農村電網(wǎng)集抄運維系統(tǒng)構建與應用

徐川子，徐成司，趙堅鵬，向新宇，葛蔚蔚

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

隨著工商業(yè)用電、農業(yè)用電、居民用電量的激增，電力系統(tǒng)對電力設備的要求越來越高，現(xiàn)場維護成本也隨之越來越高[1-2]。在地圖信息不完善的農村地區(qū)，一方面現(xiàn)有的導航軟件中缺乏有效可靠的建筑物信息及線路數(shù)據(jù)，制約了線路維修人員快速定位故障地理位置及快速修復故障；另一方面，傳統(tǒng)電力設備的管理和維護需要依賴大量信息采集人員，特別是在線路數(shù)據(jù)缺失區(qū)域，需要通過人工問詢等方式到達故障維修點或采集點，再利用書面記錄完成設備信息采集，最后錄入公司管理系統(tǒng)保存。此類方式獲取的信息較為抽象，后續(xù)維修或采集只能通過模糊的路徑信息重新尋找設備位置，不但加重了人員的工作負擔，也為故障發(fā)生后的快速定位埋下隱患，因此集抄運維系統(tǒng)應運而生。

目前，集抄運維系統(tǒng)的研究主要集中在系統(tǒng)的平臺設計和流程管控分析等方面[3-6]，對解決信息采集和故障設備定位等問題的支持有限，鑒于此，提出一種農村電網(wǎng)集抄運維系統(tǒng)構建方案。該系統(tǒng)主要面向農村電網(wǎng)維護人員，根據(jù)特定場景下的實際工作需要，將用戶角色劃分為兩種：第一種是數(shù)據(jù)采集人員，主要負責農村線路信息采集，包括電表位置數(shù)據(jù)信息和連接電表的線路數(shù)據(jù)信息，并在完成信息采集后及時上傳數(shù)據(jù)；第二種是維修作業(yè)人員，其主要根據(jù)最新線路數(shù)據(jù)及時定位故障位置實現(xiàn)故障快速清除，同時還可依照系統(tǒng)路徑規(guī)劃功能生成的最短路徑實現(xiàn)故障快速響應。

1 農村電網(wǎng)集抄運維系統(tǒng)設計

1.1 客戶端設計

農村電網(wǎng)集抄運維系統(tǒng)客戶端基于Android平臺實現(xiàn)，根據(jù)農村電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集人員和維修作業(yè)人員實際工作的需要，設計線路采集、普通作業(yè)、用電戶信息、數(shù)據(jù)更新和離線地圖管理五大功能模塊，其中線路采集和普通作業(yè)功能基于位置服務(location based services，LBS)實現(xiàn)。客戶端功能模塊架構如圖1 所示。

圖1 客戶端功能模塊架構

1.2 服務端設計

服務端采用Python 的Django 框架，采用HTTP 協(xié)議進行服務端接口設計。客戶端根據(jù)具體功能發(fā)起請求，服務器收到請求后進行相應數(shù)據(jù)處理，并將處理結果返回客戶端。農村電網(wǎng)集抄運維系統(tǒng)結構如圖2 所示。

圖2 農村電網(wǎng)集抄運維系統(tǒng)結構

服務端包含以下功能模塊。

1) 線路采集模塊。該模塊包含定位顯示、途經(jīng)點(節(jié)點)信息記錄及線路繪制三個功能。定位顯示提供當前位置信息，途經(jīng)點(節(jié)點)信息記錄提供定位節(jié)點信息錄入功能，而線路繪制則是在一段線路節(jié)點信息錄入完畢后根據(jù)行進軌跡統(tǒng)一繪制線路。

2) 普通作業(yè)模塊。該模塊包含路徑規(guī)劃和導航兩個功能。在路徑規(guī)劃功能中，在線路采集過程中記錄的途經(jīng)點(節(jié)點)可根據(jù)相關信息進行查詢，根據(jù)查詢結果選中位置點后，由線路路徑構成帶權無向圖，然后利用特定的最短路徑算法構建起點到終點的最短路徑，進而將該段路徑繪制在地圖上。在實時導航功能中，系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)人員當前所在實際位置與所查詢位置進行實時導航，指引作業(yè)人員到達指定位置。

3) 用戶信息模塊。該模塊可進行用戶信息(節(jié)點信息)的二次修改，對于已經(jīng)錄入的節(jié)點，信息采集人員或者維修人員可根據(jù)實際情況進行用戶信息核對及修改。此模塊保證了用戶信息(節(jié)點信息)能夠不斷更新，滿足實際需要。

4) 其他模塊。數(shù)據(jù)更新模塊提供線路信息和用戶信息(節(jié)點信息)的批量上傳、下載功能，同時控制服務端和客戶端之間信息交互頻率，避免造成系統(tǒng)阻塞。離線地圖模塊支持離線地圖下載功能，保證系統(tǒng)部分業(yè)務功能不受網(wǎng)絡中斷限制。管理平臺模塊提供導入導出數(shù)據(jù)(如線路信息、節(jié)點信息等)、管理系統(tǒng)權限賬號等功能。

2 最短路徑算法

農村電網(wǎng)由于其特有的地理因素影響，其負荷呈現(xiàn)點狀聚集分布，往往需要很長的輸配電線路才能將各個村舍連接起來[7-8]。同時，農村用戶居所分散，房屋排列沒有規(guī)律，導致電網(wǎng)在村舍內部分支級數(shù)眾多[9-10]。因此，根據(jù)上述農村電網(wǎng)的特點，研究適用于農村電網(wǎng)結構的最短路徑算法不僅可以輔助農村電網(wǎng)故障搶修，更可將其應用于農村電網(wǎng)規(guī)劃設計，為農村電網(wǎng)設計的科學化、規(guī)范化提供依據(jù)。

2.1 典型的最短路徑算法

最短路徑算法研究的重點在于路徑搜索中的通用技術，該技術可分為組合技術和代數(shù)方法兩種，其中組合技術中的標號算法是絕大多數(shù)最短路徑算法的核心。標號算法可分為標號設定(label setting，LS)和標號改正(label correcting，LC)兩類[11]。

2.1.1 松弛操作

不管是LS 算法還是LC 算法，此類最短路徑算法中最基本的操作均為松弛操作，如圖3 所示。

圖3 松弛操作示意

圖3 中對于一條從頂點A到頂點B的邊A→B，如果滿足dist[A]+ω(A，B)＜dist[B]，則更新dist[B]，使dist[B]=dist[A]+ω(A，B)。式中：ω(A，B)表示邊的權重，dist[A] 表示頂點A到源點S的目前已知的最短距離，dist[B]表示頂點B到源點S的目前已知的最短距離。

2.1.2 Dijkstra 算法

Dijkstra 算法屬于LS 算法，是典型的單源最短路徑算法，其主要特點是以起始點為中心向外逐點擴展，直至擴展至全部頂點。設G=(V，E)為帶權圖，將頂點集合V分成兩組，一組為已求出最短路徑的頂點集合(以S表示)，另一組為其余未確定最短路徑的頂點集合(以U表示)。其算法步驟如圖4 所示。

圖4 Dijkstra 算法流程

2.1.3 最短路徑快速算法

最短路徑快速算法(shortest path faster algorithm，SPFA)是求單源最短路徑的一種算法，也是貝爾曼-福特(Bellman-ford)算法的隊列優(yōu)化實現(xiàn)。其算法步驟如圖5 所示。

圖5 SPFA 算法流程

2.2 農村電網(wǎng)結構分析

根據(jù)農村電網(wǎng)負荷呈點狀聚集分布、村舍內部分支級數(shù)眾多等特點，可構建農村電網(wǎng)典型結構如圖6 所示。兩個村舍間通過村外節(jié)點相連，村舍間的距離一般較村舍內部節(jié)點距離大得多，單個村舍內部節(jié)點間支路眾多而無規(guī)律。

圖6 農村電網(wǎng)典型結構

不同最短路徑算法在農村電網(wǎng)結構下的計算效率存在一定差異，可通過實驗對比選取更適用于農村電網(wǎng)的算法。這里將分別使用Dijkstra 算法和SPFA 進行農村電網(wǎng)節(jié)點間最短路徑規(guī)劃。兩種算法計算過程將進行多次松弛操作，而松弛操作次數(shù)將直接影響算法效率，因此可通過對兩種算法在農村電網(wǎng)結構下的松弛次數(shù)比較，分析兩種算法對于農村電網(wǎng)計算效率和適用性。

3 算例分析

3.1 最短路徑快速算法分析

在Java 8 語言環(huán)境下進行算例分析。首先建立某典型農村電網(wǎng)部分結構如圖7 所示，各圓圈代表節(jié)點，連接節(jié)點的線段代表路徑，線段上數(shù)字代表路徑長度。

注：路徑長度量綱為10 m。

根據(jù)該電網(wǎng)結構構建節(jié)點的鄰接表。假設此時某工作人員需要從節(jié)點3 到節(jié)點25，分別運行兩種最短路徑算法，得到的最短路徑如圖8 所示，其中Dijkstra 算法松弛操作次數(shù)為31 次，SPFA 松弛操作次數(shù)為65 次。

由圖8 和松弛操作次數(shù)可知，兩種最短路徑算法均能計算得出節(jié)點3 到節(jié)點25 的最短路徑，而Dijkstra 算法進行的松弛操作次數(shù)比SPFA 少。

隨機選擇路徑的起點和終點，運行程序5 次。兩種算法進行松弛操作的次數(shù)對比如圖9 所示。可知，Dijkstra 算法在農村電網(wǎng)下獲取最短路徑過程中執(zhí)行松弛操作的次數(shù)較SPFA 少，且較為穩(wěn)定。因此，Dijkstra 算法相比SPFA 更適合用于農村電網(wǎng)最短路徑規(guī)劃。

圖9 兩種算法松弛次數(shù)對比

3.2 農村電網(wǎng)集抄運維系統(tǒng)測試

將構建的農村電網(wǎng)集抄運維系統(tǒng)上線運行。系統(tǒng)客戶端較好實現(xiàn)了線路采集、普通作業(yè)、用電戶信息修改、數(shù)據(jù)更新和離線地圖管理等功能，且可實現(xiàn)路線規(guī)劃和實時導航等輔助功能。現(xiàn)場將部分數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)后，后臺系統(tǒng)能夠對錄入的站點信息進行管理，同時能批量導入用戶信息等數(shù)據(jù)從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫進行批量新增或修改。除此之外，后臺系統(tǒng)能夠記錄管理員賬號的最近操作記錄，用于糾錯和回溯。

4 結論

由于農村電網(wǎng)設備管理和維護依賴人工操作、難以快速定位故障的問題，提出了一種農村電網(wǎng)集抄運維系統(tǒng)構建方案并進行具體實現(xiàn)，同時對比研究了農村電網(wǎng)應用場景下不同最短路徑算法的性能，得出以下結論。

1) 針對農村電網(wǎng)負荷呈點狀聚集分布、村舍內部分支級數(shù)眾多的結構特征，Dijkstra 算法較SPFA 更適合用于該場景下最短路徑規(guī)劃。

2) 農村電網(wǎng)集抄運維系統(tǒng)構建方案能夠滿足數(shù)據(jù)采集人員和維修作業(yè)人員工作需求，有效解決農村電網(wǎng)設備運行管理和維護困難的問題。