基于大數(shù)據(jù)可視化的電網(wǎng)運行指標(biāo)多維動態(tài)交互式展示研究

陳勵凡

（新疆大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

在電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大過程中，電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)和業(yè)務(wù)能力發(fā)生了巨大的改變，為保障電力系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，維護用戶的用電安全，需要實時監(jiān)控和評價電網(wǎng)的運行狀態(tài)。如何建立一個安全且有序的電力監(jiān)管方式是目前電力公司急需解決的問題[1]。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，以對運行數(shù)據(jù)的挖掘和采集為主要方法，在大量的運行數(shù)據(jù)中評價電力系統(tǒng)的運行效果，受人工采集工作效率低和格式不準(zhǔn)確等因素影響，目前無法對電力的運行狀態(tài)和業(yè)務(wù)發(fā)展情況做出一個統(tǒng)一的評價，影響了電網(wǎng)的持續(xù)運行，因此需要建立一個實時高效的運行評價指標(biāo)[2]。多維度動態(tài)評價指標(biāo)的選擇和建設(shè)能夠為電力公司的發(fā)展提供方向，為不同的業(yè)務(wù)形式提供決策依據(jù)，進而維護電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

對電力系統(tǒng)的指標(biāo)體系設(shè)計主要包括兩個重要意義：第一是能夠為電力調(diào)度部門提供依據(jù)。各級調(diào)度單位在整理數(shù)據(jù)時可通過不同的指標(biāo)評級標(biāo)準(zhǔn)，在有邏輯和格式化的手段中合理化約束采集到的電力數(shù)據(jù)。第二是在電力系統(tǒng)中建立評價指標(biāo)，能夠匯總整合完后的數(shù)據(jù)信息至整個指標(biāo)體系，并永久地在數(shù)據(jù)庫中保存數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)生電力系統(tǒng)故障時，可以隨時調(diào)出數(shù)據(jù)信息，對比其現(xiàn)有的數(shù)據(jù)與歷史信息，完成對現(xiàn)行電力系統(tǒng)的運行評價?；谠撐膽?yīng)用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，研究電網(wǎng)運行指標(biāo)的多維動態(tài)交互式展示方法，為靈活運用各項指標(biāo)提供技術(shù)支持。

1 極差化理論下分類電網(wǎng)運行多維動態(tài)指標(biāo)

電網(wǎng)的調(diào)度業(yè)務(wù)最主要的目標(biāo)就是保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，因此對電網(wǎng)的多維度動態(tài)指標(biāo)設(shè)定需要以安全主題為前提，在時間維度中確保電力系統(tǒng)的供電安全。一般情況下，對電網(wǎng)運行質(zhì)量的評價可以從時間維度上分析電網(wǎng)運行質(zhì)量，在設(shè)定安全指標(biāo)集合后對電力系統(tǒng)的運行質(zhì)量監(jiān)測范圍進行分類，并通過實時監(jiān)控和事后評估兩種形式實現(xiàn)對電網(wǎng)運行效益情況的評價[3]。此次以典型的樹狀結(jié)構(gòu)劃分電網(wǎng)運行多維動態(tài)指標(biāo)，具體情況見表1。

根據(jù)表1所示，此次選擇的二級指標(biāo)分別為安全管理、質(zhì)量管理、效益評估和公平評價。從電網(wǎng)安全運行的角度，通過對電網(wǎng)的質(zhì)量評估實現(xiàn)對用戶進行安全供電的目標(biāo)，以此持續(xù)性地保障電網(wǎng)的經(jīng)濟效益。具體化統(tǒng)計每項指標(biāo)，通過相關(guān)數(shù)據(jù)的運算和處理，在對歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)以及電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)的分析中更直觀地評估電力系統(tǒng)。以線路的平均負載率為例，分析統(tǒng)計周期內(nèi)的輸電線路的平均負載情況，計算公式如公式（1）所示。

表1 電網(wǎng)運行多維動態(tài)指標(biāo)

式中：q為線路的平均負載；w為線路的運行點；e為線路的實際傳輸有功功率；r為線路的穩(wěn)定限值容量；t為單一節(jié)點的運行時間；y為電力系統(tǒng)的總行總時間。

計算線路平均復(fù)雜的指標(biāo)能夠直觀地展示電力系統(tǒng)全網(wǎng)中各個線路的輸電占用情況[4]。除此以外，從預(yù)測線路的負荷正確與否能夠分析電力系統(tǒng)中的電量是否平衡，系統(tǒng)的設(shè)備安排是否規(guī)范，以此設(shè)備的運行時間是否符合規(guī)定，計算方式如公式（2）所示。

式中：u為日負荷的預(yù)測正確率；i為監(jiān)測點的預(yù)測負荷；o為監(jiān)測點的實際負荷；p為日負荷曲線的監(jiān)測核點數(shù)。其中為監(jiān)測點的預(yù)測偏差率。

計算不同指標(biāo)值能夠在一定程度上分析電力系統(tǒng)的運行情況，但由于指標(biāo)所評價的對象具有差異性和量級性，需要整合指標(biāo)體系匯總的數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理。通過極差化理論分析數(shù)據(jù)，按照“極大型”、“極小型”、“區(qū)間型”，多維度分類這三個類型的指標(biāo)，如公式（3）~（5）所示。

公式（3）為計算“極大型”指標(biāo)的方式。公式（4）為“極小型”的計算方法，公式（5）為“區(qū)間型”的指標(biāo)處理方法。

根據(jù)極差化的理論方式劃分樹狀的指標(biāo)體系，并利用大數(shù)據(jù)可視化功能對電力系統(tǒng)中的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行交互式展示形式區(qū)分。

2 基于大數(shù)據(jù)可視化設(shè)定指標(biāo)交互式展示形式

可以通過維度表示運行數(shù)據(jù)，進而分析和展示電力運行數(shù)據(jù)，在觀察電力數(shù)據(jù)期間，以某個角度或者某個層級描述信息，以此設(shè)定不同類型的電力數(shù)據(jù)的關(guān)系，則指標(biāo)的可視化交互展示過程即電力數(shù)據(jù)形態(tài)元素的構(gòu)成過程。在一組電力數(shù)據(jù)中會存在數(shù)值維度、時間維度以及文本和空間維度。如在EXCEL表格文本中每一行的標(biāo)題即可理解為數(shù)據(jù)的維度，以大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)進行交互式展示是指標(biāo)多維度動態(tài)分析的基礎(chǔ)。

在可視化的形式設(shè)計中，最基本的操作是視覺元素的構(gòu)建，分別包括“點”和“線”兩種形式[5]。“點”元素可以為圓圈、圓點、正方形點、三角形點等，代表數(shù)據(jù)信息中的單一指標(biāo)。當(dāng)接觸到某一個“點”元素之后，能夠分析其所涵蓋的指標(biāo)內(nèi)容；“線”元素則表示指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性。在交互操作過程中，當(dāng)點擊到某一個“線”元素時，能夠顯示出不同指標(biāo)之間的具體聯(lián)系，滿足電力系統(tǒng)運行情況的監(jiān)督和評價。而進行指標(biāo)的多維度動態(tài)交互展示時，賦予每個維度指標(biāo)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)化意義，然后按照對應(yīng)的內(nèi)容傳遞信息，主要的表征方式見表2。

根據(jù)表2中的類型所示，以大數(shù)據(jù)可視化展示交互式多維動態(tài)指標(biāo)信息內(nèi)容，不同的可視化形態(tài)設(shè)計方式能夠表征多種電力數(shù)據(jù)類型。其中在數(shù)據(jù)量級的選擇上，通過大數(shù)據(jù)處理方式能夠完成TB和PB為單位的電力數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)類型的處理上，既能夠分析結(jié)構(gòu)式的電力數(shù)據(jù)，也能夠處理非結(jié)構(gòu)的電力數(shù)據(jù)；并且當(dāng)電力數(shù)據(jù)為不確定類型時，可以將其轉(zhuǎn)化為相類似的對象進行資源分析，并預(yù)測出該數(shù)據(jù)的未來發(fā)展趨勢[6]。展示不同的電力元件，如圓柱和圓錐還可以表示不同的越線元件，顏色的深淺程度表示變化的程度，在交互過程中顯示出詳細的信息內(nèi)容。而當(dāng)元素不能直接被應(yīng)用時，可以通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換展示信息內(nèi)容，如公式（6）~（8）所示。

表2 電網(wǎng)運行指標(biāo)可視化表征類型及功能

式中：k為變換前的坐標(biāo)；k＇為變換矩陣；χ為變換角度。平移方式采用公式（7）完成，tranlate（cX，cY）為平移口令；縮放方式通過公式（8）完成，scale（v11，v22）為縮放口令。在電力系統(tǒng)運行指標(biāo)展示中，應(yīng)用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)可以直觀了解電網(wǎng)的運行狀態(tài)，并通過各個指標(biāo)之間的聯(lián)系挖掘和整合電力大數(shù)據(jù)機械，發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)運行相關(guān)的間接指標(biāo)。至此，已通過大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)實現(xiàn)了電網(wǎng)運行指標(biāo)的多維動態(tài)交互式展示方法設(shè)計。

3 試驗測試分析

上文中通過大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)設(shè)計了電網(wǎng)運行指標(biāo)的多維動態(tài)展示方法，為證明新方法可以投入電網(wǎng)中進行有效使用，該文選擇某省智能電網(wǎng)測試新方法的性能，從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)信息和運行狀態(tài)兩個方面分析可視化的交互過程。

3.1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)信息展示

該省智能電網(wǎng)運行指標(biāo)的多維信息包括多個項目，從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)展示來看，分為電網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)展示和特定站內(nèi)信息展示。通過該文方法展示電網(wǎng)結(jié)構(gòu)信息，具體如圖1所示。

圖1（a）中結(jié)合地理信息圖形，通過電壓等高線的形式展示了電網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)信息，其中“粗雙線”表示240kV電壓等級，“單線”表示120kV電壓等級，“細雙線”表示65kV電壓等級，“圓圈”表示變電站。當(dāng)選定某個特定站內(nèi)結(jié)構(gòu)時，圖1（b）中顯示出站內(nèi)具體設(shè)備信息，如“三個疊加圓圈”表示繞組變壓器，“淺色長方體”代表斷路器，“深色長方體”表示斷路器處于斷開狀態(tài)。說明在該文方法應(yīng)用下，能夠展示電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的信息指標(biāo)。

圖1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)信息展示

3.2 電網(wǎng)運行狀態(tài)信息展示

電網(wǎng)運行狀態(tài)的信息展示是以多樣化的形式展示電網(wǎng)系統(tǒng)中實時運行的設(shè)備情況，使工作人員能夠直觀地監(jiān)控電網(wǎng)。以變壓器負載率監(jiān)控為對象，在該文方法應(yīng)用下實現(xiàn)交互式展示，結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，通過該文方法將變壓器負載率作為一組指標(biāo)，可以展示其負載率和裕度。“柱狀圖”為變壓器的負載率，“深色”填充部分為有功占額定功率的比例，“淺色”部分代表裕度。綜合兩組結(jié)果可見該文方法能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)運行的具體信息指標(biāo)展示，應(yīng)用效果良好。

圖2 變壓器負載率展示

4 結(jié)語

為了更加直觀地管理電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，從海量數(shù)據(jù)中尋找重要信息，該文選擇大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)設(shè)計了一個新的電網(wǎng)運行指標(biāo)的多維度動態(tài)交互式展示方法，并通過試驗測試論證了方法的有效性。在電網(wǎng)運行的標(biāo)準(zhǔn)化流程中，以多種形式展示各項指標(biāo)，各級調(diào)度單位能夠在所負責(zé)的板塊內(nèi)，自主查詢電網(wǎng)的運行情況，實現(xiàn)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的管理。但由于此次研究時間有限，在測試環(huán)節(jié)驗證了新方法的有效性，沒有選擇多個展示方法完成對比測試，具有一定的不足之處，因此后續(xù)還需要更深一層地研究和分析該方面，為電網(wǎng)的穩(wěn)定和可靠運行提供理論支持。