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

陳勵(lì)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(kuò)大過(guò)程中，電力系統(tǒng)的運(yùn)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(hù)用戶的用電安全，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控和評(píng)價(jià)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。如何建立一個(gè)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(wèn)題[1]。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，以對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的挖掘和采集為主要方法，在大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)中評(píng)價(jià)電力系統(tǒng)的運(yùn)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(wú)法對(duì)電力的運(yùn)行狀態(tài)和業(yè)務(wù)發(fā)展情況做出一個(gè)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)，影響了電網(wǎng)的持續(xù)運(yùn)行，因此需要建立一個(gè)實(shí)時(shí)高效的運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)[2]。多維度動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇和建設(shè)能夠?yàn)殡娏镜陌l(fā)展提供方向，為不同的業(yè)務(wù)形式提供決策依據(jù)，進(jìn)而維護(hù)電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

對(duì)電力系統(tǒng)的指標(biāo)體系設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)重要意義：第一是能夠?yàn)殡娏φ{(diào)度部門提供依據(jù)。各級(jí)調(diào)度單位在整理數(shù)據(jù)時(shí)可通過(guò)不同的指標(biāo)評(píng)級(jí)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(píng)價(jià)指標(biāo)，能夠匯總整合完后的數(shù)據(jù)信息至整個(gè)指標(biāo)體系，并永久地在數(shù)據(jù)庫(kù)中保存數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)生電力系統(tǒng)故障時(shí)，可以隨時(shí)調(diào)出數(shù)據(jù)信息，對(duì)比其現(xiàn)有的數(shù)據(jù)與歷史信息，完成對(duì)現(xiàn)行電力系統(tǒng)的運(yùn)行評(píng)價(jià)?；谠撐膽?yīng)用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，研究電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)的多維動(dòng)態(tài)交互式展示方法，為靈活運(yùn)用各項(xiàng)指標(biāo)提供技術(shù)支持。

1 極差化理論下分類電網(wǎng)運(yùn)行多維動(dòng)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(yùn)行，因此對(duì)電網(wǎng)的多維度動(dòng)態(tài)指標(biāo)設(shè)定需要以安全主題為前提，在時(shí)間維度中確保電力系統(tǒng)的供電安全。一般情況下，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量的評(píng)價(jià)可以從時(shí)間維度上分析電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量，在設(shè)定安全指標(biāo)集合后對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)行分類，并通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控和事后評(píng)估兩種形式實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行效益情況的評(píng)價(jià)[3]。此次以典型的樹狀結(jié)構(gòu)劃分電網(wǎng)運(yùn)行多維動(dòng)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(jí)指標(biāo)分別為安全管理、質(zhì)量管理、效益評(píng)估和公平評(píng)價(jià)。從電網(wǎng)安全運(yùn)行的角度，通過(guò)對(duì)電網(wǎng)的質(zhì)量評(píng)估實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶進(jìn)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(jì)效益。具體化統(tǒng)計(jì)每項(xiàng)指標(biāo)，通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理，在對(duì)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)的分析中更直觀地評(píng)估電力系統(tǒng)。以線路的平均負(fù)載率為例，分析統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)的輸電線路的平均負(fù)載情況，計(jì)算公式如公式（1）所示。

表1 電網(wǎng)運(yùn)行多維動(dòng)態(tài)指標(biāo)

式中：q為線路的平均負(fù)載；w為線路的運(yùn)行點(diǎn)；e為線路的實(shí)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(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間；y為電力系統(tǒng)的總行總時(shí)間。

計(jì)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(gè)線路的輸電占用情況[4]。除此以外，從預(yù)測(cè)線路的負(fù)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(yùn)行時(shí)間是否符合規(guī)定，計(jì)算方式如公式（2）所示。

式中：u為日負(fù)荷的預(yù)測(cè)正確率；i為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)負(fù)荷；o為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際負(fù)荷；p為日負(fù)荷曲線的監(jiān)測(cè)核點(diǎn)數(shù)。其中為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)偏差率。

計(jì)算不同指標(biāo)值能夠在一定程度上分析電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況，但由于指標(biāo)所評(píng)價(jià)的對(duì)象具有差異性和量級(jí)性，需要整合指標(biāo)體系匯總的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理。通過(guò)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(gè)類型的指標(biāo)，如公式（3）~（5）所示。

公式（3）為計(jì)算“極大型”指標(biāo)的方式。公式（4）為“極小型”的計(jì)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(duì)電力系統(tǒng)中的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)維度表示運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析和展示電力運(yùn)行數(shù)據(jù)，在觀察電力數(shù)據(jù)期間，以某個(gè)角度或者某個(gè)層級(jí)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(guò)程即電力數(shù)據(jù)形態(tài)元素的構(gòu)成過(guò)程。在一組電力數(shù)據(jù)中會(huì)存在數(shù)值維度、時(shí)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(jìn)行交互式展示是指標(biāo)多維度動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)。

在可視化的形式設(shè)計(jì)中，最基本的操作是視覺元素的構(gòu)建，分別包括“點(diǎn)”和“線”兩種形式[5]?！包c(diǎn)”元素可以為圓圈、圓點(diǎn)、正方形點(diǎn)、三角形點(diǎn)等，代表數(shù)據(jù)信息中的單一指標(biāo)。當(dāng)接觸到某一個(gè)“點(diǎn)”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(guò)程中，當(dāng)點(diǎn)擊到某一個(gè)“線”元素時(shí)，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(yùn)行情況的監(jiān)督和評(píng)價(jià)。而進(jìn)行指標(biāo)的多維度動(dòng)態(tài)交互展示時(shí)，賦予每個(gè)維度指標(biāo)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)化意義，然后按照對(duì)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(dòng)態(tài)指標(biāo)信息內(nèi)容，不同的可視化形態(tài)設(shè)計(jì)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(jí)的選擇上，通過(guò)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(shí)，可以將其轉(zhuǎn)化為相類似的對(duì)象進(jìn)行資源分析，并預(yù)測(cè)出該數(shù)據(jù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[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(guò)程中顯示出詳細(xì)的信息內(nèi)容。而當(dāng)元素不能直接被應(yīng)用時(shí)，可以通過(guò)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(yùn)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(guò)公式（8）完成，scale（v11，v22）為縮放口令。在電力系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)，并通過(guò)各個(gè)指標(biāo)之間的聯(lián)系挖掘和整合電力大數(shù)據(jù)機(jī)械，發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的間接指標(biāo)。至此，已通過(guò)大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)的多維動(dòng)態(tài)交互式展示方法設(shè)計(jì)。

3 試驗(yàn)測(cè)試分析

上文中通過(guò)大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)設(shè)計(jì)了電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)的多維動(dòng)態(tài)展示方法，為證明新方法可以投入電網(wǎng)中進(jìn)行有效使用，該文選擇某省智能電網(wǎng)測(cè)試新方法的性能，從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)信息和運(yùn)行狀態(tài)兩個(gè)方面分析可視化的交互過(guò)程。

3.1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)信息展示

該省智能電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)的多維信息包括多個(gè)項(xiàng)目，從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)展示來(lái)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(guò)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(guò)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(jí)，“單線”表示120kV電壓等級(jí)，“細(xì)雙線”表示65kV電壓等級(jí)，“圓圈”表示變電站。當(dāng)選定某個(gè)特定站內(nèi)結(jié)構(gòu)時(shí)，圖1（b）中顯示出站內(nèi)具體設(shè)備信息，如“三個(gè)疊加圓圈”表示繞組變壓器，“淺色長(zhǎng)方體”代表斷路器，“深色長(zhǎng)方體”表示斷路器處于斷開狀態(tài)。說(shuō)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(yùn)行狀態(tài)信息展示

電網(wǎng)運(yùn)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(shí)時(shí)運(yùn)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(fù)載率監(jiān)控為對(duì)象，在該文方法應(yīng)用下實(shí)現(xiàn)交互式展示，結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，通過(guò)該文方法將變壓器負(fù)載率作為一組指標(biāo)，可以展示其負(fù)載率和裕度?！爸鶢顖D”為變壓器的負(fù)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(yùn)行的具體信息指標(biāo)展示，應(yīng)用效果良好。

圖2 變壓器負(fù)載率展示

4 結(jié)語(yǔ)

為了更加直觀地管理電網(wǎng)運(yùn)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(jì)了一個(gè)新的電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)的多維度動(dòng)態(tài)交互式展示方法，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試論證了方法的有效性。在電網(wǎng)運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)化流程中，以多種形式展示各項(xiàng)指標(biāo)，各級(jí)調(diào)度單位能夠在所負(fù)責(zé)的板塊內(nèi)，自主查詢電網(wǎng)的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的管理。但由于此次研究時(shí)間有限，在測(cè)試環(huán)節(jié)驗(yàn)證了新方法的有效性，沒(méi)有選擇多個(gè)展示方法完成對(duì)比測(cè)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(yùn)行提供理論支持。