電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中可視化技術(shù)的應(yīng)用分析

吉繼梅

（南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中的各種調(diào)度數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長態(tài)勢，尤其是發(fā)生故障時，數(shù)據(jù)量會在短時間內(nèi)急速增長。在有著龐大運行數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中，工作人員需要迅速獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，掌握系統(tǒng)運行中各處的運行狀態(tài)，對故障進(jìn)行識別和處理[1]。

文獻(xiàn)[2]提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的電力控制保護(hù)系統(tǒng)可視化方法，能夠識別系統(tǒng)圖紙信息并進(jìn)行圖紙建模，通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行便捷化查詢，實現(xiàn)數(shù)據(jù)檢索效率的提升。文獻(xiàn)[3]提出了一種電網(wǎng)可視化架構(gòu)，實現(xiàn)了設(shè)備檢修分析、設(shè)備故障、電網(wǎng)實時運維等應(yīng)用場景的可視化支撐。綜合已有的研究成果，設(shè)計一種電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中可視化技術(shù)的應(yīng)用方法。

1 電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中可視化技術(shù)的應(yīng)用方法

1.1 電壓穩(wěn)定分析結(jié)果可視化應(yīng)用

通過電壓穩(wěn)定分析結(jié)果的可視化應(yīng)用，可以直觀獲取電壓穩(wěn)定性信息。通過準(zhǔn)確求取P-V曲線，得到電壓數(shù)據(jù)變化情況。設(shè)計一種新的P-V曲線求取方法，先改變潮流收斂方向，然后添加一維潮流方程，實現(xiàn)鞍結(jié)分歧點相關(guān)雅可比矩陣奇異性的消除，從而完成電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中電壓穩(wěn)定分析結(jié)果的可視化應(yīng)用。P-V曲線示例如圖1所示。

圖1 P-V曲線示例

1.2 等值色彩圖快速動態(tài)可視化應(yīng)用

設(shè)計一種改進(jìn)的空間插值算法，完成電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中等值色彩圖在正方形背景平面上的繪制，實現(xiàn)其快速動態(tài)可視化應(yīng)用。該算法由計算到渲染的步驟設(shè)計具體如下。

（1）要想對某未知點的值進(jìn)行計算，所需的參數(shù)是可以對該點造成影響的已知節(jié)點與該點間的實際距離及節(jié)點值，因此需要對2個數(shù)組進(jìn)行定義，對計算參數(shù)進(jìn)行保存。

一是對Glubyte類型的1個三維數(shù)組進(jìn)行定義，用Image[N][N][4]來表示，通過該數(shù)組對正方形背景平面中整數(shù)坐標(biāo)點的Alpha透明成分與RGB顏色進(jìn)行保存。在Image[N][N][4]中，N是正方形背景平面中邊占據(jù)的整數(shù)像素個數(shù)，通過Image[·][·][0]、Image[·][·][1]、Image[·][·][2]分別對紅色成分值、綠色成分值以及藍(lán)色值成分進(jìn)行存儲，通過Image[·][·][3]對Alpha透明成分值進(jìn)行存儲。二是對vector類型的1個三維數(shù)組進(jìn)行定義，用Param[N][N][2]來表示，用于對背景中平面整數(shù)坐標(biāo)點實施插值時的計算參數(shù)進(jìn)行保存。

（2）對各已知節(jié)點及其影響的圓形區(qū)域內(nèi)各點之間的距離進(jìn)行計算。具體計算公式為

式中：A是已知節(jié)點，坐標(biāo)為(x1,y1)；B是受已知節(jié)點A影響的圓形區(qū)域內(nèi)的點，其坐標(biāo)為(x2,y2)。對于受到多個或1個已知節(jié)點影響的圓形區(qū)域內(nèi)的各點，在Param[N][N][0]與Param[N][N][1]中添加多個或1個計算的距離參數(shù)[4]。對于處于所有影響區(qū)域外的點用(m,n)來表示，該點的Param[m][n][0]與Param[m][n][1]中未保存參數(shù)值。

（3）遍歷處理背景平面內(nèi)所有整數(shù)坐標(biāo)，在Image數(shù)組中對顏色值信息進(jìn)行填充。對Param數(shù)組進(jìn)行遍歷后，當(dāng)某點在Param數(shù)組中無參數(shù)值時，根據(jù)全部節(jié)點的平均值，利用色彩映射表對其RGB值進(jìn)行計算，并將其賦值給Image數(shù)組。當(dāng)某點在Param數(shù)組中有參數(shù)值時，對該點的插值結(jié)果進(jìn)行計算，公式為

式中：sq指該點的插值結(jié)果；df指全部已知節(jié)點的均值；cinf指圓形區(qū)域的半徑；ci指第i個圓形區(qū)域中的扇形半徑；cpi指等距離反比閾值；di指第i個節(jié)點的著色。根據(jù)計算結(jié)果，利用色彩映射表對其RGB值進(jìn)行計算，并將其賦值給Image數(shù)組。Alpha透明成分僅會對等值色彩曲面表現(xiàn)時的透明度造成影響，因此不進(jìn)行計算，根據(jù)實際情況將其設(shè)置為固定值。完成遍歷后實現(xiàn)全部像素的填充，獲得等值色彩位圖的1個數(shù)組Image'。

（4）通過2D紋理貼圖的形式將數(shù)組Image'中存儲的位圖信息貼到背景平面上。使用的紋理貼圖函數(shù)為OpenGL中的glTexImage2D函數(shù)，可以完成等值色彩圖的快速動態(tài)可視化應(yīng)用。

1.3 區(qū)域負(fù)荷密度可視化應(yīng)用

在點密度方式中，先在不規(guī)則區(qū)域通過某函數(shù)生成一定數(shù)量的隨機(jī)點，接著對生成的隨機(jī)點是否處于該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行判斷。當(dāng)處于該區(qū)域時，則對該點進(jìn)行輸出；當(dāng)不處于該區(qū)域時，則重新生成隨機(jī)點并再次進(jìn)行判斷。電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中，地理邊界線呈現(xiàn)多點連接后構(gòu)成的不規(guī)則多邊形，因此需要利用以上方式對各點是否處于不規(guī)則多邊形內(nèi)部進(jìn)行判斷[5]。生成隨機(jī)點的步驟具體如下。

（1）在可縮放矢量圖形（Scalable Vector Graphics，SVG）文件中讀取地理邊界線給定區(qū)域的對應(yīng)邊界條件。

（2）在不規(guī)則多邊形各頂點坐標(biāo)中尋找橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的最小值與最大值，即

式中：Tamx指最大值的集合；xamx指橫坐標(biāo)的最大值；yamx指縱坐標(biāo)的最大值；Tmin指最小值的集合；xmin指橫坐標(biāo)的最小值；ymin指縱坐標(biāo)的最小值。

（3）生成隨機(jī)點l（x',y'），其坐標(biāo)范圍為

（4）在l（x',y'）處引出向右的1條射線，對多邊形邊界與其交點數(shù)進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)交點數(shù)是0或偶數(shù)時，則判斷該點位于區(qū)域內(nèi)，直接打印并輸出；反之，則判斷該點不在區(qū)域內(nèi)，重復(fù)生成l（x',y'）。

2 實驗驗證

2.1 實驗設(shè)計

對于設(shè)計的電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中可視化技術(shù)的應(yīng)用方法，測試其應(yīng)用性能，驗證其在系統(tǒng)中的應(yīng)用價值。分別在電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中應(yīng)用各可視化技術(shù)進(jìn)行實驗地區(qū)故障時的電壓穩(wěn)定分析、等值色彩圖展示以及區(qū)域負(fù)荷密度展示，測試設(shè)計方法可視化運行結(jié)果的3D渲染速度、數(shù)據(jù)實時更新速率。

實驗地區(qū)的電網(wǎng)共有1 547個電力節(jié)點，其中有4個節(jié)點發(fā)生了電力系統(tǒng)低頻振蕩故障，分別對其實施電壓穩(wěn)定分析、等值色彩圖展示以及區(qū)域負(fù)荷密度展示。通過模擬方式向電力調(diào)度自動化系統(tǒng)發(fā)送實驗地區(qū)測試節(jié)點對應(yīng)的實時數(shù)據(jù)幀，系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)幀后，對其實施解析與數(shù)據(jù)可視化處理。通過數(shù)據(jù)發(fā)送模擬程序來實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，使用的數(shù)據(jù)通信協(xié)議為用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP），數(shù)據(jù)幀發(fā)送頻率為100 Hz。將本文所設(shè)計的方法（以下簡稱設(shè)計方法）與基于深度學(xué)習(xí)的電力控制保護(hù)系統(tǒng)可視化方法（以下簡稱方法1）、電網(wǎng)可視化架構(gòu)方法（以下簡稱方法2）共同進(jìn)行可視化效果測試，以獲得更具說服力的實驗結(jié)果。

2.2 3D渲染速度測試結(jié)果

測試3種方法的3D渲染速度，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 3D渲染速度測試結(jié)果

根據(jù)圖2可知，在數(shù)據(jù)量不斷增大的情況下，3種方法的3D渲染速度都有所下降。其中，設(shè)計方法的3D渲染速度最高可達(dá)120 幀/s，方法1的3D渲染速度最高可達(dá)84 幀/s，方法2的3D渲染速度最高可達(dá)80 幀/s。由此可知，設(shè)計方法的3D渲染速度最快，效果更好。

2.3 數(shù)據(jù)實時更新速率測試結(jié)果

測試3種方法的數(shù)據(jù)實時更新速率，即可視化顯示中3種方法進(jìn)行實時數(shù)據(jù)更新所需的時間，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)實時更新速率測試結(jié)果

根據(jù)圖3可知，在數(shù)據(jù)量達(dá)到50 GB左右時，3種方法的數(shù)據(jù)實時更新時間均達(dá)到一個相對穩(wěn)定值。整體來看，方法2的數(shù)據(jù)實時更新時間最長，方法1的數(shù)據(jù)實時更新時間偏低，而設(shè)計方法的數(shù)據(jù)實時更新時間最低，最終穩(wěn)定在762 ms，說明設(shè)計方法的數(shù)據(jù)實時更新速率最快。

3 結(jié) 論

在電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中，可視化技術(shù)的引入有著極大的應(yīng)用價值，通過電壓穩(wěn)定分析、等值色彩圖展示以及區(qū)域負(fù)荷密度展示對其應(yīng)用價值進(jìn)行深入探討。經(jīng)過實驗分析，較快的3D渲染速度與數(shù)據(jù)實時更新速率能夠?qū)崿F(xiàn)用戶所需數(shù)據(jù)的高效獲取與展示，對人們處理電力調(diào)度自動化系統(tǒng)故障有著極大的幫助。