2021年自然災(zāi)害頻發(fā)，河南遭遇的歷史特大暴雨、四川陜西多地發(fā)生地震、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，給電網(wǎng)應(yīng)急管理工作提出了更大的挑戰(zhàn)。因此，探索建立基于多源監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化電網(wǎng)災(zāi)害預(yù)警應(yīng)急數(shù)字化應(yīng)用，可以有效統(tǒng)籌各專業(yè)優(yōu)勢資源，打破數(shù)據(jù)壁壘，加強集成貫通，實現(xiàn)電網(wǎng)運行、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)、預(yù)警、響應(yīng)各類突發(fā)事件，提升應(yīng)急預(yù)警的實時化、可視化、智能化、數(shù)字化能力，推動西南電網(wǎng)應(yīng)急預(yù)警管理能力現(xiàn)代化。