基于信息機房的可視化電力調度在電力企業自動化設計中的運用

鄭超雷，史奎山，陳江堯

（浙江華云信息科技有限公司，浙江杭州 310012）

信息，通常泛指所有經由通信、存儲或處理的形式處理的傳播內容；機房，在傳統意義上為傳統工業生產的場所，隨著社會的進步，機房的定義已變遷為在通信、電力等領域用于機器集中運作的空間，一般指存放相關服務器以及設備的地方[1]。信息機房可以認為是一個采集信息，并將信息經過處理后向外部傳遞，同時又將該信息進行自身保留的場地化信息設備[2-3]，該設備涵蓋了服務器、電腦、交換機及備用電源等。隨著科學技術的進步，信息機房內的相關設備種類越來越多樣化，機房內部的場地及用能規模也在同步擴大，日趨龐大且復雜的信息機房若發生故障，極可能造成正常的數據采集、輸送、保存過程中斷，會給電力單位乃至當地的制造企業造成很大的經濟損失[4-6]。

近年來可視化技術在中國電力自動化領域中得到了大力的發展，現已成為電力系統中電力調度以及穩態運行監控的重要輔助方式[7-8]。在宏觀電力調度層面，已有部分研究人員對它進行了研究，文獻[9]中認為電力調度可以以智能機器調度員理論為基礎展開設計，相比傳統人力，該理論中的智能機器調度員的自學習能力及自適應能力在電力調度中都具備明顯的優勢。文獻[10]提到一種可視化技術的架構，該可視化技術架構的主要用途為提供智能化服務。但受限于當時的科技水平，且當時社會對電力穩定性的要求并不高，因此該架構的提出并沒有取得理想的效果。

文獻[11]對電力調度自動化系統進行了研究，在該研究中，分別將圖像、模型及數據信息相結合，共同融入到電力調度自動化系統中，完成了可視化電力調度在某省級行政區域電網自動化設計的應用及過程的分析。文獻[12]研究了一種針對輸電網管理的控制理論，對電網電力調控手段及電力調控的管理2 方面進行了分析，提出將信息機房作為電力調控及管理中心。文獻[13]通過研究電網行業的發展趨勢，分析了可視化技術對電力系統正常運行的重要性，闡述了可視化技術架構的應用。文獻[14]提出了電力系統設備的在線監測概念，認為可以將可視化技術引入到電力設備的日常監測和維運中，提高電力調度系統的調度效率的同時，同步促進工作人員管理策略的及時更改。

綜合來看，大量的研究和實踐都聚焦于將可視化的技術手段應用在電力企業宏觀電力調度架構的分析上，尚未有更細的設計和應用實踐——將可視化技術與信息機房相結合，共同作用于電力企業自動化設計中。

本文通過分析信息機房的可視化電力調度在電力企業自動化設計中的運用，闡釋了可視化技術在信息機房電力調度中的重要性，并在研究過程中，分析可視化技術在電力系統信息機房中實現的方法，為電力調度系統的正常運行提供理論依據和技術支持。

1 信息機房設備數據采集技術架構

信息機房可以認為是一個采集信息，并將信息經過處理后向外部傳遞，同時又將該信息進行自身保留的場地化信息設備。

雖然信息機房涵蓋了服務器、電腦、交換機以及備用電源等物理硬件，它在電力自動化過程中通常被視作一個完整的運行模塊。從數據流向角度著手，采用信息采集端與信息處理端相分離的方式，設計了一種應用于信息機房的跨區、兼容采集流程，結合采集管理器、Prometheus 采集中心、采集器以及文件交換組件4 個子模塊[15]完成數據流動和管理，具體內容如圖1 所示。

圖1 信息機房設備數據采集流程圖

由圖1 可知，I區網絡Prometheus 采集中心匯總各個采集點所采集到的信息，并將匯總的信息傳送到采集管理器中，采集管理器對傳送上來的數據信息進行讀取；I區網絡的采集管理器將讀取到的信息提交給交換目錄。III區網絡中的Prometheus 采集中心對自區各采集點信息進行匯總，并將匯總的信息傳送到采集管理器中，由III區交換目錄對自區采集管理器數據信息進行讀取并接受采集管理器配置。

2 個網絡區域的交換目錄通過隔離裝置進行文件交換。III區交換目錄獲取到I區交換目錄傳送數據后進行數據處理。III區網絡的采集管理器獲取交換來的數據信息后及時上報給數據庫，準時完成數據的存儲任務。

2 機房可視化電力調度系統概述

2.1 系統需求分析

提高電力系統的效率是開展電力自動化設計的首要考慮因素，將可視化運維融合入電力調控系統設計中，一方面能直觀獲取數據變化，另一方面能夠結合數據分析支撐決策，高效體現當前實體系統的配置可行性和性能情況[16]。

針對電力調控系統信息機房的可視化設計，可以在界面中重點實現數據流向和實體機組的線上數字孿生映射、集成化控制等功能。

2.2 系統功能模塊設計

在系統需求分析的基礎上，完成電力自動化系統的功能模塊的劃分，如圖2 所示。

圖2 電力自動化系統功能

電力自動化系統一共涵蓋了7 大方向內容，分別為監控、告警、配置、統計分析、安全、維護和系統管理模塊[17]。本文設計在電力自動化系統信息機房中的分區數據來源同樣出自上述7 個方向的模塊建設，分別是：①實時監控模塊。信息機房中涵蓋多套復合關聯組件，且設備數量較多，因此對信息機房內部的各類各處組件進行實時監控尤為重要。通過實時監測模塊檢測機房內部的設備實時運行質量，同時排查存在火災隱患區域、定期監測灰塵堆積和靜電情況等。②告警管理模塊。當機房內部出現不安全因素時，告警管理模塊對報警事項進行評定，如果確定為不安全因素，則進行告警提示，并在告警后通過顯示器畫面提示不安全因素產生的具體位置。③配置管理模塊。該模塊可通過機房中設備的計算承載、功耗和容量等信息分析設備運行的狀態。④數據統計與分析模塊。該模塊對信息機房中各種設備的運行狀態以及數據信息進行匯總，形成相關的數據報表、圖像報表及數字孿生圖像。⑤安全管理模塊。該模塊可通過數據統計與分析模塊生成相關的數據報表或圖像報表，分析確定系統存在危險的隱患位置及最佳處置決策，快速配置安全管理資源。⑥維護管理模塊。工作人員在系統中提前設定系統的巡視路線和周期，一旦發現存在隱患的區域，則通過維護管理模塊進行維穩處理。⑦系統管理模塊。該模塊可對系統進行管理，具體的管理內容包括工作人員事務處理的權限設置、系統日常維穩事項等。

2.3 系統軟件架構設計

各個模塊發揮效用還需要對自動化系統的軟件部分進行設計[18]，本文設計的軟件架構采用了3 層式（3-tier）區分設計，具體如圖3 所示。

圖3 系統軟件設計形式

用戶界面層用于體現接口界面以及顯示器的界面情況；中間的業務邏輯層負責對下一層采集的數據進行處理，同時將信息傳遞給上一層；數據訪問層采用DAO Interface 和DAO Factory 對機房信息進行獲取。

3 機房可視化電力調度系統實現

3.1 場景分割算法

在信息機房可視化電力調度的過程中，最關鍵的是“可視”，“可視”離不開對信息機房的場景管理。本文利用數字孿生技術，運用三維圖像綜合模擬機房內靜態、動態實體，以及機房及其內部設備關聯耦合情況。傳統的三維圖像模擬對此類復雜場景的線上映射處理較為困難，因此本設計中引入了場景分割算法，幫助解決三維場景模擬的用時及內容細化問題[19-20]。

在進行場景分割前，先完成信息機房的可視化流程梳理。信息機房相關的原始數據經由特定公式進行數據變換，輸出結構化數據表后，進一步可視化映射轉化形成用于三維圖形化的可視化基礎結構，最后通過視圖變化與關聯構建，形成用戶可見視圖。實現步驟如圖4 所示。

圖4 信息機房可視化步驟

因電力調度信息機房內設備繁雜，且運維過程的交互關系，普通的管理算法的模擬效果并不理想。因此，在本文設計的信息機房可視化技術中使用了代價函數法幫助進行場景分割，用代價函數法獲取整個場景分割算法訓練集中的所有數據誤差的平均值，同時加入防止過擬合的正則化項，快速找到最優解。在確定代價函數后，進一步為空間分割算法確定分割因子，具體示意圖如圖5 所示。

圖5 空間場景分割示意圖

由圖5 可知，V（AABB）代表空間被AABB 盒場景覆蓋，并在X、Y、Z這3 個坐標軸的距離分別為lx、ly、lz，盒V（AABB）中心在三維坐標系內的坐標是O（Ox，Oy，Oz）。假設從穿越盒V（AABB）中心垂直X、O、Z平面，分割平面向左向右的2 部分，分別是Vl、Vr。因此坐標中心到分割平面的距離為x，Vl、Vr的表面積用S（Vl）和S（Vr）來表示。如果空間內有2 個相互平行的光線，則該光線投入兩側空間的概率可用Pl、Pr來表示：

在此計算過程中，會損耗一定的計算資源，該計算資源可用代價函數C（V）來表示。假設信息機房的環境用Ct來表示，該環境中各個點、線、面的相關交疊過程中，所產生的代價為Ci，則空間代價可用公式表示為C（V）=Ct+Pl×C（Vl）+Pr×C（Vr）。

場景分割過程中，要實現對實物的監控，則需在物品單位的基礎上，關注機房內物體的完整情況，所以分割因子的確定很關鍵。如果環境中有V1，V2，…，Vm個包圍盒時，此時要計算出空間分割代價函數，計算它在橫向軸上面的偏導：

偏導數凸顯了代價函數在橫向上的變化速率，加強了分割平面的選取效率。

調度效率η可通過下式求出：

式中：k為耦合因子的數值，可表示傳遞速率；DSГГ為電力調度能量損耗速率的數值。調度效率值與電力調度速度以及自動化系統調度性能成正相關的關系。

通過以上公式可獲取信息機房數據流的效率情況。

3.2 三維可視化場景建模

3.2.1 單棒圖

在信息機房管理中，單棒圖可促進工作人員對信息機房運行狀態的感知，通過展示信息機房電力調度的圖形化數據，幫助工作人員編制電力調度策略和信息機房管理策略。但單棒圖也存在缺陷，如單棒圖屬于二維技術，它形成的場景模擬圖像屬于非立體圖像，且圖像畫質較為模糊，在其環境管理圖像中，工作人員無法查看機房內部設備的詳細信息。為了改善這一問題，可以將三維可視化技術融入其中，通過單棒圖體現機房環境的相關指標，并利用單棒圖體現設備的無功備用狀態，以中間高度和總高度確定設備的容載量和運行狀態。該做法的好處為可在不需要圖元類型選擇的基礎上體現圖元結構，從整體來看，提高了信息機房電力調度的效率。在坐標屬性中分析未體現的數值與圖像的區別，并將數值進行順序列隊，可以直觀體現隊列主棒和副棒之間的差異性。當無需區分未體現的數值與圖像的區別時，可通過顯示器體現三維單棒圖，并在圖像中凸顯棒的最大值，確定棒的最大值的三維占比。單棒圖無論是單一圖元還是整個圖形都可以進行旋轉查看。

3.2.2 圖形三維旋轉

為實現數據形成圖像的旋轉功能，以此為基礎預判設備故障，本文采用了圖形三維旋轉技術。該技術在去除設備安全隱患方面有突出的優勢，不僅可實時監測機房電力調度的各類數據，還可將數據進行旋轉，工作人員可全方位查看數據以及設備的運行狀態。該技術所用的計算方式為變化法。三維旋轉示意圖如圖6所示。觀察三維旋轉角度，由逆時針方向開始模型轉動的過程中，B為正數，而在順時針方向模型轉動的過程中，B為負數，因此可得基本坐標公式。

圖6 三維旋轉示意圖

當單一圖像經過旋轉后，形成一個新的圖形，坐標原點和三條坐標軸不變；變更了三維圖形的信息后，坐標也會出現相應變化。工作人員則需要將新的圖形進行類型確認，新的坐標也要進行相應計算，確認新的圖元。在實際的模擬計算中，可通過圖元類型以及字符進行再次模擬，將點、線、圖相連接，形成一個新的旋轉圖像，此時新旋轉圖中的定點和交點會進行變換，變成一個更為立體的三維圖像，方便工作人員對設備狀態進行分析。

3.2.3 三維可視化場景建模

雖然二維可視化技術用途較為廣泛，可以對負責的數據進行最基本的處理，有一定的數據直觀性，能為電力調度策略的制定提供部分依據，但是利用二維可視化技術形成的場景模擬圖像并不是立體圖像，且圖像畫質較為模糊，在其環境管理圖像中，工作人員無法獲取包括內部設備狀態等在內的詳細信息。因此，可以將三維可視化技術與單棒圖相結合，將信息機房內部相關設備的無功備用情況、安全隱患以及運行分析等進行三維化體現，可以利用各圖形的相對空間位置和相對長度來模擬設備的實體。

為了更加直觀體現機房內部情況，在本文算法的基礎上，建立信息機房內部環境的可視化平面模型。本文利用上述的算法及技術手段對電力自動化系統的軟硬件進行了設計，重點實現對設備全生命周期的資源容量、系統承載、能耗等的日常管理，并在此基礎上盡可能提升機房內部設備性能，同時基于各項信息數據優化效率，加強電力調度體系及電力系統線路穩定性。

三維場景組織如圖7 所示。

圖7 三維場景組織圖

三維可視化技術關鍵點為通過三維技術構建機房內場景，確定場景內環境的交互性。其技術步驟如下：通過場景包圍盒體現三維可視化運維場景，建立代價函數，通過代價函數分割場景，完成含有三維可視化技術接口通信的三維場景模型，通過接口通信實現運維以及電力調度的可視化工作。通過以上步驟，可以獲得場景組織。

根據實物狀態量或目標值與動態實物動作量之間的關聯情況及數據表征，工作人員進行針對性的電力調度決策介入。其中，為實現動作可行性評估以及對機房內調度設備動作空間的規范，采用式（1）—式（3）進行算法補充，具體如下：

式中：sj為第j個狀態變量；xi為第i個決策變量；為算法針對xi正向調整的決策動作空間；為算法針對xi負向調整的決策動作空間。

控制量和狀態量之間存在定量數學關系，為：

式中：gj（x）為狀態變量sj與決策向量x之間的定量關系函數；ωij為第i個可控制變量xi與第j個狀態變量sj之間的先行相關權重值。

工作人員需要將電力調度決策的難度和復雜程度降低，可進一步細化具體的動作值，提高電力調度的決策精度。

4 結果與分析

4.1 實驗環境

以某市變電站的機房可視化電力調度系統為研究對象，部署以下環境，評估電力調度可視化結果。

服務實現平臺為MyEclipse_4.0.0.0，JDK 為JDK1.8.32，Web 服務框架為JAX-WS+JAXB，服務部署服務器為Weblogic 12cR2，JMS 服務器為Weblogic 12cR2，服務總線為 Oracle Service Bus 11gR1（11.1.1.7.0），UDDIServer 為Weblogic 12cR2。

4.2 系統有效性分析

為驗證信息機房可視化的電力調度體系在維持電壓穩定性方面具有良好的優勢，本章節根據調度維持后電壓失衡情況開展設計，對電力調度系統增益性進行驗證，從3D 模型構建效率和資源占用情況進行驗證。對2020 年中國某城市電力調度線路電壓失衡情況進行測試。橫向對比二維可視化技術、Shape Coding可視化技術以及本文的三維可視化技術下的3 種電力調度系統，對電壓失衡情況在某一時間段的發生率進行實驗，電壓失衡測試結果如表1 所示。

表1 電壓失衡測試結果 單位：%

由表1 可知，和無任何維穩措施下的電壓失衡發生率相比，利用Shape Coding 可視化電力調度系統對線路進行維穩處理后，其電壓失衡發生率均在22.8%以上；利用二維可視化電力調度系統對線路進行維穩處理后，其電壓失衡發生率均在25.7%以上；而采用本文提出的三維可視化電力調度系統對線路進行維穩處理后，其電壓失衡發生率最低為7.6%，最高為12.7%。由此可見，本文設計的系統在降低電壓失衡發生率方面有明顯的優勢。

4.3 系統調度效率分析

為了驗證本文系統在調度效率方面的有效性，需對電力調度效率進行對比分析。當調度距離增加時，對整個電力調度的速率會產生一定的影響，此時系統性能越好，則影響越小。采用二維可視化電力調度系統、Shape Coding 可視化電力調度系統以及本文系統進行電力調度效率比較，其比較結果如圖8 所示。

圖8 電力調度效率比較結果

由圖8 可知，隨著調度距離增加，二維可視化電力調度系統的整體調度效率曲線先升后降，且最高調度效率為17%；Shape Coding 可視化電力調度系統的整體調度效率曲線也呈先升后降的趨勢，調度效率最高點為35%；本文的三維可視化電力調度系統的電力調度效率曲線與前面2 種曲線趨勢極為相近，但和其他2 種自動化系統相比，本文的三維可視化電力調度系統的電力調度效率最高，調度效率峰值達到50%，說明本文的三維可視化電力調度系統效率水平顯著。

4.4 場景分割算法分析

在實驗中進一步通過比對不同計算方法下系統對機房內環境的三維模擬以及渲染的資源使用情況來判斷場景分割算法效率。使用八叉樹算法的可視化電力調度系統、使用Cell-portal 算法的可視化電力調度系統，以及使用本文的場景分割算法的可視化電力調度系統對信息機房內的機柜、空調以及UPS 進行3D 場景模擬并生成3D 場景圖，三者使用的計算資源耗損情況如表2 所示。

表2 三種算法對比 單位：ms

由表2 可以看出，在八叉樹算法下的可視化電力調度系統中，信息機房內機柜的計算資源耗損為135 ms、空調計算資源耗損為86 ms、UPS 計算資源耗損為67 ms；Cell-portal 算法下的可視化電力調度系統中，信息機房內機柜的計算資源耗損為98 ms、空調計算資源耗損為77 ms、UPS 計算資源耗損為57 ms；場景分割算法下的可視化電力調度系統中，信息機房內機柜的計算資源耗損為49 ms、空調計算資源耗損為37 ms、UPS 計算資源耗損為32 ms，相比而言，場景分割算法下的計算耗損要比另外2 種方法減少很多。因此，利用三維可視化技術可有效提高環境場景生成速度，控制低量的計算損耗。

5 結論

隨著中國科學技術的不斷進步，電力自動化所需要的設備數量以及種類也在不斷增加，因此對這些設備的管理是電力正常運行的關鍵。對設備的管理主要通過觀察設備相關數據信息，以此判定設備是否正常運行。本文對信息機房的可視化調度過程進行了相關研究，分析場景分割等算法下優化機房內部設備的性能、利用信息機房出入的各類數據流維持電力系統穩定性的可實施性。結果表明，本文設計的方法可以有效降低電壓失衡情況的發生率、提高調度效率，信息機房數字孿生場景生成速度也有較好保證，為電力調度系統的正常運行提供了理論依據和技術支持。