基于大屏可視化技術(shù)在電網(wǎng)系統(tǒng)中的運(yùn)行研究

陳行濱， 張羽楠， 陳然， 黃芳芳， 陳強(qiáng)

(1. 國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司， 福建， 福州 350000；2. 國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司莆田供電公司， 福建， 莆田 351100；3. 國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司信息通信分公司， 福建， 福州 350000；4. 國(guó)網(wǎng)信通億力科技有限責(zé)任公司， 福建， 福州 350003)

0 引言

電力運(yùn)行管理是電力管理的關(guān)鍵組成部分，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，信息采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算的工作量也逐漸增大，針對(duì)這些海量枯燥的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可視化技術(shù)借助圖形將信息展示得既清晰又有效，具有良好的實(shí)際應(yīng)用效果，而單一獨(dú)立的視圖很難呈現(xiàn)全面信息，將多個(gè)屬性放在同一窗口呈現(xiàn)，可以顯著提高工作人員的整體認(rèn)知，進(jìn)而提高工作效率，于是可視化大屏應(yīng)運(yùn)而生。本文著力設(shè)計(jì)電力可視化大屏展示方案，力求為提升信息數(shù)據(jù)的精細(xì)化管理水平提供技術(shù)手段。

1 總體概述

1.1 電力系統(tǒng)管理現(xiàn)狀

電力企業(yè)引入的信息化管理軟件有：一類是行業(yè)外公司開(kāi)發(fā)的面向信息流的管理軟件，與電力行業(yè)自身特點(diǎn)結(jié)合不夠緊密；一類是行業(yè)內(nèi)人員自主開(kāi)發(fā)的軟件，滿足實(shí)際需求但擴(kuò)展性不足，難以大規(guī)模推廣；還有一類是國(guó)外采購(gòu)軟件，雖然短期內(nèi)覺(jué)得功能強(qiáng)大，但擴(kuò)充困難，很難完全滿足需求。電力系統(tǒng)龐大又復(fù)雜，對(duì)于電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、調(diào)度調(diào)控、實(shí)際運(yùn)行等方面，清晰直觀的可視化技術(shù)顯得尤為重要。

1.2 大屏可視化研究現(xiàn)狀

電力系統(tǒng)海量的數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可視化視圖的設(shè)計(jì)難點(diǎn)不僅僅是獨(dú)立圖表的設(shè)計(jì)，還有有限窗口內(nèi)如何展示數(shù)據(jù)之間深層次的關(guān)聯(lián)關(guān)系，基于此，如何將來(lái)自多個(gè)信息接口的繁瑣數(shù)據(jù)通過(guò)可視化模塊轉(zhuǎn)化為容易理解，主題清晰的可視化大屏成為研究側(cè)重點(diǎn)，一個(gè)良好的大屏應(yīng)具備數(shù)據(jù)展示形式豐富、數(shù)據(jù)分析維度全面、多源頭數(shù)據(jù)接入存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)更新實(shí)時(shí)、產(chǎn)品流程清晰、簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，以此減少用戶學(xué)習(xí)成本，提升用戶感知。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)的可視化大屏管理系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)著重注意以下原則。

(1) 時(shí)效性：無(wú)論是統(tǒng)計(jì)分析還是預(yù)警運(yùn)算，如果要確保準(zhǔn)確性，首先需要依賴最新數(shù)據(jù)，因此需確保各個(gè)信息接口實(shí)時(shí)接入，保證數(shù)據(jù)展示實(shí)時(shí)有效。

(2) 易擴(kuò)展：大屏管控系統(tǒng)的目的是集成多個(gè)接口的數(shù)據(jù)，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)時(shí)需要考慮擴(kuò)展性，便于新增接口以最小代價(jià)最快接入[1]。

(3) 實(shí)用性：針對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行管理特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)用的系統(tǒng)功能，挖掘不同角色使用者的關(guān)注點(diǎn)，確保提供的數(shù)據(jù)實(shí)用且可靠。

(4) 易維護(hù)：任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中都要考慮后期維護(hù)成本，盡量避免后期需要投入大量人力物力進(jìn)行維護(hù)。

(5) 安全性：電力運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)電網(wǎng)公司人財(cái)物等多種敏感信息，除了考慮系統(tǒng)的應(yīng)用安全之外還需考慮數(shù)據(jù)安全，賬密、權(quán)限劃分嚴(yán)密，并提供備份及恢復(fù)功能。

2 電力可視化大屏應(yīng)用需求分析

2.1 可視化大屏功能

隨著電力業(yè)務(wù)的發(fā)展，單一靜態(tài)的可視化大屏不能滿足系統(tǒng)運(yùn)行管理需求，因此在設(shè)計(jì)時(shí)將可視化大屏的應(yīng)用劃分如下。

(1) 實(shí)時(shí)大屏：統(tǒng)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)多個(gè)可視化視圖，但數(shù)據(jù)更新間隔不固定，因此做實(shí)時(shí)展示大屏，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)展示的效果。

(2) 大屏輪播：由于展示空間有限，多個(gè)可視化大屏?xí)a(chǎn)生輪流播放的需求，由使用者自行設(shè)定輪播的大屏以及輪播間隔。

2.2 多數(shù)據(jù)源接入

由于電力系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式多種多樣，包括靜態(tài)文件，也包括多種數(shù)據(jù)庫(kù)。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮多種數(shù)據(jù)源的連接方法。

(1) 數(shù)據(jù)源配置界面：為用戶提供選擇數(shù)據(jù)源界面，為開(kāi)發(fā)人員提供API接口。

(2) 實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)表：由于數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)存在不停更新的可能，為用戶提供服務(wù)生成實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)表，支持可配置數(shù)據(jù)指標(biāo)。

(3) 靜態(tài)文件：支持多種靜態(tài)類型的文件上傳與保存。

3 關(guān)鍵指標(biāo)及分析算法

3.1 關(guān)鍵指標(biāo)

電力數(shù)據(jù)的可視化管理其實(shí)就是利用人體的視覺(jué)感知能力結(jié)合圖形圖像、動(dòng)畫(huà)技術(shù)、色彩對(duì)比等技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力的生產(chǎn)、銷售、調(diào)度、運(yùn)維等信息的直觀表達(dá)，是一種科學(xué)管理的方法，也是提高生產(chǎn)效率、決策效率的管理手段[2]。如何確定要展示的關(guān)鍵指標(biāo)的系統(tǒng)功能能否全面實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，按照時(shí)間頻度可以劃分為實(shí)時(shí)、按月、按季度、按年(包括半年)等幾大類，為滿足監(jiān)測(cè)需求，也會(huì)按照多種維度進(jìn)行分解與拆分，本文著重介紹其中的幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。

(1) 變壓器可用系數(shù)：報(bào)告期內(nèi)變壓器可用小時(shí)數(shù)與日歷時(shí)間的比值。

變壓器可用系數(shù)=

(1)

(2) 調(diào)度發(fā)受電力：發(fā)電電力(發(fā)電機(jī)極端發(fā)電電力)與受電電力(通過(guò)聯(lián)絡(luò)線交換的電力)的和，包括廠用電和網(wǎng)損。

(3) 負(fù)荷率：平均統(tǒng)調(diào)用電負(fù)荷與最高統(tǒng)調(diào)用電負(fù)荷的占比，可以反映出負(fù)荷的波動(dòng)程度。

(4) 用電量：電力企業(yè)經(jīng)營(yíng)區(qū)域內(nèi)全部用戶耗用的電量總和，可以反映出區(qū)域用電狀況。

(5) 平均供電半徑(km)：報(bào)告期末某一電壓等級(jí)變電站供電半徑的均值。

(2)

3.2 分析方法

針對(duì)電力公司的主營(yíng)業(yè)務(wù)、資源狀態(tài)、外界因素等不同指標(biāo)一般會(huì)采用不同的分析方法，既包括定量分析也包括定性分析，也能綜合兩者，以此判斷潛在風(fēng)險(xiǎn)或異常情況。分析方法包括求最大最小值、同比、環(huán)比、求和、求平均、回歸分析、時(shí)序分析等，計(jì)算式如下。

(3) 同比分析：(本期值-去年同期值)/去年同期值×100%。

(4) 環(huán)比分析：(本期值-上期值)/上期值×100%。

(5) 回歸分析：通過(guò)對(duì)解釋變量與被解釋變量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定兩者間函數(shù)關(guān)系后預(yù)測(cè)未來(lái)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是根據(jù)解釋變量的已知或者指定值來(lái)確定被解釋變量所有可能出現(xiàn)的值的均值。

(6) 時(shí)序分析：時(shí)間序列數(shù)據(jù)可以進(jìn)行類似界面數(shù)據(jù)的回歸分析，從過(guò)去的變化規(guī)律推測(cè)未來(lái)可能的變化，構(gòu)建一元回歸預(yù)測(cè)函數(shù)Yt=m+nXt。其中，Yt為被解釋變量，Xt為解釋變量年份，m/n為未知參數(shù)，估計(jì)公式為

(3)

(4)

4 總體設(shè)計(jì)

4.1 總體技術(shù)架構(gòu)

電力可視化大屏系統(tǒng)在邏輯架構(gòu)上可以劃分為源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、大屏展示層，具體層次關(guān)系如圖1所示。

圖1 電力可視化大屏技術(shù)架構(gòu)

(1) 源系統(tǒng)：集成各類業(yè)務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)提供及業(yè)務(wù)應(yīng)用支持。

(2) 數(shù)據(jù)層：包括數(shù)據(jù)中心和流程信息庫(kù)2大部分，管理結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化的海量電力相關(guān)數(shù)據(jù)。對(duì)源系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取采集及存儲(chǔ)，校驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、合規(guī)性。

(3) 應(yīng)用層：構(gòu)建監(jiān)測(cè)、分析、協(xié)調(diào)、展示4大核心[3]。

(4) 展示層：大屏展示平臺(tái)，接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，顯示矢量動(dòng)態(tài)畫(huà)面、可進(jìn)行界面切換、場(chǎng)景切換、大屏輪播。

4.2 系統(tǒng)功能流程

電力可視化大屏展示系統(tǒng)的功能流程是對(duì)各個(gè)模塊之間交互過(guò)程的描述，首先通過(guò)多源數(shù)據(jù)連接獲取初始數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理之后組裝為可視化數(shù)據(jù)格式，最終經(jīng)過(guò)個(gè)性化配置后進(jìn)行實(shí)時(shí)及輪播大屏展示。用戶操作流程總結(jié)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能流程

4.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

(1) 用戶表：存儲(chǔ)賬密等信息，包括用戶名、密碼、聯(lián)系方式、郵箱。

(2) 視圖表：存儲(chǔ)可視化視圖信息，包括視圖名稱、類型、備注、可視化數(shù)據(jù)、是否實(shí)時(shí)、關(guān)聯(lián)用戶。

(3) 靜態(tài)文件表：存儲(chǔ)上傳文件相關(guān)信息，包括名稱、描述、關(guān)聯(lián)用戶、數(shù)據(jù)。

(4) 數(shù)據(jù)源表：存儲(chǔ)數(shù)據(jù)源信息，包括連接名稱、類型、地址、端口、用戶、密碼、關(guān)聯(lián)用戶。

(5) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表：存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)相關(guān)信息，包括數(shù)據(jù)表名稱、描述、關(guān)聯(lián)用戶、實(shí)時(shí)指標(biāo)列表、狀態(tài)位。

(6) 實(shí)時(shí)指標(biāo)：存儲(chǔ)相關(guān)的實(shí)時(shí)指標(biāo)信息，包括指標(biāo)名稱、指標(biāo)描述、關(guān)聯(lián)用戶、來(lái)源數(shù)據(jù)庫(kù)類型、指標(biāo)詳情。

(7) 大屏表：存儲(chǔ)可視化大屏的相關(guān)信息，包括關(guān)聯(lián)用戶、大屏名稱、訪問(wèn)鏈接、是否加密、加密密碼、可視化視圖。

(8) 輪播表：存儲(chǔ)輪播機(jī)制，包括關(guān)聯(lián)用戶、名稱、輪播間隔、輪播內(nèi)容。

5 硬件環(huán)境

5.1 服務(wù)端

應(yīng)用服務(wù)器：CPU 4核

MEM：16G

操作系統(tǒng)：Linux

中間件：Tomcat

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器：CPU 4核

MEM：16G硬盤1T

數(shù)據(jù)庫(kù)：Oracle 11 g、MySQL

5.2 客戶端

CPU 4核 2.5 GHz以上

MEM：8G

磁盤：100G

網(wǎng)卡：1 000M

顯卡：1G獨(dú)立顯卡

6 軟件功能詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

6.1 實(shí)時(shí)大屏

電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)隨時(shí)都在變化，實(shí)時(shí)大屏主要目的是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，用戶操作流程如圖3所示。

圖3 實(shí)時(shí)大屏用戶操作流程

傳統(tǒng)實(shí)時(shí)更新是設(shè)置查詢間隔定時(shí)發(fā)送查詢請(qǐng)求，但電力系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)時(shí)指標(biāo)可以出現(xiàn)在多張實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表中，如果每個(gè)視圖都需要主動(dòng)查詢實(shí)際是一種資源浪費(fèi)，而且電力數(shù)據(jù)不斷在更新，時(shí)長(zhǎng)并不固定。因此本文采用Websocket模式，服務(wù)端與客戶端連接成功后，服務(wù)端會(huì)監(jiān)聽(tīng)connection及connect事件，客戶端會(huì)監(jiān)聽(tīng)到connect事件，斷開(kāi)時(shí)也會(huì)同時(shí)監(jiān)聽(tīng)到disconnect事件，基于這種機(jī)制，數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)發(fā)生更新后可由服務(wù)端主動(dòng)通知客戶端，確保實(shí)時(shí)自動(dòng)更新[4-5]。

6.2 大屏輪播

大屏輪播采用Vue框架及Webpack延遲加載相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，由于包含多個(gè)可視化大屏，如果只發(fā)送一次請(qǐng)求，可能導(dǎo)致服務(wù)器響應(yīng)慢或加載慢的問(wèn)題，影響用戶體驗(yàn)。為減小輪播的首屏?xí)r間，將一次請(qǐng)求的內(nèi)容通過(guò)提前設(shè)置邏輯分割點(diǎn)來(lái)發(fā)送單獨(dú)模塊的請(qǐng)求。需要展示或即將展示時(shí)才發(fā)送請(qǐng)求，提升服務(wù)器響應(yīng)速度。延遲加載函數(shù)為ConstlazyComponent = () => import(‘screen.vue’)；

輪播實(shí)現(xiàn)機(jī)制如圖4所示。

圖4 可視化大屏輪播實(shí)現(xiàn)

7 測(cè)試驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)的電力可視化大屏展示在南方某供電局進(jìn)行了實(shí)地部署，并對(duì)數(shù)據(jù)源以及實(shí)時(shí)指標(biāo)的增刪改查、靜態(tài)文件上傳、可視化視圖生成/保存、視圖類型切換、大屏視圖配置查看、輪播配置、實(shí)際輪播效果都進(jìn)行了功能測(cè)試，并觀察占用內(nèi)存、大屏加載速度等性能測(cè)試，結(jié)果表明，功能測(cè)試以及性能測(cè)試均符合原有預(yù)期，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)需求[6]。

8 總結(jié)

本文研究電力系統(tǒng)管理現(xiàn)狀，分析了電力可視化大屏的需求要點(diǎn)，確定相關(guān)關(guān)鍵指標(biāo)及分析算法，設(shè)計(jì)了電力系統(tǒng)可視化大屏展示方案，對(duì)實(shí)時(shí)大屏及輪播機(jī)制實(shí)現(xiàn)都做了詳細(xì)闡述，但在異動(dòng)預(yù)警、多源數(shù)據(jù)接口規(guī)范方面研究不夠深入，待后續(xù)進(jìn)一步探索。