王素珍,夏振華,孫紹凱,張德華,劉樹坤

青島理工大學自動化學院,山東青島266520

基于GIS技術(shù)的高壓輸電巡檢系統(tǒng)研究

王素珍,夏振華,孫紹凱,張德華,劉樹坤

青島理工大學自動化學院,山東青島266520

為保證高壓輸電網(wǎng)絡的安全運營，本文以地理信息系統(tǒng)技術(shù)為核心，研發(fā)了高壓輸電網(wǎng)智能巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理層，采用了C/S架構(gòu)的地理信息系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)，實現(xiàn)對輸電線路及設備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的空間管理與維護，為系統(tǒng)運行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的巡檢管理層，采用了B/S模式的WEBGIS研發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)對巡檢任務的制定與分發(fā)，并通過GPRS無線通信技術(shù)和GPS全球定位技術(shù)實時定位監(jiān)督、管理與控制巡檢任務的執(zhí)行狀況，實時匯總巡檢任務產(chǎn)生的缺陷數(shù)據(jù)并統(tǒng)計分析，再根據(jù)專家知識給出消缺處理方案；系統(tǒng)的野外巡檢層，采用了基于PDA的嵌入式GIS開發(fā)技術(shù)，采用GPS實時精確定位并采集巡檢人員的工作路徑和巡檢數(shù)據(jù)，再通過GPRS實現(xiàn)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理層和巡檢管理層的數(shù)據(jù)交互。該系統(tǒng)的實際應用，證明了系統(tǒng)的可行性和有效性。

高壓輸電網(wǎng);智能巡檢系統(tǒng);GPS;GIS;WebGIS;嵌入式GIS

輸電網(wǎng)絡是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其線路和設備長期暴露在自然環(huán)境中，不僅需要承受正常機械載荷和電力負荷的作用，還要經(jīng)受污穢、雷擊、強風、洪水、滑坡、沉陷、地震和鳥害等各種外界因素的不斷危害。這些因素均會導致輸配電線路上各元件及設備的老化、疲勞、氧化和腐蝕等安全隱患，對電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定構(gòu)成嚴重威脅[1]。因此，對輸電網(wǎng)絡的電力線路及其相關(guān)設備進行有效的管理并及時檢修，實時掌握線路及設備運行狀況及周邊環(huán)境的變化，及時發(fā)現(xiàn)設備缺陷和危及線路安全的隱患，給出具體檢修意見，及時消除缺陷，避免或降低危險事故的發(fā)生，從而確保輸配電線路的安全與穩(wěn)定運行[2]。而輸電網(wǎng)絡的分布，具有廣域的地理空間特性，傳統(tǒng)的管理信息系統(tǒng)(IMS)無法實現(xiàn)對該種數(shù)據(jù)的有效管理與維護，而必須借助于地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System-GIS）技術(shù)來實現(xiàn)。

地理信息系統(tǒng)，是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在計算機軟硬件的支持下，運用系統(tǒng)公衡和信息科學的理論，科學管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供管理、決策等所需信息的技術(shù)系統(tǒng)[3]。簡單的說，地理信息系統(tǒng)就是綜合處理和分析地理空間數(shù)據(jù)的一種技術(shù)系統(tǒng)。本文將以地理信息系統(tǒng)GIS技術(shù)為核心，集成計算機網(wǎng)絡技術(shù)、通信技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及PDA嵌入式開發(fā)技術(shù)，研發(fā)高效可行的高壓輸電網(wǎng)絡智能巡檢系統(tǒng)，在實現(xiàn)對高壓輸電網(wǎng)絡廣域地理空間分布數(shù)據(jù)進行有效管理與維護的基礎(chǔ)上，對高壓輸電網(wǎng)絡進行全面的巡視與監(jiān)督、管理與控制，確保電網(wǎng)中心實時掌握高壓輸電網(wǎng)的安全運營狀況，并根據(jù)專家知識及時預警并提供輔助消缺處理方案，以減少或避免安全事故的發(fā)生。

1　系統(tǒng)架構(gòu)

在網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)和功能邏輯上，系統(tǒng)研發(fā)采用了兩層架構(gòu)模型，分別是電網(wǎng)中心管理層用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理GIS系統(tǒng)和輸電巡檢管理WebGIS系統(tǒng)，以及野外巡檢手持設備PDA用野外巡檢嵌入式GIS系統(tǒng)，如圖1所示。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理GIS系統(tǒng)，為巡檢工作提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)對輸電網(wǎng)所處地形地貌、輸電線路與設備空間地理數(shù)據(jù)及其相關(guān)屬性數(shù)據(jù)、危險區(qū)域地理空間數(shù)據(jù)及其相關(guān)屬性數(shù)據(jù)、輸電巡檢用缺陷標準專家知識、消缺處理專家知識以及輸電巡檢人員基礎(chǔ)信息等的日常管理與維護功能。

輸電巡檢管理WebGIS系統(tǒng)，實現(xiàn)對巡檢任務制定、分派并對任務的執(zhí)行進行實時的監(jiān)督、管理與控制，實現(xiàn)對巡檢人員的實時定位監(jiān)督與管理，統(tǒng)計分析上報的巡檢缺陷數(shù)據(jù)，準確了解巡線員巡視線路及設備的時間、所在位置以及電網(wǎng)的缺陷情況，及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)線路及設備運行缺陷和存在的事故隱患，并為消缺處理提供合理可行的方案，為電網(wǎng)線路及設備的綜合治理、以及要采取的相應改進措施提供詳實的依據(jù)。

圖1　系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)圖Fig.1 Network topology of intelligent patrol inspection system

圖2　管理層技術(shù)架構(gòu)Fig.2 Technical framework of management layer

野外巡檢嵌入式GIS系統(tǒng)，內(nèi)嵌于手持式PDA巡檢儀，采用GPS定位技術(shù)實現(xiàn)巡檢人員的實時定位坐標采集，并實時地圖匹配以智能導航巡檢人員按任務定制路徑進行電力的巡檢工作；采用GPRS或USB實現(xiàn)與內(nèi)業(yè)巡檢管理層的數(shù)據(jù)交互[4]，實現(xiàn)任務下載、缺陷數(shù)據(jù)的上報以及巡檢人員巡檢路徑的上傳，便于管理人員及時掌握并監(jiān)督管理巡檢人員的到位情況，及時發(fā)現(xiàn)輸配電線路及設備的工作狀態(tài)與缺陷狀況并及時上報。

2　系統(tǒng)中心管理層研發(fā)

2.1研發(fā)技術(shù)架構(gòu)

高壓輸電巡檢系統(tǒng)中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理GIS系統(tǒng)和巡檢管理WebGIS系統(tǒng)，均為海量的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。因此，在技術(shù)實現(xiàn)上[4-6]，采用ESRIArcGIS9.3作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理GIS系統(tǒng)的開發(fā)平臺，采用AO技術(shù)和VS C#開發(fā)實現(xiàn)C/S模式下的輸配電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理與維護；采用ESRI ArcGIS9.3 Server作為巡檢管理WebGIS系統(tǒng)的開發(fā)平臺，采用JSP/C#.Net技術(shù)研發(fā)實現(xiàn)B/S模式下的各項功能。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用Oracle11g，統(tǒng)一管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理GIS系統(tǒng)和巡檢管理WebGIS系統(tǒng)中各功能運行所涉及的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，其空間數(shù)據(jù)訪問技術(shù)采用ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎實現(xiàn)[7]，屬性數(shù)據(jù)的訪問采用ADO技術(shù)[8]。系統(tǒng)應用層研發(fā)技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

2.2功能邏輯

電網(wǎng)中心管理層的功能實現(xiàn)邏輯如圖3所示。其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理GIS系統(tǒng)，實時檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，若發(fā)現(xiàn)新建/廢除的輸電線路及設備地理坐標數(shù)據(jù)，便自動添加或刪除該線路及設備的地理數(shù)據(jù)以及時更新輸電網(wǎng)絡地理圖層，巡檢管理WebGIS系統(tǒng)和野外巡檢嵌入式GIS系統(tǒng)提供最新的電子地圖數(shù)據(jù)支持。

巡檢管理WebGIS系統(tǒng)，首先按巡檢需求定制各項巡檢任務，并連同該任務所轄的高壓輸電網(wǎng)絡地理數(shù)據(jù)經(jīng)地圖切片處理后通過GPRS/USB發(fā)送任務至各PDA，并通過GPRS無線通信方式實時接收各PDA發(fā)送來的電力缺陷數(shù)據(jù)和巡檢路徑軌跡；針對缺陷數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會根據(jù)缺陷標準專家知識統(tǒng)計分析其缺陷嚴重程度并在地圖上進行標記，再根據(jù)消缺處理專家知識發(fā)送消缺處理策略給相關(guān)人員并安排時間及時進行消缺處理，以實時跟蹤處理消缺全過程；針對巡檢路徑軌跡，實時監(jiān)視野外巡檢人員的巡檢路徑及巡檢狀況，定位監(jiān)督并管控野外巡檢人按要求執(zhí)行巡檢任務。

圖3　管理層功能實現(xiàn)邏輯架構(gòu)Fig.3 Logic framework of functional implementation of management layer

2.3數(shù)據(jù)庫規(guī)劃

系統(tǒng)中心管理層用數(shù)據(jù)庫，是整個高壓輸電智能巡檢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐層，既有廣域的空間地理數(shù)據(jù)，又有屬性數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)中，既包含了系統(tǒng)運行所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，又包含業(yè)務流程中所產(chǎn)生的業(yè)務數(shù)據(jù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖4所示。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分為空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。其中，空間數(shù)據(jù)包括行政區(qū)劃地理圖層數(shù)據(jù)、高壓輸電線路/設備地理圖層數(shù)據(jù)、危險區(qū)域地理圖層數(shù)據(jù)；屬性數(shù)據(jù)，線路/設備基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，包含缺陷標準專家知識數(shù)據(jù)和消缺處理專家知識數(shù)據(jù)。

業(yè)務數(shù)據(jù)，也分為空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。其中，空間數(shù)據(jù)包含任務定制線路圖層數(shù)據(jù)、新建電網(wǎng)線路/設備位置采集數(shù)據(jù)、缺陷狀態(tài)專題數(shù)據(jù)、消缺狀態(tài)專題數(shù)據(jù)、任務執(zhí)行中野外巡檢歷史軌跡地理圖層數(shù)據(jù)；屬性數(shù)據(jù)，包括任務定制中產(chǎn)生的地理數(shù)據(jù)之外的數(shù)據(jù)，如巡檢時間、周期、巡檢狀況以及巡檢人員安排等，還有巡檢過程中實時上報的電網(wǎng)線路/設備缺陷數(shù)據(jù)以及消缺處理過程中產(chǎn)生的修復決策、處理狀態(tài)、處理結(jié)果以及消缺處理人員等相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖4　系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫劃分Fig.4 Partition of the system database

圖5　外業(yè)層業(yè)務流程Fig.5 Working flowchart of out side task layer

3　系統(tǒng)野外巡檢層研發(fā)

3.1研發(fā)技術(shù)

系統(tǒng)中，其外業(yè)的野外巡檢PDA小系統(tǒng)，其嵌入式操作系統(tǒng)采用WIN CE，嵌入式數(shù)據(jù)庫采用MS SQL Server CE，嵌入式GIS開發(fā)平臺為ESRIArcGIS Mobile，用VS C#具體開發(fā)實現(xiàn)。

3.2功能邏輯

野外巡檢人員手持PDA進行野外巡檢。開機后，系統(tǒng)先自動檢測是否有未完成的任務，若有，則接上次任務執(zhí)行點位開啟電網(wǎng)線路設備的智能身份識別與GPS定位導航繼續(xù)完成該任務；若沒有，則檢測是否有新發(fā)來的任務，若有，則開啟智能身份識別和GPS定位導航功能進行巡檢[9,10]。其業(yè)務流程如圖5所示。

根據(jù)任務定制巡檢時，小系統(tǒng)首先檢測是否有新建線路/設備，若有，則先采集新建線路/設備的地理坐標和人員移動坐標，經(jīng)濾波處理后，存入PDA小系統(tǒng)臨時數(shù)據(jù)庫，然后再定位采集缺陷數(shù)據(jù)。若任務定制路徑為已有線路，則確定起始點后根據(jù)GPS定位導航并與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行坐標數(shù)據(jù)匹配智能識別正在巡檢線路/設備是否符合任務定制區(qū)域，若符合，則定位采集缺陷數(shù)據(jù)和人員移動坐標，再將數(shù)據(jù)暫存至PDA小系統(tǒng)臨時數(shù)據(jù)庫；否則，重新GPS導航至任務定制區(qū)域再巡檢。小系統(tǒng)實時判斷GPRS通信是否正常，若正常，則將各暫存至臨時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS發(fā)送至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫[11]；否則，采用USB方式傳輸各數(shù)據(jù)至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

3.3數(shù)據(jù)庫規(guī)劃

系統(tǒng)野外巡檢曾用數(shù)據(jù)庫為PDA嵌入式數(shù)據(jù)庫，其數(shù)據(jù)機構(gòu)如圖4所示的系統(tǒng)中心管理層數(shù)據(jù)庫規(guī)劃。但考慮到PDA數(shù)據(jù)處理能力的有限性，該數(shù)據(jù)庫僅存儲與當前巡檢任務相關(guān)的數(shù)據(jù)，即巡檢任務區(qū)域范圍內(nèi)的行政區(qū)劃、線路/設備圖層及基本屬性、危險區(qū)域圖層以及缺陷標準和消缺處理專家知識等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及與巡檢任務區(qū)域范圍相關(guān)的業(yè)務數(shù)據(jù)。

4　系統(tǒng)功能描述

4.1系統(tǒng)中心管理層

4.1.1任務管理實現(xiàn)對輸電巡檢任務的創(chuàng)建、編輯、分配、以及查詢等功能。用戶可根據(jù)需求，點選或手動輸入需要巡檢的輸配電線路以及變電站的巡檢范圍，若為周期性或階段性巡檢，可直接套用歷史巡檢任務相關(guān)內(nèi)容。其功能界面如圖6（A）所示。

4.1.2缺陷管理實現(xiàn)對輸電巡檢缺陷數(shù)據(jù)以及消缺狀況進行編輯與管理。對輸電巡檢數(shù)據(jù)的缺陷等級以及消缺狀況進行統(tǒng)計分析，并以報表形式或電子地圖形式進行空間展布。其功能界面如圖6（B）所示。

4.1.3巡檢監(jiān)督根據(jù)巡檢現(xiàn)場實時反饋的巡檢人員定位坐標，實時生成巡檢路徑，并與任務定制路徑實時匹配，實現(xiàn)對現(xiàn)場巡檢人員的24 h實時監(jiān)控與管控；實現(xiàn)對巡檢人員的歷史巡檢任務的軌跡回放，統(tǒng)計分析歷史任務巡檢狀況的定位監(jiān)督與管理。

4.1.4消缺管理為缺陷處理提供消缺方案，并定位跟蹤監(jiān)督缺陷處理狀況。

圖6　管理層功能界面Fig.6 Functional interface of management layer

4.2系統(tǒng)野外巡檢層

4.2.1任務下載PDA開機，系統(tǒng)首先判斷當天將要執(zhí)行的任務是否下載；若未下載，則以無線方式自動下載或USB手動下載。若已下載，顯示當天需執(zhí)行任務編號及內(nèi)容。

4.2.2輸電巡檢根據(jù)當前巡檢任務的定制路線或區(qū)域進行巡檢；在PDA上打開要執(zhí)行的任務的地圖文件，并空間展布，作為巡檢用底圖；按底圖給定的任務路線及設備巡檢范圍，導航巡檢人員執(zhí)行巡檢任務，并錄入巡檢結(jié)果數(shù)據(jù)和拍照取證；自動采集巡檢人員巡檢方位坐標并上傳至電網(wǎng)中心管理層，若巡檢路徑非任務定制路徑，則接收中心管理層發(fā)回的任務確認信息并調(diào)整巡檢路徑；巡檢員可根據(jù)線路及設備的具體缺陷狀況按國家缺陷標準進行點擊選區(qū)，若國家標準中未有或與實際狀況不符，巡檢員可手動寫入巡檢結(jié)果，并保存到缺陷庫以備后用。其功能界面如圖7（A）所示。

4.2.3數(shù)據(jù)管理對PDA本地存儲的巡檢數(shù)據(jù)進行核實，并檢測是否已經(jīng)上傳；若巡檢數(shù)據(jù)與現(xiàn)場狀況不符，則對巡檢數(shù)據(jù)進行修改。對檢測無誤且未上傳的巡檢數(shù)據(jù)，則在GPRS正常通訊的情況下上傳至中心管理層系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并自動清空本地數(shù)據(jù)；若GPRS通信不正常，則暫存數(shù)據(jù)至PDA本地數(shù)據(jù)庫。其功能界面如圖7（B）所示。

圖7　野外巡檢功能界面Fig.7 Function interface of outdoor patrol inspection

5　結(jié)論

將GIS技術(shù)應用于高壓輸電網(wǎng)的巡檢而研發(fā)的高壓輸電智能巡檢系統(tǒng)，既能實現(xiàn)對高壓輸電網(wǎng)廣域地理空間數(shù)據(jù)的管理于維護，又結(jié)合GPS技術(shù)實時定位監(jiān)督巡檢人員的野外巡檢情況，亦確保了巡檢人員按巡檢任務制定的工作路徑進行巡檢，智能記錄巡檢人員的實際巡檢路徑并實時與任務定制的路徑相比對，指引巡檢人員按正確路徑、按正確方向進行巡檢，避免重復巡檢、漏檢，避免錯檢導致的人員傷亡事故的發(fā)生。缺陷標準專家知識和消缺處理專家知識的運用，使得對電網(wǎng)線路/設備的缺陷描述實現(xiàn)標準化作業(yè)，再結(jié)合消缺處理專家知識為消缺處理提供了良好的輔助決策。

該系統(tǒng)的研發(fā)符合電力巡檢的業(yè)務流程，且在實際應用中取得了良好的應用成果，得到了國家電網(wǎng)公司的認可，更驗證了該系統(tǒng)的可行性和有效性。

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Research on Patrol Inspection System for High Voltage Transmission Network Basedon GIS

WANG Su-zhen,XIA Zhen-hua,SUN Shao-kai,ZHANG De-hua,LIU Shu-kun
Automation Engineering College of Qingdao Technological University,Qingdao 266520,China

For the safe operation of high voltage transmission network,this paper applied the technology of Geographic Information System to establish a High Voltage Transmission Network Patrol Inspection System(HVTNPIS).The basic data management layer of HVTNPIS was developed by the technology of C/S-based GIS to manage and provide basic spatial data of the high voltage transmission network for the whole system.The patrol inspection management layer of HVTNPIS was implemented with the technology of B/S-based Web GIS to create and distribute patrol inspection tasks,supervise,manage and control timely the execution states of all tasks by using GPRS and GPS technology,to collect and analyze the power defect data,and further provide maintenance solution with the expert knowledge.The field patrol inspection layer of HVTNPIS was designed by introducing embedded GIS to position,collect and transmit the patrol paths of patrol workers and power defect data to the basic data management layer and patrol inspection management layer in a real time method.The application results of HVTNPIS showed its feasibility and effectiveness.

High voltage power transmission network;intelligent patrol inspection system;GPS;GIS;WebGIS;embedded GIS

TM723

A

1000-2324(2015)02-0238-05

2013-05-13

2013-05-29

青島市開發(fā)區(qū)科技攻關(guān)基金項目(2013-107)

王素珍(1975-),女,濰坊人,博士后,副教授,主要從事電氣自動化及智能技術(shù)系統(tǒng)的研發(fā).E-mail:wangsuzhen2020@163.com