农村电网集抄运维系统构建与应用

徐川子，徐成司，赵坚鹏，向新宇，葛蔚蔚

(国网浙江省电力有限公司杭州供电公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

随着工商业用电、农业用电、居民用电量的激增，电力系统对电力设备的要求越来越高，现场维护成本也随之越来越高[1-2]。在地图信息不完善的农村地区，一方面现有的导航软件中缺乏有效可靠的建筑物信息及线路数据，制约了线路维修人员快速定位故障地理位置及快速修复故障；另一方面，传统电力设备的管理和维护需要依赖大量信息采集人员，特别是在线路数据缺失区域，需要通过人工问询等方式到达故障维修点或采集点，再利用书面记录完成设备信息采集，最后录入公司管理系统保存。此类方式获取的信息较为抽象，后续维修或采集只能通过模糊的路径信息重新寻找设备位置，不但加重了人员的工作负担，也为故障发生后的快速定位埋下隐患，因此集抄运维系统应运而生。

目前，集抄运维系统的研究主要集中在系统的平台设计和流程管控分析等方面[3-6]，对解决信息采集和故障设备定位等问题的支持有限，鉴于此，提出一种农村电网集抄运维系统构建方案。该系统主要面向农村电网维护人员，根据特定场景下的实际工作需要，将用户角色划分为两种：第一种是数据采集人员，主要负责农村线路信息采集，包括电表位置数据信息和连接电表的线路数据信息，并在完成信息采集后及时上传数据；第二种是维修作业人员，其主要根据最新线路数据及时定位故障位置实现故障快速清除，同时还可依照系统路径规划功能生成的最短路径实现故障快速响应。

1 农村电网集抄运维系统设计

1.1 客户端设计

农村电网集抄运维系统客户端基于Android平台实现，根据农村电网数据采集人员和维修作业人员实际工作的需要，设计线路采集、普通作业、用电户信息、数据更新和离线地图管理五大功能模块，其中线路采集和普通作业功能基于位置服务(location based services，LBS)实现。客户端功能模块架构如图1 所示。

图1 客户端功能模块架构

1.2 服务端设计

服务端采用Python 的Django 框架，采用HTTP 协议进行服务端接口设计。客户端根据具体功能发起请求，服务器收到请求后进行相应数据处理，并将处理结果返回客户端。农村电网集抄运维系统结构如图2 所示。

图2 农村电网集抄运维系统结构

服务端包含以下功能模块。

1) 线路采集模块。该模块包含定位显示、途经点(节点)信息记录及线路绘制三个功能。定位显示提供当前位置信息，途经点(节点)信息记录提供定位节点信息录入功能，而线路绘制则是在一段线路节点信息录入完毕后根据行进轨迹统一绘制线路。

2) 普通作业模块。该模块包含路径规划和导航两个功能。在路径规划功能中，在线路采集过程中记录的途经点(节点)可根据相关信息进行查询，根据查询结果选中位置点后，由线路路径构成带权无向图，然后利用特定的最短路径算法构建起点到终点的最短路径，进而将该段路径绘制在地图上。在实时导航功能中，系统根据作业人员当前所在实际位置与所查询位置进行实时导航，指引作业人员到达指定位置。

3) 用户信息模块。该模块可进行用户信息(节点信息)的二次修改，对于已经录入的节点，信息采集人员或者维修人员可根据实际情况进行用户信息核对及修改。此模块保证了用户信息(节点信息)能够不断更新，满足实际需要。

4) 其他模块。数据更新模块提供线路信息和用户信息(节点信息)的批量上传、下载功能，同时控制服务端和客户端之间信息交互频率，避免造成系统阻塞。离线地图模块支持离线地图下载功能，保证系统部分业务功能不受网络中断限制。管理平台模块提供导入导出数据(如线路信息、节点信息等)、管理系统权限账号等功能。

2 最短路径算法

农村电网由于其特有的地理因素影响，其负荷呈现点状聚集分布，往往需要很长的输配电线路才能将各个村舍连接起来[7-8]。同时，农村用户居所分散，房屋排列没有规律，导致电网在村舍内部分支级数众多[9-10]。因此，根据上述农村电网的特点，研究适用于农村电网结构的最短路径算法不仅可以辅助农村电网故障抢修，更可将其应用于农村电网规划设计，为农村电网设计的科学化、规范化提供依据。

2.1 典型的最短路径算法

最短路径算法研究的重点在于路径搜索中的通用技术，该技术可分为组合技术和代数方法两种，其中组合技术中的标号算法是绝大多数最短路径算法的核心。标号算法可分为标号设定(label setting，LS)和标号改正(label correcting，LC)两类[11]。

2.1.1 松弛操作

不管是LS 算法还是LC 算法，此类最短路径算法中最基本的操作均为松弛操作，如图3 所示。

图3 松弛操作示意

图3 中对于一条从顶点A到顶点B的边A→B，如果满足dist[A]+ω(A，B)＜dist[B]，则更新dist[B]，使dist[B]=dist[A]+ω(A，B)。式中：ω(A，B)表示边的权重，dist[A] 表示顶点A到源点S的目前已知的最短距离，dist[B]表示顶点B到源点S的目前已知的最短距离。

2.1.2 Dijkstra 算法

Dijkstra 算法属于LS 算法，是典型的单源最短路径算法，其主要特点是以起始点为中心向外逐点扩展，直至扩展至全部顶点。设G=(V，E)为带权图，将顶点集合V分成两组，一组为已求出最短路径的顶点集合(以S表示)，另一组为其余未确定最短路径的顶点集合(以U表示)。其算法步骤如图4 所示。

图4 Dijkstra 算法流程

2.1.3 最短路径快速算法

最短路径快速算法(shortest path faster algorithm，SPFA)是求单源最短路径的一种算法，也是贝尔曼-福特(Bellman-ford)算法的队列优化实现。其算法步骤如图5 所示。

图5 SPFA 算法流程

2.2 农村电网结构分析

根据农村电网负荷呈点状聚集分布、村舍内部分支级数众多等特点，可构建农村电网典型结构如图6 所示。两个村舍间通过村外节点相连，村舍间的距离一般较村舍内部节点距离大得多，单个村舍内部节点间支路众多而无规律。

图6 农村电网典型结构

不同最短路径算法在农村电网结构下的计算效率存在一定差异，可通过实验对比选取更适用于农村电网的算法。这里将分别使用Dijkstra 算法和SPFA 进行农村电网节点间最短路径规划。两种算法计算过程将进行多次松弛操作，而松弛操作次数将直接影响算法效率，因此可通过对两种算法在农村电网结构下的松弛次数比较，分析两种算法对于农村电网计算效率和适用性。

3 算例分析

3.1 最短路径快速算法分析

在Java 8 语言环境下进行算例分析。首先建立某典型农村电网部分结构如图7 所示，各圆圈代表节点，连接节点的线段代表路径，线段上数字代表路径长度。

注：路径长度量纲为10 m。

根据该电网结构构建节点的邻接表。假设此时某工作人员需要从节点3 到节点25，分别运行两种最短路径算法，得到的最短路径如图8 所示，其中Dijkstra 算法松弛操作次数为31 次，SPFA 松弛操作次数为65 次。

由图8 和松弛操作次数可知，两种最短路径算法均能计算得出节点3 到节点25 的最短路径，而Dijkstra 算法进行的松弛操作次数比SPFA 少。

随机选择路径的起点和终点，运行程序5 次。两种算法进行松弛操作的次数对比如图9 所示。可知，Dijkstra 算法在农村电网下获取最短路径过程中执行松弛操作的次数较SPFA 少，且较为稳定。因此，Dijkstra 算法相比SPFA 更适合用于农村电网最短路径规划。

图9 两种算法松弛次数对比

3.2 农村电网集抄运维系统测试

将构建的农村电网集抄运维系统上线运行。系统客户端较好实现了线路采集、普通作业、用电户信息修改、数据更新和离线地图管理等功能，且可实现路线规划和实时导航等辅助功能。现场将部分数据录入系统后，后台系统能够对录入的站点信息进行管理，同时能批量导入用户信息等数据从而实现对数据库进行批量新增或修改。除此之外，后台系统能够记录管理员账号的最近操作记录，用于纠错和回溯。

4 结论

由于农村电网设备管理和维护依赖人工操作、难以快速定位故障的问题，提出了一种农村电网集抄运维系统构建方案并进行具体实现，同时对比研究了农村电网应用场景下不同最短路径算法的性能，得出以下结论。

1) 针对农村电网负荷呈点状聚集分布、村舍内部分支级数众多的结构特征，Dijkstra 算法较SPFA 更适合用于该场景下最短路径规划。

2) 农村电网集抄运维系统构建方案能够满足数据采集人员和维修作业人员工作需求，有效解决农村电网设备运行管理和维护困难的问题。