基于多源數(shù)據(jù)融合與分析的配電網(wǎng)可視化診斷系統(tǒng)的構(gòu)建

文/馬立紅 王海生 寧光濤 楊陵霞 劉保柱

（1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 海南省海口市 570203）

（2.北京國(guó)科恒通科技股份有限公司 北京市 100085）

1 引言

配電網(wǎng)診斷工作涉及的數(shù)據(jù)信息分散于各系統(tǒng)，主要包括資產(chǎn)管理系統(tǒng)、營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)系統(tǒng)、調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)、配網(wǎng)GIS平臺(tái)，涉及的數(shù)據(jù)量大、計(jì)算量大。雖然海南數(shù)字電網(wǎng)平臺(tái)集成了這些業(yè)務(wù)系統(tǒng)的源數(shù)據(jù)，但面向規(guī)劃業(yè)務(wù)，這些系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合共享程度并不高，這就導(dǎo)致了規(guī)劃人員無(wú)法全面掌握配電網(wǎng)真實(shí)運(yùn)行情況，無(wú)法及時(shí)定量了解配電網(wǎng)存在問(wèn)題的嚴(yán)重程度和所在位置；且配電網(wǎng)問(wèn)題的數(shù)據(jù)收資需各個(gè)部門(mén)配合，電網(wǎng)診斷效率低下。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并構(gòu)建了基于多源數(shù)據(jù)融合與分析的配電網(wǎng)可視化診斷系統(tǒng)，通過(guò)海南數(shù)字電網(wǎng)平臺(tái)集成了資產(chǎn)管理系統(tǒng)、營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)系統(tǒng)、調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)、配網(wǎng)GIS平臺(tái)等外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；利用GIS技術(shù)、多源數(shù)據(jù)信息融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)地理信息、拓?fù)湫畔?、臺(tái)賬信息、運(yùn)行信息的充分融合；同時(shí)采用分布式Spark集群技術(shù)處理電網(wǎng)運(yùn)行大數(shù)據(jù)，通過(guò)“維度建模+ETL”技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)匯總，最終實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)的自動(dòng)診斷和基于GIS的診斷結(jié)果可視化展示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)通過(guò)海南數(shù)字電網(wǎng)平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)源，以Spark大數(shù)據(jù)處理框架為核心，使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)Orcale和分布式NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)HBase結(jié)合的存儲(chǔ)方式來(lái)存儲(chǔ)大數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)（Web）端提供統(tǒng)計(jì)分析服務(wù)、拓?fù)浞治龇?wù)、數(shù)據(jù)可視化服務(wù)、空間信息服務(wù)、地理服務(wù)等，為配電網(wǎng)診斷指標(biāo)可視化提供服務(wù)支持。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)組件如表1所示。

2.1.1 數(shù)據(jù)集成

系統(tǒng)采用了服務(wù)接口集成的方式通過(guò)數(shù)字電網(wǎng)平臺(tái)接入資產(chǎn)管理系統(tǒng)、營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)系統(tǒng)、調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)、電網(wǎng)GIS平臺(tái)等系統(tǒng)的共享數(shù)據(jù)。其中電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)歷史服務(wù)接入，設(shè)備臺(tái)賬、用戶(hù)信息通過(guò)CIM服務(wù)接入，配網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)通過(guò)WebService的方式接入，再通過(guò)數(shù)據(jù)校驗(yàn)、融合、轉(zhuǎn)換等操作，形成面向規(guī)劃業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等特征，將數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ)，其中電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)這種數(shù)據(jù)量大且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)用大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

表1：系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)組件

圖1：系統(tǒng)架構(gòu)

HBase數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)，對(duì)于電力供需、電網(wǎng)設(shè)備、用戶(hù)信息、拓?fù)潢P(guān)系、地理信息等結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量稍小的數(shù)據(jù)使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle進(jìn)行存儲(chǔ)。

2.1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算

系統(tǒng)采用分布式Spark集群技術(shù)處理電網(wǎng)運(yùn)行大數(shù)據(jù)，通過(guò)Hadoop集群管理器（YARN）服務(wù)訪問(wèn)集群中的機(jī)器，集群的規(guī)模可根據(jù)處理量的大小進(jìn)行彈性增減。當(dāng)一個(gè)計(jì)算任務(wù)提交至Spark后，驅(qū)動(dòng)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)中央?yún)f(xié)調(diào)，調(diào)度各個(gè)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)處理任務(wù)，計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在Oracle中。

對(duì)于大多數(shù)業(yè)務(wù)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算所涉及的數(shù)據(jù)量并非海量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用了傳統(tǒng)的“維度建模+ETL”技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的計(jì)算，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同粒度的匯總與計(jì)算，生成各粒度、各業(yè)務(wù)維度的計(jì)算結(jié)果，支持前端數(shù)據(jù)的快速展現(xiàn)和各維度的上下級(jí)鉆取聯(lián)動(dòng)，全方位展示指標(biāo)分析情況。

2.1.4 數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)

基于C++和JAVA開(kāi)發(fā)體系，應(yīng)用服務(wù)提供統(tǒng)計(jì)分析服務(wù)、拓?fù)浞治龇?wù)、數(shù)據(jù)可視化服務(wù)、空間信息服務(wù)、地理服務(wù)等應(yīng)用服務(wù)，為配電網(wǎng)診斷結(jié)果可視化提供服務(wù)支撐。

2.1.5 數(shù)據(jù)展現(xiàn)

通過(guò)UI控件、Bootstrap等基礎(chǔ)UI組件，提供表單、提示框、表格、樹(shù)、容器等控件，統(tǒng)一系統(tǒng)的界面樣式；使用Echarts圖表組件，進(jìn)行數(shù)據(jù)的柱圖、折線圖等可視化展示；通過(guò)VUE及WebGIS等界面渲染引擎將服務(wù)端輸出的數(shù)據(jù)模型綁定到UI組件中，實(shí)現(xiàn)前端界面的渲染。

2.2 診斷指標(biāo)構(gòu)建

基于多源數(shù)據(jù)融合與分析的配電網(wǎng)可視化診斷，包括供電能力診斷、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)診斷、設(shè)備水平診斷、供電質(zhì)量診斷四個(gè)方面。

（1）供電能力診斷：線路負(fù)載率分析、線路裝接配變?nèi)萘俊⑴渥冐?fù)載率分析、城鎮(zhèn)戶(hù)均配變?nèi)萘俊⑥r(nóng)村戶(hù)均配變?nèi)萘康取?/p>

（2）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)診斷：線路供電半徑、線路典型接線率、線路聯(lián)絡(luò)率（包括線路站間聯(lián)絡(luò)率）、線路可轉(zhuǎn)供率、線路平均分段數(shù)等。

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

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

3 系統(tǒng)功能

3.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合處理

從數(shù)據(jù)集成模塊集成的生數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)清洗流程，形成熟數(shù)據(jù)，來(lái)支撐規(guī)劃業(yè)務(wù)應(yīng)用。其中，數(shù)據(jù)校驗(yàn)包括從完整性、一致性、正確性三方面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位檢查；數(shù)據(jù)融合將營(yíng)、配、調(diào)三個(gè)部門(mén)的數(shù)據(jù)利用自動(dòng)融合、特征融合、人工融合的方式實(shí)現(xiàn)貫通；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換將來(lái)自不同系統(tǒng)異構(gòu)的數(shù)據(jù)，按照規(guī)劃專(zhuān)業(yè)的習(xí)慣，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新整合，形成面向規(guī)劃業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。具體流程如圖2所示。

3.2 問(wèn)題自動(dòng)診斷分析

在電網(wǎng)GIS平臺(tái)和多維數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)可展示現(xiàn)狀電網(wǎng)沿布圖和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣泳€圖，同時(shí)提供了電網(wǎng)設(shè)備屬性信息、網(wǎng)架拓?fù)湫畔⒑碗娋W(wǎng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)?；跇?gòu)建好的診斷指標(biāo)體系、內(nèi)置算法及相關(guān)判斷標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)能夠基于這些多維信息自動(dòng)進(jìn)行全網(wǎng)或局部電網(wǎng)的診斷分析，自動(dòng)生成問(wèn)題列表；并從供電能力、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、供電質(zhì)量、設(shè)備水平4個(gè)方面對(duì)診斷結(jié)果進(jìn)行可視化展示，支持區(qū)縣向上逐級(jí)匯總，統(tǒng)計(jì)向下鉆取查看詳情。問(wèn)題自動(dòng)診斷分析功能如圖3所示。

3.2.1 基于海量運(yùn)行數(shù)據(jù)的供電能力分析

供電能力分析主要依托于調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)和計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的歷史量測(cè)數(shù)據(jù)，此類(lèi)數(shù)據(jù)生產(chǎn)粒度為5-15分鐘，每年大約有10TB的數(shù)據(jù)量，這種場(chǎng)景下，單機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)引擎很難應(yīng)付海量數(shù)據(jù)的掃描計(jì)算。針對(duì)上述問(wèn)題，系統(tǒng)采用Spark大數(shù)據(jù)計(jì)算技術(shù)，對(duì)海量運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)線路、配變的全年重過(guò)載分析、電壓越限分析。

圖2：多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合處理過(guò)程

圖3：?jiǎn)栴}自動(dòng)診斷分析功能

圖4：診斷結(jié)果可視化展示界面

線路、配變的重過(guò)載分析，主要包括：最大負(fù)載率、最大負(fù)載出現(xiàn)時(shí)間、重載次數(shù)、重載持續(xù)時(shí)間、過(guò)載次數(shù)、過(guò)載持續(xù)時(shí)間；線路、配變的電壓越限分析，主要包括：偏低次數(shù)、偏低持續(xù)時(shí)間、最低電壓、最低電壓出現(xiàn)時(shí)間、偏高次數(shù)、偏高持續(xù)時(shí)間、最高電壓、最高電壓出現(xiàn)時(shí)間。

3.2.2 基于拓?fù)浞治龅木W(wǎng)架診斷和電氣計(jì)算

實(shí)際的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)量非常大，要識(shí)別出網(wǎng)絡(luò)的接線模式，人工方法并不可取?；诖?，開(kāi)展了基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龊湍Ｊ阶R(shí)別理論的研究，系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龅幕A(chǔ)上，結(jié)合各種接線模式的具體特征，可有效地自動(dòng)識(shí)別配電網(wǎng)典型接線模式和聯(lián)絡(luò)線路判斷功能，從而全面了解配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)其薄弱環(huán)節(jié)。

基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的識(shí)別，再結(jié)合負(fù)荷與設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等，系統(tǒng)提供潮流、短路、可靠性等電氣計(jì)算功能，從而對(duì)配電網(wǎng)不同接線模式的可靠性、潮流線損、電壓降等進(jìn)行定量的理論分析計(jì)算。

圖5：?jiǎn)栴}線路定位

圖6：線路詳情

3.2.3 基于設(shè)備臺(tái)賬屬性的靜態(tài)統(tǒng)計(jì)

基于設(shè)備臺(tái)賬屬性的靜態(tài)統(tǒng)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)線路電纜化率/絕緣化率、線路運(yùn)行年限、配變運(yùn)行年限、線路配電自動(dòng)化覆蓋率、高損配變率、線路裝接配變?nèi)萘?、?hù)均配變?nèi)萘康戎笜?biāo)的自動(dòng)計(jì)算，這些指標(biāo)可反映配電網(wǎng)的裝備水平和供電裕量，從側(cè)面反映配電網(wǎng)的供電能力和供電可靠性。

3.3 基于GIS的可視化結(jié)果展示

針對(duì)目前配電網(wǎng)規(guī)劃工作中電網(wǎng)圖形與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)耦合度不高，電網(wǎng)診斷分析結(jié)果僅采用“臺(tái)賬式明細(xì)表+統(tǒng)計(jì)表”的方式等問(wèn)題，開(kāi)展了基于地理信息可視化技術(shù)的多源數(shù)據(jù)融合和圖形渲染等技術(shù)研究，系統(tǒng)基于集成的多源數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了問(wèn)題的自動(dòng)診斷分析，并形成面向規(guī)劃業(yè)務(wù)的診斷結(jié)果可視化展示界面，通過(guò)多種可視化方式展示各項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)電網(wǎng)網(wǎng)架情況做出評(píng)價(jià)。

3.3.1 多來(lái)源地圖顯示支持

基于底層地圖數(shù)據(jù)管理的支持，系統(tǒng)能夠支持離線切片地圖、CAD矢量地理圖以及支持南網(wǎng)GIS平臺(tái)地圖的接口方式，可提供衛(wèi)星影像、街道建筑物等多套地圖背景，為用戶(hù)提供更清晰地規(guī)劃區(qū)域地理信息，有利于規(guī)劃人員對(duì)網(wǎng)架的理解，同時(shí)為規(guī)劃電網(wǎng)的網(wǎng)架編輯提供參考。

3.3.2 診斷結(jié)果可視化

系統(tǒng)基于配電網(wǎng)自動(dòng)診斷分析結(jié)果，提供基于GIS的診斷結(jié)果可視化展示，從供電能力、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、供電質(zhì)量、設(shè)備水平4個(gè)方面，將各項(xiàng)指標(biāo)在配電網(wǎng)地理接線圖上進(jìn)行圖上標(biāo)注、著色渲染、圖表化等可視化展示，將指標(biāo)不合格或?qū)е卤∪醐h(huán)節(jié)的設(shè)備使用特殊顏色或圖符著重標(biāo)出，實(shí)現(xiàn)診斷問(wèn)題的可視化追根溯源和精準(zhǔn)定位，輔助規(guī)劃人員制定規(guī)劃方案。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

目前該系統(tǒng)已在海口供電局試點(diǎn)應(yīng)用，在配電網(wǎng)診斷方面發(fā)揮了重要的作用，依托該系統(tǒng)可科學(xué)診斷電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題設(shè)備的可視化追蹤溯源和精準(zhǔn)定位，輔助調(diào)整優(yōu)化配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目，提高了電網(wǎng)精準(zhǔn)投資性，有力支撐了電網(wǎng)規(guī)劃業(yè)務(wù)的開(kāi)展。系統(tǒng)基于融合的多源數(shù)據(jù)自動(dòng)生成面向規(guī)劃業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并提供自動(dòng)診斷功能，大幅度減少了規(guī)劃人員的工作量，有效提高了規(guī)劃效率，保證了工作質(zhì)量。下面以診斷結(jié)果可視化展示為例來(lái)介紹系統(tǒng)的應(yīng)用情況。

圖4為線路負(fù)載率診斷結(jié)果可視化界面，圖形區(qū)根據(jù)診斷指標(biāo)的正常和異常情況對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行了著色渲染，右側(cè)欄以圖表的方式展示了各供電分區(qū)的負(fù)載率指標(biāo)情況，可使規(guī)劃人員一目了然的了解重過(guò)載的分布情況。

點(diǎn)擊圖4右側(cè)欄的【問(wèn)題線路】，然后選中某條記錄，可在圖形區(qū)實(shí)現(xiàn)該線路的精準(zhǔn)定位，如圖5所示。

點(diǎn)擊圖4或圖5右側(cè)欄的【查看詳細(xì)】按鈕，可進(jìn)入圖6，查看單條線路的詳細(xì)信息，并可通過(guò)負(fù)載狀態(tài)篩選只顯示重、過(guò)載的線路。

在圖6中，點(diǎn)擊某條記錄的線路名稱(chēng)，可進(jìn)入圖7，查看該線路的年、月、日負(fù)荷曲線變化情況（注：系統(tǒng)2018年只采集了1～7月份的運(yùn)行數(shù)據(jù)）。

圖7：線路運(yùn)行信息

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于多源數(shù)據(jù)融合與分析的配電網(wǎng)可視化診斷系統(tǒng)，在配電網(wǎng)地理接線圖的基礎(chǔ)上，提供配電網(wǎng)電力設(shè)備的基礎(chǔ)屬性信息、拓?fù)湫畔ⅰ⑦\(yùn)行信息的融合，而且能夠根據(jù)集成的多源信息自動(dòng)進(jìn)行全網(wǎng)或局部電網(wǎng)的自動(dòng)診斷，并自動(dòng)生成問(wèn)題列表；同時(shí)提供基于GIS背景的圖上標(biāo)注、著色渲染等可視化展示，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)的可視化溯源和精準(zhǔn)定位，為配電網(wǎng)規(guī)劃提供了全新的信息化輔助手段。