基于GIS的電網(wǎng)故障分析定位系統(tǒng)的研究_圖文

1、基于GIS 的電網(wǎng)故障分析定位系統(tǒng)的研究陳宇星 福建電力調(diào)度通信中心 350003摘要：隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，使得電力系統(tǒng)的監(jiān)測、故障分析向著多元化、圖像化、智能化方向發(fā)展。因此基于GIS（地理信息系統(tǒng)）的電網(wǎng)故障分析定位也漸漸變?yōu)榭赡?。本文主要對現(xiàn)代GIS 的建設(shè)以及如何有效的應(yīng)用到福建電網(wǎng)故障分析定位的兩個方面進行探討，最后展望基于GIS 的故障分析定位系統(tǒng)的多方位應(yīng)用。關(guān)鍵詞：GIS，雷電信息定位系統(tǒng)，森林防火系統(tǒng)，保護故障信息系統(tǒng)，氣象信息系統(tǒng)1 引言GIS （地理信息系統(tǒng)）是一種在計算機軟硬件設(shè)備支持下，實現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)輸入、存儲、管理

2、、檢索、處理和綜合分析的技術(shù)系統(tǒng)。它是計算機技術(shù)與地球科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已從信息存儲數(shù)據(jù)建立，查詢檢索，統(tǒng)計分析和自動制圖等基本功能的實現(xiàn)，轉(zhuǎn)向建立多功能、多目標(biāo)、多層次的專業(yè)分析評價模型，實現(xiàn)智能化的專家系統(tǒng)和空間決策支持系統(tǒng)。傳統(tǒng)的電力企業(yè)與GIS 技術(shù)結(jié)合已經(jīng)成為目前一種富有生命力的應(yīng)用，發(fā)電、輸電、配電利用GIS 提高應(yīng)用及管理在國內(nèi)外也不乏成功的案例。但是利用GIS 進行電網(wǎng)故障分析和定位的應(yīng)用卻未見報道，主要原因是早期的GIS 應(yīng)用主要與地理信息相關(guān)，基于GIS 卻未脫離GIS ，形成了主要以地理信息為應(yīng)用的應(yīng)用系統(tǒng)。而基于GIS 的電網(wǎng)故障分析定位系統(tǒng)則是利用

3、目前省調(diào)通中心雷電信息定位系統(tǒng)、森林防火系統(tǒng)以及保護故障信息系統(tǒng)等專業(yè)系統(tǒng)通過交叉分析定位再通過GIS 強大的地理信息表現(xiàn)的功能圖形化、智能化的表示出來。本文從GIS 的建設(shè)、幾個專業(yè)系統(tǒng)的集成以及關(guān)鍵的分析定位等幾個方面進行研究探討，供大家參考。2 基于GIS 的電網(wǎng)故障分析系統(tǒng)定位系統(tǒng)建設(shè)如何有效和快速地判斷輸電網(wǎng)所發(fā)生故障的原因和位置一直是電網(wǎng)運行中的難點，目前大部分的故障分析和查找只能通過人工巡線后推測，而有條件的地方也只是利用繼電保護的故障測距對其位置進行粗略的判斷，故障原因則也是完全靠人工巡視后進行推斷的，事故往往要好長時間才能確定原因，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運行。其根本原因是沒有一個

4、能綜合各方面信息進行分析的系統(tǒng)。GIS是近年來發(fā)展起來的一門綜合應(yīng)用系統(tǒng)，其特點是在地理位置的基礎(chǔ)上有極強的數(shù)據(jù)綜合分析能力，如何有效和快速地判斷輸電網(wǎng)所發(fā)生故障的原因和位置一直是電力系統(tǒng)的難點和熱點，目前只能通過繼電保護的故障測距對其位置進行粗略的判斷，故障原因則完全是靠人工巡視后進行推斷的，事故往往要好長時間才能確定原因，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運行。其根本原因是沒有一個能綜合各方面信息進行分析的系統(tǒng)。GIS是近年來發(fā)展起來的一門綜合應(yīng)用系統(tǒng)，其特點是在地理位置的基礎(chǔ)上有極強的數(shù)據(jù)綜合分析能力，而基于GIS 的電網(wǎng)故障分析定位系統(tǒng)的重點就是利用此項新技術(shù)通過多系統(tǒng)的交叉定位分析來解決故障定位這一

5、難點。1.1 GIS建設(shè)GIS 平臺建設(shè)必須考慮到平臺的先進性、實用性和易用性、可擴展性以及安全性幾個原則，這樣才能搭建出一個穩(wěn)定的便于多系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用的GIS 平臺。先進性使用先進、成熟的技術(shù)，適合未來更高級、復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擴展，同時系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)庫采用性能應(yīng)為穩(wěn)定、安全性高的、具有跨平臺性的大型空間數(shù)據(jù)庫，保證了數(shù)據(jù)的安全性；整體架構(gòu)采取了C/S + B/S結(jié)構(gòu)，即滿足了系統(tǒng)大數(shù)據(jù)量操作的流暢性，又實現(xiàn)了日常管理工作操作容易性；具有安全機制、并發(fā)控制、多用戶操作等功能，支持網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中多用戶對空間數(shù)據(jù)并發(fā)訪問。實用性與易用性實用性和易用性是GIS 設(shè)計時考慮最多的原則，實用化程度直接決定了系

6、統(tǒng)的應(yīng)用程度，因此平臺必須具備這兩個特性?？蓴U展性GIS 平臺，采用先進的COM 組件技術(shù)和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想來搭建本系統(tǒng)整體框架，提高軟件的可靠性、可繼承性、可維護性和可擴充性。遵循當(dāng)前軟件開發(fā)和OpenGIS 開放式國際標(biāo)準(zhǔn)，提供了開放的應(yīng)用編程接口，支持用戶或第三方的二次開發(fā)，有利于系統(tǒng)未來的功能擴充與集成，使系統(tǒng)具有良好的開放性與靈活性。安全性具有統(tǒng)一的安全策略以保證系統(tǒng)安全。統(tǒng)一的用戶管理，詳細的權(quán)限劃分，確保了系統(tǒng)外部人員訪問的安全性；對引進權(quán)限集合概念形成的可自定的角色分組，賦予不同的資源服務(wù)權(quán)限，確保不同職務(wù)的人訪問不同的資源，保證系統(tǒng)內(nèi)部人員訪問的安全性。同時所有的地理地形以

7、及所需模板等建模系統(tǒng)都在GIS 中實現(xiàn)，包括為配合GIS 平臺的運行并且基于我省電網(wǎng)的地理特性，還需要高精度的地理信息地圖。因此此次GIS 系統(tǒng)具備全省1：25萬數(shù)字線劃地圖（DLG ）；全省1：25萬數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)（DEM ）；全省1：5萬線劃地圖（DLG ）；1：5萬數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)（DEM ）；全省30米分辨率影像數(shù)據(jù)。主要分層有：道路、水系、居民點、行政邊界、注記、等高線、高程點等。GIS 二維建模模塊主要功能可以分為三大部分：首先，系統(tǒng)主要實現(xiàn)處理并顯示背景地圖、電力設(shè)備等數(shù)據(jù)，同時提供相應(yīng)多種手段進行管理；其次，系統(tǒng)為了實現(xiàn)對現(xiàn)實電網(wǎng)的模型化，提供了豐富多樣的電力設(shè)備建模工具，可

8、以很方便的建立并維護輸電網(wǎng)模型。在建模過程中，系統(tǒng)自動維護設(shè)備間的拓?fù)潢P(guān)系，并提供多用戶同時在線編輯的功能；在電網(wǎng)模型基礎(chǔ)上，系統(tǒng)結(jié)合基礎(chǔ)地理圖形、電氣設(shè)備模型、設(shè)備臺帳數(shù)據(jù)等信息，綜合處理。GIS 系統(tǒng)三維建模功能設(shè)計采用了面向?qū)ο蠛徒M件技術(shù)，封裝了處理數(shù)字高程數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、設(shè)備模型數(shù)據(jù)的一系列組件，統(tǒng)一管理生成三維環(huán)境所需的各類數(shù)據(jù)；應(yīng)用OpenGL 技術(shù)，結(jié)合高程數(shù)據(jù)、二維矢量數(shù)據(jù)，自動生成三維線路模型，并提供三維桿塔、線路模型的處理與編輯功能。二維數(shù)據(jù)、三維模型、臺帳資料等數(shù)據(jù)之間的關(guān)系與功能實現(xiàn)路線。圖1 GIS平臺1：25萬地圖、二維、三維建模圖形1.2 GIS與雷電信息定位系統(tǒng)

9、集成雷電信息定位系統(tǒng)是大面積、全自動、實時監(jiān)測雷電活動的計算機在線系統(tǒng)。實時測量雷電發(fā)生的時間、地點、幅值、極性、回?fù)舸螖?shù)等參數(shù)。從電網(wǎng)的運行情況來看，線路受雷擊而造成跳閘的情況也常常發(fā)生。而GIS 與雷電信息定位系統(tǒng)集成可以有多種方式。目前雷電信息定位系統(tǒng)采用的是SQL 數(shù)據(jù)庫，而且GIS 與雷電信息定位系統(tǒng)同屬一個安全區(qū)，因此在以這樣簡單的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，GIS 平臺與雷電信息定位系統(tǒng)的集成就不需要再重新建立雷電信息的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)，而可以直接利用雷電系統(tǒng)重的SQL 數(shù)據(jù)庫，實時從雷電數(shù)據(jù)庫中將雷電信息讀取出來，直接通過GIS 表現(xiàn)在地圖上，同時支持按照行政區(qū)域、時間、地理位置等條件查詢。如圖2

10、所示 圖2 雷電信息在GIS 上的表現(xiàn)1.3 GIS與森林防火系統(tǒng)集成森林防火系統(tǒng)是通過衛(wèi)星定時對福建全省地理進行熱感應(yīng)拍照后，將衛(wèi)星圖片發(fā)送至專門的森林防火信息服務(wù)器上，然后經(jīng)過處理后形成森林火點的信息資料。GIS 服務(wù)器直接將火點信息讀取，再寫入本地的ORACLE 數(shù)據(jù)庫，這樣就完成與森林防火系統(tǒng)的集成。圖3 火點信息在GIS 上的表現(xiàn)1.4 GIS與保護故障信息系統(tǒng)集成故障信息系統(tǒng)的接入比較復(fù)雜，而且根據(jù)故障信息的性質(zhì)，不能等同于雷電信息或是森林火點信息，因為每一條故障信息都是一個準(zhǔn)確的已經(jīng)發(fā)生了的故障。同時故障信息系統(tǒng)做為安全等級較高的信息系統(tǒng)接入GIS 系統(tǒng)必須按照電力二次系統(tǒng)安全防

11、護體系進行。因此對于保護 故障信息系統(tǒng)的集成接入就不能簡單的利用數(shù)據(jù)庫調(diào)用或是直接寫庫的模式進行，必須單獨設(shè)計一套接入程序和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。根據(jù)電力二次系統(tǒng)安全防護體系，高安全等級向低安全等級的系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)必須通過電力系統(tǒng)專用的安全隔離設(shè)備。而該設(shè)備實際上是將TCP/IP連接變?yōu)榉荰CP/IP連接，同時具有嚴(yán)格的返回檢驗，從而達到一種比較安全的傳輸模式。因此首先從保護故障信息系統(tǒng)通過SOCEKT 端口將保護故障信息發(fā)送至GIS 服務(wù)器，當(dāng)GIS 服務(wù)器上故障信息監(jiān)聽程序接收到這個故障信息的時候就將信息直接寫入數(shù)據(jù)庫，并將信息直接送入故障信息系統(tǒng)分析程序中進行分析，同時返回一個校驗碼。而做為實際的故障

12、信息，GIS 用戶可以通過GIS 地圖表現(xiàn)實時的看到故障情況，并根據(jù)需要對故障分析進行人工干預(yù)。圖4 保護故障信息在GIS 上的表現(xiàn)3 電網(wǎng)故障的分析和故障定位算法GIS 系統(tǒng)建設(shè)的目的主要是服務(wù)電網(wǎng)，因此利用GIS 的圖形地理計算能力來參與電網(wǎng)故障的分析和定位會提高電網(wǎng)的運行水平。但是如何將上述的幾個專業(yè)系統(tǒng)中的信息有效的集成到GIS 中，并做為重要的故障判據(jù)提供給GIS 系統(tǒng)進行分析就現(xiàn)得尤為重要。從幾個信息源上看，雷電信息、森里火點信息都是有可能引起電網(wǎng)故障得原因，但是并非每一次雷擊或是森林火災(zāi)必然引起故障，而保護故障信息系統(tǒng)來的故障信息數(shù)據(jù)則是每一次發(fā)生電網(wǎng)故障后才發(fā)送過來的。因此整個

13、算法分析流程由故障信息作為主線觸發(fā)，并用雷電信息和森林火點信息作為校正及推斷分析的輔助信息。首先，當(dāng)收到雷電、火點信息，直接寫入數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的表保存。在收到故障信息時，由服務(wù)器端接收程序?qū)⒐收闲畔⒃膶懭霐?shù)據(jù)庫中相應(yīng)的表保存，并發(fā)出消息觸發(fā)分析程序開始。當(dāng)分析程序收到觸發(fā)信息時，由信息中分解出此次故障唯一標(biāo)志，到故障表中查詢相應(yīng)故障，并做分析，由故障信息得到一個初步的結(jié)果。然后，根據(jù)故障發(fā)生時間（再采用一定的容差）到雷電信息表中查找合適的記錄，用雷電信息篩選上一步得到的結(jié)果，并按可能性排序。再接著到火點信息表中執(zhí)行相同的操作篩選上一步生成的結(jié)果。然后將分析結(jié)果及每個結(jié)果的可能性、所涉及的雷電、

14、火點信息保存到分析結(jié)果表中。最后，發(fā)送信息給當(dāng)前的每個連接，通知新的故障信息唯一標(biāo)志。當(dāng)?shù)玫焦收闲畔?shù)據(jù)，GIS 的地理算法的依據(jù)就十分重要，怎樣把故障的電氣距離換算成第二十九屆中國電網(wǎng)調(diào)度運行會收錄論文全集 為地理的實際距離。通過故障時候確認(rèn)及經(jīng)驗值，大致可以按照如下方式計算地理位置的實際 距離。 根據(jù)繼保的故障距離（電氣距離） ，利用線路各級桿塔的檔距數(shù)據(jù)逐一推算發(fā)生故障的桿 塔，為了消除導(dǎo)線弧垂的影響，推斷算法應(yīng)考慮 1.52.5的距離系數(shù)，其中平原地區(qū)的距 離系數(shù)為 1.5，山區(qū)丘陵地帶的距離系數(shù)為 2.5； 根據(jù)繼保的故障距離（電氣距離） ，利用線路各級桿塔的坐標(biāo)數(shù)據(jù)計算桿塔之間的距

15、離， 做為電網(wǎng)故障的分析，就要加入雷電信息和火點信息進行交叉分析定位，通過 GIS 計算來 分析故障發(fā)生的原因。第一，故障定位到某個桿塔后，系統(tǒng)自動查詢該桿塔周圍 2 公里（可以 設(shè)置搜索范圍）的雷擊情況，查詢時間取繼保的故障時間前后 10 分鐘（可以設(shè)置時間范圍） 范圍，也可以通過雷擊點定位最近的桿塔來確定可能的故障桿塔；第二，故障定位到某個桿塔 后，系統(tǒng)自動查詢該桿塔周圍 10 公里（可以設(shè)置搜索范圍）的森林火點情況，查詢時間取繼 保的故障時間前后 12 小時（可以設(shè)置時間范圍）范圍，如果沒有查詢到森林火災(zāi)信息，可以 適當(dāng)加大搜索的距離范圍和時間范圍，以確定故障桿塔附近是否存在森林火災(zāi)情況

16、。 逐一推算發(fā)生故障的桿塔，此算法同樣要考慮 1.52.5的距離系數(shù)； 4 基于 GIS 的電網(wǎng)故障分析定位系統(tǒng)的應(yīng)用及下一步工作計劃 我省調(diào)通中心正在加快該系統(tǒng)的建設(shè)步伐，目前已經(jīng)完成了 GIS 平臺系統(tǒng)建設(shè)并集成了 雷電信息、森林防火信息以及保護故障信息，實現(xiàn)初步的應(yīng)用雛形。雷電信息定位系統(tǒng)以及森 林防火系統(tǒng)的已經(jīng)完成接入并投入實際運行，保護故障信息系統(tǒng)的接入也在最后緊張的調(diào)試過 程中。今年 2 月 17 日南平地區(qū)一條線路跳閘，工作人員通過 GIS 系統(tǒng)很準(zhǔn)確的找到了故障點， 并根據(jù) GIS 系統(tǒng)所給出的原因分析判斷是一起因為雷擊造成的事故跳閘。系統(tǒng)建成后，雷電信 息、火電信息以及保護故

17、障信息將實時的發(fā)送到本地主服務(wù)器并按照預(yù)定的算法完成交叉計 算，最后自動形成對故障的一個分析報表提供給相應(yīng)的用戶查閱，用戶還可根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情 況對故障重新分析計算。通過 GIS 系統(tǒng)分析后的結(jié)果會以多種方式進行發(fā)布，同時提供用戶再 次分析和故障確認(rèn)文件上傳的接口，這樣在 GIS 系統(tǒng)上最終會保留有電網(wǎng)故障的最終也是最正 確的分析報告。而作為正常的使用者可以通過 C/S 或 B/S 的方式對故障信息進行多方位的查看 和統(tǒng)計，提高電網(wǎng)運行的經(jīng)驗。因此基于 GIS 的電網(wǎng)故障分析定位系統(tǒng)將對整個福建電網(wǎng)的故 障分析判斷定位有很積極的作用。 今年 13 月份幾次因為火燒山而引起電網(wǎng)中降出力、轉(zhuǎn)熱備用

18、甚至線路跳閘的情況可以 看出，我省電網(wǎng)對防災(zāi)變的預(yù)警能力還不足。因此基于 GIS 的電網(wǎng)故障分析定位系統(tǒng)不僅需要 對已發(fā)生的事故能夠快速、準(zhǔn)確的提出判斷分析并定位，而且還需要對整個電網(wǎng)運行有個前瞻 性的預(yù)警作用。因此中心的下一步工作計劃就是將自動氣象信息集成到系統(tǒng)中來。目前正在建 設(shè)的自動氣象臺站所收集的氣象信息能夠很好的和雷電信息和火點信息結(jié)合，通過 GIS 系統(tǒng)的 分析判斷來預(yù)測雷電或是火災(zāi)的走向、當(dāng)?shù)靥鞖鈿庀?、風(fēng)速等狀況形成較為詳細的預(yù)警報告， 提供給調(diào)度員和運行方式人員，提出科學(xué)的電網(wǎng)運行方式，減少因災(zāi)害而造成的損失。同時還 可以積累多年的數(shù)據(jù)，也為電網(wǎng)全年運行方式的安排提供可以參考的

19、依據(jù)。 -6- 第二十九屆中國電網(wǎng)調(diào)度運行會收錄論文全集 5 系統(tǒng)存在的問題 每一個智能的分析系統(tǒng)都存在一個最大的問題，就是智能程度是否真的能達到應(yīng)用要求， 基于 GIS 的電網(wǎng)故障分析定位系統(tǒng)也同樣面臨這樣的問題。而智能程度的高低很大程度取決于 給它所提供數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。雷電信息定位系統(tǒng)、森林防火系統(tǒng)以及保護故障信息系統(tǒng)都在不斷 完善和優(yōu)化，就雷電信息定位系統(tǒng)而言，目前全省 9 個探測站，基本覆蓋了我省全境，但是由 于我省地形多為丘陵、山地所以還存在一些的誤差；森林防火系統(tǒng)也存在一定的延時問題；同 時電網(wǎng)基本參數(shù)的準(zhǔn)確性目前還不足。因此系統(tǒng)智能化的提高就需要提高其輔助信息系統(tǒng)的準(zhǔn) 確度，只有這

20、樣才能使基于 GIS 的電網(wǎng)故障分析定位系統(tǒng)真正實用化并將作用發(fā)揮到最大。 6 結(jié)束語 雷電信息定位系統(tǒng)、森林防火系統(tǒng)以及保護故障信息系統(tǒng)建設(shè)的將會不斷完善，所提供的 數(shù)據(jù)必將越來越準(zhǔn)確，新增的自動氣象信息也將很快集成到 GIS 中。隨著電網(wǎng)故障的分析輔助 系統(tǒng)的日益完善，可供 GIS 系統(tǒng)進行分析的判據(jù)也越來越豐富，同樣智能分析的水平及智能化 程度也隨之提高。通隨著應(yīng)用的不斷深入和擴展，從電網(wǎng)運行角度來說，基于 GIS 的電網(wǎng)故障 分析定位系統(tǒng)為電網(wǎng)故障分析、電網(wǎng)運行方式等多方面提供科學(xué)可靠的依據(jù)，也必將成為電網(wǎng) 調(diào)度保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行不可或缺的重要手段。 作者簡介 陳宇星，男，工程師，從事電力系統(tǒng)自動化工作。主要工作和研究方向是：電能量管理系 統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、電力調(diào)度網(wǎng)絡(luò)及信息安全控制、信息系統(tǒng)等 -7- 第二十九屆中國電網(wǎng)調(diào)度運行會收錄論文全集 The Research of Electric Power Network Malfunction Analysis Location System Base on GIS Chen Yuxing Fujian Electic Power Dispatch