基于电网GIS与气象数据融合的共享应用平台及其内嵌系统设计

伍 弘，刘世涛，郝金鹏，杨 凯

(国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011)

电网运行易受气象环境影响，如因大风造成的输电线路风偏闪络、导线断裂甚至杆塔倾倒，低温雨雪天气造成输电导线覆冰舞动，特殊大气污染造成绝缘子严重积污甚至引发污闪[1-4]。虽然在国家电网资源计划信息系统(State Grid Enterprise Resource Planning, SG-ERP)建设工程、输变电设备智能运检及区域性能源互联网建设工程的大力推动下，电网运行的信息化水平不断提升，但对于电网与气象数据的融合应用相对薄弱。随着全球气候不断变暖，各类极端气象天气越发频繁，对电网运行安全的负面影响日益增加，因此，通过统计、分析电网运行安全与主要气象灾害及其影响因素的变化规律，提升电网对自然灾害的监测预警能力，对保障电网安全稳定运行具有重要意义。

电网地理信息系统(geographic information system, GIS)具有特定的空间数据库，主要包括基础地理数据和电网设备数据，能够实现电网资源的结构化管理和图形化展现，已被广泛应用于各类电网业务中[5-6]。具有多源、异构、海量、高时效等特点的气象数据也在数据存储[7]、访问接口设计[8]、数据交换[9]等以实现信息共享与科学管理为目的的研究方面取得了一定进展[10]。目前，国内已有部分省份建成了将气象数据与电网GIS相关联的省级业务系统[11-12]，但总体数据集成度低，应用方向也较为单一，甚至多局限于对气象数据与电网数据的关联展示，缺少专业气象数据在电网运行、检修、风险分析等方面的应用[13]。

为解决上述问题，本文以宁夏电网为例，提出以建设电网GIS与多维气象数据深度融合的共享应用平台为基础，通过设计并实现融合多维气象数据的电网环境专题图自动绘制及展示应用系统，实现电网运行与气象环境之间关系的一一对应，从而实现电网运行中更精确、实时性更高的风险预警。

1 数据融合共享应用平台

将电网GIS数据与多维气象数据进行融合并进行数据挖掘分析是实现电网运行风险预警以及其他电网或气象相关共享应用的基础，因此，对电网GIS与气象数据融合共享应用平台的功能需求进行分析并确定其功能框架。

1.1 需求分析

电网规划、设计、建设、运行过程中会产生如GIS数据、线路及其附属设备的型号、参数、拓扑数据、网架设计数据、特殊区域分布数据等，因此，建立的数据融合共享应用平台首先应具备数据管理功能，主要包括输、变电设备三维模型数据加载管理能力及可视化分析能力，同时该功能模块要有好的可扩展性及强交互性，以满足后期更丰富的气象数据和电网运行数据的增入。

其次，该应用平台应能对杆塔设计的承载能力、导地线风偏、绝缘子串爬电距离、线路覆冰舞动等电网运行中存在的运行风险进行数据挖掘及分析，能对电网网架设计与外部气象环境进行校核。上述数据挖掘及分析、网架校核功能模块同样应具备好的可扩展性。

最后，该应用平台应能实现气象环境与电网运行监测分析以及电网运行风险预警功能。该功能模块应具备多维气象数据的展示及趋势分析，具备气象数据与电网各类数据的精细化关联，具备结合气象预报的电网运行风险阈值报警提示(监测分析电网运行中与气象关联的薄弱环节)，以及预警、报警信息的实时推送等功能。

1.2 功能框架及技术架构

根据上述三方面功能需求确定电网GIS与气象数据融合共享应用平台的功能框架为三层结构，从下到上依次为基础数据解析及存储管理层、地理发布及挖掘分析服务层、专题应用及数据展示层，如图1所示。

地理发布及挖掘分析服务层通过调用基础数据解析及存储管理层内经过解析的电网基础数据与气象数据，实现电网GIS地图基本操作，电网风区、冰区、舞动区、污区、雷区等专题图发布或分析校核，电网运行预测分析等功能；同时提供GIS接口供多维数据融合的电网专题应用及数据展示服务子系统调用。

为实现图1所示的共享应用平台功能框架，考虑系统应用的分布性和实际维护特点，采用B/S架构进行平台结构体系设计，并分为展现层、数据交互层、逻辑层和数据层，具体如图2所示。

图1 电网基础数据与多维气象数据融合的共享应用平台功能框架

图2 共享应用平台技术架构

其中浏览器提供用户操作界面以及简单的业务处理，如二维电子地图及其他前端业务页面展现等；服务器包括应用服务器和数据库服务器，应用服务器执行各类业务逻辑并向数据库发送数据交互请求；数据库服务器执行数据操作逻辑，并包含多套数据库，如关系数据库SQL Server、实时数据库FastDB(内存数据库)、空间数据库、非结构化数据库等；浏览器通过Web Server(应用服务器)同数据库进行数据交互。

2 电网环境专题图自动绘制及应用系统

电网环境专题图是将气象数据与电网运行数据融合应用的重要工具，是电网规划、设计、运维的依据之一[14]。图1所示的电网专题图挖掘分析及校核服务即是应用历史气象数据、电网设备参数、电网网架设计参数等，为展示层(用户)提供电网风区、污区、冰区、舞动区及雷区分布情况，进而根据相关规则实现输电杆塔承载能力、绝缘子爬电距离等专题挖掘分析及校核子服务。为给展示层(用户)提供准确性、时效性高的电网环境专题图，设计一套电网环境专题图自动绘制及应用系统，通过划分并建立气象数据与电网运行数据统一规则库，利用GIS建模技术模拟绘制流程，从而实现电网环境专题图的高效自动绘制。在电网环境专题图自动成图后，通过输入需校核线路的空间坐标，即能明确其各环境区域分布等级，进而校核其相关配置。该系统采用如图2所示的B/S架构设计，并具备灵活扩展性，在不断扩展完善后，将作为共享应用平台的一部分。

2.1 绘图规则库建立

根据参考文献[15]现场污秽度等级评定的主要因素为现场污秽度测试值、污湿特性以及运行经验。基于该原则，将污秽度等级评定规则划分为现场污秽度规则库、污染源规则库、污湿特性规则库和运行经验规则库4类，以供自动绘制污区分布图时调用，如表1所示。

表1 污区图规则库划分

2.2 规则库算法实现及绘制流程

将污区图的绘图数据，包括大气环境数据、气象数据、污染源数据、污秽测量点数据(人工测量数据及污秽在线监测数据)、运行经验(污闪跳闸数据)和典型运行环境输入到规则库引擎数据库中，规则库引擎根据绘图指令，采用GIS缓冲区算法生成现场污秽度规则库专题图、污染源规则库专题图、大气环境规则库专题图。利用规则库引擎，根据运行经验规则库中的线路运行经验和典型运行环境规则库，对上述生成的专题图进行局部修正。利用规则库引擎中的GIS建模算法及融合算法对各个专题图进行融合和拼接，结合往年电子污区图，形成电子污区草图，未能确定污区等级地区以高亮显示。绘图人员根据运行经验对草图进行人工调整并确定污区等级不定地区的污秽等级，形成最终的污区分布图。污区图自动绘制流程如图3所示。

图3 电网污区分布图自动绘制流程

2.3 成图及应用

以宁夏宁东地区为例，详细介绍电网污区分布图自动绘制过程。

2.3.1 大气环境及污染源

宁东能源化工基地位于宁夏东部，是宁夏地区煤化工、石油化工、火电等企业的大型集中地。2019年，宁东地区环境空气质量综合指数为4.28，PM10平均浓度为83 mg/m3，大气污染物中的SO2、NO2含量呈逐年递增趋势。此外，宁东地区是宁夏存在逆温层的主要地区，上暖下冷的大气层结构较为稳定，不利于污染物扩散，致使近地层大气污染加重。根据表2建立的大气环境规则库、表3建立的工业污染源规则库，将宁东地区污秽等级划为最严重的e级。

表2 大气环境规则库

表3 工业污染源规则库

2.3.2 现场污秽度

结合宁夏地区地域特点和实际运行经验，确定现场污秽度测量周期为3年。根据近3年宁东地区所测得现场污秽度：等值盐密范围为0.05～0.25 mg/cm2，超60%；灰密范围0.5～0.7 mg/cm2，超20%；且灰盐比在3.0～3.5，超35%。确定宁东地区污秽等级自c级起，根据污染源和大气环境不同，将不同地区划分为d级和e级。

2.3.3 运行经验

根据线路历史污闪情况和可接受的不同电压等级线路污闪跳闸率来调整不同等级污秽区域缓冲范围。根据宁东地区输变电设备运行情况，确定缓冲区范围为3 km。此外，宁东中心区作为±660 kV银川东换流站及其配套电源线路所在地，相较于同等环境条件下的其他区域，污秽等级提高一级。

2.3.4 自动成图

根据2.2节所述流程自动绘制污区图，如存在有划分等级原则冲突或异常区域，通过人工干预进行调整(以运行经验为主)。通过自动绘制生成的宁东地区电网污区分布图，除实现专题图的展现、数据库管理、规则库管理等功能外，通过输入某条线路区段性坐标，即能查询该段线路所处的污区等级，尤其对处于污区交界处的线路而言，该功能有助于其差异化防污设计，也为建成线路绝缘子爬电距离校核提供依据。

按照上述电网污区分布图的自动绘制流程及成图基本思路，可依次完成数据共享应用平台中电网风区、冰区、舞动区、雷区分布图的展现和应用，这为后续电网运行风险的预报、预警奠定了基础。

3 电网运行风险预警

根据相关气象灾害管理办法，将造成灾害的气象类别分为暴雨、暴雪、寒潮、大风、沙尘暴、高温、雷电、冰雹、霜冻、大雾、霾、道路结冰、干旱共13类[16]，其中如暴雨、暴雪、大风、霜冻、霾等均会对电网运行造成影响；因此，利用气象数据综合监测及历史数据分析应用模块，结合电网GIS平台，针对易造成电网运行灾害的各类气象，依据其可能造成的危害、紧急程度和发展态势，分别发布蓝色、黄色、橙色和红色不同级别的预警信号，同时提供初步的防御措施，并在地图上展示预警区域以及涉及到的输电杆塔或变电站，可将重要的天气预报转变为电网运行风险(灾害)预报。重要天气对电网运行可能造成的危害主要基于电网风区、冰区、舞动区、污区、雷区分布图以及易发地质灾害区域分布情况，典型预警逻辑有5类。

3.1 电网大风区域预警

基于电网GIS平台的风区分布，应用气象站短期、中期、长期及灾害性天气预报的大风和沙尘暴天气数据，对可能导致大风倒塔、风偏跳闸等风害事件设定风险预警级别。

3.2 电网覆冰舞动预警

冬春季节，在冰、风的作用下，线路易发生舞动。基于电网GIS平台的冰区和舞动区域分布，应用短期、中期、长期及灾害性天气预报的温度、大风、降水等数据，根据对线路舞动有抑制作用的装置加装情况，如线夹回转式间隔棒、相间间隔棒、双摆防舞器、失谐摆、偏心重锤等，设定输电线路舞动风险预警级别。

3.3 异常天气污闪预警

基于电网GIS平台的污区分布，应用气象站短期、中期、长期及灾害性天气预报的大雾、降水、霜雪等数据，根据绝缘子爬电距离、线路所处污秽等级及设备清扫记录等因素设定风险预警等级规则模型，重点对爬电距离不足的设备设定较高的预警级别。

3.4 雷击跳闸区域预警

基于电网GIS平台的雷区分布，应用气象站短期、中期、长期及灾害性天气预报的雷电数据，根据绝缘子爬电距离、线路所处污秽等级、接地装置安装情况等因素设定雷击跳闸风险预警等级规则模型，重点对老旧线路、爬电距离不足、接地措施不完善线路设定较高的预警级别。

3.5 电网暴雨区域(地质灾害)预警

基于电网GIS平台，应用气象站短期、中期、长期及灾害性天气预报的暴雨、大风数据，并结合地理环境因素，对可能发生大风倒塔、泥石流冲击倒塔等灾害设定风险预警级别。

4 结 语

气象数据及电网运行环境是在不断发生变化的，通过实时更新电网区域等级评定规则库，利用电网环境专题图自动绘制及应用系统能将这种变化及时反映在电网环境专题图上，进而对基于专题图的各项应用产生作用，有效避免了现有专题图应用模式下因各类分布图更新周期较长所带来的诸多问题。此外，通过对电网GIS与气象数据融合共享应用平台功能不断扩展完善，最终可实现对电网运行数据的挖掘分析，从而发现电网运行过程中的薄弱环节。在结合电网环境专题图和不同周期的气象预报即能完成对电网运行中的常规以及重点突出的风险预报预警，为减轻愈发频繁的异常气象对电网运行安全所造成的负面影响提供了有效参考。