基于电力物联网和GIS融合的变电智能运检系统研究

李 飞，赵大兴

(国网天津城南供电公司，天津 300000)

随着泛在电力物联网[1]和世界一流能源互联网[2]的建设与发展，国网公司相继下发了输变电设备物联网建设方案，方案指出构建设备状态全景化、数据分析智能化、设备管理精益化的输变电设备物联网，通过泛在物联和深度感知，不断提高电网资源配置能力、安全保障能力和智能互动能力，实现输变电专业的智能化运检。地理信息系统(GIS)具备采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，同时也具有极强的空间综合分析和动态预测能力，目前GIS系统凭借其强大的功能被应用到越来越多的行业，其在智能电网和电力物联网的建设中也有着非常重要的应用。

文献[3-4]对电力物联网和智能电网进行了介绍，电力物联网建设是智能电网建设的重要一环，电力和信息的双向流动性是智能电网的本质特征之一，这与电力物联网的理念是一致的。泛在电力物联网建设的工作任务就是衔接智能电网的发展现状，进一步促进电力网-信息网-社会网的融合贯通。电力物联网集合了智能传感器、边缘节点化及容器化 、移动GIS及终端、射频识别技术等感知设备，通过电力通讯网络实现物与物之间的信息采集、处理与传输，实现电力系统各环节万物互联、人机交互，形成具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统。文献[5]将物联网技术应用到变电站蓄电池监测系统，通过站内传感器感知节点，实现对蓄电池信息进行采集，并将实时采集数据传输至数据中心，实现对通信机房蓄电池组的实时监测。文献[6]利用了移动GIS的精确定位和互联网技术，在野外进行快速、大量的空间数据采集，实现铁路地质调绘的信息化采集，其落地模式值得学习借鉴。文献[7]提出了一种基于GIS坐标布局的配电单线图自动成图技术，首先将设备地理信息系统坐标映射到图纸上完成初始布局，然后再利用柯西变异粒子群算法进行优化布局，最终实现了配电单线图自动成图，并可与专网移动设备共享，以满足配电网运检业务的需要。

基于上述分析，本文提出了基于电力物联网和GIS融合的变电智能运检系统。系统在电力物联网框架的基础上，引入移动GIS和WebGIS并实现两者互联融合，同时系统采用混合开发的移动终端系统APP和分布式布置的数据储存系统，有效提高了APP的兼容度和系统的响应速度。该系统的成功实施提高了工作效率和作业质量，保证了工作现场的管控力度和安全保障，实现了变电运检业务的智能化、移动化和可视化。

1 系统介绍

基于电力物联网和GIS融合的变电智能运检系统是以电力物联网的四个层级[8]为基础搭建的。系统功能主要集中在应用层，包括移动作业系统和Web管理系统，其中移动作业系统架构于搭载Android系统的平板电脑上，Web管理系统搭建在国家电网内网电脑上，通过两者之间的信息传递和数据共享实现变电运检业务的智能化、移动化和可视化[9-10]。

1.1 系统技术架构

系统的总体技术框架如图1所示。

从图1中可以看出，系统技术架构分为四个层级，最下面的感知层主要是硬件数据采集设备，包括感知位置的GPS卫星定位芯片、无线WIFI芯片、GSM/CDMA通讯芯片及移动GIS系统，还有采集设备信息的RFID和湿度传感器等。传输层采用国网电力4G专网作为移动终端、管理系统和服务器交互的安全通道。针对移动终端与主站(管理平台或者服务器)之间的数据交换，本系统采用了隧道复用技术，使每个终端上所有应用可复用同一条加密隧道，降低系统负载，可实现独立、高效、安全传输，将数据储存并将信息传送至远端应用层。数据层是数据存储和分析层，并根据主题不同，划分为不同的主题数据库，同时还有基础数据库、专题数据库和属性库等，这些数据都是通过接口为上层的数据分析和应用程序服务。应用层直接面向用户，在系统中涉及两部分：用户服务层和业务应用层。用户服务层主要针对系统的用户，其中巡检人员是终端系统的直接使用者，用此开展巡检工作，管理人员负责巡检任务的派发、监督和指导现场工作等，决策人员是公司层面的领导，具有统摄全局的作用。据此巡检人员使用移动终端访问系统，决策人员使用内网浏览器访问系统，管理人员根据实际工作情况两者均可使用，但是权限设定不同。业务应用层指系统可实现的功能如图1所示，此外，移动终端侧能根据系统数据库中业务信息、设备信息和GIS 地理信息数据，结合数据挖掘技术[11]和轨迹聚类算法[12]生成巡检变电站的优化导航路线、平面布置图，巡检路线路等；Web管理系统与移动终端互联，除了对移动终端系统的管理作用，还可对数据库相关信息的修改、管理。

1.2 系统功能架构

为实现对电力系统智能运检业务的支持，基于电力物联网和GIS融合的变电智能运检系统除了具有传统移动作业的功能之外，还增加了电力系统空间GIS系统相关功能。上述应用层功能分别从移动终端侧和Web管理系统侧按照功能类别阐述，如图2所示。

移动终端包括传统运检业务、移动GIS系统功能和数据采集功能三部分。传统变电运检业务主要包括设备巡视维护、倒闸操作、故障处理、带电检测，设备检修试验以及隐患缺陷管理等[13]，其具体功能有巡视计划自动生成，分派工作任务，操作票、工作票管理、巡视记录登记、设备修试记录，带电检测图形化记录，隐患缺陷登记及上报等几乎覆盖全面运检业务。移动 GIS 是综合 GIS 与 GPS 及无线互联网三者的一体化技术，是移动通信技术与地理信息技术相结合的产物[14]。移动GIS模块可实现地图缩放、距离测算、查询位置路线、目的地最优线路自动导航、查看电力设备分布图以及地图位置和信息的标注等。数据采集作为整个系统的数据来源，采集的信息包括设备实物ID、设备地理位置、设备拓扑关系、照片信息识别以及系统账户管理等，该模块主要用于设备信息的快速采集。还需说明的是：移动终端账户必须具备相应资质，权限不同移动终端功能不同，具备资质的账户可以采用人脸识别登陆。

Web管理系统包括后台信息修正、数据管理和业务管理。后台信息修改主要针对GIS地图信息、设备台账信息、业务流程、表单模板以及账户信息的修改，对于粗差或异常值，用户都可以通过编辑功能来更正这些信息，并将正确的信息保存到数据库中同时也在移动终端自动更新；数据管理主要完成对采集成果信息的查看、编辑和输出，包括运检业务、GIS、设备台账等数据的管理；业务管理主要实现对移动终端开展运检业务的管理。此外，系统为用户提供了多种数据查看方式，如列表点击查看、条件查询查看、图上点击查看等。对于以上数据信息，用户需要将其输出为标准的台账模板，以便成果资料导入国网内网系统平台。

2 GIS融合系统开发

所谓的GIS融合系统则是将移动GIS、WebGIS通过互联网技术和通信协议联合起来，形成具备可定位、可追踪、可请求、可反馈、可交互的广义GIS系统。该GIS系统整体架构采用B/S和C/S相结合的结构，将B/S与C/S的优势完美地结合起来，既能以B/S的方式发布运行，又具备C/S方式的极强的可操作性。基于以上架构，GIS系统由4部分组成：移动GIS客户端，WebGIS客户端，服务器，空间数据库，如图3所示。该GIS系统同时包含WebGIS系统和移动GIS系统，移动GIS通过电力4G专网、安全接入平台跨越内网防火墙国网系统内网系统相连，可以直接访问系统服务器，也可以通过经WebGIS客户端访问服务器，移动GIS和WebGIS共用部分服务器和数据库。

2.1 移动终端APP模式

移动GIS的客户端基于移动终端设备，是由多个便携式、低功能、具备快速精确定位和地理识别功能的平板电脑组成。移动终端所有设备装有GPS定位芯片同时复用同一条加密隧道来实现与Web或服务器的双向通信。

移动GIS客户端软件为嵌入式的GIS应用软件，采用C/S结构，以客户端APP形式访问服务器，实现地图管理，信息查询，导航定位，移动办公，数据采集和传输、工作记录管理等功能。

终端系统APP采用混合开发即Hybrid App(混合模式移动应用)。Hybrid App是介于网页应用和原生应用两者之间的移动应用，兼具了Native App良好用户体验的优势，也兼具了Web App使用HTML5跨平台开发低成本的优势。从开发层面实现“一次开发，多处运行”的机制。

Hybrid App开发方式选择最稳定的一种，以Native架构为重，即在移动端APP中嵌入一个或者多个WebView组件，实现WebView与Native的双向通信，使得WebView具有访问本地硬件和本地代码的能力，同时Native也具有访问WebView中JavaScript代码的能力。

混合开发框架包含移动端壳、前端交互和前端适配器3大部分，如图4。

(1)移动终端web壳(以下简称“壳”)：壳是使用操作系统的 API 来创建嵌入式 HTML的渲染引擎。壳主要功能是定义Android应用程序与网页之间的接口，允许网页中的JavaScript调用Android应用程序，提供基于web的应用程序的Android API，将Web嵌入到Android应用程序中。

(2)前端交互js：包括基础功能js和业务功能js。

(3)前端适配器：适配不同的终端：Pad、Android、IOS、WAP。

2.2 Web管理平台

Web管理平台即WebGIS的客户端部分，该平台层采用B/S结构，通过浏览器访问服务器，实现用户界面地图展示、空间分析、数据管理，数据分析统计，设备运行管理，资源管理以及对外接口的管理等功能。数据缓存技术的使用方便了与移动端GIS的数据交换。

系统选择“百度地图”作为系统的地图支撑，通过“API”应用程序编程接口，调用地图服务网站数据库中的信息和功能。运用JavaScript嵌入百度 API 方式实现网络地图服务，通过浏览器把用户的访问和查询请求传递给WebGIS服务器，服务器将与之对应的应答衔接到系统网页中并最终以可视化[15]的方式展示给用户。

2.3 GIS系统服务器和数据库布置

GIS系统的核心功能是地理空间数据采集与整理、数据集成与管理、数据分析与计算。数据采集与整理是系统客户端的功能，而后两者的则是系统服务器和数据库共同发挥的作用。

系统服务器是连接数据库和客户端的桥梁，是整个系统的核心部分，主要包含Web 应用服务和百度地图服务。为满足移动GIS的需求，服务器以分布式布置，采用Java/Python 语言进行后台开发和维护，同时使用eclipse 软件平台进行编译、更新和修改。

开发的系统服务器还应具备以下功能：强计算和处理超大量访问请求的能力；有数据更新功能，及时向移动环境中的客户提供动态数据；可连接空间数据库，对海量数据进行存储和管理；数据管理和缓存的功能。

系统数据库是用于存储、管理和维护所需数据，并在接到查询指令后能够响应相应的操作。本系统采用了开源的MySQL数据库，MySQL数据库体积小、速度快、成本低，对变电运检业务信息和GIS系统数据完全可以进行很好的存储。数据库是服务器实现GIS服务的数据来源，也是数据的最终储存位置，在该系统中采用分布式布置，与数据库服务器构成分布式储存结构[16-19]，大大提升了数据储存容量和数据查询速度，满足了移动GIS的位置不断变化和信息多样化的需要。如图5。

3 系统工作流程

基于电力物联网和GIS融合的变电运检智能系统以电力物联网架构，综合运用了移动GIS和WebGIS技术，实现变电运检工作的电子化、智能化和视觉化，巡检运用该系统的整个工作流程主要分为3个阶段，如图6所示。

3.1 工作前准备

首次使用时需将各类工作计划、作业指导卡、标准化作业参考文件和设备信息等数据导入系统，这些数据按照图5所示形式存储到数据库中，以便后续计划的自动生成和任务派发。巡检人员工作中如需调用GIS系统，应在移动GIS客户端向系统提出请求，系统后台会按照图6虚框内的流程针对请求做出应答，巡检人员根据反馈开展现场工作。

3.2 现场工作

如图6的蓝框内所示的巡检人员工作都是在移动终端的APP系统中进行的。工作内容为：根据GIS系统中的平面图，设备分布图、巡检路线图、消防布置图来确定巡检的重点设备；通过移动终端的射频识别装置识别设备的实物ID码来了解设备的全寿命周期运行情况；发现设备缺陷在GIS系统定位后录入并上报；巡视完毕后及时登记巡视记录；在线编辑两票；操作票的打印、回填、终结等；工作票的接收、许可、终结等。

针对巡检人员通过GIS定位报送的缺陷，管理人员可通过Web向对应的检修人员直接下发任务；对于巡检人员的现场工作，管理人员也可在移动终端远程指导、监督和评价；决策人员可经Web远程查看工作进展并做出指导等。如此的工作模式提高了工作的效率，保证了工作现场的可控性和安全性，做到了实时移动作业；

3.3 工作数据提交

工作完成后作业人员将相关记录填写完毕后提交至系统，系统服务器将提交内容按照图5所示形式储存到数据库中，做到有迹可循，便于后期查询。同时管理人员将巡检工作的评价结果提交至系统，系统经接口上传至内网绩效系统，实现自动积分。

4 系统应用

变电智能运检作业系统已在国网天津城南公司变电专业进行试点使用。试点应用的系统配置参数：移动客户端安装在安卓 6.0 版本系统的华为平板电脑和手机上；Web客户端采用最新 WIN8系统配置的联想电脑；服务器端使用 linux系统搭建，采用CentOs7.2 系统，总部部署在天津市信通公司，其他部署在变电站内；工作现场各终端通过电力4G专网连接到服务器；数据库终端图形界面：MySQL 图形操作界面；客户端浏览器系统：Google Chrome。系统应用界面如图7、图8。

本文根据图6所示的工作流程分别在系统应用前后对单次巡检工作的时间进行统计，如表1所示数据为10次巡检工作的平均用时。

表1 系统应用前后用时对比Tab.1 Time contrast before and after system application

从表中可以看出：单次平均作业时间由原来的90 min降至31 min，工作时间减少了60%以上，大大提高了巡检人员的工作效率。

除了工作效率，在其它方面的效果如何呢？本文同样给出对比分析，如表2所示。

表2 系统应用前后的综合比较Tab.1 Comprehensive contrast before and after system application

总上所述，本项目的实施给变电运检业务的开展带了极大的便利性，安全性和可控性。

5 结语

在国网公司大力发展电力物联网和全球能源互联网的今天，各公司各专业都在积极探索物联网的落地措施。本文提出的基于电力物联网和GIS融合技术的变电运检智能作业系统，核心为物联网“四个层级”的搭建和GIS系统的嵌入，重点为保证数据传输的可靠和平台之间的安全接入，难点为实现整个系统的互联通信。该系统的研究实现了变电运检业务表单电子化、操作智能化、系统集成化和作业可视化，做到了实时移动办公和移动定位。该系统的应用节约了工作时间成本，提高了工作效率，保证了工作的标准化，促进了变电设备的移动互联和变电业务的可视化发展，在其他专业具备广泛的推广空间，助力国家电网公司电力物联网和世界一流能源互联网的建设。