GIS技術在配電網故障定位中的應用研究

摘要：隨著配電網規模的不斷擴大，故障問題日益突出。傳統的人工巡檢和故障定位效率低下，亟須引入先進技術手段。探討了地理信息系統（geographic information system，GIS）技術在配電網故障定位中的應用。通過構建配電網GIS系統，實現了配電網設備、線路、地理環境等信息的可視化管理。結合故障錄波數據挖掘和GIS空間分析，提出了一種快速、精準的配電網故障定位方法。實例分析表明，該方法能有效提升故障定位效率，為配電網的安全、穩定運行提供有力保障。

關鍵詞：GIS；配電網；故障定位；可視化

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A

0 引言

配電網是電力系統的“末梢神經”，直接關系到廣大電力用戶的用電安全和供電質量。然而，由于配電網規模龐大、設備種類繁多、運行環境復雜，因此故障問題頻發。傳統的人工巡檢和故障處理方式已難以適應現代配電網的管理需求。近年來，地理信息系統（geographic information system，GIS）技術在電力行業得到廣泛應用，為配電網的精細化管理提供了新思路。本文從GIS技術在配電網故障定位中的應用展開，旨在提升配電網運維水平，保障供電可靠性。

1 配電網故障定位的現狀與挑戰

配電網是連接輸電環節與用戶的關鍵紐帶，其可靠運行直接影響供電質量。然而，由于配電網點多面廣、接口復雜，因此故障頻發且類型多樣。傳統的人工巡檢和經驗判斷方式難以適應當前配電網管理的需求，存在效率低、準確度差等問題。隨著配電自動化的發展，在線監測設備日益豐富，海量運行數據也帶來了數據處理和故障研判的新挑

戰[1]。因此，亟須引入先進的信息技術手段，實現故障的快速感知、精準定位和智能決策。將GIS與配電自動化深度融合，構建基于地理信息系統的故障定位方法，可以充分挖掘時空數據的價值，提升故障處理的效率和可視化水平，為配電網的安全穩定運行提供有力支撐。

2 GIS技術助力配電網智能化管理

2.1 GIS的基本原理與功能優勢

GIS是一種集采集、存儲、管理、分析、顯示空間地理數據的計算機系統。GIS通過對地理空間數據和屬性數據的綜合處理，實現對現實世界的空間建模和可視化展示[2]。GIS的核心優勢在于空間分析功能，通過拓撲疊加、緩沖區分析、網絡分析等手段，揭示地理要素之間的空間關聯和分布規律。此外，GIS還具有數據集成與共享、可視化展示、輔助決策等優點，為多領域的地理空間問題求解提供了有力工具。隨著GIS技術的不斷發展，WebGIS、三維GIS、移動GIS等新一代GIS技術日益成熟，為GIS應用帶來更廣闊的創新空間。

2.2 GIS技術賦能配電網故障定位的可行性分析

將GIS技術引入配電網故障定位，可以充分發揮GIS空間分析與可視化的優勢。GIS平臺能夠實現配電網地理信息模型和拓撲關系的構建，直觀展示配電設備及線路的空間分布。利用GIS的空間疊加分析，可將配電自動化監測數據與地理空間數據進行關聯，實現故障信息的快速空間定位。運維人員通過GIS能夠實時掌握故障點的位置、周邊環境及相關配電設備狀態等情況，為故障搶修決策提供直觀依據。此外，GIS的網絡分析功能可用于故障隔離和負荷轉移方案的優化，提高故障處理效率。移動GIS技術還可應用于現場搶修導航和信息采集，進一步提升故障處理的時效性和準確性。綜合來看，GIS技術與配電自動化深度融合，必將推動配電網故障定位模式的革新。

3 基于GIS的配電網故障定位方法

3.1 配電網GIS系統設計

3.1.1 數據源解析與處理

配電網GIS系統的數據源主要包括地理空間數據和配電業務數據。通過將研究區域1∶500、1∶

1 000、1∶2 000比例尺的地形圖數據進行數字化處理，建立了全區地理信息框架。同時，匯總整理配電設備臺賬、線路資源、運行記錄等業務數據，通過唯一ID實現其與地理實體的關聯映射[3]。在數據處理過程中，采用要素處理引擎（feature manipulation engine，FME）空間數據提取—轉換—加載（extract-transform-load，ETL）工具實現不同來源、不同比例尺數據的融合與質量檢查，并且通過Python腳本對原始業務數據進行清洗、轉換和標準化處理，保證了數據的準確性和一致性。

3.1.2 配電網地理信息模型構建

本文在GIS數據庫基礎上，設計并構建了一套完整的配電網地理信息模型。該模型采用多尺度、多層次的組織方式，包括地形層、管線層、設備層3個基本層級。在地形層中，抽象出道路、建筑、水系、地塊等基本地理要素類；在管線層中，抽象出架空線、電纜、桿塔等管線設施類；在設備層中，抽象出開關、變壓器、故障指示器等主要配電設備類。同時，基于各類要素間的空間關系，構建了配電網統一的拓撲關聯結構。例如，變壓器與桿塔形成點—點關聯；桿塔與架空線形成點—線關聯等。配電網地理信息模型的構建實現了GIS平臺下配電要素的標準化表達與關聯分析，并可以靈活擴展以適應故障定位等在“專題應用需求”后添加舉例說明，如線路負荷分析、設備狀態監測、故障追溯等。

3.1.3 可視化管理平臺開發

本文基于瀏覽器/服務器（browser/server，B/S）架構，開發了一套配電網GIS可視化管理平臺。該平臺采用ArcGIS Server作為GIS服務器，提供地圖服務、要素服務、空間分析服務等功能；采用.NET Framework作為應用開發框架，調用ArcGIS API for JavaScript（一款地圖應用）實現GIS功能的二次開發。系統主要模塊包括地圖瀏覽、要素編輯、拓撲分析、故障定位、搶修調度等，形成了配電網全生命周期的綜合管理應用。該平臺充分考慮了配電網管理的業務特點，開發了一系列專題功能，如配變負荷分布專題圖、線路走徑分析、設備隱患排查等，極大地提升了系統實用性。同時，系統支持多源數據融合與制圖表達定制（如自定義符號、配色方案、標注樣式等），可以滿足不同管理人員的可視化需求。

3.2 配電網故障信息的GIS映射

3.2.1 故障錄波數據GIS關聯

故障錄波數據與GIS的關聯是配電網智能化管理的重要環節，故障錄波數據GIS關聯技術用于集成故障錄波器采集的電氣參數與GIS中的空間數據。在實施過程中，需要為錄波設備配置定位模塊，實時上傳位置信息[4]。GIS則需要建立包含設備標識、地理坐標、安裝位置等信息的數據模型。當配電網發生故障時，系統能夠在地圖界面上快速標記故障位置，并顯示周邊環境信息。這種可視化呈現大幅提高了故障處理的效率，使運維人員能夠更快地規劃巡檢路線，縮短故障響應時間。長期積累的故障位置、類型、頻率等相關數據可用于分析故障多發區域，為線路改造和維護策略制定提供依據，有效提升配電網的整體可靠性。

3.2.2 基于GIS的故障空間定位算法

基于GIS的故障空間定位算法是一種結合地理信息和電氣參數的智能化定位方法。這類算法利用配電網絡的空間拓撲信息，結合多個測量點的實時數據，通過數學模型計算故障點的精確位置。常用的技術包括改進的行波法和阻抗法，這些方法考慮了線路參數、地形因素和氣象條件等多方面的影響。在實際應用中，該技術能夠在故障發生之后短時間內得到較為精確的故障點坐標，顯著提高了故障定位的準確性和速度。隨著人工智能技術的引入，基于機器學習的故障定位和預測模型不斷完善，進一步增強了系統的適應性和預測能力。這不僅有助于快速處理已發生的故障，還能預測潛在的故障風險，為預防性維護提供重要參考。

3.3 GIS輔助故障定位流程優化

GIS輔助故障定位流程整合了多個關鍵環節，提高了故障處理效率。GIS輔助故障定位流程如。

GIS輔助故障定位流程始于數據采集，系統實時收集電氣參數并與GIS地理信息整合。智能算法持續監控數據，當檢測到異常時，啟動定位程序。系統快速計算故障坐標，在GIS地圖上可視化呈現，并為維修人員規劃最優路線[5]。同時，將故障位置、類型、影響范圍等關鍵信息傳遞給相關人員并進行故障處理，系統收集反饋用于更新數據庫和優化算法，形成持續改進的閉環操作。這一流程顯著提高了故障定位的效率和準確性，加快了配電網的故障響應速度。

4 工程應用案例分析

4.1 案例背景概述

某省電力公司面臨配電網故障頻發、定位困難的問題。該省地形復雜，山地、丘陵、平原交錯，配電線路跨度大，傳統故障定位方法效率較低。2022年，該公司決定在A市試點實施基于GIS的故障定位系統。A市擁有3個縣級市，總面積約為5 000 km2，城鄉接合部較多。配電網覆蓋約50萬用戶，包括大型工業園區和偏遠農村。該項目旨在提高故障定位準確度，縮短故障處理時間，提升供電可靠性。項目團隊由電力公司技術人員、GIS專家和設備供應商組成，計劃在6個月內完成系統部署和調試。

4.2 基于GIS的故障定位實施

A市基于GIS的故障定位系統在實施過程中克服了多項挑戰。技術團隊在復雜地形中部署了大量故障指示器，覆蓋了數千km的配電線路。此外，其還優化了系統響應時間和定位精度，同時對相關人員進行了全面培訓。在實施過程中，團隊采用多種通信方式解決了通信盲區的問題，并針對當地地形特點優化了故障定位算法。GIS底圖的精確繪制和設備信息的準確錄入是項目成功的關鍵。為提高現場操作效率，團隊還開發了配套的移動應用。經過3個月的試運行和調整，系統于2022年底正式投入使用。

4.3 故障定位效果評估

新系統投入使用后，A市配電網故障定位效率顯著提升。平均故障定位時間從原來的2 h縮短至15 min，定位準確率達到95.0%。年度停電時間累計減少約40.0%，客戶滿意度提升了50.0%。該系統還意外發現了一些潛在的設備隱患，預防了數起可能發生的故障。經濟效益方面，年度電量損失減少約500萬 kW·h，直接經濟效益超過300萬元。維修人員工作效率得到提高，加班時間減少50.0%。然而，新系統也面臨一些挑戰，如偏遠地區通信不穩定、極端天氣下設備可靠性等問題。

5 結語

本文圍繞GIS技術在配電網故障定位中的應用展開了系統分析，通過構建配電網GIS系統，將配電網的物理實體與地理空間相融合，實現了配電資源的可視化管理。在此基礎上，結合故障錄波數據解析和GIS空間分析技術，本文提出了一種快速、精準的故障定位方法。實例應用表明，該方法能夠顯著提升故障查找效率，縮短停電時間，具有良好的工程應用價值。未來還需進一步完善配電網GIS系統功能、拓展故障定位方法的適用場景，為智能電網的發展提供有力支撐。

參考文獻

[1] 趙新，蘆博，王丹丹，等.基于組件式GIS的配電網故障自動化定位系統[J].自動化技術與應用，2023，42（12）：146-149.

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[3] 陳功，程正逢，姚遠，等.基于互聯網+GIS及典設庫的配電網三維數字化勘測設計[J].電力勘測設計，2020（增刊1）：211-215.

[4] 張莉莉，單大鵬.配電網故障搶修可視化智能決策系統研究[J].信息技術，2019（3）：121-124.

[5] 余爾汶.基于GIS平臺的配電網應急搶修系統[J].供用電，2016，33（9）：35-40.