可視化技術(shù)在電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

明洪開(kāi)，周思成，黃桂雪，楊繼黨，董玉山

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司保山供電局，云南 保山 678000

0 引言

可視化技術(shù)是我國(guó)電力系統(tǒng)中，最為重要的一種自動(dòng)化技術(shù)，在提高電力自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行效率與運(yùn)行質(zhì)量方面發(fā)揮著十分重要的作用。同時(shí)，可視化技術(shù)在電力調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用也非常關(guān)鍵，可以幫助更全面、準(zhǔn)確地了解和應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)。但是，只有對(duì)可視化技術(shù)的內(nèi)涵、作業(yè)流程以及應(yīng)用重要性有一個(gè)全面的了解，才能夠?qū)⑵潇`活、科學(xué)地應(yīng)用到電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)當(dāng)中，從技術(shù)層面為工作人員電力調(diào)度工作的開(kāi)展提供支持。

1 可視化技術(shù)的相關(guān)概述

1.1 可視化技術(shù)的基本內(nèi)涵

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，可視化技術(shù)作為一種新型科學(xué)技術(shù)，在電力調(diào)度系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。這種新型科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，具有較強(qiáng)的先進(jìn)性，明顯提高了電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。所謂可視化技術(shù)，其實(shí)就是一種綜合性的科學(xué)技術(shù)，即借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使之以圖形或者圖像的方式顯示在屏幕上，并得到交互處理的科學(xué)技術(shù)。可視化技術(shù)對(duì)視覺(jué)表征方式進(jìn)行了充分的應(yīng)用，將冗余繁雜的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系直觀地呈現(xiàn)在工作人員面前，讓工作人員在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察的過(guò)程中，對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容有一個(gè)清晰而全面的了解，為后續(xù)的數(shù)據(jù)傳播打好基礎(chǔ)。

可視化技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)含量非常高，涉及了很多先進(jìn)技術(shù)，例如信息采集技術(shù)、圖像處理技術(shù)和控制技術(shù)等。對(duì)可視化技術(shù)加以應(yīng)用，可以將數(shù)據(jù)之間的關(guān)系直觀而清晰地呈現(xiàn)出來(lái)，讓電力系統(tǒng)具體化?，F(xiàn)階段，可視化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展速度越來(lái)越快，已經(jīng)滲透到了我國(guó)各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，為我國(guó)產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展提供了有力保障。

1.2 可視化技術(shù)的作業(yè)流程

在電力調(diào)度系統(tǒng)當(dāng)中，可視化技術(shù)的應(yīng)用，需要經(jīng)過(guò)以下三大作業(yè)流程。①對(duì)基礎(chǔ)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、匯總以及處理，將沒(méi)有價(jià)值的數(shù)據(jù)過(guò)濾掉，再將噪聲剔除掉。之后，再利用可視化數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一化處理[1]。②將經(jīng)過(guò)篩選與過(guò)濾的數(shù)據(jù)映射成以點(diǎn)線面為代表的幾何元素，或者將這些數(shù)據(jù)映射成三維化元素圖形或多維化元素圖形，然后結(jié)合這些幾何圖形進(jìn)行最終結(jié)果圖像的繪制。③將這些數(shù)據(jù)帶入反饋環(huán)節(jié)，利用顯示屏將最終的結(jié)果圖像顯示出來(lái)，讓工作人員進(jìn)行直觀的觀看。

2 可視化技術(shù)在電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用重要性

在電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中，可視化技術(shù)的應(yīng)用，主要是計(jì)算機(jī)圖形可視化技術(shù)與語(yǔ)音技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)先從電力系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行各種數(shù)據(jù)信息的收集，然后再利用可視化技術(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行模擬，構(gòu)建二維圖形或者三維圖形，并利用可視化屏幕播放出來(lái)，讓工作人員對(duì)數(shù)據(jù)信息內(nèi)容進(jìn)行直觀的觀看，幫助工作人員了解整個(gè)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況。在電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，可視化技術(shù)的應(yīng)用主要包含兩個(gè)步驟：數(shù)據(jù)圖形顯示和實(shí)時(shí)觀察等?？梢暬夹g(shù)的應(yīng)用重要性主要體現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 提高工作人員工作的高效性

數(shù)據(jù)圖形主要包含兩種：一種是二維圖形，另一種是三維圖形。其中，二維圖形，是先對(duì)電網(wǎng)點(diǎn)、線和平面的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集，然后再利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成二維圖形。針對(duì)二維圖形的標(biāo)識(shí)，主要有兩種方式，一種是利用動(dòng)態(tài)功率流程圖進(jìn)行表示，另一種是利用等距線進(jìn)行表示。利用可視化技術(shù)進(jìn)行二維圖形的生成，可以幫助工作人員對(duì)點(diǎn)、線和面的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行直觀的了解，進(jìn)而對(duì)總體的電源計(jì)劃有一個(gè)快速而準(zhǔn)確的把握。二維圖形還可以以一種相對(duì)精確、簡(jiǎn)單的方式進(jìn)行信息點(diǎn)的創(chuàng)建，不僅可以為電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行提供保證，還可以幫助工作人員更好地了解自己的工作任務(wù)與工作責(zé)任。對(duì)二維圖形進(jìn)行演變，就形成了三維圖形。換句話說(shuō)，三維圖形，其實(shí)是大量二維圖形數(shù)據(jù)與信息的組合體。三維圖形的表示形式是三維圖像旋轉(zhuǎn)。與二維圖形相比，三維圖形的應(yīng)用，需要工作人員在圖形創(chuàng)建之初就繪制出來(lái)，保證數(shù)據(jù)信息的全面性、完整性以及直觀性。

2.2 提高監(jiān)督工作的開(kāi)展質(zhì)量

對(duì)二維圖形和三維圖形進(jìn)行分析，可以讓工作人員對(duì)特定的電源情況有一個(gè)更加直觀地了解。另外，工作人員對(duì)這些圖像信息的真實(shí)性進(jìn)行分析，還可以幫助管理部門對(duì)線路的實(shí)際功率和電廠的實(shí)際電源有一個(gè)及時(shí)而全面的了解。工作人員對(duì)發(fā)電機(jī)的自動(dòng)通知結(jié)果與電壓自動(dòng)控制結(jié)果進(jìn)行觀察、監(jiān)控與分析，然后利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將這些數(shù)據(jù)效果圖顯示出來(lái)，可以對(duì)電網(wǎng)狀況有一個(gè)準(zhǔn)確的了解，并在此基礎(chǔ)上對(duì)電網(wǎng)的整體情況進(jìn)行有效的控制。

2.3 提高整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性

對(duì)于電力自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，綜合智能警報(bào)是最重要的警報(bào)機(jī)制，可以將各種電力自動(dòng)化警報(bào)信息進(jìn)行匯總分析，并結(jié)合相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)信息，生產(chǎn)相應(yīng)的圖像，并顯示出來(lái)，為工作人員進(jìn)行精確的計(jì)算打好基礎(chǔ)。當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障的時(shí)候，警報(bào)系統(tǒng)就會(huì)被觸發(fā)，并發(fā)出特定的警報(bào)信息[2]。工作人員利用計(jì)算機(jī)設(shè)備或者可視化技術(shù)，將整個(gè)配電自動(dòng)化系統(tǒng)調(diào)用出來(lái)，并以圖像的方式呈現(xiàn)出來(lái)，加以分析，就可以對(duì)故障的所在位置、引起原因等進(jìn)行準(zhǔn)確而快速地了解，進(jìn)而采取針對(duì)性的緊急維修措施，提高整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.4 為用戶提供更為便捷優(yōu)質(zhì)的服務(wù)

要想提升整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，讓用戶獲得一個(gè)便捷、高效的用電服務(wù)體驗(yàn)，工作人員就必須要結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)管理。而在電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中，應(yīng)用可視化技術(shù)，則可以讓電網(wǎng)系統(tǒng)在相對(duì)安全、穩(wěn)定的環(huán)境中運(yùn)行，減少安全事故的發(fā)生概率，提高電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，延長(zhǎng)電力設(shè)備的使用時(shí)間。這樣一來(lái)，不僅可以最大限度地維持電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，還可以為用戶提供優(yōu)質(zhì)的供電服務(wù)，減少電力系統(tǒng)崩潰或者停電問(wèn)題的出現(xiàn)。

3 可視化技術(shù)在電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

美國(guó)和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)于可視化技術(shù)的研究與應(yīng)用時(shí)間最早，已經(jīng)可以對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓數(shù)據(jù)、電價(jià)數(shù)據(jù)等進(jìn)行有效的采集與處理，并經(jīng)這些數(shù)據(jù)以圖形的方式顯示出來(lái)。在可視化技術(shù)不斷發(fā)展的形勢(shì)下，科研人員已經(jīng)開(kāi)始為可視化技術(shù)匹配其他附加阮家寶和集成化處理技術(shù)[3]。目前，可視化技術(shù)已經(jīng)可以將數(shù)據(jù)信息呈現(xiàn)出三維圖形的效果。人機(jī)交互模式的應(yīng)用，還可以幫助工作人員對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，并排除其中的安全隱患。

3.1 二維可視化

3.1.1 動(dòng)態(tài)潮流

所謂動(dòng)態(tài)潮流，指的是在電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中，三角形線路以相同的方向進(jìn)行動(dòng)態(tài)化流動(dòng)的狀態(tài)。在這樣的運(yùn)行狀態(tài)下，三角形內(nèi)部的箭頭方向與線路方向相同，負(fù)荷大小與流動(dòng)速度之間的匹配度非常高。如果三角形面積大，說(shuō)明負(fù)荷大、流動(dòng)速度快。反之，如果三角形面積小，則說(shuō)明負(fù)荷小，流動(dòng)速度慢。在動(dòng)態(tài)潮流圖繪制的時(shí)候，要想將電力系統(tǒng)的狀態(tài)直觀地展現(xiàn)出來(lái)，需要對(duì)線段進(jìn)行精準(zhǔn)的把握。即先將一條完整的線段折線拆分成多個(gè)小線段，每一個(gè)小線段雖然都是一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，但是彼此之間又有著極為緊密的聯(lián)系。利用流動(dòng)步長(zhǎng)就可以對(duì)三角形內(nèi)部的流速進(jìn)行控制。系統(tǒng)技術(shù)人員選擇出最適宜的動(dòng)畫(huà)繪制軟件，然后對(duì)三角形數(shù)值和流動(dòng)速度數(shù)值進(jìn)行展現(xiàn)，并利用顏色予以標(biāo)注。對(duì)線段的長(zhǎng)度、流動(dòng)步長(zhǎng)進(jìn)行參考，就可以對(duì)三角形的位置與數(shù)量進(jìn)行確定，三角形的繪制也就可以順利地完成。

3.1.2 等值線法

等值線法也是電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中最為常用的一種可視化方法，可以在規(guī)定的數(shù)值范圍與特定的圖形區(qū)域內(nèi)將一個(gè)顏色值映射出來(lái)[4]。這樣一來(lái)，根據(jù)著色類型就可以將著色區(qū)域范圍進(jìn)行精確化的計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果就可以在屏幕中顯示出氛圍圖像。絕大多數(shù)情況下，等值線的差值計(jì)算需要參照陡崖崖高等參數(shù)，即（n-1）d≤（n+1）d。針對(duì)數(shù)據(jù)異常繁雜的情況，可以直接利用等值線法中的圖像反饋功能，快速地將系統(tǒng)數(shù)據(jù)異常點(diǎn)找出來(lái)，并確定電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中存在的潛在故障。所以，等值線法的應(yīng)用，可以將線路的數(shù)據(jù)變化、節(jié)點(diǎn)電壓的數(shù)據(jù)變化、變壓器負(fù)載率的數(shù)據(jù)變化等完整地呈現(xiàn)出來(lái)，幫助技術(shù)人員全面而精準(zhǔn)地把握電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況，提高電力調(diào)度工作效率。需要注意的是，等值線法在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的復(fù)雜性，容易出現(xiàn)操作過(guò)度等問(wèn)題，降低最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。所以，為了保證工作精度，工作人員會(huì)提前進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)圖法的簡(jiǎn)單繪制，以達(dá)到降低操作難度的目的。

3.1.3 反時(shí)限曲線

可視化技術(shù)在電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用，依賴于可視化技術(shù)中的反時(shí)限曲線。一般情況下，電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，變壓器會(huì)出現(xiàn)瞬間電量過(guò)載現(xiàn)象，進(jìn)而超出反時(shí)限曲線范圍。所以，利用反時(shí)限曲線，可以對(duì)電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，了解電力調(diào)度系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。將反時(shí)限曲線與主要變化的狀態(tài)對(duì)比度進(jìn)行預(yù)設(shè)，然后再動(dòng)態(tài)化監(jiān)督超載時(shí)間，分析超載能力，就可以通過(guò)計(jì)算來(lái)調(diào)整變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，避免變壓器出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的超載問(wèn)題，對(duì)電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響[5]。需要注意的是，反時(shí)限曲線和極限值的變化幅度比較大，工作人員在描述報(bào)警范圍的時(shí)候，還需要對(duì)曲線點(diǎn)、曲線坐標(biāo)或者其他形式進(jìn)行合理的應(yīng)用。

3.1.4 單變量餅圖

在電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，繪制單變量餅圖，還可以幫助工作人員更加直觀、清晰地了解線路、變壓器負(fù)載率等關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)際情況，并準(zhǔn)確地判斷出電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況，進(jìn)而為電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的有序運(yùn)行提供保證。在繪制單變量餅圖的過(guò)程中，可以對(duì)顏色映射法進(jìn)行合理的應(yīng)用，即利用不同的顏色將不同大小的數(shù)值標(biāo)注出來(lái)，將顏色與數(shù)據(jù)之間形成映射關(guān)系，用純數(shù)字形式的電力數(shù)據(jù)將各種顏色映射出來(lái)。如果電力數(shù)據(jù)超出允許范圍，顏色就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，圖形面積也會(huì)逐漸增大。需要注意的是，在繪制單變量餅圖的過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)負(fù)債率超出允許范圍的數(shù)值。工作人員需要對(duì)這些數(shù)值的填充顏色進(jìn)行預(yù)先設(shè)定。

3.2 三維可視化

3.2.1 單棒圖

單棒圖的應(yīng)用，可以與平面圖像結(jié)合在一起，將電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)展示出來(lái)，幫助工作人員對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)有一個(gè)更加直觀地了解，進(jìn)而進(jìn)行精準(zhǔn)化電力調(diào)度策略的制定。需要注意的是，單棒圖只能將二維平面效果展示出來(lái)，而不能呈現(xiàn)出立體化的圖像，無(wú)法幫助工作人員全方位地掌握電力系統(tǒng)的運(yùn)行信息[6]。對(duì)此，可以對(duì)二維可視化技術(shù)進(jìn)行升級(jí)，對(duì)三維可視化技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用。首先，利用單棒圖將電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)展現(xiàn)出來(lái)。其次，利用單棒圖將各個(gè)廠的無(wú)功備用狀態(tài)展現(xiàn)出來(lái)，根據(jù)總高度與中間高度等參數(shù)，對(duì)裝置的最大容載量和使用情況進(jìn)行判斷。

在繪制單棒圖的時(shí)候，雖然有棒圖的圖元結(jié)構(gòu)，但卻可以省略圖元類型的各種繁瑣步驟，繪制流程更加簡(jiǎn)化，電力調(diào)度工作的可視化效率也明顯提高。單棒圖中，要有一個(gè)主棒和一個(gè)副棒。主棒的作用是將實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。副棒的作用是將最大數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。與單變量餅圖的繪制相同的是，單棒圖的繪制同樣需要進(jìn)行數(shù)值最大值顏色的設(shè)置。在繪制單棒圖的時(shí)候，需要對(duì)實(shí)際情況與透視角度進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行圖形坐標(biāo)的確定，確保其他棒圖是否能夠?qū)⒆鴺?biāo)遮擋住。如果不能將坐標(biāo)遮擋住，則需要結(jié)合預(yù)測(cè)數(shù)值進(jìn)行副棒的設(shè)置，并對(duì)副棒數(shù)值與實(shí)際數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，借此明確主棒的坐標(biāo)、大小以及顏色。這樣一來(lái)，就可以完成整個(gè)單棒圖的繪制。

3.2.2 圖形三維旋轉(zhuǎn)

在可視化技術(shù)發(fā)展水平不斷提高的形勢(shì)下，電力圖也從二維圖形轉(zhuǎn)換到了三維圖形。立體化的三維圖像可以對(duì)電力調(diào)度的實(shí)際情況進(jìn)行有效的標(biāo)識(shí)和反映，保證電力信息的全面性與準(zhǔn)確性。圖形三維旋轉(zhuǎn)的原理是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識(shí)對(duì)三維圖形進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)。面對(duì)三維圖形的幾何變化，要想提高圖形變化的準(zhǔn)確性，可以以坐標(biāo)原點(diǎn)和坐標(biāo)軸為基礎(chǔ)進(jìn)行圖形的變化[7]。即在變換前，對(duì)圖形的各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行分析，然后以此為依據(jù)進(jìn)行圖形的變化，在獲取變換后圖形的坐標(biāo)后，進(jìn)行相應(yīng)圖形的繪制，就可以成功獲取旋轉(zhuǎn)后的三維圖形，為工作人員高質(zhì)量、高效率地分析電力調(diào)度情況提供保證。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，要想持續(xù)提高我國(guó)的電力調(diào)度水平，需要不斷地將最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到電力調(diào)度工作當(dāng)中。雖然我國(guó)的絕大部分地區(qū)已經(jīng)使用了電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，但卻面臨著系統(tǒng)故障維修難度大、維修不及時(shí)等問(wèn)題。在這種情況下，非常有必要將可視化技術(shù)應(yīng)用到電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)當(dāng)中，為技術(shù)人員更好地進(jìn)行電力調(diào)度和解決電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)故障提供支持。