可視化技術在EMS系統中的應用

余虹

（浙江省電力公司，浙江 杭州 310007）

1.引言

電力系統是一個大型系統，節點星羅棋布，支路縱橫交錯。系統在運行中產生大量諸如電壓、電流、功率等事實數據，這些數據通常以數字的形式在電力系統圖上顯示。運行管理人員常被埋沒在這些變化著的海量的枯燥數據中，往往忽視了一些對運行或設備有關鍵意義的數據，不能有效發現一些事故的征兆。電力系統對安全性要求較高，隨著系統規模越來越大、各種數據越來越多，傳統的數據顯示方式已不能很好地滿足實際要求，電力系統可視化技術成為解決這一問題的最佳方案[1]。

根據所顯示數據的性質和來源的不同，電力系統可視化顯示的內容可以劃分為數據顯示、分析結果展示。數據顯示即顯示電網運行過程中產生的各種量測信息，包括網絡數據、節點數據和線路數據等，可以結合運行方式信息或者相關的地理信息進行展示。分析結果顯示則是將各種傳統的分析計算程序的輸出結果以圖形或者圖像方式進行展示，如N-1分析結果、靈敏度計算結果等[2][3]。

如何采用更有效的手段，利用可視化的技術和手段展示電網運行的信息已成為一個重要的研究課題。

2.電力系統可視化技術包含的內容及方法

可視化的手段主要是采用二維或者三維圖形的大小、顏色、透明度、位置關系、動畫等維度，按照一定的規則進行編碼，使之能攜帶相關的信息，組成一幅圖像或圖形，最終反映給使用者。在考慮一個具體的可視化方案時，必須對各種可用的編碼方式進行合理的組合和權衡，使最終形成的可視化方案直觀清晰，主題鮮明[4,5]。

電力系統可視化技術需要根據電力系統的特點和電網運行管理的性質進行合理的設計，為此，提出主題的概念來應用電力系統可視化技術。所謂主題，是指電網運行管理人員所關注的一個方向，如設備負載率、電壓穩定情況、安全分析結果等。電力系統龐大而復雜，很難能用一個指標或一個維度去描述，因此采用分主題的方式組織電力系統可視化展示符合操作人員的思維習慣，適應于現有的電網理論研究水平。

2.1 可視化的過程

電力系統可視化運行數據的過程包括四個步驟：

（1）過濾：對原始數據進行預處理，去除擾動和噪聲；

（2）映射：將過濾得到的數據映射為幾何元素，如：點、線、面、三維體圖形等；

（3）繪制：幾何元素繪制，得到結果圖像，目前常用到OpenGL技術；

（4）反饋：顯示圖象，并分析得到的可視結果。

2.2 可視化系統的實現

應用現有的計算機顯示設備，可以通過二維和三維的方式對數據進行展示，其中的二維方式包括文字、圖形、動畫、顏色等，3D方式則可以應用不同的三維物體的形狀、顏色、透明度等手段。隨著電網可視化主題的豐富和展示手段的進一步研究，越來越多的可視化手段在電力系統監控中得到了很好的應用。

2.2.1 二維可視化展示手段

（1）標尺

如圖1所示，標尺是一種集幾何形狀與顏色、透明度于一體的二維展示手段，最適用于展示母線電壓等這類具有上下限的數值。通過標尺中的填充方向和填充比例表示數值當前的相對大小以及與上下限的接近程度。根據當前值與給定的預警限制、報警限制比較，可以控制標尺整體的顏色、大小、透明度等，在出現接近或超越限制時引起使用者的充分重視，同時在正常狀態下不分散用戶的注意力。

圖1 標尺圖

（2）普通餅圖

普通餅圖采用扇形占整圓的比例表示分量占總量的比例關系，如圖2所示，適用于表示線路的負載率等歸一化的相對量。和標尺一樣，可以使用當前比例控制餅圖的顏色、大小、透明度等。

圖2 餅圖

（3）流水線

圖3 流水線

流水線是一種非常直觀的表示流動物理量的抽象化圖元，采用三角形作為流動的元素，三角形的方向指向流動的方向，三角形的大小表示量的大小，通常采用絕對的數值對三角形進行編碼，使同一幅圖上的不同流水線之間的三角形大小具有可比性，如圖3所示。在動畫模式下，三角形沿著預定的方向流動。可以對流水線的顏色、大小、速度、方向進行編碼，表示與某些限值的相對關系，圖3中，下側流水線的顏色要比上側的流水線顏色更紅一些，表示其更接近本身的限值。

（4）等高線/顏色圖

在與地理信息相結合展示數據點信息時，如果對沒有數據的區域按照某種方式進行插值計算，把所有數值相等的點連接起來，就得到類似于地圖的等高線展示方式，為了更加值觀，通常會填充按階梯分布的顏色，得到如圖4所示的顏色圖。圖4中以標尺所表示的母線電壓為數值基礎，結合標尺所處的圖形位置渲染得到的顏色等高圖。

圖4 顏色圖示例

2.2.1 三維可視化展示手段

三維展示手段較平面二維展示手段多出了高度信息，同時也引入了體積的概念。采用三維展示手段可以在同樣圖元密度的平面圖基礎上展示更多的信息。

（1）圓柱 /圓錐

三維圓柱可以由任意多個柱節相疊組成，可以賦予每個柱節獨立的意義，可以單獨控制每個柱節的高度和顏色，所有的柱節采用統一的半徑。示例中的圓柱分為兩節，下面綠色填充柱節表示變壓器的負載率，上面半透明柱節表示距離負載率100%的距離，如圖5所示。圓柱的半徑、高度、顏色、透明度都可以用來編碼，如果關系恰當，還可以用圓柱的體積表示某種數量。

圓錐表示方法與此類似，圓錐一般不用多節層疊的方式，并且可以通過圓錐頂部的朝向表示不同的含義。

（2）空間連接線

使用空間中的連接線，能夠清楚表示三維空間中的圖形部件之間的關聯關系，有效避免在二維平面上連接線交叉的問題。通過對空間連線的顏色、線寬、透明度進行編碼，使之攜帶更多的信息。

圖5 圓柱圖

3.電力系統可視化主題展示應用

可視化主題用來集中展示電網某一個或某一些方面的特征，一個可視化主題的展示離不開圖形、數據服務和可視化圖元三部分內容。圖形通常采用調度自動化系統常用的單線圖、潮流圖、地理圖等，作為可視化展示的背景基礎；數據服務是可視化數據的來源，可以是直接的電網實時量測數據，也可以是分析計算的結果，這是可視化展示的核心內容；可視化圖元則是根據主題的用途和數據的性質采取前面所述各種可視化手段進行組合，這是可視化的直接形式。

可視化展示既可以直接使用已有的調度自動化系統中的圖形，也可以新建適于可視化展示的專用圖形。可視化系統架構采用可擴展插件技術，當需要擴展一種新的分析計算業務數據可視化時，只需要開發相應的插件并恰當配置即可在可視化環境中應用。

3.1 電壓監視主題

圖6 電壓監控可視化主題

如圖6所示，采用潮流圖作為可視化背景，在變電站旁邊，適用標尺表示站內主要母線的電壓水平，圖上的數據來自智能監視服務。圖形背景針對標尺的坐標和標尺所表示的電壓水平進行顏色映射并渲染得到顏色等高圖。從圖上可以看到，左上部顏色圖偏黃色，表示該區域的電壓水平較其它區域高，從附近幾個場站的電壓標尺可見，有的標尺接近預警限值，有的標尺已經超過了預警限值。運行使用人員只需要在全局圖上看一眼便可清楚知道整個電網電壓區域的分布關系。

3.2 設備負載率監視主題

圖7中以線路負載率和傳送潮流監視界面為基礎，采用餅表示線路的負載率，采用流動的箭頭形狀表示線路傳送有功潮流的方向和大小，不同線路上的三角形大小不同，可以定性表示相應線路有功潮流的大小關系。超過預設限值的線路負載率和潮流線上的箭頭符號都會改變顏色，引起用戶的注意。

圖7 線路負載率和潮流傳輸監視主題

3.3 N-1分析結果展示主題

圖8N-1分析可視化中的場景，表示的是N-1分析結果的概覽，即所有掃描到的故障及其嚴重程度，圖上每個故障所引起的越限情況采用圓柱來表示，圓柱的高度表示引起越限狀況的數目。該圖上還有一些比較透明的小圓椎，表示所在位置的部件故障也進行了掃描，但是沒有引起越限。通過故障概覽圖可以對N-1分析掃描的所有故障和那些嚴重程度較高的故障一目了然，如果需要了解具體一個故障的詳細內容，可以在圖上雙擊代表該故障的圓柱，進入詳細信息界面。

詳細圖中，仍用圓柱表示故障的嚴重程度，意義與其在概覽圖中的意義完全相同，其它圖元表示該故障所引起的越限信息。詳細圖中使用空間連線把故障和所影響的設備連接起來。在詳細圖上雙擊故障圓柱便可回到先前的故障概覽界面。

圖8 N-1分析結果可視化故障詳細信息

3.4 應用現狀

目前，二維可視化技術的應用已比較廣泛，浙江省的AVC系統、湖州和舟山的可視化調度系統已成功應用了這些技術來增強電力圖形的可視化效果，實踐證明應用可視化技術有利于調度人員迅速發現問題和解決問題。

4.結束語

調度自動化系統是一套實用化的生產運行系統，關系到實際的電力生產，可視化技術的應用應該以增強實用化為主要目的。可視化主題展示用創新性的圖示表示方法、多維坐標轉換、虛擬現實等深入研究信息展現技術，實現電網運行控制管理的直觀展示，可以更好地支持智能電網業務應用需要，提高調度運行規范化和科學化水平。

[1]劉嬈,李衛東,呂陽.電力系統運行狀態可視化技術綜述[J].電力系統自動化,2004,28(8)：92-98.

[2]王慶紅.電力系統可視化技術及其在南方電網的應用[J].南方電網技術研究，2006,2(3)：40-44.

[3]韓禎祥,呂捷,邱家駒.科學計算可視化及其在電力系統中的應用前景[J].電網技術,1996,20(07),22-27.

[4]Thomas JOverbye.電力系統可視化技術[J].電力系統自動化,2005,29(16)：60-94.

[5]胡之武,邱家駒,王康元.電力系統節點運行數據等高線可視化實現方法[J].電力系統自動化,2005,29(8)：55-59.