電力系統(tǒng)安防設(shè)備可視化設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司梅州供電局 謝彬凌

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備數(shù)量也隨著增多，傳統(tǒng)人工監(jiān)控管理這些設(shè)備的方法漸漸帶來(lái)諸多不便，我們需要一種更加直觀和有效的手段去解決網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備資源難以管理的問(wèn)題。文章闡述了可視化技術(shù)的基本理論，并介紹了怎么使用它去可視化電力系統(tǒng)中的安防通信設(shè)備，使得眾多設(shè)備數(shù)據(jù)可以進(jìn)行可視化管理和監(jiān)控，能夠方便的查看電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程電力安防設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。除此之外，還可以準(zhǔn)確有效的確定故障問(wèn)題所在，及時(shí)采取措施進(jìn)行消除，減少損失。

1 引言

可視化技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)生成人們所能看見(jiàn)的圖像數(shù)據(jù)，可視化技術(shù)主要包括了計(jì)算機(jī)視覺(jué)、人機(jī)交互和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等研究領(lǐng)域?？梢暬夹g(shù)主要可用劃分為四大類：知識(shí)可視化、數(shù)據(jù)可視化、信息可視化和計(jì)算科學(xué)可視化。知識(shí)可視化是將領(lǐng)域內(nèi)容為基礎(chǔ)的結(jié)果可視化操作（安貞巧.NBOS_S可視化的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].東南大學(xué),2014）。數(shù)據(jù)可視化主要是將數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)機(jī)械能可視化，而信息可視化是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行支撐，對(duì)抽象數(shù)據(jù)交互性可視的表示方法。計(jì)算科學(xué)可視化主要是采用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，對(duì)科學(xué)計(jì)算產(chǎn)生的過(guò)程數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，從而生成圖形圖像顯示到屏幕上并進(jìn)行相應(yīng)的交互操作處理（張卓,宣蕾,郝樹(shù)勇.可視化技術(shù)研究與比較[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(17):133-138;賀全兵.可視化技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].中國(guó)西部科技,2008,7(4):4-7）。這四種方法之間并不是相互獨(dú)立的，它們之間存在著聯(lián)系，本質(zhì)商都是數(shù)據(jù)到可視化的過(guò)程。

目前電網(wǎng)系統(tǒng)變的越來(lái)越龐大、復(fù)雜，人們開(kāi)始使用一些可視化手段去管理電力系統(tǒng)中的眾多設(shè)備，比如在電力自動(dòng)化中，監(jiān)控方面用來(lái)采集數(shù)據(jù)和監(jiān)視控制的（SCADA）系統(tǒng)，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行可視化監(jiān)視和控制。但是在電力系統(tǒng)中，眾多網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)設(shè)備往往缺少了一些方便有效的可視化監(jiān)管方法。智能化技術(shù)和可視化技術(shù)的應(yīng)用，是電力調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)階段，調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)正不斷朝數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化和智能化方向進(jìn)行發(fā)展（沈國(guó)輝,佘東香,孫湃,等.電力系統(tǒng)可視化技術(shù)研究及應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),2009(33):17;王飛,孟艷卿,李奇峰,等.電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展研究[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2016(15):132-133）?；谶@種情況，本文介紹電力系統(tǒng)內(nèi)的安防設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信可視化的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以此提高電力系統(tǒng)監(jiān)控過(guò)程中安防設(shè)備管理工作效率，并希望能夠給這一方面技術(shù)實(shí)現(xiàn)提供案例。

2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

在真實(shí)的電力系統(tǒng)監(jiān)控過(guò)程中，我們需要處理的是各個(gè)變電站安全防護(hù)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)。其中最主要數(shù)據(jù)是各個(gè)變電站安防設(shè)備的信息數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)。根據(jù)電力系統(tǒng)二次安全防護(hù)工作要求，在電力系統(tǒng)的安防設(shè)備主要有交換機(jī)、縱向防火墻、控制交互機(jī)、網(wǎng)關(guān)等。我們需要進(jìn)行設(shè)備可視化的處理，并同時(shí)顯示設(shè)備相關(guān)信息數(shù)據(jù)。除此之外，還需要增加交互操作。

由于我們可視化最終的工作是監(jiān)控這些安防設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)，所以對(duì)其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖也進(jìn)行可視化處理。總的來(lái)說(shuō)可分為節(jié)點(diǎn)可視化、線路可視化、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可視化三個(gè)方面（楊彥波,劉濱,祁明月.信息可視化研究綜述[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,35(1):91-102）。節(jié)點(diǎn)代表安防設(shè)備；線路是網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是各個(gè)安防設(shè)備的整個(gè)通信網(wǎng)。

2.2 MVC模式

可視化的實(shí)現(xiàn)有很多種設(shè)計(jì)模式，我們采用經(jīng)典的MVC（Model-View-Controller）模式。MVC模式主要從程序輸入輸出控制、數(shù)據(jù)的處理以及數(shù)據(jù)的展示進(jìn)行分離，同時(shí)說(shuō)明了不同模塊對(duì)象之間所使用的通信方式，從而減少不同數(shù)據(jù)模型和方法的耦合度，提高模塊內(nèi)聚性，程序的結(jié)構(gòu)由此變得更加簡(jiǎn)潔靈活（任中方,張華,閆明松,等.MVC模式研究的綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2004,21(10):1-4;瞿連政.基于MVC模式的戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].軟件導(dǎo)刊,2013,12(1):66-67）。模型主要是電力安防設(shè)備的數(shù)據(jù)的邏輯抽象，在可視化的視圖中，我們通過(guò)交互調(diào)用控制器進(jìn)行操作的處理并更新。其整體關(guān)系如圖1所示，我們通過(guò)可視化整個(gè)電力系統(tǒng)安防設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可對(duì)故障網(wǎng)絡(luò)線路進(jìn)行標(biāo)記。

圖1 MVC模式關(guān)系圖

3 可視化實(shí)現(xiàn)

可視化的實(shí)現(xiàn)也有很多種手段，比如HTML5 canvas、SVG、OpenGL等。在這里由于電力系統(tǒng)本身環(huán)境的限制，我們采用了Qt提供的圖形庫(kù)進(jìn)行可視化的實(shí)現(xiàn)。Qt是基于C++的一種圖形用戶界面開(kāi)發(fā)框架，它集成了許多圖形相關(guān)的類，可以很容易的進(jìn)行擴(kuò)展使用開(kāi)發(fā)出所需的圖形應(yīng)用程序（Jasmin B,Mark S著.C++ GUI Qt4編程[M].閆鋒欣,曾泉人,等譯.北京:電子工業(yè)出版社(第2版),2013:138-150）。

本文的整個(gè)可視化界面類NetworkWidget繼承于QWidget,作為整個(gè)電力系統(tǒng)安防設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系可視化的容器，它包含了一個(gè)變電站的所有安防相關(guān)設(shè)備和對(duì)應(yīng)線路之間的連接關(guān)系。它代表著MVC模式中的View，提供了可交互性操作。它是可視化界面的開(kāi)始，并處理相關(guān)的可視化數(shù)據(jù)。根據(jù)變電站的設(shè)備的連接狀態(tài)組成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)更新事件進(jìn)行反應(yīng)，定義如表1所示。

表1 NetworkWidget類定義代碼

電力系統(tǒng)中安防設(shè)備類NetworkItem繼承于Qt的圖形類QGraphicsPixmapItem，其預(yù)先定義了圖元顯示和可交互接口，我們通過(guò)重寫這些接口實(shí)現(xiàn)了安防設(shè)備圖元的顯示，鼠標(biāo)點(diǎn)擊和拖拽功能等可交互功能。其主要定義偽代碼如表2，每個(gè)電力系統(tǒng)安防設(shè)備都可以跟別的設(shè)備安裝一定關(guān)系進(jìn)行連接，我們通過(guò)重寫可視化繪制和鼠標(biāo)事件函數(shù)進(jìn)行設(shè)備的可視化和可交互功能的實(shí)現(xiàn)。

表2 NetworkItem類定義代碼

電力系統(tǒng)中的安防設(shè)備都有線路關(guān)系，每一條線路類EdgeItem繼承于QGraphicsItem類，連接不同設(shè)備。主要的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)在于設(shè)備交互操作時(shí)候的實(shí)時(shí)更新線路位置。我們通過(guò)計(jì)算線路連接兩端連接的設(shè)備位置變化信息進(jìn)行重新計(jì)算線路的位置，以調(diào)整線路可視化的正確性，其調(diào)整函數(shù)的實(shí)現(xiàn)代碼如表3所示。

表3 線路位置調(diào)整代碼

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2給出了中給出電力系統(tǒng)中一個(gè)變電站中初始安防設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系可視化圖，我們采用百度的IP作為可連通的設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)，其它是隨意不可通合法IP數(shù)據(jù)。

圖2 初始設(shè)備拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，連通線路以綠色標(biāo)注，而通信出現(xiàn)問(wèn)題線路以紅色故障顯示； 工作人員可以很明顯發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)中安防設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信故障出處并及時(shí)處理。 可交互性操作可分為單選和全選，全選對(duì)整個(gè)可視化拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行操作，可以進(jìn)行放大放小旋轉(zhuǎn)等操作；單選則能對(duì)單一圖元設(shè)備進(jìn)行信息輸入更新、拖拽等交互性操作，如圖3所示。

圖3 故障檢測(cè)設(shè)備拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)

5 結(jié)論

本文以可視化技術(shù)為基礎(chǔ)，首先介紹了可視化相關(guān)的理論與分類。然后進(jìn)一步引申到在可視化技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出了對(duì)電力系統(tǒng)的安防通信設(shè)備進(jìn)行可視化的必要性，接著對(duì)本文中電力系統(tǒng)安防設(shè)備進(jìn)行可視化的需求分析與MVC設(shè)計(jì)模式進(jìn)行了介紹，從技術(shù)層面上分析了電力系統(tǒng)安防設(shè)備可視化的可行性。然后是本文的重點(diǎn)內(nèi)容，通過(guò)部分重要功能的偽代碼給出了整個(gè)安防設(shè)備網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢暬膶?shí)現(xiàn)進(jìn)行了講解。文章最后展示了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明了對(duì)電力系統(tǒng)安防設(shè)備的可視化是有效可用的?？梢詭椭娏ο到y(tǒng)監(jiān)控中安防設(shè)備的監(jiān)控和管理，做出積極有效的貢獻(xiàn)，降低通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維成本，提升了整體電力系統(tǒng)中通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障管理和監(jiān)測(cè)水平。