基于多數(shù)據(jù)元的新型配網(wǎng)智能可視化研究

任核權(quán),莫俊雄,胡宇晴,陳桂芳,趙國陽

（1．紹興大明電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江紹興 312000；2．南京博島自動(dòng)化科技有限公司，江蘇南京 211000）

1 引言

可視化技術(shù)主要基于圖形描述電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過構(gòu)建圖形，以電力圖元為載體，輸入輸出數(shù)據(jù)，以與用戶實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互。市場上電力系統(tǒng)分析軟件各式各樣，其中具備一定代表性的即潮流計(jì)算、狀態(tài)估計(jì)、短路電流計(jì)算等等，這些都在不斷朝向可視化發(fā)展[1]。因此本文基于多數(shù)據(jù)元設(shè)計(jì)了新型配網(wǎng)智能可視化，以滿足國家對于智能電網(wǎng)建設(shè)的相關(guān)需要，以期能夠?yàn)榕渚W(wǎng)正常穩(wěn)定運(yùn)行規(guī)劃提供可靠準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

2 新型配網(wǎng)智能可視化管控平臺分析

配網(wǎng)智能可視化管控平臺基于Visio、SQL Server軟件與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)了客戶端與信息查詢兩部分。信息查詢則是以Web 技術(shù)為載體進(jìn)行開發(fā)，可視化管控平臺則是由圖形編輯平臺、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淦脚_、理論計(jì)算等結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成，其依據(jù)配網(wǎng)結(jié)構(gòu)特性，配置了便捷的配網(wǎng)圖繪制與修正功能，且設(shè)備屬性與計(jì)算結(jié)果可直觀形象呈現(xiàn)于圖形平臺，以此實(shí)現(xiàn)可視化功能。配網(wǎng)可視化管控平臺流程[2]具體如圖1所示。

圖1 配網(wǎng)可視化管控平臺流程

3 以GIS 為載體的新型配網(wǎng)可視化模型構(gòu)建

配網(wǎng)主要由架空線路、電纜、桿塔配電變壓器、隔離開關(guān)、無功補(bǔ)償器以及附屬設(shè)備所構(gòu)成，在電力網(wǎng)中承擔(dān)著電能資源分配工作。

3.1 配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

GIS平臺基于配電電器元件銜接關(guān)聯(lián)性，將整個(gè)配網(wǎng)看做線與點(diǎn)結(jié)合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并根據(jù)電源節(jié)點(diǎn)、開關(guān)節(jié)點(diǎn)等詳細(xì)分析配網(wǎng)拓?fù)滏溄?，其是配網(wǎng)估計(jì)狀態(tài)、計(jì)算潮流、定位故障、隔離、恢復(fù)供電、重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)分析的重要前提，基于此進(jìn)行潮流計(jì)算分析[3]。

3.2 潮流計(jì)算分析

以電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與參數(shù)為載體，以潮流算法為系統(tǒng)穩(wěn)定性狀態(tài)評估的基本計(jì)算方法。在輻射狀潮流計(jì)算時(shí)，一般只有一個(gè)平衡節(jié)點(diǎn)，即計(jì)算節(jié)點(diǎn)帶負(fù)載的有功功率與無功功率，且以此作為計(jì)算電壓節(jié)點(diǎn)的參考值?；谂渚W(wǎng)實(shí)際工作輻射狀特性，選擇常規(guī)潮流計(jì)算方法效果相對不足，通過輻射狀支路分層電流進(jìn)行溯回迭代向前逐層推導(dǎo)，在節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定狀態(tài)下，以獲取節(jié)點(diǎn)無功功率與電壓相角，從而可加快收斂與計(jì)算速度，配網(wǎng)潮流算法流程[4]具體如圖2所示。

圖2 配網(wǎng)潮流算法流程

基于配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行潮流計(jì)算，通過可視化方式在圖形中全面清晰呈現(xiàn)，可直觀快速了解配網(wǎng)運(yùn)行狀況。

3.3 配網(wǎng)拓?fù)渌惴?/h3>

配網(wǎng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障或者負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)，開關(guān)開合實(shí)時(shí)變化。而網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆?jì)算作為配網(wǎng)分析基礎(chǔ)，需進(jìn)行全面優(yōu)化，所以必須具備良好的、合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌惴?。算法既要滿足配網(wǎng)自動(dòng)化中各種高級功能相關(guān)要求，又要可實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)連通性快速實(shí)時(shí)跟蹤與識別，以適應(yīng)事件的不斷演變，此外還應(yīng)節(jié)約存儲空間與高層次計(jì)算功能時(shí)間。

因此本文選擇網(wǎng)基矩陣表示法，其以圖論為基礎(chǔ)。具體理念為，配網(wǎng)為變結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)是由結(jié)點(diǎn)與弧所構(gòu)成。其中變結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的允許結(jié)構(gòu)形態(tài)被稱之為網(wǎng)形，而所有網(wǎng)形出現(xiàn)的弧并集相應(yīng)基礎(chǔ)圖被稱之為變結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)基[5]。網(wǎng)基通過結(jié)構(gòu)矩陣加以闡述，將配網(wǎng)饋線作為無向邊，利用M行M列的F矩陣進(jìn)行描述，F(xiàn)矩陣被稱之為網(wǎng)基結(jié)構(gòu)矩陣，M則為配網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，那么，

如果節(jié)點(diǎn)x與y中間存在一條邊，那么fxy=fyx=1，其他要素則為0。網(wǎng)基結(jié)構(gòu)矩陣F 闡述了配網(wǎng)潛藏鏈接方式，是由配電線路架設(shè)所決定的，存在潛藏鏈接方式的配網(wǎng)所生成的圖，即網(wǎng)基。

4 新型配網(wǎng)智能可視化平臺功能構(gòu)建

4.1 電氣元件表示

就配網(wǎng)電氣元件而言，以圖形化形式加以表示，通過Auto CAD平臺繪制各種類型電氣元件為相應(yīng)的電氣圖元符號，也就是圖元塊，比如變電站、互感器、變壓器等等。在圖形編輯欄中，呈現(xiàn)圖元塊屬性信息與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需要時(shí)可實(shí)時(shí)調(diào)取。

4.2 補(bǔ)償容量計(jì)算

無功最優(yōu)講究實(shí)現(xiàn)功網(wǎng)損最小化與電容補(bǔ)償量最小化，以及經(jīng)濟(jì)效益最大化。目前大部分配網(wǎng)無功優(yōu)化大體選用遺傳算法，即生成大量個(gè)體；個(gè)體通過環(huán)境影響，基于適者生存的選擇，接近最優(yōu)解。就整體而言，在長期過程中，勢必要保障進(jìn)化的持續(xù)性前進(jìn)。但是由于效率較低，在完全隨機(jī)狀態(tài)下，導(dǎo)致每次補(bǔ)償量不完全一致，從而降低計(jì)算收斂速度。為有效避免隨機(jī)性，可先尋找一些對于電壓與網(wǎng)損影響比較大的關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)，基于二次精確算法提取最優(yōu)補(bǔ)償點(diǎn)。其優(yōu)勢在于如果選定節(jié)點(diǎn)具體位置，補(bǔ)償容量大小則具有唯一性，其中的隨機(jī)性便會得以控制?；趶?fù)雜度而言，相比傳統(tǒng)遺傳算法，其計(jì)算速度明顯提高了將近一個(gè)數(shù)量級[6]。

5 實(shí)例分析

以Z省某縣城區(qū)配網(wǎng)線路、變壓器、電力用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)為對象，進(jìn)行新型配網(wǎng)智能可視化設(shè)計(jì)。配網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)來源于調(diào)度SCADA、負(fù)荷預(yù)測系統(tǒng)、中壓GIS、運(yùn)檢PMS、營銷用電信息采集、低壓GIS。將其中數(shù)據(jù)有機(jī)融合，可實(shí)現(xiàn)從高壓變壓器到電網(wǎng)主干線、支線、變壓器，直到終端電力用戶配網(wǎng)的全方位監(jiān)控。所以基于具體需要，配網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可視化需遵守，以系統(tǒng)詳細(xì)數(shù)據(jù)作為信息來源，經(jīng)過關(guān)聯(lián)性查詢與有價(jià)值信息評估，確定并面向相關(guān)人員傳輸信息的理念，進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，具體如圖3所示。

圖3 配網(wǎng)智能可視化設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，配網(wǎng)智能可視化設(shè)計(jì)需滿足全方位監(jiān)控配網(wǎng)的實(shí)際需求，且可診斷故障、查看明細(xì)。在明確診斷信息之后，傳輸信息，將配網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)與設(shè)備故障信息傳輸于終端用戶、客服人員、檢修人員。在數(shù)據(jù)可視化監(jiān)控中，故障診斷環(huán)節(jié)需融合并關(guān)聯(lián)查詢海量數(shù)據(jù)信息，把來源于不同系統(tǒng)的檢修文本記錄與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，遵循統(tǒng)一主鍵，實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)性匹配，以整合各信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)與內(nèi)置故障規(guī)則、參數(shù)，診斷并定位故障，從而提取詳細(xì)數(shù)據(jù)信息。應(yīng)基于各物業(yè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)信息融合，實(shí)現(xiàn)在線可視化監(jiān)控。

為滿足可視化設(shè)計(jì)需要，后臺數(shù)據(jù)需認(rèn)真梳理整合字段格式、類型、數(shù)據(jù)來源，面向調(diào)度系統(tǒng)、中壓GIS、用電信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，明確追根溯源與接入、數(shù)據(jù)更新措施，將城區(qū)配網(wǎng)數(shù)據(jù)、用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)、運(yùn)檢調(diào)度數(shù)據(jù)、變壓器數(shù)據(jù)、用戶編碼等主鍵匹配成可查詢與交互的融合數(shù)據(jù)，以此為配網(wǎng)智能可視化設(shè)計(jì)提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)依據(jù)。數(shù)據(jù)融合[7]具體如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)融合

以融合數(shù)據(jù)為后臺明細(xì)依據(jù)，整合可視化需要，進(jìn)行全方位監(jiān)控，充分了解數(shù)據(jù)體量，基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與需求確定，根據(jù)數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)原則與呈現(xiàn)形式進(jìn)行配網(wǎng)智能可視化設(shè)計(jì)。通過調(diào)查研究得知，此縣城區(qū)現(xiàn)狀具體表現(xiàn)為，針對某條線路或變壓器進(jìn)行計(jì)劃檢修，電力企業(yè)無法準(zhǔn)確了解將會對哪些用戶造成影響，導(dǎo)致不能以便捷方式快速準(zhǔn)時(shí)通知到用戶；電網(wǎng)故障停電反應(yīng)速度過慢，成本相對偏高，一旦其中某臺變壓器由于雷擊發(fā)生故障，中斷運(yùn)轉(zhuǎn)，往往都是用戶第一反應(yīng)過來，用戶撥打客服電話，電力企業(yè)才得知停電狀況，但是依舊不能快速準(zhǔn)確找到故障點(diǎn)與具體成因，為盡快恢復(fù)供電，只能同時(shí)出動(dòng)大量檢修人員與設(shè)備共同運(yùn)作，才能解決問題，不僅耗時(shí)且耗費(fèi)人力。

為滿足用戶需要，促使信息系統(tǒng)獲得可用性與易用性良好效果，并強(qiáng)化用戶控制感，減少信息量，整合關(guān)注點(diǎn)，選擇地圖為數(shù)據(jù)標(biāo)識輔助，根據(jù)電網(wǎng)電路鋪設(shè)路徑，從而實(shí)時(shí)觀測故障點(diǎn)，保證電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)全方位監(jiān)控可視化設(shè)計(jì)整體效果。數(shù)據(jù)可視化界面實(shí)際應(yīng)用過程中，夏季受雷電影響，極易導(dǎo)致線路突發(fā)性故障，從而大范圍用戶停電。而工作人員通過配網(wǎng)智能監(jiān)控可視化界面，可快速明確故障點(diǎn)，并就負(fù)荷數(shù)據(jù)確定故障具體原因，以基于智能功能表盤詳細(xì)陳列故障信息，傳輸于檢修人員，以便于快速有效解決故障，同時(shí)將故障信息傳送給客服人員，以及時(shí)通知受影響用戶了解具體情況。

基于多數(shù)據(jù)元的新型配網(wǎng)智能可視化設(shè)計(jì)，不僅提高了工作人員的工作效率，降低了檢修人員工作難度，還實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)價(jià)值與需求信息的篩選，同時(shí)基于用戶體驗(yàn)視角，降低了對于工作人員的相關(guān)要求，加快了客服響應(yīng)速度。此外，可視化設(shè)計(jì)以設(shè)計(jì)心理學(xué)與交互設(shè)計(jì)理論為載體，根據(jù)實(shí)際需要，選用數(shù)據(jù)提取方法，就數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與所需信息關(guān)注點(diǎn)，擇取合適的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式，不僅增強(qiáng)了用戶控制感，減少了信息量，還整合了關(guān)注點(diǎn)，可擴(kuò)展性與普遍適應(yīng)性較強(qiáng)，可在一定程度上為相似數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與幫助。

6 新型配網(wǎng)智能可視化設(shè)計(jì)

基于SQL Server 關(guān)系數(shù)據(jù)庫的通用數(shù)據(jù)工具與個(gè)性化應(yīng)用開發(fā)平臺，用戶可就具體情況與喜好，通過SQL語言自主設(shè)計(jì)功能模塊與交互性較強(qiáng)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序。在程序中設(shè)計(jì)兩種類別，即圖形保存，以實(shí)現(xiàn)圖形在數(shù)據(jù)庫中的保存；圖形開啟，以實(shí)現(xiàn)圖像在數(shù)據(jù)庫中的提取。就圖形開啟操作而言，在數(shù)據(jù)庫中提取圖像，通過SQL語句篩選，可獲得數(shù)據(jù)詳細(xì)記錄，反饋于數(shù)據(jù)組，并呈現(xiàn)于屏幕。

數(shù)據(jù)庫操作與連接過程實(shí)現(xiàn)代碼[8]具體為：

//數(shù)據(jù)庫連接Ole Db Connection Connection=new Ole Db Connection Provider=Microsoft．Jet．OLE DB．4．0；Data Source=+System．App Domain．Current Domain．Setup Information．Application Base+db1．mdb+；//創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫連接所需Ole Db Connection對象Ole Db Command Command=new Ole Db Command(select*from圖形表order by id，Connection)//創(chuàng)建Ole Db Command對象Connection．Open()；//打開到數(shù)據(jù)庫文件的鏈接Command．Execute Non Query()；//執(zhí)行SQL語句，返回受影響行數(shù)Ole Db Data Reader Reader=a Command．Execute Reader()；//創(chuàng)建Ole Db Data Reader對象Data Set ds=new Data Set()；//創(chuàng)建Data Set對象ds．Load()；//將數(shù)據(jù)源中數(shù)據(jù)填充于內(nèi)存

為便于數(shù)據(jù)比較分析，適度簡化人力投入，所以通過圖形形式可視化呈現(xiàn)功率、線損、電壓等數(shù)據(jù)。就任意散點(diǎn)而言，基于數(shù)據(jù)提取可準(zhǔn)確呈現(xiàn)具體數(shù)值。另外，還可比較不同線路，直觀、形象、全面，且靈活性突出。在比較分析基礎(chǔ)上，可全方位掌控配網(wǎng)實(shí)際狀況。其中圖形上的數(shù)據(jù)還可生成報(bào)表文件，以便于工作人員后續(xù)查詢、調(diào)取以及維護(hù)。而潮流計(jì)算算法通過對所采集配網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形繪制、修正、建模，實(shí)現(xiàn)了電氣元件的可視化管控與呈現(xiàn)。

7 結(jié)束語

綜上所述，將配網(wǎng)作為線與點(diǎn)的結(jié)合體，基于多數(shù)據(jù)元進(jìn)行新型配網(wǎng)智能可視化設(shè)計(jì)，以GIS平臺為載體構(gòu)建詳細(xì)配網(wǎng)模型，通過網(wǎng)基矩陣表示法深入分析配網(wǎng)拓?fù)渌惴?，并編輯潮流?jì)算程序，將程序文件生成組件，插入配網(wǎng)GIS平臺，以調(diào)取潮流計(jì)算算法獲得潮流結(jié)果。通過實(shí)例分析與實(shí)現(xiàn)效果分析，表明基于多數(shù)據(jù)元的新型配網(wǎng)智能可視化設(shè)計(jì)，不僅提高了工作人員的工作效率，降低了檢修人員工作難度，還實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)價(jià)值與需求信息的篩選，同時(shí)基于用戶體驗(yàn)視角，降低了對于工作人員的相關(guān)要求，加快了客服響應(yīng)速度；潮流計(jì)算算法通過對所采集配網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形繪制、修正、建模，實(shí)現(xiàn)了電氣元件的可視化管控與呈現(xiàn)；可視化設(shè)計(jì)以設(shè)計(jì)心理學(xué)與交互設(shè)計(jì)理論為載體，根據(jù)實(shí)際需要，選用數(shù)據(jù)提取方法，就數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與所需信息關(guān)注點(diǎn)，擇取合適的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式，不僅增強(qiáng)了用戶控制感，減少了信息量，還整合了關(guān)注點(diǎn)，可擴(kuò)展性與普遍適應(yīng)性較強(qiáng)，可在一定程度上為相似數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與幫助。