電力系統安防設備可視化設計及實現

廣東電網有限責任公司梅州供電局 謝彬凌

隨著現代計算機技術的發展，電力系統中網絡通信設備數量也隨著增多，傳統人工監控管理這些設備的方法漸漸帶來諸多不便，我們需要一種更加直觀和有效的手段去解決網絡通信設備資源難以管理的問題。文章闡述了可視化技術的基本理論，并介紹了怎么使用它去可視化電力系統中的安防通信設備，使得眾多設備數據可以進行可視化管理和監控，能夠方便的查看電力系統運行過程電力安防設備的運行狀態。除此之外，還可以準確有效的確定故障問題所在，及時采取措施進行消除，減少損失。

1 引言

可視化技術通過計算機來生成人們所能看見的圖像數據，可視化技術主要包括了計算機視覺、人機交互和計算機圖形學等研究領域。可視化技術主要可用劃分為四大類：知識可視化、數據可視化、信息可視化和計算科學可視化。知識可視化是將領域內容為基礎的結果可視化操作（安貞巧.NBOS_S可視化的設計與實現[D].東南大學,2014）。數據可視化主要是將數據庫數據機械能可視化，而信息可視化是一種通過計算機進行支撐，對抽象數據交互性可視的表示方法。計算科學可視化主要是采用計算機圖形學技術，對科學計算產生的過程數據和計算結果進行處理，從而生成圖形圖像顯示到屏幕上并進行相應的交互操作處理（張卓,宣蕾,郝樹勇.可視化技術研究與比較[J].現代電子技術,2010,33(17):133-138;賀全兵.可視化技術的發展及應用[J].中國西部科技,2008,7(4):4-7）。這四種方法之間并不是相互獨立的，它們之間存在著聯系，本質商都是數據到可視化的過程。

目前電網系統變的越來越龐大、復雜，人們開始使用一些可視化手段去管理電力系統中的眾多設備，比如在電力自動化中，監控方面用來采集數據和監視控制的（SCADA）系統，可以對現場運行設備進行可視化監視和控制。但是在電力系統中，眾多網絡通信相關設備往往缺少了一些方便有效的可視化監管方法。智能化技術和可視化技術的應用，是電力調度自動化技術未來的發展趨勢。現階段，調度自動化系統正不斷朝數字化、網絡化、集成化和智能化方向進行發展（沈國輝,佘東香,孫湃,等.電力系統可視化技術研究及應用[J].電網技術,2009(33):17;王飛,孟艷卿,李奇峰,等.電力調度自動化系統應用現狀及發展研究[J].中國高新技術企業,2016(15):132-133）。基于這種情況，本文介紹電力系統內的安防設備網絡通信可視化的設計與實現，以此提高電力系統監控過程中安防設備管理工作效率，并希望能夠給這一方面技術實現提供案例。

2 架構設計

2.1 需求分析

在真實的電力系統監控過程中，我們需要處理的是各個變電站安全防護設備的網絡通信狀態。其中最主要數據是各個變電站安防設備的信息數據和網絡通信數據。根據電力系統二次安全防護工作要求，在電力系統的安防設備主要有交換機、縱向防火墻、控制交互機、網關等。我們需要進行設備可視化的處理，并同時顯示設備相關信息數據。除此之外，還需要增加交互操作。

由于我們可視化最終的工作是監控這些安防設備的網絡通信狀態，所以對其網絡拓撲結構圖也進行可視化處理。總的來說可分為節點可視化、線路可視化、網絡結構可視化三個方面（楊彥波,劉濱,祁明月.信息可視化研究綜述[J].河北科技大學學報,2014,35(1):91-102）。節點代表安防設備；線路是網絡通信狀態；網絡結構是各個安防設備的整個通信網。

2.2 MVC模式

可視化的實現有很多種設計模式，我們采用經典的MVC（Model-View-Controller）模式。MVC模式主要從程序輸入輸出控制、數據的處理以及數據的展示進行分離，同時說明了不同模塊對象之間所使用的通信方式，從而減少不同數據模型和方法的耦合度，提高模塊內聚性，程序的結構由此變得更加簡潔靈活（任中方,張華,閆明松,等.MVC模式研究的綜述[J].計算機應用研究,2004,21(10):1-4;瞿連政.基于MVC模式的戰術網絡監控系統研究[J].軟件導刊,2013,12(1):66-67）。模型主要是電力安防設備的數據的邏輯抽象，在可視化的視圖中，我們通過交互調用控制器進行操作的處理并更新。其整體關系如圖1所示，我們通過可視化整個電力系統安防設備的網絡拓撲結構，可對故障網絡線路進行標記。

圖1 MVC模式關系圖

3 可視化實現

可視化的實現也有很多種手段，比如HTML5 canvas、SVG、OpenGL等。在這里由于電力系統本身環境的限制，我們采用了Qt提供的圖形庫進行可視化的實現。Qt是基于C++的一種圖形用戶界面開發框架，它集成了許多圖形相關的類，可以很容易的進行擴展使用開發出所需的圖形應用程序（Jasmin B,Mark S著.C++ GUI Qt4編程[M].閆鋒欣,曾泉人,等譯.北京:電子工業出版社(第2版),2013:138-150）。

本文的整個可視化界面類NetworkWidget繼承于QWidget,作為整個電力系統安防設備的網絡拓撲關系可視化的容器，它包含了一個變電站的所有安防相關設備和對應線路之間的連接關系。它代表著MVC模式中的View，提供了可交互性操作。它是可視化界面的開始，并處理相關的可視化數據。根據變電站的設備的連接狀態組成整個網絡拓撲結構，并對更新事件進行反應，定義如表1所示。

表1 NetworkWidget類定義代碼

電力系統中安防設備類NetworkItem繼承于Qt的圖形類QGraphicsPixmapItem，其預先定義了圖元顯示和可交互接口，我們通過重寫這些接口實現了安防設備圖元的顯示，鼠標點擊和拖拽功能等可交互功能。其主要定義偽代碼如表2，每個電力系統安防設備都可以跟別的設備安裝一定關系進行連接，我們通過重寫可視化繪制和鼠標事件函數進行設備的可視化和可交互功能的實現。

表2 NetworkItem類定義代碼

電力系統中的安防設備都有線路關系，每一條線路類EdgeItem繼承于QGraphicsItem類，連接不同設備。主要的實現難點在于設備交互操作時候的實時更新線路位置。我們通過計算線路連接兩端連接的設備位置變化信息進行重新計算線路的位置，以調整線路可視化的正確性，其調整函數的實現代碼如表3所示。

表3 線路位置調整代碼

4 實驗結果與分析

圖2給出了中給出電力系統中一個變電站中初始安防設備的網絡拓撲關系可視化圖，我們采用百度的IP作為可連通的設備測試數據，其它是隨意不可通合法IP數據。

圖2 初始設備拓撲網絡

由實驗結果可知，連通線路以綠色標注，而通信出現問題線路以紅色故障顯示； 工作人員可以很明顯發現電力系統中安防設備的網絡通信故障出處并及時處理。 可交互性操作可分為單選和全選，全選對整個可視化拓撲網絡圖進行操作，可以進行放大放小旋轉等操作；單選則能對單一圖元設備進行信息輸入更新、拖拽等交互性操作，如圖3所示。

圖3 故障檢測設備拓撲網絡

5 結論

本文以可視化技術為基礎，首先介紹了可視化相關的理論與分類。然后進一步引申到在可視化技術在電力系統中的應用，提出了對電力系統的安防通信設備進行可視化的必要性，接著對本文中電力系統安防設備進行可視化的需求分析與MVC設計模式進行了介紹，從技術層面上分析了電力系統安防設備可視化的可行性。然后是本文的重點內容，通過部分重要功能的偽代碼給出了整個安防設備網絡拓撲可視化的實現進行了講解。文章最后展示了系統實驗結果，證明了對電力系統安防設備的可視化是有效可用的。可以幫助電力系統監控中安防設備的監控和管理，做出積極有效的貢獻，降低通信網絡的運維成本，提升了整體電力系統中通信網絡設備的故障管理和監測水平。