平行視覺框架下的高壓輸電網(wǎng)供電均衡性可視化方法

董海山, 韓玉鋒, 馮雯雯

(國網(wǎng)泰安供電公司,山東,泰安 271000)

0 引言

高壓輸電網(wǎng)是保證供電安全可靠的一個重要設備,受到自然環(huán)境的影響,很容易出現(xiàn)一些事故和問題,往往需要及時的檢修和保養(yǎng)[1]。在目前的電力系統(tǒng)中,利用供電均衡性分析高壓輸電網(wǎng)是否安全可靠,也是一種比較常見的方法,特別是隨著信息技術的更新?lián)Q代,逐漸出現(xiàn)不同形式的可視化技術,利用可視化技術直觀地觀察到高壓輸電網(wǎng)供電均衡性的變化情況,既能保證技術人員的人身安全,又實現(xiàn)了對目標的實時監(jiān)管[2-5]。

在國內(nèi)外研究中,電氣單線可視化方法比較常見,即從輸電網(wǎng)絡的布局布線入手進行可視化處理,如文獻[6]提到的基于三維激光雷達的可視化方法,通過三維激光雷達技術的應用,實現(xiàn)了對輸電網(wǎng)內(nèi)供電數(shù)據(jù)的精確采集,提高了可視化方法的精度,但是在實際應用中,對于一些過載比較大的線路,可視化框架比較脆弱,在可視化界面中供電節(jié)點之間連通性比較差。文獻[7]利用物聯(lián)網(wǎng)技術在GPS技術的支持下對高壓輸電網(wǎng)進行定位,為供電均衡性可視化提供準確的信息,提高了工作效率,但是可視化框架脆弱問題并沒有得到解決。文獻[8]提出了一種圖的可視化方法,作為一個比較新穎的可視化方法,其整體對數(shù)據(jù)的把控更為準確,但是并沒有解決可視化連通性差的問題。

因此,本文提出平行視覺框架下的高壓輸電網(wǎng)供電均衡性可視化方法,解決上述存在的問題。

1 平行視覺框架下的高壓輸電網(wǎng)供電均衡性可視化方法設計

1.1 建立高壓輸電網(wǎng)供電均衡性可視化對象

在平行視覺框架下,以平行管理的方式將虛擬與現(xiàn)實連接在一起,借助可視化技術將現(xiàn)實中的高壓輸電網(wǎng)供電均衡性虛擬化處理,通過計算機展示出來,實現(xiàn)目標的可視化。平行視覺框架如圖1所示。

圖1 平行視覺框架結構示意圖

依據(jù)圖1展示的平行視覺框架,以高壓輸電網(wǎng)真實的數(shù)據(jù)集作為依據(jù),構建出可視化對象。使用CCD圖像傳感器,采集高壓輸電網(wǎng)真實的供電信息,在獲得真彩圖像后,對圖像進行灰度變換,得到圖像的灰度值[9-11]。計算式如下:

V=0.2989×R+0.587×G+0.114×B

(1)

式(1)中,R、G、B表示真彩圖像中的紅、綠、藍。圖像經(jīng)過灰度處理后,將最前端灰度跳躍為背景噪聲,在后續(xù)處理前將其濾除掉,得到無噪聲干擾的目標圖像[12-14]。將目標圖像作為依據(jù),構建灰度共生矩陣,用以描述不同狀態(tài)下2個像素的分布頻率,表示為

(2)

式(2)中,ω表示方向角,l表示不同像素的距離,(x,y)和(x′,y′)表示2個像素目標,i和j分別表示2個像素目標的灰度值,Tr和Tc分別表示目標圖像的行數(shù)和列數(shù),#表示包含的元素數(shù)[15]。將灰度共生矩陣作為可視化對象,配置地理接線圖,可視化高壓輸電網(wǎng)供電均衡性。

1.2 配置地理接線圖

利用圖像傳感器獲得地理接線圖實景信息,根據(jù)高壓輸電網(wǎng)設備間的拓撲連接關系,將設備添加到網(wǎng)格中,網(wǎng)格化處理高壓輸電網(wǎng)地理接線圖。其主要內(nèi)容為離散化處理設備連續(xù)坐標,使用離散化坐標值代替原有的坐標值。離散化處理示意圖如圖2所示。

圖2(a)表示離散處理前設備的坐標位置。圖2(b)表示離散處理后設備的坐標位置。在離散化處理過程中,注意不要出現(xiàn)坐標點重疊的情況,當發(fā)現(xiàn)目標坐標點被一個設備占據(jù)時,將該設備離散坐標點附近的空位置作為坐標點。在離散化處理完成后,按照主干線、分支的順序生成線路圖,確定主干線縱坐標位置,表示為

(3)

式(3)中,ymax和ymin分別表示饋線上節(jié)點最大縱坐標和節(jié)點最小縱坐標。在確定主干線縱坐標位置后,將各個節(jié)點映射到y(tǒng)=y0水平線上,沿著潮流方向,確定各個節(jié)點的橫坐標,在所有節(jié)點映射完畢后,生成一條水平放置的主干線。

對于不同級別的分支線,按照不同等級,采用不同的配置方式。對于1線分支,在主干線右側布置首節(jié)點,以潮流流動的方向為主;對于2線分支,分為兩種情況,當潮流方向向右時,將首節(jié)點配置在1線分支的左側,如果潮流方向向左,將首節(jié)點配置在1線分支的右側。2種級別的分支線影響方法與主干線相同。在完成地理接線圖的配置后,對輸電網(wǎng)供電均衡性進行可視化處理。

1.3 可視化輸電網(wǎng)供電均衡性

在明確可視化對象,完成地理接線圖的配置后,針對高壓輸電網(wǎng)供電均衡性進行可視化。假設以數(shù)學函數(shù)g表示供電均衡性,g=1時,表示供電均衡,g=0時,表示供電不均衡?？梢暬幚碇?g將設置為目標函數(shù),將高壓輸電網(wǎng)運行狀態(tài)、輸電網(wǎng)負載均衡度作為參數(shù),引入目標函數(shù)中。其中,輸電網(wǎng)運行狀態(tài)表示為

(4)

輸電網(wǎng)負載均衡度表示為

g2=ε·U

(5)

(6)

式(4)～式(6)中,α表示與運行狀態(tài)等值的運行系數(shù),m表示時間冪數(shù),εa和εb表示負載均衡偏差強度,p表示負載均衡度,U表示負載均衡強度基值。由此得到表示供電均衡性的目標函數(shù)為

g=g1+g2

(7)

將上述中輸電網(wǎng)運行狀態(tài)參數(shù)和負載均衡度通過平行視覺框架展示在人機交互界面上,在技術操作過程中,可直觀地觀察到高壓輸電網(wǎng)均衡性的變化情況。

至此,平行視覺框架下的高壓輸電網(wǎng)供電均衡性可視化方法設計完成。

2 實驗

2.1 實驗參數(shù)設置

在高壓輸電網(wǎng)供電均衡性可視化方法設計完成后,為了判斷可視化方法在實際應用中是否能滿足供電均衡性的標準要求。采用IEEE-6節(jié)點系統(tǒng)作為實驗算例,以3種常見的可視化方法作為對比項,結合設計的可視化方法共同研究自身的連通性。實驗中使用的IEEE-6節(jié)點系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 IEEE-6節(jié)點系統(tǒng)線路示意圖

圖3中顯示的數(shù)字表示IEEE-6系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點的有功出力和帶負荷能力,以圖3中顯示的系統(tǒng)作為目標,設置相關實驗參數(shù)。具體內(nèi)容如表1所示。

表1 IEEE-6節(jié)點系統(tǒng)節(jié)點參數(shù)設置

在實驗參數(shù)設置完成后,以節(jié)點加權值和可視化結構均衡度作為實驗指標。在實驗結束后,根據(jù)不同的可視化方法的節(jié)點加權值實驗結果和可視化結構均衡度實驗結果分析可視化方法的連通性。

2.2 可視化結構均衡度實驗結果分析

在可視化結構均衡度實驗中,使用不同的可視化方法處理實驗目標,主要方法有基于三維激光雷達的可視化方法、基于物聯(lián)網(wǎng)的可視化方法、基于圖的可視化方法以及本文設計的可視化方法。由于實驗的設計與研究主要目的在于驗證本文設計的可視化方法的連通性,在實驗目標處理完成后,輸出本文設計的可視化方法的部分可視化結果。IEEE-6節(jié)點系統(tǒng)的平行視覺可視化如圖4所示。

圖4 IEEE-6節(jié)點系統(tǒng)的平行視覺可視化

圖4中,本文設計的可視化方法在正常情況下可以運行,并且線路運行良好。以可視化結果作為依據(jù),計算各個可視化方法的結構均衡度,以各個線路的支路作為計算目標。在計算前,為了保證不同可視化方法的性能公平性,利用公平函數(shù)表示不同可視化方法間的公平性,公平函數(shù)如式(8)、式(9):

(8)

(9)

式(8)～式(9)中,X表示所有目標節(jié)點的處理量,N表示節(jié)點數(shù)量,w表示節(jié)點編號,Ew表示節(jié)點w的處理量。在保證公平性指數(shù)在0.5以上的前提下,計算各個可視化方法的結構均衡度,實驗結果如圖5所示。

圖5 不同可視化方法結構均衡度實驗結果

圖5中顯示了不同的可視化方法在完成對目標的可視化后,得到的可視化結構均衡度結果。從圖5可以明顯看出,在4組實驗結果中,1-2支路的結構均衡度是相近的,其他支路的結構均衡度出現(xiàn)了比較明顯的差異,節(jié)點編號越大,差異越大,說明常見的可視化方法在對目標進行可視化時存在節(jié)點超負荷情況,導致可視化結構不均衡。這種情況極有可能導致供電系統(tǒng)負載的大范圍變化,影響供電的穩(wěn)定性和安全。只有本文設計方法在不同支路保持高水平的結構均衡度,整體可視化更加穩(wěn)定。

2.3 節(jié)點加權值實驗結果及分析

實驗采用的IEEE-6節(jié)點系統(tǒng)比較單一,在實驗設計中,設計2種節(jié)點規(guī)劃方案:一種是50%以上的節(jié)點度數(shù)小于5,使節(jié)點系統(tǒng)整體平均節(jié)點度在3.0左右;另一種是50%以上的節(jié)點度大于5,使平均節(jié)點度在7.0左右。在2種不同節(jié)點度分布的條件下,驗證各個可視化方法的節(jié)點加權值,加權度越高說明在可視化界面中連通性越好。實驗結果如圖6所示。

分別觀察圖6中2組實驗結果,通過圖6(a)可知,在方案1實驗條件下,各個可視化方法的節(jié)點加權值處于中低水平,其中以基于三維激光雷達的可視化方法變化最為明顯,在節(jié)點2位置出現(xiàn)了最低值,說明可視化結果中存在無效節(jié)點,嚴重影響供電均衡性分析;只有本文提出的可視化方法的節(jié)點加權值始終保持比較高的水平。

在圖6(b)實驗結果中,各個可視化方法的節(jié)點加權值均有了明顯的提升,相比之下,常見的可視化方法存在比較大的波動,在節(jié)點4和節(jié)點6有明顯的下降,而本文提出的可視化方法并沒有出現(xiàn)這種情況。

3 總結

本文提出高壓輸電網(wǎng)供電均衡性可視化技術,實現(xiàn)了輸電網(wǎng)供電均衡性可視化的展示?；谄叫幸曈X框架,應用CCD圖像傳感器和可視化技術,按照不同等級采用不同的配置方式,一一配置主干線和分支線級別,結合地理接線圖與供電均衡性目標函數(shù),使其具有非常好的連通性,能夠滿足供電均衡性分析的需求。

但是可視化技術中包含二維可視化和三維可視化,在實際操作中,2種可視化形式是不可分割的,在本文中,并沒有從兩者結合的方向展開深入研究,可視化技術的潛力沒有得到充分發(fā)揮,在后續(xù)研究中,將從更科學合理的角度展開深入探討和研究,以完善可視化功能。