可視化技術(shù)在EMS系統(tǒng)中的應(yīng)用

余虹

（浙江省電力公司，浙江 杭州 310007）

1.引言

電力系統(tǒng)是一個(gè)大型系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)星羅棋布，支路縱橫交錯(cuò)。系統(tǒng)在運(yùn)行中產(chǎn)生大量諸如電壓、電流、功率等事實(shí)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常以數(shù)字的形式在電力系統(tǒng)圖上顯示。運(yùn)行管理人員常被埋沒(méi)在這些變化著的海量的枯燥數(shù)據(jù)中，往往忽視了一些對(duì)運(yùn)行或設(shè)備有關(guān)鍵意義的數(shù)據(jù)，不能有效發(fā)現(xiàn)一些事故的征兆。電力系統(tǒng)對(duì)安全性要求較高，隨著系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大、各種數(shù)據(jù)越來(lái)越多，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示方式已不能很好地滿足實(shí)際要求，電力系統(tǒng)可視化技術(shù)成為解決這一問(wèn)題的最佳方案[1]。

根據(jù)所顯示數(shù)據(jù)的性質(zhì)和來(lái)源的不同，電力系統(tǒng)可視化顯示的內(nèi)容可以劃分為數(shù)據(jù)顯示、分析結(jié)果展示。數(shù)據(jù)顯示即顯示電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的各種量測(cè)信息，包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和線路數(shù)據(jù)等，可以結(jié)合運(yùn)行方式信息或者相關(guān)的地理信息進(jìn)行展示。分析結(jié)果顯示則是將各種傳統(tǒng)的分析計(jì)算程序的輸出結(jié)果以圖形或者圖像方式進(jìn)行展示，如N-1分析結(jié)果、靈敏度計(jì)算結(jié)果等[2][3]。

如何采用更有效的手段，利用可視化的技術(shù)和手段展示電網(wǎng)運(yùn)行的信息已成為一個(gè)重要的研究課題。

2.電力系統(tǒng)可視化技術(shù)包含的內(nèi)容及方法

可視化的手段主要是采用二維或者三維圖形的大小、顏色、透明度、位置關(guān)系、動(dòng)畫(huà)等維度，按照一定的規(guī)則進(jìn)行編碼，使之能攜帶相關(guān)的信息，組成一幅圖像或圖形，最終反映給使用者。在考慮一個(gè)具體的可視化方案時(shí)，必須對(duì)各種可用的編碼方式進(jìn)行合理的組合和權(quán)衡，使最終形成的可視化方案直觀清晰，主題鮮明[4,5]。

電力系統(tǒng)可視化技術(shù)需要根據(jù)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)和電網(wǎng)運(yùn)行管理的性質(zhì)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，為此，提出主題的概念來(lái)應(yīng)用電力系統(tǒng)可視化技術(shù)。所謂主題，是指電網(wǎng)運(yùn)行管理人員所關(guān)注的一個(gè)方向，如設(shè)備負(fù)載率、電壓穩(wěn)定情況、安全分析結(jié)果等。電力系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，很難能用一個(gè)指標(biāo)或一個(gè)維度去描述，因此采用分主題的方式組織電力系統(tǒng)可視化展示符合操作人員的思維習(xí)慣，適應(yīng)于現(xiàn)有的電網(wǎng)理論研究水平。

2.1 可視化的過(guò)程

電力系統(tǒng)可視化運(yùn)行數(shù)據(jù)的過(guò)程包括四個(gè)步驟：

（1）過(guò)濾：對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除擾動(dòng)和噪聲；

（2）映射：將過(guò)濾得到的數(shù)據(jù)映射為幾何元素，如：點(diǎn)、線、面、三維體圖形等；

（3）繪制：幾何元素繪制，得到結(jié)果圖像，目前常用到OpenGL技術(shù)；

（4）反饋：顯示圖象，并分析得到的可視結(jié)果。

2.2 可視化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)顯示設(shè)備，可以通過(guò)二維和三維的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，其中的二維方式包括文字、圖形、動(dòng)畫(huà)、顏色等，3D方式則可以應(yīng)用不同的三維物體的形狀、顏色、透明度等手段。隨著電網(wǎng)可視化主題的豐富和展示手段的進(jìn)一步研究，越來(lái)越多的可視化手段在電力系統(tǒng)監(jiān)控中得到了很好的應(yīng)用。

2.2.1 二維可視化展示手段

（1）標(biāo)尺

如圖1所示，標(biāo)尺是一種集幾何形狀與顏色、透明度于一體的二維展示手段，最適用于展示母線電壓等這類(lèi)具有上下限的數(shù)值。通過(guò)標(biāo)尺中的填充方向和填充比例表示數(shù)值當(dāng)前的相對(duì)大小以及與上下限的接近程度。根據(jù)當(dāng)前值與給定的預(yù)警限制、報(bào)警限制比較，可以控制標(biāo)尺整體的顏色、大小、透明度等，在出現(xiàn)接近或超越限制時(shí)引起使用者的充分重視，同時(shí)在正常狀態(tài)下不分散用戶的注意力。

圖1 標(biāo)尺圖

（2）普通餅圖

普通餅圖采用扇形占整圓的比例表示分量占總量的比例關(guān)系，如圖2所示，適用于表示線路的負(fù)載率等歸一化的相對(duì)量。和標(biāo)尺一樣，可以使用當(dāng)前比例控制餅圖的顏色、大小、透明度等。

圖2 餅圖

（3）流水線

圖3 流水線

流水線是一種非常直觀的表示流動(dòng)物理量的抽象化圖元，采用三角形作為流動(dòng)的元素，三角形的方向指向流動(dòng)的方向，三角形的大小表示量的大小，通常采用絕對(duì)的數(shù)值對(duì)三角形進(jìn)行編碼，使同一幅圖上的不同流水線之間的三角形大小具有可比性，如圖3所示。在動(dòng)畫(huà)模式下，三角形沿著預(yù)定的方向流動(dòng)?？梢詫?duì)流水線的顏色、大小、速度、方向進(jìn)行編碼，表示與某些限值的相對(duì)關(guān)系，圖3中，下側(cè)流水線的顏色要比上側(cè)的流水線顏色更紅一些，表示其更接近本身的限值。

（4）等高線/顏色圖

在與地理信息相結(jié)合展示數(shù)據(jù)點(diǎn)信息時(shí)，如果對(duì)沒(méi)有數(shù)據(jù)的區(qū)域按照某種方式進(jìn)行插值計(jì)算，把所有數(shù)值相等的點(diǎn)連接起來(lái)，就得到類(lèi)似于地圖的等高線展示方式，為了更加值觀，通常會(huì)填充按階梯分布的顏色，得到如圖4所示的顏色圖。圖4中以標(biāo)尺所表示的母線電壓為數(shù)值基礎(chǔ)，結(jié)合標(biāo)尺所處的圖形位置渲染得到的顏色等高圖。

圖4 顏色圖示例

2.2.1 三維可視化展示手段

三維展示手段較平面二維展示手段多出了高度信息，同時(shí)也引入了體積的概念。采用三維展示手段可以在同樣圖元密度的平面圖基礎(chǔ)上展示更多的信息。

（1）圓柱 /圓錐

三維圓柱可以由任意多個(gè)柱節(jié)相疊組成，可以賦予每個(gè)柱節(jié)獨(dú)立的意義，可以單獨(dú)控制每個(gè)柱節(jié)的高度和顏色，所有的柱節(jié)采用統(tǒng)一的半徑。示例中的圓柱分為兩節(jié)，下面綠色填充柱節(jié)表示變壓器的負(fù)載率，上面半透明柱節(jié)表示距離負(fù)載率100%的距離，如圖5所示。圓柱的半徑、高度、顏色、透明度都可以用來(lái)編碼，如果關(guān)系恰當(dāng)，還可以用圓柱的體積表示某種數(shù)量。

圓錐表示方法與此類(lèi)似，圓錐一般不用多節(jié)層疊的方式，并且可以通過(guò)圓錐頂部的朝向表示不同的含義。

（2）空間連接線

使用空間中的連接線，能夠清楚表示三維空間中的圖形部件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，有效避免在二維平面上連接線交叉的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)空間連線的顏色、線寬、透明度進(jìn)行編碼，使之?dāng)y帶更多的信息。

圖5 圓柱圖

3.電力系統(tǒng)可視化主題展示應(yīng)用

可視化主題用來(lái)集中展示電網(wǎng)某一個(gè)或某一些方面的特征，一個(gè)可視化主題的展示離不開(kāi)圖形、數(shù)據(jù)服務(wù)和可視化圖元三部分內(nèi)容。圖形通常采用調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)常用的單線圖、潮流圖、地理圖等，作為可視化展示的背景基礎(chǔ)；數(shù)據(jù)服務(wù)是可視化數(shù)據(jù)的來(lái)源，可以是直接的電網(wǎng)實(shí)時(shí)量測(cè)數(shù)據(jù)，也可以是分析計(jì)算的結(jié)果，這是可視化展示的核心內(nèi)容；可視化圖元?jiǎng)t是根據(jù)主題的用途和數(shù)據(jù)的性質(zhì)采取前面所述各種可視化手段進(jìn)行組合，這是可視化的直接形式。

可視化展示既可以直接使用已有的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中的圖形，也可以新建適于可視化展示的專(zhuān)用圖形?？梢暬到y(tǒng)架構(gòu)采用可擴(kuò)展插件技術(shù)，當(dāng)需要擴(kuò)展一種新的分析計(jì)算業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可視化時(shí)，只需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的插件并恰當(dāng)配置即可在可視化環(huán)境中應(yīng)用。

3.1 電壓監(jiān)視主題

圖6 電壓監(jiān)控可視化主題

如圖6所示，采用潮流圖作為可視化背景，在變電站旁邊，適用標(biāo)尺表示站內(nèi)主要母線的電壓水平，圖上的數(shù)據(jù)來(lái)自智能監(jiān)視服務(wù)。圖形背景針對(duì)標(biāo)尺的坐標(biāo)和標(biāo)尺所表示的電壓水平進(jìn)行顏色映射并渲染得到顏色等高圖。從圖上可以看到，左上部顏色圖偏黃色，表示該區(qū)域的電壓水平較其它區(qū)域高，從附近幾個(gè)場(chǎng)站的電壓標(biāo)尺可見(jiàn)，有的標(biāo)尺接近預(yù)警限值，有的標(biāo)尺已經(jīng)超過(guò)了預(yù)警限值。運(yùn)行使用人員只需要在全局圖上看一眼便可清楚知道整個(gè)電網(wǎng)電壓區(qū)域的分布關(guān)系。

3.2 設(shè)備負(fù)載率監(jiān)視主題

圖7中以線路負(fù)載率和傳送潮流監(jiān)視界面為基礎(chǔ)，采用餅表示線路的負(fù)載率，采用流動(dòng)的箭頭形狀表示線路傳送有功潮流的方向和大小，不同線路上的三角形大小不同，可以定性表示相應(yīng)線路有功潮流的大小關(guān)系。超過(guò)預(yù)設(shè)限值的線路負(fù)載率和潮流線上的箭頭符號(hào)都會(huì)改變顏色，引起用戶的注意。

圖7 線路負(fù)載率和潮流傳輸監(jiān)視主題

3.3 N-1分析結(jié)果展示主題

圖8N-1分析可視化中的場(chǎng)景，表示的是N-1分析結(jié)果的概覽，即所有掃描到的故障及其嚴(yán)重程度，圖上每個(gè)故障所引起的越限情況采用圓柱來(lái)表示，圓柱的高度表示引起越限狀況的數(shù)目。該圖上還有一些比較透明的小圓椎，表示所在位置的部件故障也進(jìn)行了掃描，但是沒(méi)有引起越限。通過(guò)故障概覽圖可以對(duì)N-1分析掃描的所有故障和那些嚴(yán)重程度較高的故障一目了然，如果需要了解具體一個(gè)故障的詳細(xì)內(nèi)容，可以在圖上雙擊代表該故障的圓柱，進(jìn)入詳細(xì)信息界面。

詳細(xì)圖中，仍用圓柱表示故障的嚴(yán)重程度，意義與其在概覽圖中的意義完全相同，其它圖元表示該故障所引起的越限信息。詳細(xì)圖中使用空間連線把故障和所影響的設(shè)備連接起來(lái)。在詳細(xì)圖上雙擊故障圓柱便可回到先前的故障概覽界面。

圖8 N-1分析結(jié)果可視化故障詳細(xì)信息

3.4 應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，二維可視化技術(shù)的應(yīng)用已比較廣泛，浙江省的AVC系統(tǒng)、湖州和舟山的可視化調(diào)度系統(tǒng)已成功應(yīng)用了這些技術(shù)來(lái)增強(qiáng)電力圖形的可視化效果，實(shí)踐證明應(yīng)用可視化技術(shù)有利于調(diào)度人員迅速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題。

4.結(jié)束語(yǔ)

調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)是一套實(shí)用化的生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)，關(guān)系到實(shí)際的電力生產(chǎn)，可視化技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)該以增強(qiáng)實(shí)用化為主要目的。可視化主題展示用創(chuàng)新性的圖示表示方法、多維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、虛擬現(xiàn)實(shí)等深入研究信息展現(xiàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行控制管理的直觀展示，可以更好地支持智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用需要，提高調(diào)度運(yùn)行規(guī)范化和科學(xué)化水平。

[1]劉嬈,李衛(wèi)東,呂陽(yáng).電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)可視化技術(shù)綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2004,28(8)：92-98.

[2]王慶紅.電力系統(tǒng)可視化技術(shù)及其在南方電網(wǎng)的應(yīng)用[J].南方電網(wǎng)技術(shù)研究，2006,2(3)：40-44.

[3]韓禎祥,呂捷,邱家駒.科學(xué)計(jì)算可視化及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景[J].電網(wǎng)技術(shù),1996,20(07),22-27.

[4]Thomas JOverbye.電力系統(tǒng)可視化技術(shù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2005,29(16)：60-94.

[5]胡之武,邱家駒,王康元.電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)等高線可視化實(shí)現(xiàn)方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2005,29(8)：55-59.