可視化技術(shù)在地區(qū)電網(wǎng)智能調(diào)度預(yù)警研究中的應(yīng)用

王文林

（國網(wǎng)安徽省電力公司黃山供電公司，安徽 黃山 245099）

電力工業(yè)作為保證國民經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展增長的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，擁有大量的資產(chǎn)、設(shè)備、人員等信息，而且數(shù)據(jù)采集能力不斷提高，使得數(shù)據(jù)量日益龐大[1]。高效地管理和利用信息數(shù)據(jù)成為當(dāng)今電力行業(yè)的重要議題之一。隨著信息化程度的提高，各種管理信息系統(tǒng)的投入使用雖然能夠更高效地進(jìn)行資源優(yōu)化配置、提高工作效率，然而大量的文字信息不利于用戶迅速挖掘出數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律。而可視化技術(shù)可以將這些無法用語言或列表表示的信息以多樣式的數(shù)據(jù)模型圖表示出來，直觀地顯示出數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，便于用戶總結(jié)潛在規(guī)律[2]。

文獻(xiàn)[3-6]對(duì)可視化技術(shù)在電網(wǎng)不同方面的應(yīng)用展開了研究。其中文獻(xiàn)[3]介紹了電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的可視化實(shí)現(xiàn)；文獻(xiàn)[4]研究了大電網(wǎng)連鎖故障預(yù)警的方法及可視化顯示的技術(shù)；文獻(xiàn)[5]應(yīng)用二維虛擬可視技術(shù)搭建了配電網(wǎng)三維可視化平臺(tái)。文獻(xiàn)[6]介紹了可視化管理模式在安全生產(chǎn)中的應(yīng)用。

本文以電力行業(yè)應(yīng)用需求為出發(fā)點(diǎn)，通過對(duì)可視化技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了可視化技術(shù)在電力系統(tǒng)中的一些應(yīng)用，將圖形和數(shù)據(jù)模型緊密關(guān)聯(lián)起來，既具有圖形的直觀性又具有數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)性支持，在電力系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。

1 SVG技術(shù)

可視化技術(shù)主要用于將數(shù)據(jù)以圖形或圖像的形式呈現(xiàn)出來，并通過交互功能實(shí)現(xiàn)信息的交互，從而能夠使用戶更加直觀地獲取數(shù)據(jù)信息。在電力系統(tǒng)應(yīng)用中，也需要對(duì)大量的測量數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析。因此，科學(xué)計(jì)算可視化無疑是增強(qiáng)電力系統(tǒng)研究能力的一種有力手段，結(jié)合電力的實(shí)際需求，逐步形成了電力可視化技術(shù)。通過電力可視化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形、地圖及相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，并能夠?qū)崿F(xiàn)在圖上實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)、生成統(tǒng)計(jì)圖表、利用圖形模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析等功能，從而使電力工作人員能夠更快捷地獲取所需信息，提高工作效率，進(jìn)而保證電網(wǎng)運(yùn)行安全[7]。

SVG，全稱為Scalable Vector Graphics（可伸縮矢量圖形），它是W3C制定的、用矢量描述圖形的XML應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)[8]。SVG嚴(yán)格地遵從XML語法并繼承了XML的跨平臺(tái)性和可擴(kuò)展性，圖形內(nèi)容采用文本格式語言來描述，僅僅通過修改文本文件內(nèi)容即可實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形的修改。因此，基于SVG的圖形文件代碼小且易于修改，這就為在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行發(fā)布傳輸提供了較好的基礎(chǔ)。同時(shí)，作為矢量圖形，SVG圖像品質(zhì)高，可實(shí)現(xiàn)無極縮放?？傮w而言，SVG主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）具有兼容性。因?yàn)镾VG是由W3C制定的且完全基于XML語言的，因此它繼承了XML的跨平臺(tái)性和擴(kuò)展性，并能夠和HTML、DOM、CSS、JavaScript等標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)進(jìn)行無縫連接[9]。此外，當(dāng)前主流瀏覽器如IE9，firefox，chrome都直接支持SVG，這就為SVG的廣泛應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。

2）采用文本描述對(duì)象。SVG采用了與傳統(tǒng)的圖像格式不同的文本來描述矢量化的圖形，這就使得基于SVG的圖形文件具有較好的可用性，用戶只需通過文本編輯器打開這個(gè)文本文件，即可順利地獲取描述圖形的文本代碼，通過SVG語法對(duì)文本代碼進(jìn)行修改就可實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形的編輯操作[10]。以文本形式保存的SVG文件占用空間小，容易加載。

3）具有動(dòng)態(tài)和交互式性。SVG支持DOM（Document Object Model，文檔對(duì)象模型）且能和JavaScript技術(shù)進(jìn)行無縫連接。因此，可以通過修改SVG圖形的DOM模型來實(shí)現(xiàn)圖形的動(dòng)態(tài)改變[11]。通過JavaScript腳本可以監(jiān)聽鼠標(biāo)點(diǎn)擊等外部事件，從而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的交互性事件[12]。

4）具有易用性。只需要學(xué)習(xí)SVG的基本語法即可繪制出基本的圖形元素，然后通過元素間的組合便可以繪制出任意用戶期望的圖形。此外，可以將復(fù)雜的圖形保存為圖元，這樣就可以直接引用該圖元無需再重復(fù)編寫代碼[13]。針對(duì)SVG的特點(diǎn)，結(jié)合電力的實(shí)際應(yīng)用需求，SVG適用于需要頻繁刷新信息的圖形可視化展示，以及自定義圖形的顯示及動(dòng)態(tài)交互。本論文研究并實(shí)現(xiàn)了SVG在電力系統(tǒng)中的一些可視化應(yīng)用，如電力一次接線圖的可視化展示，電力設(shè)備狀態(tài)變化統(tǒng)計(jì)的可視化展示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的可視化展示等。

2 智能調(diào)度預(yù)警系統(tǒng)可視化總體設(shè)計(jì)

2.1 硬件物理結(jié)構(gòu)

目前，黃山供電公司已建設(shè)能量管理系統(tǒng)（SCADA/AGC/AVC/EMS/DTS）、電能量計(jì)量系統(tǒng)（TMR）、水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)、調(diào)度信息管理系統(tǒng)（OMS）等調(diào)度應(yīng)用系統(tǒng)，逐步形成了一個(gè)能滿足多種生產(chǎn)管理需要的綜合信息化應(yīng)用環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，地區(qū)電網(wǎng)智能調(diào)度安全預(yù)警體系采用一臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、一臺(tái)監(jiān)控工作站，其硬件物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用Sun Solaris 10 UNIX操作系統(tǒng)，以充分利用UNIX操作系統(tǒng)運(yùn)行可靠、網(wǎng)絡(luò)安全程度高的特點(diǎn)；工作站則采用Windows操作平臺(tái)，這樣可以充分利用運(yùn)行人員對(duì)Windows平臺(tái)的各項(xiàng)操作功能比較熟悉的優(yōu)勢，有利于運(yùn)行人員盡快地學(xué)習(xí)和掌握本系統(tǒng)的各項(xiàng)操作功能。

圖1 硬件物理結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Hardware structure chart

2.2 軟件功能結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)包括基礎(chǔ)平臺(tái)和高級(jí)應(yīng)用兩大部分。

其中基礎(chǔ)應(yīng)用涵蓋了網(wǎng)絡(luò)通信管理、用戶管理、配置管理、日志管理、圖形顯示與編輯、報(bào)表管理功能。高級(jí)應(yīng)用則包括了綜合量化評(píng)估、基于檢修計(jì)劃的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、變電站及重要用戶評(píng)估、在線監(jiān)視及可視化、N-1計(jì)算、變電站事故預(yù)案、負(fù)載率統(tǒng)計(jì)、輔助決策等功能模塊。各個(gè)模塊之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 軟件總體框架圖Fig. 2 Frame diagram of software

3 在線監(jiān)視及可視化功能設(shè)計(jì)

黃山市地區(qū)電網(wǎng)智能調(diào)度安全預(yù)警體系中在線監(jiān)視及可視化的功能主要包含：

1）主界面顯示電網(wǎng)潮流圖，提供漫游、縮放、鷹眼、全屏顯示等瀏覽功能，提供設(shè)備畫法庫、剪貼板、撤銷等編輯功能。

2）以圖模一體化技術(shù)將圖形與電氣元件模型一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化維護(hù)。

3）在一次設(shè)備旁邊顯示其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4）以設(shè)備類型分圖層管理電氣元件，可以控制圖層的顯示和隱藏。

5）用戶可以自定義設(shè)備畫法。

6）圖形可以打印，可以保存為圖形文件（BMP/JPG/PNG）。

7）線路潮流的監(jiān)視及可視化。

8）主變負(fù)載率的監(jiān)視及可視化。

9）線路傳輸容量的監(jiān)視及可視化。

10）母線電壓的監(jiān)視及可視化。

軟件流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖Fig. 3 System data flow diagram

4 智能調(diào)度預(yù)警系統(tǒng)可視化功能在黃山電網(wǎng)的應(yīng)用

當(dāng)前，基于硬件結(jié)構(gòu)及軟件框架的可視化系統(tǒng)已在黃山電網(wǎng)獲得了實(shí)際應(yīng)用。系統(tǒng)將來源于SCADA的實(shí)時(shí)信息、EMS的狀態(tài)估計(jì)信息進(jìn)行重新整合，在地區(qū)電網(wǎng)主網(wǎng)接線圖、地理接線圖及母線接線圖的基礎(chǔ)上，以餅圖、棒圖、等高線色譜等形式動(dòng)態(tài)描述電網(wǎng)潮流、母線電壓、變壓器負(fù)載等電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)綜合量化評(píng)估、基于檢修計(jì)劃的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、變電站及重要用戶評(píng)估、在線監(jiān)視及可視化、N-1計(jì)算、變電站事故預(yù)案、負(fù)載率統(tǒng)計(jì)、輔助決策等分析功能。

4.1 基本潮流監(jiān)視的可視化

系統(tǒng)采用在輸電線路上疊加箭頭的方式顯示潮流，其中箭頭流動(dòng)的方向?qū)?yīng)潮流走向，箭頭流動(dòng)的速度反映潮流的數(shù)量。線路中流動(dòng)的潮流為復(fù)功率，因此采用不同顏色的箭頭分別顯示有功功率和無功功率。同時(shí)為了避免某一區(qū)域線路密集時(shí)難以區(qū)分的問題，程序提供了選擇功能。可以選擇同時(shí)顯示有功功率和無功功率，也可以選擇只顯示有功功率或無功功率，或者選擇不顯示功率流動(dòng)，如圖4所示。

軟件對(duì)過載線路還可用二維負(fù)載等高線和三維柱圖進(jìn)行告警顯示。

4.2 母線運(yùn)行電壓的可視化云顯示

系統(tǒng)提供了用電壓云顯示的方案。電壓云顯示的難點(diǎn)是如何把離散的節(jié)點(diǎn)電壓轉(zhuǎn)化為連續(xù)的電壓值。該方案利用距離加權(quán)的方法計(jì)算出非節(jié)點(diǎn)處的電壓的，從而將離散的節(jié)點(diǎn)電壓轉(zhuǎn)化為連續(xù)的節(jié)點(diǎn)電壓著色問題。如圖5所示。節(jié)點(diǎn)電壓的高低用不同顏色區(qū)別顯示。其中，電壓高和低，分別用紅色和藍(lán)色來標(biāo)識(shí)。其中紅色越深，表示該地區(qū)電壓越高，以此來警示運(yùn)行人員加以關(guān)注。用戶可以根據(jù)自己的需要配置高、中、低電壓的顏色。

圖4 線路潮流的可視化顯示Fig. 4 Visualization of power flow

圖5 母線電壓的可視化云顯示Fig. 5 Visualization of bus voltage

此外，對(duì)電壓越限母線使用電壓等高線或顏色進(jìn)行預(yù)警，保護(hù)及自動(dòng)裝置動(dòng)作應(yīng)用掛牌的方式進(jìn)行告警顯示。

4.3 變壓器負(fù)載率可視化顯示

“變壓器負(fù)載率”功能如圖6所示。主變的有功負(fù)載情況采用兩段棒圖來表示，其中紅色表示變壓器有功負(fù)荷，藍(lán)色表示有功備用。當(dāng)把鼠標(biāo)移到某一柱子上時(shí)，系統(tǒng)會(huì)以數(shù)字形式顯示所有指標(biāo)。

對(duì)過載主變還可用二維負(fù)載等高線和三維柱圖進(jìn)行告警顯示。

5 結(jié)語

隨著電網(wǎng)規(guī)模越來越大，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，原有EMS中的數(shù)據(jù)顯示方式已難以滿足實(shí)際要求。如何利用現(xiàn)有的系統(tǒng)分析技術(shù)、數(shù)值分析理論以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理和顯示技術(shù)構(gòu)成新的運(yùn)行狀態(tài)可視化平臺(tái)，是一個(gè)重大的研究課題。新一代的電力系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)度、運(yùn)行與控制必將向著可視化方向發(fā)展，加強(qiáng)數(shù)據(jù)綜合與可視化表達(dá)手段以及顏色與3D顯示的應(yīng)用研究勢在必行。

圖6 主變負(fù)載率可視化顯示Fig. 6 Visualization of transformer load rate

本文的工作重點(diǎn)在研究顏色映射法、等值線法等可視化理論的基礎(chǔ)上，以SCADA、EMS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，為調(diào)度人員提供電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分類、聚集、分析等，挖掘出那些對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行有重要影響的數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行形象表達(dá)的可視化系統(tǒng)為解決電力信息化問題做了有益的嘗試。系統(tǒng)在二維圖形場景實(shí)現(xiàn)用單個(gè)或一組數(shù)據(jù)顯示設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，設(shè)備投切狀態(tài)顯示，顯示動(dòng)態(tài)潮流線，利用餅圖、棒圖顯示參數(shù)，節(jié)點(diǎn)電壓云圖，變壓器負(fù)載柱狀圖等。并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)綜合量化評(píng)估、基于檢修計(jì)劃的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、變電站及重要用戶評(píng)估、在線監(jiān)視及可視化、N-1計(jì)算、變電站事故預(yù)案、負(fù)載率統(tǒng)計(jì)、輔助決策等分析功能。

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