基于多源數據融合與分析的配電網可視化診斷系統的構建

文/馬立紅 王海生 寧光濤 楊陵霞 劉保柱

（1.海南電網有限責任公司 海南省海口市 570203）

（2.北京國科恒通科技股份有限公司 北京市 100085）

1 引言

配電網診斷工作涉及的數據信息分散于各系統，主要包括資產管理系統、營銷業務系統、調度自動化系統、計量自動化系統、配網GIS平臺，涉及的數據量大、計算量大。雖然海南數字電網平臺集成了這些業務系統的源數據，但面向規劃業務，這些系統的數據融合共享程度并不高，這就導致了規劃人員無法全面掌握配電網真實運行情況，無法及時定量了解配電網存在問題的嚴重程度和所在位置；且配電網問題的數據收資需各個部門配合，電網診斷效率低下。

針對上述問題，本文設計并構建了基于多源數據融合與分析的配電網可視化診斷系統，通過海南數字電網平臺集成了資產管理系統、營銷業務系統、調度自動化系統、計量自動化系統、配網GIS平臺等外部系統的數據；利用GIS技術、多源數據信息融合技術，實現配電網地理信息、拓撲信息、臺賬信息、運行信息的充分融合；同時采用分布式Spark集群技術處理電網運行大數據，通過“維度建模+ETL”技術實現業務指標的統計匯總，最終實現了配電網薄弱環節的自動診斷和基于GIS的診斷結果可視化展示。

2 系統設計

2.1 系統架構

系統通過海南數字電網平臺獲取數據源，以Spark大數據處理框架為核心，使用關系數據庫Orcale和分布式NoSQL數據庫HBase結合的存儲方式來存儲大數據，在網絡（Web）端提供統計分析服務、拓撲分析服務、數據可視化服務、空間信息服務、地理服務等，為配電網診斷指標可視化提供服務支持。系統架構如圖1所示，系統相關技術組件如表1所示。

2.1.1 數據集成

系統采用了服務接口集成的方式通過數字電網平臺接入資產管理系統、營銷業務系統、調度自動化系統、計量自動化系統、電網GIS平臺等系統的共享數據。其中電網運行數據通過歷史服務接入，設備臺賬、用戶信息通過CIM服務接入，配網GIS數據通過WebService的方式接入，再通過數據校驗、融合、轉換等操作，形成面向規劃業務的基礎數據。

2.1.2 數據存儲

系統根據數據量和數據結構等特征，將數據分開存儲，其中電網運行數據這種數據量大且結構簡單的數據用大數據存儲技術

表1：系統相關技術組件

圖1：系統架構

HBase數據庫進行存儲，對于電力供需、電網設備、用戶信息、拓撲關系、地理信息等結構復雜、數據量稍小的數據使用關系型數據庫Oracle進行存儲。

2.1.3 數據計算

系統采用分布式Spark集群技術處理電網運行大數據，通過Hadoop集群管理器（YARN）服務訪問集群中的機器，集群的規模可根據處理量的大小進行彈性增減。當一個計算任務提交至Spark后，驅動器節點負責中央協調，調度各個執行器節點處理任務，計算結果存儲在Oracle中。

對于大多數業務指標的統計計算所涉及的數據量并非海量數據，系統采用了傳統的“維度建模+ETL”技術來實現指標的計算，通過對數據進行不同粒度的匯總與計算，生成各粒度、各業務維度的計算結果，支持前端數據的快速展現和各維度的上下級鉆取聯動，全方位展示指標分析情況。

2.1.4 數據應用服務

基于C++和JAVA開發體系，應用服務提供統計分析服務、拓撲分析服務、數據可視化服務、空間信息服務、地理服務等應用服務，為配電網診斷結果可視化提供服務支撐。

2.1.5 數據展現

通過UI控件、Bootstrap等基礎UI組件，提供表單、提示框、表格、樹、容器等控件，統一系統的界面樣式；使用Echarts圖表組件，進行數據的柱圖、折線圖等可視化展示；通過VUE及WebGIS等界面渲染引擎將服務端輸出的數據模型綁定到UI組件中，實現前端界面的渲染。

2.2 診斷指標構建

基于多源數據融合與分析的配電網可視化診斷，包括供電能力診斷、網架結構診斷、設備水平診斷、供電質量診斷四個方面。

（1）供電能力診斷：線路負載率分析、線路裝接配變容量、配變負載率分析、城鎮戶均配變容量、農村戶均配變容量等。

（2）網架結構診斷：線路供電半徑、線路典型接線率、線路聯絡率（包括線路站間聯絡率）、線路可轉供率、線路平均分段數等。

（3）設備水平診斷：線路運行年限分析、配變運行年限分析、絕緣化率和電纜化率、線路配電自動化覆蓋率等。

（4）供電質量診斷：線路首末端電壓越限、配變低壓側電壓越限、供電可靠性、線損率等。

3 系統功能

3.1 多源異構數據融合處理

從數據集成模塊集成的生數據，經過數據校驗、數據融合、數據轉換等數據清洗流程，形成熟數據，來支撐規劃業務應用。其中，數據校驗包括從完整性、一致性、正確性三方面對數據進行全方位檢查；數據融合將營、配、調三個部門的數據利用自動融合、特征融合、人工融合的方式實現貫通；數據轉換將來自不同系統異構的數據，按照規劃專業的習慣，對數據進行重新整合，形成面向規劃業務的基礎數據。具體流程如圖2所示。

3.2 問題自動診斷分析

在電網GIS平臺和多維數據融合的基礎上，系統可展示現狀電網沿布圖和相應的網絡拓撲接線圖，同時提供了電網設備屬性信息、網架拓撲信息和電網歷史運行數據。基于構建好的診斷指標體系、內置算法及相關判斷標準，系統能夠基于這些多維信息自動進行全網或局部電網的診斷分析，自動生成問題列表；并從供電能力、網架結構、供電質量、設備水平4個方面對診斷結果進行可視化展示，支持區縣向上逐級匯總，統計向下鉆取查看詳情。問題自動診斷分析功能如圖3所示。

3.2.1 基于海量運行數據的供電能力分析

供電能力分析主要依托于調度自動化系統和計量自動化系統的歷史量測數據，此類數據生產粒度為5-15分鐘，每年大約有10TB的數據量，這種場景下，單機的數據庫引擎很難應付海量數據的掃描計算。針對上述問題，系統采用Spark大數據計算技術，對海量運行數據進行預處理，實現線路、配變的全年重過載分析、電壓越限分析。

圖2：多源異構數據融合處理過程

圖3：問題自動診斷分析功能

圖4：診斷結果可視化展示界面

線路、配變的重過載分析，主要包括：最大負載率、最大負載出現時間、重載次數、重載持續時間、過載次數、過載持續時間；線路、配變的電壓越限分析，主要包括：偏低次數、偏低持續時間、最低電壓、最低電壓出現時間、偏高次數、偏高持續時間、最高電壓、最高電壓出現時間。

3.2.2 基于拓撲分析的網架診斷和電氣計算

實際的配電網網絡結構復雜，數據量非常大，要識別出網絡的接線模式，人工方法并不可取。基于此，開展了基于網絡拓撲分析和模式識別理論的研究，系統在網絡拓撲分析的基礎上，結合各種接線模式的具體特征，可有效地自動識別配電網典型接線模式和聯絡線路判斷功能，從而全面了解配電網結構特征，發現其薄弱環節。

基于拓撲結構的識別，再結合負荷與設備運行參數等，系統提供潮流、短路、可靠性等電氣計算功能，從而對配電網不同接線模式的可靠性、潮流線損、電壓降等進行定量的理論分析計算。

圖5：問題線路定位

圖6：線路詳情

3.2.3 基于設備臺賬屬性的靜態統計

基于設備臺賬屬性的靜態統計，可實現線路電纜化率/絕緣化率、線路運行年限、配變運行年限、線路配電自動化覆蓋率、高損配變率、線路裝接配變容量、戶均配變容量等指標的自動計算，這些指標可反映配電網的裝備水平和供電裕量，從側面反映配電網的供電能力和供電可靠性。

3.3 基于GIS的可視化結果展示

針對目前配電網規劃工作中電網圖形與業務數據耦合度不高，電網診斷分析結果僅采用“臺賬式明細表+統計表”的方式等問題，開展了基于地理信息可視化技術的多源數據融合和圖形渲染等技術研究，系統基于集成的多源數據，實現了問題的自動診斷分析，并形成面向規劃業務的診斷結果可視化展示界面，通過多種可視化方式展示各項指標，對電網網架情況做出評價。

3.3.1 多來源地圖顯示支持

基于底層地圖數據管理的支持，系統能夠支持離線切片地圖、CAD矢量地理圖以及支持南網GIS平臺地圖的接口方式，可提供衛星影像、街道建筑物等多套地圖背景，為用戶提供更清晰地規劃區域地理信息，有利于規劃人員對網架的理解，同時為規劃電網的網架編輯提供參考。

3.3.2 診斷結果可視化

系統基于配電網自動診斷分析結果，提供基于GIS的診斷結果可視化展示，從供電能力、網架結構、供電質量、設備水平4個方面，將各項指標在配電網地理接線圖上進行圖上標注、著色渲染、圖表化等可視化展示，將指標不合格或導致薄弱環節的設備使用特殊顏色或圖符著重標出，實現診斷問題的可視化追根溯源和精準定位，輔助規劃人員制定規劃方案。

4 系統應用

目前該系統已在海口供電局試點應用，在配電網診斷方面發揮了重要的作用，依托該系統可科學診斷電網薄弱環節，實現問題設備的可視化追蹤溯源和精準定位，輔助調整優化配電網規劃項目，提高了電網精準投資性，有力支撐了電網規劃業務的開展。系統基于融合的多源數據自動生成面向規劃業務的基礎數據，并提供自動診斷功能，大幅度減少了規劃人員的工作量，有效提高了規劃效率，保證了工作質量。下面以診斷結果可視化展示為例來介紹系統的應用情況。

圖4為線路負載率診斷結果可視化界面，圖形區根據診斷指標的正常和異常情況對電網進行了著色渲染，右側欄以圖表的方式展示了各供電分區的負載率指標情況，可使規劃人員一目了然的了解重過載的分布情況。

點擊圖4右側欄的【問題線路】，然后選中某條記錄，可在圖形區實現該線路的精準定位，如圖5所示。

點擊圖4或圖5右側欄的【查看詳細】按鈕，可進入圖6，查看單條線路的詳細信息，并可通過負載狀態篩選只顯示重、過載的線路。

在圖6中，點擊某條記錄的線路名稱，可進入圖7，查看該線路的年、月、日負荷曲線變化情況（注：系統2018年只采集了1～7月份的運行數據）。

圖7：線路運行信息

5 結束語

本文設計的基于多源數據融合與分析的配電網可視化診斷系統，在配電網地理接線圖的基礎上，提供配電網電力設備的基礎屬性信息、拓撲信息、運行信息的融合，而且能夠根據集成的多源信息自動進行全網或局部電網的自動診斷，并自動生成問題列表；同時提供基于GIS背景的圖上標注、著色渲染等可視化展示，實現配電網薄弱環節的可視化溯源和精準定位，為配電網規劃提供了全新的信息化輔助手段。