GIS技術(shù)在配電網(wǎng)故障定位中的應(yīng)用研究

摘要：隨著配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，故障問題日益突出。傳統(tǒng)的人工巡檢和故障定位效率低下，亟須引入先進(jìn)技術(shù)手段。探討了地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）技術(shù)在配電網(wǎng)故障定位中的應(yīng)用。通過構(gòu)建配電網(wǎng)GIS系統(tǒng)，實現(xiàn)了配電網(wǎng)設(shè)備、線路、地理環(huán)境等信息的可視化管理。結(jié)合故障錄波數(shù)據(jù)挖掘和GIS空間分析，提出了一種快速、精準(zhǔn)的配電網(wǎng)故障定位方法。實例分析表明，該方法能有效提升故障定位效率，為配電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。

關(guān)鍵詞：GIS；配電網(wǎng)；故障定位；可視化

中圖分類號：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的“末梢神經(jīng)”，直接關(guān)系到廣大電力用戶的用電安全和供電質(zhì)量。然而，由于配電網(wǎng)規(guī)模龐大、設(shè)備種類繁多、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，因此故障問題頻發(fā)。傳統(tǒng)的人工巡檢和故障處理方式已難以適應(yīng)現(xiàn)代配電網(wǎng)的管理需求。近年來，地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）技術(shù)在電力行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，為配電網(wǎng)的精細(xì)化管理提供了新思路。本文從GIS技術(shù)在配電網(wǎng)故障定位中的應(yīng)用展開，旨在提升配電網(wǎng)運(yùn)維水平，保障供電可靠性。

1 配電網(wǎng)故障定位的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

配電網(wǎng)是連接輸電環(huán)節(jié)與用戶的關(guān)鍵紐帶，其可靠運(yùn)行直接影響供電質(zhì)量。然而，由于配電網(wǎng)點多面廣、接口復(fù)雜，因此故障頻發(fā)且類型多樣。傳統(tǒng)的人工巡檢和經(jīng)驗判斷方式難以適應(yīng)當(dāng)前配電網(wǎng)管理的需求，存在效率低、準(zhǔn)確度差等問題。隨著配電自動化的發(fā)展，在線監(jiān)測設(shè)備日益豐富，海量運(yùn)行數(shù)據(jù)也帶來了數(shù)據(jù)處理和故障研判的新挑

戰(zhàn)[1]。因此，亟須引入先進(jìn)的信息技術(shù)手段，實現(xiàn)故障的快速感知、精準(zhǔn)定位和智能決策。將GIS與配電自動化深度融合，構(gòu)建基于地理信息系統(tǒng)的故障定位方法，可以充分挖掘時空數(shù)據(jù)的價值，提升故障處理的效率和可視化水平，為配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力支撐。

2 GIS技術(shù)助力配電網(wǎng)智能化管理

2.1 GIS的基本原理與功能優(yōu)勢

GIS是一種集采集、存儲、管理、分析、顯示空間地理數(shù)據(jù)的計算機(jī)系統(tǒng)。GIS通過對地理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的綜合處理，實現(xiàn)對現(xiàn)實世界的空間建模和可視化展示[2]。GIS的核心優(yōu)勢在于空間分析功能，通過拓?fù)浏B加、緩沖區(qū)分析、網(wǎng)絡(luò)分析等手段，揭示地理要素之間的空間關(guān)聯(lián)和分布規(guī)律。此外，GIS還具有數(shù)據(jù)集成與共享、可視化展示、輔助決策等優(yōu)點，為多領(lǐng)域的地理空間問題求解提供了有力工具。隨著GIS技術(shù)的不斷發(fā)展，WebGIS、三維GIS、移動GIS等新一代GIS技術(shù)日益成熟，為GIS應(yīng)用帶來更廣闊的創(chuàng)新空間。

2.2 GIS技術(shù)賦能配電網(wǎng)故障定位的可行性分析

將GIS技術(shù)引入配電網(wǎng)故障定位，可以充分發(fā)揮GIS空間分析與可視化的優(yōu)勢。GIS平臺能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)地理信息模型和拓?fù)潢P(guān)系的構(gòu)建，直觀展示配電設(shè)備及線路的空間分布。利用GIS的空間疊加分析，可將配電自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)與地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)故障信息的快速空間定位。運(yùn)維人員通過GIS能夠?qū)崟r掌握故障點的位置、周邊環(huán)境及相關(guān)配電設(shè)備狀態(tài)等情況，為故障搶修決策提供直觀依據(jù)。此外，GIS的網(wǎng)絡(luò)分析功能可用于故障隔離和負(fù)荷轉(zhuǎn)移方案的優(yōu)化，提高故障處理效率。移動GIS技術(shù)還可應(yīng)用于現(xiàn)場搶修導(dǎo)航和信息采集，進(jìn)一步提升故障處理的時效性和準(zhǔn)確性。綜合來看，GIS技術(shù)與配電自動化深度融合，必將推動配電網(wǎng)故障定位模式的革新。

3 基于GIS的配電網(wǎng)故障定位方法

3.1 配電網(wǎng)GIS系統(tǒng)設(shè)計

3.1.1 數(shù)據(jù)源解析與處理

配電網(wǎng)GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源主要包括地理空間數(shù)據(jù)和配電業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。通過將研究區(qū)域1∶500、1∶

1 000、1∶2 000比例尺的地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理，建立了全區(qū)地理信息框架。同時，匯總整理配電設(shè)備臺賬、線路資源、運(yùn)行記錄等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過唯一ID實現(xiàn)其與地理實體的關(guān)聯(lián)映射[3]。在數(shù)據(jù)處理過程中，采用要素處理引擎（feature manipulation engine，F(xiàn)ME）空間數(shù)據(jù)提取—轉(zhuǎn)換—加載（extract-transform-load，ETL）工具實現(xiàn)不同來源、不同比例尺數(shù)據(jù)的融合與質(zhì)量檢查，并且通過Python腳本對原始業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化處理，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。

3.1.2 配電網(wǎng)地理信息模型構(gòu)建

本文在GIS數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，設(shè)計并構(gòu)建了一套完整的配電網(wǎng)地理信息模型。該模型采用多尺度、多層次的組織方式，包括地形層、管線層、設(shè)備層3個基本層級。在地形層中，抽象出道路、建筑、水系、地塊等基本地理要素類；在管線層中，抽象出架空線、電纜、桿塔等管線設(shè)施類；在設(shè)備層中，抽象出開關(guān)、變壓器、故障指示器等主要配電設(shè)備類。同時，基于各類要素間的空間關(guān)系，構(gòu)建了配電網(wǎng)統(tǒng)一的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)。例如，變壓器與桿塔形成點—點關(guān)聯(lián)；桿塔與架空線形成點—線關(guān)聯(lián)等。配電網(wǎng)地理信息模型的構(gòu)建實現(xiàn)了GIS平臺下配電要素的標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)與關(guān)聯(lián)分析，并可以靈活擴(kuò)展以適應(yīng)故障定位等在“專題應(yīng)用需求”后添加舉例說明，如線路負(fù)荷分析、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障追溯等。

3.1.3 可視化管理平臺開發(fā)

本文基于瀏覽器/服務(wù)器（browser/server，B/S）架構(gòu)，開發(fā)了一套配電網(wǎng)GIS可視化管理平臺。該平臺采用ArcGIS Server作為GIS服務(wù)器，提供地圖服務(wù)、要素服務(wù)、空間分析服務(wù)等功能；采用.NET Framework作為應(yīng)用開發(fā)框架，調(diào)用ArcGIS API for JavaScript（一款地圖應(yīng)用）實現(xiàn)GIS功能的二次開發(fā)。系統(tǒng)主要模塊包括地圖瀏覽、要素編輯、拓?fù)浞治觥⒐收隙ㄎ弧屝拚{(diào)度等，形成了配電網(wǎng)全生命周期的綜合管理應(yīng)用。該平臺充分考慮了配電網(wǎng)管理的業(yè)務(wù)特點，開發(fā)了一系列專題功能，如配變負(fù)荷分布專題圖、線路走徑分析、設(shè)備隱患排查等，極大地提升了系統(tǒng)實用性。同時，系統(tǒng)支持多源數(shù)據(jù)融合與制圖表達(dá)定制（如自定義符號、配色方案、標(biāo)注樣式等），可以滿足不同管理人員的可視化需求。

3.2 配電網(wǎng)故障信息的GIS映射

3.2.1 故障錄波數(shù)據(jù)GIS關(guān)聯(lián)

故障錄波數(shù)據(jù)與GIS的關(guān)聯(lián)是配電網(wǎng)智能化管理的重要環(huán)節(jié)，故障錄波數(shù)據(jù)GIS關(guān)聯(lián)技術(shù)用于集成故障錄波器采集的電氣參數(shù)與GIS中的空間數(shù)據(jù)。在實施過程中，需要為錄波設(shè)備配置定位模塊，實時上傳位置信息[4]。GIS則需要建立包含設(shè)備標(biāo)識、地理坐標(biāo)、安裝位置等信息的數(shù)據(jù)模型。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)能夠在地圖界面上快速標(biāo)記故障位置，并顯示周邊環(huán)境信息。這種可視化呈現(xiàn)大幅提高了故障處理的效率，使運(yùn)維人員能夠更快地規(guī)劃巡檢路線，縮短故障響應(yīng)時間。長期積累的故障位置、類型、頻率等相關(guān)數(shù)據(jù)可用于分析故障多發(fā)區(qū)域，為線路改造和維護(hù)策略制定提供依據(jù)，有效提升配電網(wǎng)的整體可靠性。

3.2.2 基于GIS的故障空間定位算法

基于GIS的故障空間定位算法是一種結(jié)合地理信息和電氣參數(shù)的智能化定位方法。這類算法利用配電網(wǎng)絡(luò)的空間拓?fù)湫畔ⅲY(jié)合多個測量點的實時數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)模型計算故障點的精確位置。常用的技術(shù)包括改進(jìn)的行波法和阻抗法，這些方法考慮了線路參數(shù)、地形因素和氣象條件等多方面的影響。在實際應(yīng)用中，該技術(shù)能夠在故障發(fā)生之后短時間內(nèi)得到較為精確的故障點坐標(biāo)，顯著提高了故障定位的準(zhǔn)確性和速度。隨著人工智能技術(shù)的引入，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的故障定位和預(yù)測模型不斷完善，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性和預(yù)測能力。這不僅有助于快速處理已發(fā)生的故障，還能預(yù)測潛在的故障風(fēng)險，為預(yù)防性維護(hù)提供重要參考。

3.3 GIS輔助故障定位流程優(yōu)化

GIS輔助故障定位流程整合了多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提高了故障處理效率。GIS輔助故障定位流程如。

GIS輔助故障定位流程始于數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)實時收集電氣參數(shù)并與GIS地理信息整合。智能算法持續(xù)監(jiān)控數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測到異常時，啟動定位程序。系統(tǒng)快速計算故障坐標(biāo)，在GIS地圖上可視化呈現(xiàn)，并為維修人員規(guī)劃最優(yōu)路線[5]。同時，將故障位置、類型、影響范圍等關(guān)鍵信息傳遞給相關(guān)人員并進(jìn)行故障處理，系統(tǒng)收集反饋用于更新數(shù)據(jù)庫和優(yōu)化算法，形成持續(xù)改進(jìn)的閉環(huán)操作。這一流程顯著提高了故障定位的效率和準(zhǔn)確性，加快了配電網(wǎng)的故障響應(yīng)速度。

4 工程應(yīng)用案例分析

4.1 案例背景概述

某省電力公司面臨配電網(wǎng)故障頻發(fā)、定位困難的問題。該省地形復(fù)雜，山地、丘陵、平原交錯，配電線路跨度大，傳統(tǒng)故障定位方法效率較低。2022年，該公司決定在A市試點實施基于GIS的故障定位系統(tǒng)。A市擁有3個縣級市，總面積約為5 000 km2，城鄉(xiāng)接合部較多。配電網(wǎng)覆蓋約50萬用戶，包括大型工業(yè)園區(qū)和偏遠(yuǎn)農(nóng)村。該項目旨在提高故障定位準(zhǔn)確度，縮短故障處理時間，提升供電可靠性。項目團(tuán)隊由電力公司技術(shù)人員、GIS專家和設(shè)備供應(yīng)商組成，計劃在6個月內(nèi)完成系統(tǒng)部署和調(diào)試。

4.2 基于GIS的故障定位實施

A市基于GIS的故障定位系統(tǒng)在實施過程中克服了多項挑戰(zhàn)。技術(shù)團(tuán)隊在復(fù)雜地形中部署了大量故障指示器，覆蓋了數(shù)千km的配電線路。此外，其還優(yōu)化了系統(tǒng)響應(yīng)時間和定位精度，同時對相關(guān)人員進(jìn)行了全面培訓(xùn)。在實施過程中，團(tuán)隊采用多種通信方式解決了通信盲區(qū)的問題，并針對當(dāng)?shù)氐匦翁攸c優(yōu)化了故障定位算法。GIS底圖的精確繪制和設(shè)備信息的準(zhǔn)確錄入是項目成功的關(guān)鍵。為提高現(xiàn)場操作效率，團(tuán)隊還開發(fā)了配套的移動應(yīng)用。經(jīng)過3個月的試運(yùn)行和調(diào)整，系統(tǒng)于2022年底正式投入使用。

4.3 故障定位效果評估

新系統(tǒng)投入使用后，A市配電網(wǎng)故障定位效率顯著提升。平均故障定位時間從原來的2 h縮短至15 min，定位準(zhǔn)確率達(dá)到95.0%。年度停電時間累計減少約40.0%，客戶滿意度提升了50.0%。該系統(tǒng)還意外發(fā)現(xiàn)了一些潛在的設(shè)備隱患，預(yù)防了數(shù)起可能發(fā)生的故障。經(jīng)濟(jì)效益方面，年度電量損失減少約500萬 kW·h，直接經(jīng)濟(jì)效益超過300萬元。維修人員工作效率得到提高，加班時間減少50.0%。然而，新系統(tǒng)也面臨一些挑戰(zhàn)，如偏遠(yuǎn)地區(qū)通信不穩(wěn)定、極端天氣下設(shè)備可靠性等問題。

5 結(jié)語

本文圍繞GIS技術(shù)在配電網(wǎng)故障定位中的應(yīng)用展開了系統(tǒng)分析，通過構(gòu)建配電網(wǎng)GIS系統(tǒng)，將配電網(wǎng)的物理實體與地理空間相融合，實現(xiàn)了配電資源的可視化管理。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合故障錄波數(shù)據(jù)解析和GIS空間分析技術(shù)，本文提出了一種快速、精準(zhǔn)的故障定位方法。實例應(yīng)用表明，該方法能夠顯著提升故障查找效率，縮短停電時間，具有良好的工程應(yīng)用價值。未來還需進(jìn)一步完善配電網(wǎng)GIS系統(tǒng)功能、拓展故障定位方法的適用場景，為智能電網(wǎng)的發(fā)展提供有力支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙新，蘆博，王丹丹，等.基于組件式GIS的配電網(wǎng)故障自動化定位系統(tǒng)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2023，42（12）：146-149.

[2] 唐雪峰.電力系統(tǒng)配電網(wǎng)自動化應(yīng)用原則及可靠性[J].黑龍江科學(xué)，2020，11（20）：138-139.

[3] 陳功，程正逢，姚遠(yuǎn)，等.基于互聯(lián)網(wǎng)+GIS及典設(shè)庫的配電網(wǎng)三維數(shù)字化勘測設(shè)計[J].電力勘測設(shè)計，2020（增刊1）：211-215.

[4] 張莉莉，單大鵬.配電網(wǎng)故障搶修可視化智能決策系統(tǒng)研究[J].信息技術(shù)，2019（3）：121-124.

[5] 余爾汶.基于GIS平臺的配電網(wǎng)應(yīng)急搶修系統(tǒng)[J].供用電，2016，33（9）：35-40.