伴隨著計算機和網絡相關技術的快速發(fā)展和應用的逐步成熟，從發(fā)電到供電再到用電的各個環(huán)節(jié)已然進入大數(shù)據(jù)智能化時代。特別是國家電網和南方電網“十三五”計劃，不約而同地將建設智能電網、清潔電網作為新時期工作的重中之重。那么研究發(fā)供用體系中的各環(huán)節(jié)運維智能化就顯得更具意義。

但同時近年來自然氣象多變，災害頻發(fā)，電網安全平穩(wěn)運行大受影響。從我國實際出發(fā)，目前架空線路仍是輸電的主要形式，因架空輸電線路長期直接暴露在自然環(huán)境中，極易受氣象和災害影響，所以提高架空輸電線路防災減災工作顯得尤為重要。

云南是一個典型的自然災害頻發(fā)地區(qū)，且云南電網輸電線路覆蓋區(qū)域廣闊，沿途氣象、地理環(huán)境復雜，極易受到極端天氣和地質災害的影響。根據(jù)分析自然災害引起輸電線路線路主要故障形式及其特點，在總結輸電線路運維技術和需求的基礎上，開展防災減災系統(tǒng)建設。

本文利用WebGIS技術，通過對獲得的多源數(shù)據(jù)信息進行挖掘，可對氣象、覆冰、雷電、山火等災害信息進行有效的分析和可視化處理，形成災害監(jiān)測預測一體化，為電力運維部門提供決策依據(jù)，以提高電網的運行穩(wěn)定性，保證供電可靠性。

1 關鍵技術研究

1.1 WebGIS基礎理論

WebGIS即網絡地理信息系統(tǒng)，是Internet在GIS上應用的產物，通過使用它，用戶可以很方便的從網絡上的任意一個節(jié)點瀏覽或者獲取網絡上的各種分布式地理空間數(shù)據(jù)，并且可以進行各種在線的空間分析與空間檢索操作。WebGIS的應用使GIS能夠真正的走向社會，可以為更多的社會群體服務，讓基于以太網的電網監(jiān)控和防災減災成為可能。其具有以下幾種特征。

1）全球性的服務器應用

全球范圍內任意一個網絡節(jié)點的Internet用戶都能訪問WebGIS服務器發(fā)布的各種GIS服務，并且可以進行全球范圍內的GIS數(shù)據(jù)更新。

2）真正大眾化的GIS

伴隨著互聯(lián)網技術的高速發(fā)展，越來越多的人能享受到WebGIS帶來的便利，比如我們可以隨時隨地查詢當前所在位置，可以使用導航服務去想去的地方，基于位置的服務正使我們的生活變得方便和快捷。

3）良好的可擴展性

WebGIS可以很容易的跟其他信息服務進行無縫集成，由此建立靈活多變的GIS應用。比如可以跟水環(huán)境信息服務平臺進行集成，可實現(xiàn)兩種平臺不同信息展示方式的有效結合。

4）跨平臺特性

WebGIS的客戶端采用的是常用的瀏覽器，其繼承了瀏覽器的跨平臺特性，故我們能在多種平臺下使用WebGIS，比如熟知的Windows、MAC OS以及Android平臺等。

1.2 數(shù)據(jù)來源

目前電力系統(tǒng)可以采集到多源信息，為了有效利用數(shù)據(jù)支持電網災害監(jiān)測預警工作，數(shù)據(jù)分析主要包括設備空間信息數(shù)據(jù)、災害專題數(shù)據(jù)以及基礎臺賬信息等，如圖1所示。通過對各類數(shù)據(jù)采用預警分析模型進行計算分析和標記危險源，之后提供給運維管理人員使用。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源

1）設備空間信息數(shù)據(jù)

該數(shù)據(jù)主要包括桿塔空間位置信息、塔-線拓撲結構數(shù)據(jù)、導線相位變化情況等信息。該類數(shù)據(jù)來源于電網公司相關機構，其在電網架設和維護過程中采集的數(shù)據(jù)，一般以數(shù)據(jù)庫的形式保存。

2）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、基礎部件。針對線路及其部件的設備檔案數(shù)據(jù)信息包括：線路長度、導線型號、地線型號、絕緣子型號、金具型號、桿塔型號、架設方式、絕緣子盤徑、電壓等級、出廠日期、投運日期等。這些數(shù)據(jù)通常是電網公司設計和運維過程中保存的基本數(shù)據(jù)。

3）災害專題數(shù)據(jù)

災害專題數(shù)據(jù)包括：氣象災害、覆冰災害、雷電災害、山火災害、污穢腐蝕災害、鳥類災害和樹竹障礙等災害相關監(jiān)控數(shù)據(jù)。除此之外，還需要階段性統(tǒng)計數(shù)據(jù)、專題矢量圖、運維采集的特殊數(shù)據(jù)等。其中氣象、覆冰、雷電等相關信息，均來源于電網氣象服務器或者氣象局監(jiān)控和預報等。

山火、污穢災害數(shù)據(jù)亦可來源于災害監(jiān)控設備，其他數(shù)據(jù)通常來源于電網公司電科院等監(jiān)控單位的長期監(jiān)測統(tǒng)計、常年分析研究總結、專題研究積累及運維管理采集等多樣性來源。

2 輸電線路防災減災系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)應用平臺

1）Openlayers

WebGIS是輸電線路防災減災監(jiān)測預警的基礎，也是對電網數(shù)據(jù)進行可視化分析的重要支撐。其中Openlayers是一個用來開發(fā)WebGIS客戶端的較為流行的開源JavaScrip包。這種開源方式可以讓精通JavaScript的開發(fā)人員有針對性的添加自己的功能，同時其輕量級的特性也保證了在商業(yè)平臺上的應用不受限制。

OpenLayers采用目前最為流行的客戶端腳本語言JavaScript開發(fā)而成，故采用OpenLayers作為客戶端不存在瀏覽器兼容性和依賴性的問題。OpenLayers支持OGC標準如WMTS、WMS、WFS等，也支持多種在線地圖如GoogleMap、Bing、天地圖、高德地圖等，并且也可以采用簡單的圖片作為地圖源。并且OpenLayers支持非常多的數(shù)據(jù)格式，如XML、GML、KML、GeoJSON、JSON等。這些特性讓OpenLayers成為首選WebGIS平臺。

2）Oracle 11g

數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)中極其重要的一環(huán)，本項目中數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之一，其強大的海量數(shù)據(jù)處理能力和優(yōu)秀的運行性能為企業(yè)級應用提供堅實的數(shù)據(jù)服務支撐，特別適合輸電線路海量的數(shù)據(jù)存儲和巨大的數(shù)據(jù)吞吐，為項目開發(fā)的數(shù)據(jù)庫建設提供優(yōu)良的數(shù)據(jù)處理方案。其日志備份和恢復等功能，可以高效穩(wěn)定地管理電網防災減災應用數(shù)據(jù)；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。

2.2 系統(tǒng)架構設計

基于WebGIS的架空輸電線路防災減災系統(tǒng)采用B/S架構進行開發(fā)，并采用經典的MVC框架對項目進行架構。其中，M即Model層，指模型部分，包括業(yè)務處理層和數(shù)據(jù)訪問層；V即View層，指視圖部分；C即Controllor層，指控制部分。MVC框架的優(yōu)勢是顯而易見的，它可以實現(xiàn)前后端的分離，耦合性低，模塊的重用性也較高，從而可以簡化開發(fā)，縮短項目生命周期。另外，具有部署快、可維護性高等特點。

根據(jù)具體應用需求，將該系統(tǒng)細分為6個層次，分別為數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)交換層、數(shù)據(jù)服務層、業(yè)務邏輯層、業(yè)務控制層和綜合展示層，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構

1）數(shù)據(jù)存儲層

該層主要進行數(shù)據(jù)庫結構設計工作，分析存儲系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)，包括空間數(shù)據(jù)、臺賬信息以及災害專題數(shù)據(jù)等。

2）數(shù)據(jù)交換層

數(shù)據(jù)交換層構建規(guī)范數(shù)據(jù)接口，與各業(yè)務系統(tǒng)交互，組成以Web服務為主體，數(shù)據(jù)庫直連、FTP傳輸、文件解析等方法輔助的數(shù)據(jù)交換體系。完成與運維指揮系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、智能巡檢系統(tǒng)、氣象監(jiān)測系統(tǒng)等系統(tǒng)的互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)交互工作。

3）數(shù)據(jù)服務層

數(shù)據(jù)訪問層主要是對數(shù)據(jù)庫一些操作的封裝，主要職責是對數(shù)據(jù)存儲層和數(shù)據(jù)交換層的數(shù)據(jù)進行增刪查改操作，滿足各類業(yè)務應用的需求。主要有電網數(shù)據(jù)服務、防災減災數(shù)據(jù)服務等。

4）業(yè)務邏輯層

業(yè)務邏輯層劃分功能模塊，利用封裝的數(shù)據(jù)服務開發(fā)應用，實現(xiàn)電網數(shù)據(jù)分析、災害監(jiān)測、災害預警等功能。

5）業(yè)務控制層

業(yè)務控制層是業(yè)務邏輯層與綜合展示層的中間件，其負責接收綜合展示層的交互事件，并調用業(yè)務邏輯層的相應組件，獲得結果并將結果通過Http協(xié)議的方式返回至綜合展示層，其中返回的結果主要有電網圖層數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)以及預警分析數(shù)據(jù)。

6）綜合展示層

綜合展示層將業(yè)務控制層返回的數(shù)據(jù)利用Openlayers進行可視化展示，主要有圖層的加載、氣象監(jiān)測結果可視化、覆冰監(jiān)測結果可視化、覆冰預警可視化等，并處理用戶的交互請求，與服務端通信。

3 輸電線路防災減災系統(tǒng)實現(xiàn)

架空輸電線路防災減災系統(tǒng)實現(xiàn)分為以下幾點：

①獲得氣象、覆冰、山火、雷電、鳥害和樹障等對輸電線路影響較大的真實有效的災害監(jiān)測數(shù)據(jù)；

②基于電網數(shù)據(jù)和災害數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，建立災害分析參數(shù)平臺，作為災害預測的參數(shù)庫；

③將上述參數(shù)輸入各類災害預警計算模型、災害蔓延計算模型、常規(guī)統(tǒng)計算法或者經驗區(qū)域算法等災害專題預警計算模型，計算未來有效預警時段內大風、高溫、寒潮、覆冰、雷電、山火、污穢、鳥害和樹障災害的預測數(shù)據(jù)；

④平臺自動分析將來某時段的預測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)超出地區(qū)災害預警閾值的災害將通過短信、聲音和郵件的形式通知相關責任人，進行災前處理，達到防災減災的目的；

⑤實現(xiàn)電網線路信息、各類災害信息、監(jiān)測信息、預警信息等各類信息的可視化，方便相關人員直觀查詢管理，同時備份各類屬性數(shù)據(jù)、災害監(jiān)控和預警數(shù)據(jù)，為后續(xù)系統(tǒng)擴展和電網安全大數(shù)據(jù)管理提供資源數(shù)據(jù)。其基本流程如圖3所示。

3.1 輸電線路可視化

根據(jù)電網空間位置數(shù)據(jù)進行輸電線路的可視化展示，其中按電壓等級進行展示，包括交流110kV、交流220kV以及交流500kV；另外就是以供電局的方式對下屬每個供電局進行單獨的可視化展示。圖4所示為云南省110kV（紅色），220kV（紫色）和500kV（黃色）輸電線路。

圖3 系統(tǒng)設計基本流程圖

圖4 交流輸電線路可視化

3.2 災害監(jiān)測功能實現(xiàn)

災害監(jiān)測即是將監(jiān)測得到的災害信息以及氣象信息進行直觀的可視化展示，并將監(jiān)測設備信息置于表格中進行集中分析。其內容包括氣象監(jiān)測、覆冰監(jiān)測、雷電監(jiān)測、山火監(jiān)測、污穢監(jiān)測、鳥害監(jiān)測以及樹竹監(jiān)測。

氣象監(jiān)測通過接入有合作接口的電網專題氣象局的服務，對當前時刻的溫度、降雨量、濕度、風速以及風向等信息以彈框的形式進行展示。各類災害監(jiān)測通過數(shù)據(jù)服務接入相應的監(jiān)控數(shù)據(jù)對監(jiān)測裝置的詳細信息，進行彈框展示并做基礎分析。圖5所示即為覆冰災害監(jiān)測信息和3天趨勢分析。

圖5 覆冰監(jiān)測可視化圖

3.3 災害預警功能實現(xiàn)

災害預警包括氣象預警、覆冰預警、雷電預警、山火預警、污穢預警、鳥害預警以及樹竹預警，其中氣象預警通過接入省氣象局的服務，展示未來3天的大風、降雨、高溫以及寒潮氣象情況。

災害預警以覆冰預警為例，結合氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)、覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)以及輸電線路運維數(shù)據(jù)；通過電力科學研究院結合當?shù)馗脖攸c建立的覆冰預警模型輸入當前氣象和電網監(jiān)控數(shù)據(jù)進行分析，生成全省將來3天的覆冰等值圖；再根據(jù)覆冰災害級別分析，標出覆冰防護薄弱區(qū)域并作出覆冰預警信息提示。圖6所示即為覆冰預警和趨勢結果。

圖6 未來24h覆冰預警和趨勢圖

4 應用列舉

本系統(tǒng)自2017年6月部署應用以來，分別在2017年冬季覆冰頻繁期，2018年1—4月山火頻發(fā)期和6—8月云南雷電災害頻繁期3個階段進行災害預判和防災減災指導試用，并取得良好效果。

以覆冰災害為例，在2017年云南省輸電線路冬季防冰期，從2017年11月24日曲靖供電局仁銅乙線雨霧混合淞災害起始，到2018年2月9日昭通供電局徐馬二回線霧凇覆冰災害止的整個覆冰預警期間電壓等級為10kV及以上線路記錄，人工實際檢測確認覆冰災害為1081起，系統(tǒng)線路預警次數(shù)1318次，準確率達82%。

其中110kV電壓等級線路重點供電局人工確認災害318次，系統(tǒng)預警387次，正確率為82.17%。其詳細統(tǒng)計表見表1。

表1 2017年冬季110kV以以上電壓等級覆冰統(tǒng)計表

傳統(tǒng)覆冰災害監(jiān)測方式是各供電局根據(jù)天氣預報信息，并根據(jù)經驗和統(tǒng)計規(guī)律等派出線路檢查組和檢查車輛，逐條線路檢查覆冰情況，發(fā)生冰災的線路多采用人工除冰法。傳統(tǒng)的防災減災方法在人力有限的情況下效率不高，車費、人工等費用消耗較大。

目前在系統(tǒng)指導下，融合各類氣象數(shù)據(jù)和覆冰監(jiān)測裝置實時數(shù)據(jù)，先計算未來24h、48h和72h可能形成覆冰災害的區(qū)域范圍，然后計算處該范圍內的受害線路并做地理信息定位。根據(jù)該預警和線路定位成果，派出相關除冰作業(yè)人員準確到達災害發(fā)生區(qū)域，且根據(jù)系統(tǒng)預警等級高的區(qū)域提前部署除冰融冰裝置，做到有的放矢。系統(tǒng)預警顯示效果如圖7所示。

圖7 昭通市市東部未來24h覆冰區(qū)域和等級

根據(jù)云南電網公司統(tǒng)計資料顯示，2013—2016年每年冬季防冰期全省范圍內月均派出約90組巡線組，工作周期約為10天左右，全省月均人車等月均消費270余萬元。2017年冬季防冰推行預警系統(tǒng)指導巡線以來，每月少派出30余組巡線組，直接節(jié)約經費達百萬左右，大力提高了防災減災工作效率，節(jié)約了防災減災工作成本。

結論

本文設計開發(fā)了一款基于WebGIS和多源數(shù)據(jù)的架空輸電線路防災減災系統(tǒng)，在電網屬性可視可查的基礎上，實現(xiàn)氣象、覆冰、雷電、山火、污穢、鳥害和樹障等災害當前監(jiān)控數(shù)據(jù)可視可查，并建設參數(shù)平臺，基于各類災害的實時監(jiān)控參數(shù)結合災害預警模型，實現(xiàn)未來可預測范圍內的災害發(fā)展趨勢預測，重要警情提前預報，提前處理，實現(xiàn)防災減災的目的。

目前已部署于云南電網公司相關運維部門，為輸電線路運維提供災害信息參考和輔助決策，提高了電網的運維效率、災害預判和防災水平。