气象大数据在运检智能管控中的应用

郑一博，王 馨，赵 盟，王 辉，沈彦伶

(1.国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京 100045；2.国网冀北电力有限公司，北京 100053)

灾害性天气常常造成电力设备受损，引发停电事故，给人们的生活和社会经济发展带来较大影响，受到国内外电力公司的高度关注。因此，研究和分析本地区气象灾害特征，建立气象预警系统，对灾害性天气可能造成的电网影响进行预警，从而提前采取措施，防止灾害发生。电网的安全运行事关国家经济发展，电力气象预警系统的建设工作显得尤为迫切。

气象综合展示模块作为冀北智能运维管控系统的重要组成部分，利用微气象在线监测数据[1]和公网气象预报信息，结合电网GIS平台[2]、PMS2.0[3]、数据中心等多源信息，进行集成和融合，实现多元气象信息的综合展示、分析和预警告警功能，为冀北运检部门提供及时、可靠的气象预警信息，为防灾减灾工作提供科学的预警依据[4]。

1 数据来源

目前气象综合展示模块的数据信息包括输电线路设备空间信息、输电设备台账信息、在线监测微气象信息、雷电数据、气象数据等。电网GIS平台提供设备空间数据；PMS2.0提供设备台账信息、运行管理信息；从状态监测系统接入微气象数据；调度系统D5000提供雷电数据；从公网接入气象局的气象数据。数据中心是调度系统、PMS2.0、电网GIS平台相关数据的汇聚地，各系统向其推送相应的数据，供气象综合展示模块使用。模块数据来源如图1所示。

图1 模块数据来源

2 关键技术研究

由于系统数据来源多，涉及多个基础平台和业务系统，面对如此庞大的海量数据如何进行数据融合和检索，如何将大数据转换成图形，如何将图形融合到电网GIS平台中进行一体化展示，这是实现气象综合展示功能的关键所在。

2.1 数据融合检索技术

目前在电力领域，数据融合检索技术还没有非常成熟的案例可以遵循,系统在研究开发过程中，主要参考百度、腾讯、阿里以及ESRI公司的研究成果进行应用改进。主要解决途径是参照上述公司的相关文档和例子，在相关的业务表之间创建连接关系和索引，形成多维索引数据检索机制，支持多表连接与多维查询功能[5-6]；另外按照系统的功能需求，对netCDF[7]网络通用数据格式进行扩展，将文字、图像、空间图形打包到一起，不仅实现了不同数据信息融合，还利用了netCDF数据格式的优点，实现了数据的高效存储、管理和读取操作。为了降低客户端进行页面查询检索数据的响应时间，系统将查询检索结果转换成json串，借助其在网络上的高速传输效率，从而达到快速检索的效果。

2.2 大数据可视化技术

由于气象数据的可视化是基于电网GIS平台的，因此所有的图形化必需得到GIS平台的支撑。电网GIS平台虽然提供了标准的空间信息服务和Flex开发包，但不能完全满足系统的功能需求，需要对GIS图形化接口进行扩展，满足气象数据按点、线、面、标注等形式进行可视化展示，进行空间计算和分析的要求。

虽然电网GIS平台提供了Flex开发包，但开放性不够，用它做应用开发不够方便，因此，系统采用ArcGIS平台提供的Flex开源开发包进行接口扩充开发，形成了一套基于电网GIS平台空间信息服务的二次图形开发组件，很好地解决了气象数据与地图叠加显示、进行空间计算和空间分析的技术问题。

3 总体设计

3.1 应用平台

应用平台有ArcGIS Flex[8]地图组件和Oracle 11g数据库。前者是一套免费地图开发组件，用来对电网GIS平台提供的空间信息服务进行封装，扩展应用接口，实现在地图上叠加电网资源、绘制气象和灾害图形，标注相关信息，进行空间计算和气象数据可视化分析等应用功能；后者用来存储状态监测系统和气象数据服务器定时和准实时传送过来的数据，另外还存储系统配置和初始化数据信息。

3.2 架构设计

基于电网GIS平台[9]的气象综合展示模块按照系统的总体功能和架构要求，提取PMS2.0中的台账信息与电网GIS平台的空间图形数据，结合微气象在线监测和气象大数据，进行数据融合，建立气象预测预警分析模型，进行空间分析计算和数据挖掘，完成气象信息的综合展示和预警信息发布。模块架构由数据存储层、数据访问层、业务逻辑层、表现层四大部分组成，与系统总体架构一致,如图2所示。

图2 气象综合展示模块架构

3.2.1 数据存储层

数据存储层以关系型数据库为基础，对接入的微气象数据、公网气象数据、雷电数据、系统配置信息，包括图形、属性等，进行统一存储和管理。数据存储层主要存储微气象在线监测数据和气象数据，以及气象灾害预警量化指标、灾害等级分类阀值信息。

3.2.2 数据访问层

数据访问层对外提供数据访问接口，完成对在线监测系统、生产管理系统、调度管理系统、气象服务器数据的访问和存储入库工作，实现了与其它业务系统数据集成和融合。

3.2.3 业务逻辑层

系统使用java、Flex开发语言将业务处理逻辑封装成业务组件，包括微气象组件、气象业务组件、雷电业务组件、告警业务组件、气象格网组件等；每类组件负责一类业务数据的逻辑处理工作。

3.2.4 表现层

表现层集中将业务逻辑和功能模块封装到前台，供用户交互操作。用户可通过各种浏览器访问服务器上的应用系统，进行电网图形查看、气象信息查询和历史数据统计分析等交互式操作。

4 功能设计与实现

气象综合展示模块在地理图上显示线路走廊及其沿途的风力、气温、雨量、雷击信息，并对线路周边的微天气情况进行实时分析，对恶劣天气及气象灾害时进行告警和发布风险预警信息。主要功能包括微气象展示、气象综合展示、告警信息查询、历史统计分析，实现输电线路气象信息的全方位管理、可视化展示和预告警提示。系统功能设计如图3所示。

4.1 微气象展示

微气象展示的数据内容是微气象监测点的观测量，包括气温、气压、风速、风向、相对湿度和降雨量，实时监测输电线路周边气象环境的变化情况。该模块按需求设计了实时监测、监测趋势、统计分析、台账相关4个小模块，每个小模块又包括若干功能。

4.2 气象综合展示

气象综合展示模块来源于气象局或公网的气象数据，结合雷电信息、设备坐标和GIS空间分析功能完成以下业务功能。

a. 将气象数据以气象图标叠加到电网分布图上，展示当日天气情况及未来24 h、48 h、72 h的天气预报。

b. 将温度、湿度、降雨量、风速、雷电等实时天气数据或预报值与设备地理坐标进行空间分析，实时计算出设备周边发生的环境变化，将计算分析结果与输电运维关心的恶劣雷电、气象阈值进行匹配，形成告警信息，再遵循实时优先于预警，大风、雷电优先于温度和降雨的基本原则，将告警区段在地图进行显示。

c. 对雷电信息提供实时播放和历史回放功能。

d. 展示气象局发布的气象专题图，包括温度、降雨、风力、雷电、山火、覆冰等栅格专题图。

气象综合展示模块包括气象概况、预告警展示、图形展示、气象专题图4个子模块，每个子模块包括若干功能，分别完成不同的业务功能。

4.3 告警信息查询

告警信息是设备运行的安全隐患，严重影响供电的可靠性，是运维检修人员关心的焦点内容。为了方便运维检修人员及时发现和了解告警信息，提前采取预防措施，专门将气象告警信息查询功能单独列出来作为一个独立的模块，从而提高对告警信息快速了解和定位。告警信息查询提供按气象类型、按告警等级、按时间、按线路以及综合其它条件等5种查询方式，查处告警信息后，还提供详情查看和地图定位功能，使用户从内容和空间两方面全面了解告警信息，从而把握输电线路受灾害影响的空间分布情况。

图3 气象综合展示模块功能设计

4.4 历史统计分析

系统数据库存储了大量的历史数据,对其进行查询、统计，开展基于历史数据的图形展示与分析，看出气象变化趋势，灾害空间分布情况，发现潜在规律，从而提升输电线路维护的水平。此模块提供了丰富的查询和统计功能，可查询和统计所有气象相关的历史数据，生成不同的统计图表，另外提供统计信息和图表导出功能，方便用户作为资料在文档和报告中使用。

4.5 气象预警信息生成机制

气象预警信息的自动生成是系统的核心功能，体现了系统的智能化水平。要实现这个预警功能，需要建立相应的知识库及阀值条件，以及配合这些条件自行处理业务数据的流程步骤和数据分析手段。下面以气象预警为例来说明气象预警信息的生成过程。

4.5.1 建立气象灾害预警量化指标库

通过分析多年来由气象灾害引发的电网故障及其发生的原因，通过数据分析，提炼和总结故障发生时的气象条件，初步确定各类气象灾害可能发生的量化的气象指标条件。为了使规则库的修改维护方便和灵活，这些气象灾害类型、等级以及气象指标条件可以进行自定义。气象预警量化指标库的建立为气象预报数据的实时自动化批量处理与实时在线决策分析提供了基础。

4.5.2 建立智能气象灾害预警机制

气象灾害预警机制是处理气象预报数据，生成气象灾害预警信息的一套流程，如图4所示，主要分为数据接收、数据处理、指标判定、预警记录生成、预警区域图形生成、预警区域图形融合、预警影响范围分析、提炼预警信息和发送预警信息9个步骤。

系统每天自动接收气象局提供的未来3天的气象预报信息，经过统计分析后根据预警类型指标定义自动提取预警区域和受影响的范围，通过邮件或短信自动将预警信息发给生产一线专责。整个过程无需人工参与，不但节省人力物力，还大幅提升了数据的处理效率和可靠性。

图4 气象灾害预警机制

4.5.3 气象灾害预警信息确认

由系统自动生成的预警信息经人工检验后，在预警记录信息上添加确认标签和注释信息。通过信息确认统计出预警的准确度，准确度低则表明指标库存在改进的需求。指标的调整需要不断观察和总结，需要不断修改，逐步提高灾害预警的准确度。

5 结束语

基于电网GIS平台的气象综合展示模块，以图文并茂的方式在电网背景图上实现了当前和预测气象信息的综合展示，通过地图看气象，信息表达更为丰富和具体；二是系统可根据当前气象和预测值，进行空间分析和计算，得出气象灾害可能影响的范围，并自动生成告警和预警信息；历史统计分析功能可从时间和空间两方面对气象变化趋势，灾害空间分布情况进行跟踪和对比，从而发现潜在规律。不管是系统自动生成的气象预告警信息，还是通过历史统计分析发现的潜在规律，系统旨在通过这些功能，将气象多源数据信息有机融合到一起，多维度、多角度展示给运维检修人员，提供一套电力气象灾害预警的信息化手段，让运维人员提前做好预防措施，减灾防灾，从而提高电网运行的安全水平。

参考文献：

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