基于WebGIS的电网防灾减灾系统：节约百万经费，减少30余组巡线组
云南电网有限责任公司电力科学研究院、北京国遥新天地信息技术有限公司的研究人员黄绪勇、聂鼎等，在2019年第2期《电气技术》杂志上撰文（论文标题为“基于WebGIS的架空输电线路防灾减灾系统的研究及应用”）指出，架空输电线路防灾减灾是电网抵御外部灾害保证安全运行的重要保障，结合目前电网输电线路防灾减灾的实际需求，本文提出研究了一种基于WebGIS的架空输电线路防灾减灾系统。
以覆冰、雷电、山火、鸟害等常见的灾害为研究对象，以Openlayers平台和Oracle数据库为载体，通过对气象数据、监测数据以及运维数据等多源数据集成分析，设计基于数据存储层、数据交换层、数据服务层、业务逻辑层、业务控制层和综合信息显示层的总体架构，形成具有输电线路可视化、灾害监测、灾害预警为一体的灾害预防和决策支持系统。通过实际运行情况证明了该系统为电网输电线路防灾减灾工作提供了强有力的支撑。
伴随着计算机和网络相关技术的快速发展和应用的逐步成熟，从发电到供电再到用电的各个环节已然进入大数据智能化时代。特别是国家电网和南方电网“十三五”计划，不约而同地将建设智能电网、清洁电网作为新时期工作的重中之重。那么研究发供用体系中的各环节运维智能化就显得更具意义。
但同时近年来自然气象多变，灾害频发，电网安全平稳运行大受影响。从我国实际出发，目前架空线路仍是输电的主要形式，因架空输电线路长期直接暴露在自然环境中，极易受气象和灾害影响，所以提高架空输电线路防灾减灾工作显得尤为重要。
云南是一个典型的自然灾害频发地区，且云南电网输电线路覆盖区域广阔，沿途气象、地理环境复杂，极易受到极端天气和地质灾害的影响。根据分析自然灾害引起输电线路线路主要故障形式及其特点，在总结输电线路运维技术和需求的基础上，开展防灾减灾系统建设。
本文利用WebGIS技术，通过对获得的多源数据信息进行挖掘，可对气象、覆冰、雷电、山火等灾害信息进行有效的分析和可视化处理，形成灾害监测预测一体化，为电力运维部门提供决策依据，以提高电网的运行稳定性，保证供电可靠性。
1 关键技术研究
1.1 WebGIS基础理论
WebGIS即网络地理信息系统，是Internet在GIS上应用的产物，通过使用它，用户可以很方便的从网络上的任意一个节点浏览或者获取网络上的各种分布式地理空间数据，并且可以进行各种在线的空间分析与空间检索操作。WebGIS的应用使GIS能够真正的走向社会，可以为更多的社会群体服务，让基于以太网的电网监控和防灾减灾成为可能。其具有以下几种特征。
1）全球性的服务器应用
全球范围内任意一个网络节点的Internet用户都能访问WebGIS服务器发布的各种GIS服务，并且可以进行全球范围内的GIS数据更新。
2）真正大众化的GIS
伴随着互联网技术的高速发展，越来越多的人能享受到WebGIS带来的便利，比如我们可以随时随地查询当前所在位置，可以使用导航服务去想去的地方，基于位置的服务正使我们的生活变得方便和快捷。
3）良好的可扩展性
WebGIS可以很容易的跟其他信息服务进行无缝集成，由此建立灵活多变的GIS应用。比如可以跟水环境信息服务平台进行集成，可实现两种平台不同信息展示方式的有效结合。
4）跨平台特性
WebGIS的客户端采用的是常用的浏览器，其继承了浏览器的跨平台特性，故我们能在多种平台下使用WebGIS，比如熟知的Windows、MAC OS以及Android平台等。
1.2 数据来源
目前电力系统可以采集到多源信息，为了有效利用数据支持电网灾害监测预警工作，数据分析主要包括设备空间信息数据、灾害专题数据以及基础台账信息等，如图1所示。通过对各类数据采用预警分析模型进行计算分析和标记危险源，之后提供给运维管理人员使用。
图1 系统数据来源
1）设备空间信息数据
该数据主要包括杆塔空间位置信息、塔-线拓扑结构数据、导线相位变化情况等信息。该类数据来源于电网公司相关机构，其在电网架设和维护过程中采集的数据，一般以数据库的形式保存。
2）基础台账信息
输电线路可细化为导地线、杆塔、接地装置、附属设施、绝缘子串、金具、基础部件。针对线路及其部件的设备档案数据信息包括：线路长度、导线型号、地线型号、绝缘子型号、金具型号、杆塔型号、架设方式、绝缘子盘径、电压等级、出厂日期、投运日期等。这些数据通常是电网公司设计和运维过程中保存的基本数据。
3）灾害专题数据
灾害专题数据包括：气象灾害、覆冰灾害、雷电灾害、山火灾害、污秽腐蚀灾害、鸟类灾害和树竹障碍等灾害相关监控数据。除此之外，还需要阶段性统计数据、专题矢量图、运维采集的特殊数据等。其中气象、覆冰、雷电等相关信息，均来源于电网气象服务器或者气象局监控和预报等。
山火、污秽灾害数据亦可来源于灾害监控设备，其他数据通常来源于电网公司电科院等监控单位的长期监测统计、常年分析研究总结、专题研究积累及运维管理采集等多样性来源。
2 输电线路防灾减灾系统设计
2.1 系统应用平台
1）Openlayers
WebGIS是输电线路防灾减灾监测预警的基础，也是对电网数据进行可视化分析的重要支撑。其中Openlayers是一个用来开发WebGIS客户端的较为流行的开源JavaScrip包。这种开源方式可以让精通JavaScript的开发人员有针对性的添加自己的功能，同时其轻量级的特性也保证了在商业平台上的应用不受限制。
OpenLayers采用目前最为流行的客户端脚本语言JavaScript开发而成，故采用OpenLayers作为客户端不存在浏览器兼容性和依赖性的问题。OpenLayers支持OGC标准如WMTS、WMS、WFS等，也支持多种在线地图如GoogleMap、Bing、天地图、高德地图等，并且也可以采用简单的图片作为地图源。并且OpenLayers支持非常多的数据格式，如XML、GML、KML、GeoJSON、JSON等。这些特性让OpenLayers成为首选WebGIS平台。
2）Oracle 11g
数据库是系统中极其重要的一环，本项目中数据库平台采用甲骨文公司的Oracle 11g，Oracle 11g是目前最为流行的新一代数据库系统之一，其强大的海量数据处理能力和优秀的运行性能为企业级应用提供坚实的数据服务支撑，特别适合输电线路海量的数据存储和巨大的数据吞吐，为项目开发的数据库建设提供优良的数据处理方案。其日志备份和恢复等功能，可以高效稳定地管理电网防灾减灾应用数据；并且它提供的安全性能可以有效防止在B/S结构的网络中遭受攻击。
2.2 系统架构设计
基于WebGIS的架空输电线路防灾减灾系统采用B/S架构进行开发，并采用经典的MVC框架对项目进行架构。其中，M即Model层，指模型部分，包括业务处理层和数据访问层；V即View层，指视图部分；C即Controllor层，指控制部分。MVC框架的优势是显而易见的，它可以实现前后端的分离，耦合性低，模块的重用性也较高，从而可以简化开发，缩短项目生命周期。另外，具有部署快、可维护性高等特点。
根据具体应用需求，将该系统细分为6个层次，分别为数据存储层、数据交换层、数据服务层、业务逻辑层、业务控制层和综合展示层，如图2所示。
图2 系统总体架构
1）数据存储层
该层主要进行数据库结构设计工作，分析存储系统所需的数据，包括空间数据、台账信息以及灾害专题数据等。
2）数据交换层
数据交换层构建规范数据接口，与各业务系统交互，组成以Web服务为主体，数据库直连、FTP传输、文件解析等方法辅助的数据交换体系。完成与运维指挥系统、在线监测系统、智能巡检系统、气象监测系统等系统的互联互通、数据交互工作。
3）数据服务层
数据访问层主要是对数据库一些操作的封装，主要职责是对数据存储层和数据交换层的数据进行增删查改操作，满足各类业务应用的需求。主要有电网数据服务、防灾减灾数据服务等。
4）业务逻辑层
业务逻辑层划分功能模块，利用封装的数据服务开发应用，实现电网数据分析、灾害监测、灾害预警等功能。
5）业务控制层
业务控制层是业务逻辑层与综合展示层的中间件，其负责接收综合展示层的交互事件，并调用业务逻辑层的相应组件，获得结果并将结果通过Http协议的方式返回至综合展示层，其中返回的结果主要有电网图层数据、监测数据以及预警分析数据。
6）综合展示层
综合展示层将业务控制层返回的数据利用Openlayers进行可视化展示，主要有图层的加载、气象监测结果可视化、覆冰监测结果可视化、覆冰预警可视化等，并处理用户的交互请求，与服务端通信。
3 输电线路防灾减灾系统实现
架空输电线路防灾减灾系统实现分为以下几点：
①获得气象、覆冰、山火、雷电、鸟害和树障等对输电线路影响较大的真实有效的灾害监测数据；
②基于电网数据和灾害数据等多源数据，建立灾害分析参数平台，作为灾害预测的参数库；
③将上述参数输入各类灾害预警计算模型、灾害蔓延计算模型、常规统计算法或者经验区域算法等灾害专题预警计算模型，计算未来有效预警时段内大风、高温、寒潮、覆冰、雷电、山火、污秽、鸟害和树障灾害的预测数据；
④平台自动分析将来某时段的预测数据，发现超出地区灾害预警阈值的灾害将通过短信、声音和邮件的形式通知相关责任人，进行灾前处理，达到防灾减灾的目的；
⑤实现电网线路信息、各类灾害信息、监测信息、预警信息等各类信息的可视化，方便相关人员直观查询管理，同时备份各类属性数据、灾害监控和预警数据，为后续系统扩展和电网安全大数据管理提供资源数据。其基本流程如图3所示。
3.1 输电线路可视化
根据电网空间位置数据进行输电线路的可视化展示，其中按电压等级进行展示，包括交流110kV、交流220kV以及交流500kV；另外就是以供电局的方式对下属每个供电局进行单独的可视化展示。图4所示为云南省110kV（红色），220kV（紫色）和500kV（黄色）输电线路。
图3 系统设计基本流程图
图4 交流输电线路可视化
3.2 灾害监测功能实现
灾害监测即是将监测得到的灾害信息以及气象信息进行直观的可视化展示，并将监测设备信息置于表格中进行集中分析。其内容包括气象监测、覆冰监测、雷电监测、山火监测、污秽监测、鸟害监测以及树竹监测。
气象监测通过接入有合作接口的电网专题气象局的服务，对当前时刻的温度、降雨量、湿度、风速以及风向等信息以弹框的形式进行展示。各类灾害监测通过数据服务接入相应的监控数据对监测装置的详细信息，进行弹框展示并做基础分析。图5所示即为覆冰灾害监测信息和3天趋势分析。
图5 覆冰监测可视化图
3.3 灾害预警功能实现
灾害预警包括气象预警、覆冰预警、雷电预警、山火预警、污秽预警、鸟害预警以及树竹预警，其中气象预警通过接入省气象局的服务，展示未来3天的大风、降雨、高温以及寒潮气象情况。
灾害预警以覆冰预警为例，结合气象监测数据、覆冰监测数据以及输电线路运维数据；通过电力科学研究院结合当地覆冰特点建立的覆冰预警模型输入当前气象和电网监控数据进行分析，生成全省将来3天的覆冰等值图；再根据覆冰灾害级别分析，标出覆冰防护薄弱区域并作出覆冰预警信息提示。图6所示即为覆冰预警和趋势结果。
图6 未来24h覆冰预警和趋势图
4 应用列举
本系统自2017年6月部署应用以来，分别在2017年冬季覆冰频繁期，2018年1—4月山火频发期和6—8月云南雷电灾害频繁期3个阶段进行灾害预判和防灾减灾指导试用，并取得良好效果。
以覆冰灾害为例，在2017年云南省输电线路冬季防冰期，从2017年11月24日曲靖供电局仁铜乙线雨雾混合淞灾害起始，到2018年2月9日昭通供电局徐马二回线雾凇覆冰灾害止的整个覆冰预警期间电压等级为10kV及以上线路记录，人工实际检测确认覆冰灾害为1081起，系统线路预警次数1318次，准确率达82%。
其中110kV电压等级线路重点供电局人工确认灾害318次，系统预警387次，正确率为82.17%。其详细统计表见表1。
表1 2017年冬季110kV以以上电压等级覆冰统计表
传统覆冰灾害监测方式是各供电局根据天气预报信息，并根据经验和统计规律等派出线路检查组和检查车辆，逐条线路检查覆冰情况，发生冰灾的线路多采用人工除冰法。传统的防灾减灾方法在人力有限的情况下效率不高，车费、人工等费用消耗较大。
目前在系统指导下，融合各类气象数据和覆冰监测装置实时数据，先计算未来24h、48h和72h可能形成覆冰灾害的区域范围，然后计算处该范围内的受害线路并做地理信息定位。根据该预警和线路定位成果，派出相关除冰作业人员准确到达灾害发生区域，且根据系统预警等级高的区域提前部署除冰融冰装置，做到有的放矢。系统预警显示效果如图7所示。
图7 昭通市市东部未来24h覆冰区域和等级
根据云南电网公司统计资料显示，2013—2016年每年冬季防冰期全省范围内月均派出约90组巡线组，工作周期约为10天左右，全省月均人车等月均消费270余万元。2017年冬季防冰推行预警系统指导巡线以来，每月少派出30余组巡线组，直接节约经费达百万左右，大力提高了防灾减灾工作效率，节约了防灾减灾工作成本。
本文设计开发了一款基于WebGIS和多源数据的架空输电线路防灾减灾系统，在电网属性可视可查的基础上，实现气象、覆冰、雷电、山火、污秽、鸟害和树障等灾害当前监控数据可视可查，并建设参数平台，基于各类灾害的实时监控参数结合灾害预警模型，实现未来可预测范围内的灾害发展趋势预测，重要警情提前预报，提前处理，实现防灾减灾的目的。
目前已部署于云南电网公司相关运维部门，为输电线路运维提供灾害信息参考和辅助决策，提高了电网的运维效率、灾害预判和防灾水平。