氣象大數(shù)據(jù)在運檢智能管控中的應用

鄭一博，王 馨，趙 盟，王 輝，沈彥伶

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學研究院，北京 100045；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司，北京 100053)

災害性天氣常常造成電力設備受損，引發(fā)停電事故，給人們的生活和社會經(jīng)濟發(fā)展帶來較大影響，受到國內(nèi)外電力公司的高度關注。因此，研究和分析本地區(qū)氣象災害特征，建立氣象預警系統(tǒng)，對災害性天氣可能造成的電網(wǎng)影響進行預警，從而提前采取措施，防止災害發(fā)生。電網(wǎng)的安全運行事關國家經(jīng)濟發(fā)展，電力氣象預警系統(tǒng)的建設工作顯得尤為迫切。

氣象綜合展示模塊作為冀北智能運維管控系統(tǒng)的重要組成部分，利用微氣象在線監(jiān)測數(shù)據(jù)[1]和公網(wǎng)氣象預報信息，結合電網(wǎng)GIS平臺[2]、PMS2.0[3]、數(shù)據(jù)中心等多源信息，進行集成和融合，實現(xiàn)多元氣象信息的綜合展示、分析和預警告警功能，為冀北運檢部門提供及時、可靠的氣象預警信息，為防災減災工作提供科學的預警依據(jù)[4]。

1 數(shù)據(jù)來源

目前氣象綜合展示模塊的數(shù)據(jù)信息包括輸電線路設備空間信息、輸電設備臺賬信息、在線監(jiān)測微氣象信息、雷電數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等。電網(wǎng)GIS平臺提供設備空間數(shù)據(jù)；PMS2.0提供設備臺賬信息、運行管理信息；從狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)接入微氣象數(shù)據(jù)；調(diào)度系統(tǒng)D5000提供雷電數(shù)據(jù)；從公網(wǎng)接入氣象局的氣象數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心是調(diào)度系統(tǒng)、PMS2.0、電網(wǎng)GIS平臺相關數(shù)據(jù)的匯聚地，各系統(tǒng)向其推送相應的數(shù)據(jù)，供氣象綜合展示模塊使用。模塊數(shù)據(jù)來源如圖1所示。

圖1 模塊數(shù)據(jù)來源

2 關鍵技術研究

由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源多，涉及多個基礎平臺和業(yè)務系統(tǒng)，面對如此龐大的海量數(shù)據(jù)如何進行數(shù)據(jù)融合和檢索，如何將大數(shù)據(jù)轉換成圖形，如何將圖形融合到電網(wǎng)GIS平臺中進行一體化展示，這是實現(xiàn)氣象綜合展示功能的關鍵所在。

2.1 數(shù)據(jù)融合檢索技術

目前在電力領域，數(shù)據(jù)融合檢索技術還沒有非常成熟的案例可以遵循,系統(tǒng)在研究開發(fā)過程中，主要參考百度、騰訊、阿里以及ESRI公司的研究成果進行應用改進。主要解決途徑是參照上述公司的相關文檔和例子，在相關的業(yè)務表之間創(chuàng)建連接關系和索引，形成多維索引數(shù)據(jù)檢索機制，支持多表連接與多維查詢功能[5-6]；另外按照系統(tǒng)的功能需求，對netCDF[7]網(wǎng)絡通用數(shù)據(jù)格式進行擴展，將文字、圖像、空間圖形打包到一起，不僅實現(xiàn)了不同數(shù)據(jù)信息融合，還利用了netCDF數(shù)據(jù)格式的優(yōu)點，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效存儲、管理和讀取操作。為了降低客戶端進行頁面查詢檢索數(shù)據(jù)的響應時間，系統(tǒng)將查詢檢索結果轉換成json串，借助其在網(wǎng)絡上的高速傳輸效率，從而達到快速檢索的效果。

2.2 大數(shù)據(jù)可視化技術

由于氣象數(shù)據(jù)的可視化是基于電網(wǎng)GIS平臺的，因此所有的圖形化必需得到GIS平臺的支撐。電網(wǎng)GIS平臺雖然提供了標準的空間信息服務和Flex開發(fā)包，但不能完全滿足系統(tǒng)的功能需求，需要對GIS圖形化接口進行擴展，滿足氣象數(shù)據(jù)按點、線、面、標注等形式進行可視化展示，進行空間計算和分析的要求。

雖然電網(wǎng)GIS平臺提供了Flex開發(fā)包，但開放性不夠，用它做應用開發(fā)不夠方便，因此，系統(tǒng)采用ArcGIS平臺提供的Flex開源開發(fā)包進行接口擴充開發(fā)，形成了一套基于電網(wǎng)GIS平臺空間信息服務的二次圖形開發(fā)組件，很好地解決了氣象數(shù)據(jù)與地圖疊加顯示、進行空間計算和空間分析的技術問題。

3 總體設計

3.1 應用平臺

應用平臺有ArcGIS Flex[8]地圖組件和Oracle 11g數(shù)據(jù)庫。前者是一套免費地圖開發(fā)組件，用來對電網(wǎng)GIS平臺提供的空間信息服務進行封裝，擴展應用接口，實現(xiàn)在地圖上疊加電網(wǎng)資源、繪制氣象和災害圖形，標注相關信息，進行空間計算和氣象數(shù)據(jù)可視化分析等應用功能；后者用來存儲狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和氣象數(shù)據(jù)服務器定時和準實時傳送過來的數(shù)據(jù)，另外還存儲系統(tǒng)配置和初始化數(shù)據(jù)信息。

3.2 架構設計

基于電網(wǎng)GIS平臺[9]的氣象綜合展示模塊按照系統(tǒng)的總體功能和架構要求，提取PMS2.0中的臺賬信息與電網(wǎng)GIS平臺的空間圖形數(shù)據(jù)，結合微氣象在線監(jiān)測和氣象大數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)融合，建立氣象預測預警分析模型，進行空間分析計算和數(shù)據(jù)挖掘，完成氣象信息的綜合展示和預警信息發(fā)布。模塊架構由數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務邏輯層、表現(xiàn)層四大部分組成，與系統(tǒng)總體架構一致,如圖2所示。

圖2 氣象綜合展示模塊架構

3.2.1 數(shù)據(jù)存儲層

數(shù)據(jù)存儲層以關系型數(shù)據(jù)庫為基礎，對接入的微氣象數(shù)據(jù)、公網(wǎng)氣象數(shù)據(jù)、雷電數(shù)據(jù)、系統(tǒng)配置信息，包括圖形、屬性等，進行統(tǒng)一存儲和管理。數(shù)據(jù)存儲層主要存儲微氣象在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，以及氣象災害預警量化指標、災害等級分類閥值信息。

3.2.2 數(shù)據(jù)訪問層

數(shù)據(jù)訪問層對外提供數(shù)據(jù)訪問接口，完成對在線監(jiān)測系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、調(diào)度管理系統(tǒng)、氣象服務器數(shù)據(jù)的訪問和存儲入庫工作，實現(xiàn)了與其它業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成和融合。

3.2.3 業(yè)務邏輯層

系統(tǒng)使用java、Flex開發(fā)語言將業(yè)務處理邏輯封裝成業(yè)務組件，包括微氣象組件、氣象業(yè)務組件、雷電業(yè)務組件、告警業(yè)務組件、氣象格網(wǎng)組件等；每類組件負責一類業(yè)務數(shù)據(jù)的邏輯處理工作。

3.2.4 表現(xiàn)層

表現(xiàn)層集中將業(yè)務邏輯和功能模塊封裝到前臺，供用戶交互操作。用戶可通過各種瀏覽器訪問服務器上的應用系統(tǒng)，進行電網(wǎng)圖形查看、氣象信息查詢和歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等交互式操作。

4 功能設計與實現(xiàn)

氣象綜合展示模塊在地理圖上顯示線路走廊及其沿途的風力、氣溫、雨量、雷擊信息，并對線路周邊的微天氣情況進行實時分析，對惡劣天氣及氣象災害時進行告警和發(fā)布風險預警信息。主要功能包括微氣象展示、氣象綜合展示、告警信息查詢、歷史統(tǒng)計分析，實現(xiàn)輸電線路氣象信息的全方位管理、可視化展示和預告警提示。系統(tǒng)功能設計如圖3所示。

4.1 微氣象展示

微氣象展示的數(shù)據(jù)內(nèi)容是微氣象監(jiān)測點的觀測量，包括氣溫、氣壓、風速、風向、相對濕度和降雨量，實時監(jiān)測輸電線路周邊氣象環(huán)境的變化情況。該模塊按需求設計了實時監(jiān)測、監(jiān)測趨勢、統(tǒng)計分析、臺賬相關4個小模塊，每個小模塊又包括若干功能。

4.2 氣象綜合展示

氣象綜合展示模塊來源于氣象局或公網(wǎng)的氣象數(shù)據(jù)，結合雷電信息、設備坐標和GIS空間分析功能完成以下業(yè)務功能。

a. 將氣象數(shù)據(jù)以氣象圖標疊加到電網(wǎng)分布圖上，展示當日天氣情況及未來24 h、48 h、72 h的天氣預報。

b. 將溫度、濕度、降雨量、風速、雷電等實時天氣數(shù)據(jù)或預報值與設備地理坐標進行空間分析，實時計算出設備周邊發(fā)生的環(huán)境變化，將計算分析結果與輸電運維關心的惡劣雷電、氣象閾值進行匹配，形成告警信息，再遵循實時優(yōu)先于預警，大風、雷電優(yōu)先于溫度和降雨的基本原則，將告警區(qū)段在地圖進行顯示。

c. 對雷電信息提供實時播放和歷史回放功能。

d. 展示氣象局發(fā)布的氣象專題圖，包括溫度、降雨、風力、雷電、山火、覆冰等柵格專題圖。

氣象綜合展示模塊包括氣象概況、預告警展示、圖形展示、氣象專題圖4個子模塊，每個子模塊包括若干功能，分別完成不同的業(yè)務功能。

4.3 告警信息查詢

告警信息是設備運行的安全隱患，嚴重影響供電的可靠性，是運維檢修人員關心的焦點內(nèi)容。為了方便運維檢修人員及時發(fā)現(xiàn)和了解告警信息，提前采取預防措施，專門將氣象告警信息查詢功能單獨列出來作為一個獨立的模塊，從而提高對告警信息快速了解和定位。告警信息查詢提供按氣象類型、按告警等級、按時間、按線路以及綜合其它條件等5種查詢方式，查處告警信息后，還提供詳情查看和地圖定位功能，使用戶從內(nèi)容和空間兩方面全面了解告警信息，從而把握輸電線路受災害影響的空間分布情況。

圖3 氣象綜合展示模塊功能設計

4.4 歷史統(tǒng)計分析

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲了大量的歷史數(shù)據(jù),對其進行查詢、統(tǒng)計，開展基于歷史數(shù)據(jù)的圖形展示與分析，看出氣象變化趨勢，災害空間分布情況，發(fā)現(xiàn)潛在規(guī)律，從而提升輸電線路維護的水平。此模塊提供了豐富的查詢和統(tǒng)計功能，可查詢和統(tǒng)計所有氣象相關的歷史數(shù)據(jù)，生成不同的統(tǒng)計圖表，另外提供統(tǒng)計信息和圖表導出功能，方便用戶作為資料在文檔和報告中使用。

4.5 氣象預警信息生成機制

氣象預警信息的自動生成是系統(tǒng)的核心功能，體現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化水平。要實現(xiàn)這個預警功能，需要建立相應的知識庫及閥值條件，以及配合這些條件自行處理業(yè)務數(shù)據(jù)的流程步驟和數(shù)據(jù)分析手段。下面以氣象預警為例來說明氣象預警信息的生成過程。

4.5.1 建立氣象災害預警量化指標庫

通過分析多年來由氣象災害引發(fā)的電網(wǎng)故障及其發(fā)生的原因，通過數(shù)據(jù)分析，提煉和總結故障發(fā)生時的氣象條件，初步確定各類氣象災害可能發(fā)生的量化的氣象指標條件。為了使規(guī)則庫的修改維護方便和靈活，這些氣象災害類型、等級以及氣象指標條件可以進行自定義。氣象預警量化指標庫的建立為氣象預報數(shù)據(jù)的實時自動化批量處理與實時在線決策分析提供了基礎。

4.5.2 建立智能氣象災害預警機制

氣象災害預警機制是處理氣象預報數(shù)據(jù)，生成氣象災害預警信息的一套流程，如圖4所示，主要分為數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、指標判定、預警記錄生成、預警區(qū)域圖形生成、預警區(qū)域圖形融合、預警影響范圍分析、提煉預警信息和發(fā)送預警信息9個步驟。

系統(tǒng)每天自動接收氣象局提供的未來3天的氣象預報信息，經(jīng)過統(tǒng)計分析后根據(jù)預警類型指標定義自動提取預警區(qū)域和受影響的范圍，通過郵件或短信自動將預警信息發(fā)給生產(chǎn)一線專責。整個過程無需人工參與，不但節(jié)省人力物力，還大幅提升了數(shù)據(jù)的處理效率和可靠性。

圖4 氣象災害預警機制

4.5.3 氣象災害預警信息確認

由系統(tǒng)自動生成的預警信息經(jīng)人工檢驗后，在預警記錄信息上添加確認標簽和注釋信息。通過信息確認統(tǒng)計出預警的準確度，準確度低則表明指標庫存在改進的需求。指標的調(diào)整需要不斷觀察和總結，需要不斷修改，逐步提高災害預警的準確度。

5 結束語

基于電網(wǎng)GIS平臺的氣象綜合展示模塊，以圖文并茂的方式在電網(wǎng)背景圖上實現(xiàn)了當前和預測氣象信息的綜合展示，通過地圖看氣象，信息表達更為豐富和具體；二是系統(tǒng)可根據(jù)當前氣象和預測值，進行空間分析和計算，得出氣象災害可能影響的范圍，并自動生成告警和預警信息；歷史統(tǒng)計分析功能可從時間和空間兩方面對氣象變化趨勢，災害空間分布情況進行跟蹤和對比，從而發(fā)現(xiàn)潛在規(guī)律。不管是系統(tǒng)自動生成的氣象預告警信息，還是通過歷史統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)的潛在規(guī)律，系統(tǒng)旨在通過這些功能，將氣象多源數(shù)據(jù)信息有機融合到一起，多維度、多角度展示給運維檢修人員，提供一套電力氣象災害預警的信息化手段，讓運維人員提前做好預防措施，減災防災，從而提高電網(wǎng)運行的安全水平。

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