可視化技術(shù)在電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

馮 平

(廣東電網(wǎng)河源連平供電局，廣東 河源 517100)

可視化技術(shù)在電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

馮 平

(廣東電網(wǎng)河源連平供電局，廣東 河源 517100)

電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大使得電網(wǎng)的調(diào)度工作變得越來越重要。目前，南方電網(wǎng)在調(diào)度自動化方面已經(jīng)達到一定水平，但在發(fā)生故障時大量信息的瞬間加載仍會使得操作人員操作難度陡然增大?？梢暬夹g(shù)是計算機圖形學(xué)的重要分支，其將大量數(shù)據(jù)用直觀方式展示出來，與電力調(diào)度自動化系統(tǒng)結(jié)合能為操作人員減少繁重的工作?，F(xiàn)闡述了可視化技術(shù)的相關(guān)概念和實踐意義，簡要介紹了實現(xiàn)可視化技術(shù)的一般方法，并在此基礎(chǔ)上詳細分析了可視化技術(shù)在電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中的實現(xiàn)。

可視化；電力調(diào)度自動化系統(tǒng)；數(shù)據(jù)信息

0 引言

電力系統(tǒng)中存在著海量的信息，例如狀態(tài)信息、警報信息和故障信息等，操作人員必須對這些數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，從大量的數(shù)據(jù)信息中快速搜索到感興趣的部分是電力調(diào)度自動化系統(tǒng)所需要具備的優(yōu)勢。簡潔的工具能夠使操作人員及時準(zhǔn)確了解故障系統(tǒng)的真實狀況，通過簡單操作即可判斷故障發(fā)生地點、嚴(yán)重程度等，便于迅速作出補救措施?；谟嬎銠C圖形學(xué)的可視化技術(shù)提供了一種新的數(shù)據(jù)表示思路，將枯燥的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形、圖像，表達豐富信息的同時更能夠被人們所接受?？梢暬夹g(shù)和電力調(diào)度自動化系統(tǒng)的結(jié)合為電力調(diào)度提供了極大便利，也為可視化技術(shù)的應(yīng)用拓展了一個新的方向。國內(nèi)已在該方面取得了一定的成效，廣西電網(wǎng)公司與國外公司合作，在幾個應(yīng)用現(xiàn)場試行了可視化系統(tǒng)，取得了較好的效果。

1 可視化相關(guān)概念和意義

可視化技術(shù)實際是數(shù)據(jù)的圖示化，該技術(shù)利用了人類視覺信息處理的高速度、大容量和并行工作特點。電力系統(tǒng)調(diào)度數(shù)據(jù)的取得是在一定時間或空間范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)分布在一定的數(shù)據(jù)場之中，常見的有二維數(shù)據(jù)場和三維數(shù)據(jù)場等等，分布狀況呈現(xiàn)離散特征，幫助人們找出這些離散數(shù)據(jù)的特征是可視化技術(shù)的任務(wù)?？傮w而言，可視化技術(shù)具備如下意義：(1) 極大提高數(shù)據(jù)的利用效率和利用速率，在當(dāng)今的大數(shù)據(jù)時代下不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)浪費現(xiàn)象。(2) 使得人機之間的圖像交互變得可能，人和人之間的圖像通訊可以實現(xiàn)。現(xiàn)今的文字和數(shù)字通訊使得隱藏在數(shù)據(jù)之下的規(guī)律更加容易被發(fā)現(xiàn)。(3) 操作人員改變了以往的被動接受解算結(jié)果的形式，清楚知道計算的整個過程，能夠通過改變參數(shù)來對計算過程實現(xiàn)引導(dǎo)和控制。(4) 借助于計算機輔助手段實現(xiàn)可視化技術(shù)，能夠進一步實現(xiàn)分布式環(huán)境下的調(diào)度協(xié)同設(shè)計。

2 可視化過程和可視化方法

對于從自然現(xiàn)象到模擬現(xiàn)象的過程，可視化技術(shù)需要經(jīng)過以下幾個步驟：(1) 預(yù)處理：對于原始現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)先處理，變換數(shù)據(jù)格式，濾除噪聲，放大感興趣的部分等。(2) 映射：將預(yù)處理之后的數(shù)據(jù)按照一定映射關(guān)系映射成幾何元素，常見幾何形式包括點、線、立體圖甚至更高維次的特征向量等。(3) 繪圖：將幾何元素繪制成圖。(4) 反饋：展示圖像，進行可視化分析。以上4個環(huán)節(jié)處于周而復(fù)始的迭代之中，不同的具體應(yīng)用場景有著不同的側(cè)重方向，實際操作過程需要進行反復(fù)求精。

二維平面數(shù)據(jù)場、三維空間數(shù)據(jù)場以及動畫可視方法等是科學(xué)計算領(lǐng)域的可視化方法，其中顏色映射方法和等值線法主要運用在二維平面數(shù)據(jù)場中，直接繪制法和信息抽取算法則是三維空間數(shù)據(jù)場的主要處理手段。

以顏色映射方法為例，不同的顏色表示不同數(shù)值的大小，映射關(guān)系的兩邊分別是數(shù)據(jù)和顏色，利用計算機硬件提供的RGB基色值直接進行插值，能夠提高繪圖速度。對于顏色映射模型中的非線性映射所帶來的誤差可以用顏色表的方式來解決，在顏色表和數(shù)據(jù)之間建立索引，可以避免插值誤差。另外的常見處理方法是等值線法，在采用網(wǎng)格序列法生成網(wǎng)格單元矩形時，先逐步計算網(wǎng)格單元和等值線的交點，連接交點得到等值線段，再連接單元內(nèi)的等值線段，即可構(gòu)成該網(wǎng)格的等值線?？臻g插值是可視化等值線法中最主要的過程，常見的空間插值算法有反距離加權(quán)法、最小曲率法、多元回歸法、徑向基本函數(shù)法、自然鄰點插值法等。

3 可視化技術(shù)在電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中的實現(xiàn)

3.1 二維可視化應(yīng)用

3.1.1 單變量餅圖的應(yīng)用

電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中，線路和變壓器的負(fù)載是很重要的參數(shù)，可以用單變量餅圖來表示，餅圖可以改變的參數(shù)有顏色、面積，這2個變量的組合可以直觀展示出所要表示的負(fù)載的大小，具有簡單清晰的特點，同時方便操作人員記憶和分析。相較普通餅圖而言，單餅圖僅僅只表示某種特定數(shù)據(jù)的變化走勢，并不展示多個數(shù)據(jù)的比例關(guān)系。單餅圖的繪制過程需要考慮閾值的設(shè)定，合理設(shè)置變量的最大值，使得單餅圖既能展示出變化，又能充分利用面積和顏色信息，便于理解。具體步驟如下：由最大數(shù)值確定餅圖的矩形區(qū)域；填充背景顏色；由越限與否得出當(dāng)前單餅圖位置區(qū)域；由事先設(shè)定好的顏色表進行填充；由最大值設(shè)定和當(dāng)前值確定圓形大小和所處位置；由越限與否決定顏色之后繪制扇形。

3.1.2 等值線的應(yīng)用

電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中需要表示多個不同的數(shù)據(jù)，等值線能夠恰當(dāng)表示這些數(shù)據(jù)。節(jié)點電壓、線路負(fù)載率、變壓器負(fù)載率等等是等值線表達的對象。網(wǎng)格法是常用的繪制等值線的方法，基本步驟包括離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化、網(wǎng)格點數(shù)值化、等值點計算、等值線追蹤、曲線平滑和線圖填充等。四邊形網(wǎng)格的運用使得該種方法過程復(fù)雜，不便于用計算機實現(xiàn)，采用三角形網(wǎng)格也不能徹底解決問題。對比而言，無網(wǎng)格方法具有編程簡單、容易實現(xiàn)等優(yōu)勢，沒有奇點的確定和等值線的游動，所獲得的精度也更高。

3.1.3 動態(tài)潮流的應(yīng)用

電力調(diào)度自動化系統(tǒng)經(jīng)常涉及系統(tǒng)潮流，負(fù)荷的大小采用潮流的流動速度和流量來表示，三角形大則流速快。利用可視化技術(shù)來實現(xiàn)折線三角形時，需要將折線分割成多段，分別處理。設(shè)置流動步長參數(shù)來控制三角形流速，步長大則流速快。在定時器中繪制動態(tài)幀步驟如下：背景繪制；根據(jù)數(shù)值確定三角形大??；越限數(shù)據(jù)決定三角形顏色；數(shù)值大小確定步長；根據(jù)線段長度和步長繪制三角形數(shù)目和方位。

3.2 三維可視化應(yīng)用

3.2.1 單棒圖的應(yīng)用

電容器的有功功率和無功功率是電力調(diào)度自動化系統(tǒng)的重要參量，對于其安全性的分析可以通過單棒圖來展示。主棒和對比棒組成了單棒圖，分別代表當(dāng)前數(shù)值和理論最大值。根據(jù)實際要求不同，對比棒可以選擇是否隱藏。越限數(shù)值不同，則棒圖顏色不同。采用OPENGL技術(shù)繪制單棒圖時，需要確定當(dāng)前透視角，然后判斷坐標(biāo)是否被遮擋，確定主棒和對比棒的比例，選擇主棒顏色，最后繪制主棒。

3.2.2 圖形三維旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用

三維旋轉(zhuǎn)對于操作人員而言可以從多角度進行觀察，該技術(shù)基于幾何變化，將折線和多邊形的變換點坐標(biāo)帶入貝塞爾曲線公式，求出新坐標(biāo)，再進行連接，依次渲染。在變換過程中需要防止變換失準(zhǔn)的現(xiàn)象，重新繪制的圖形需要考慮操作人員的觀察喜好，為操作人員提供多角度的電力圖形。

4 結(jié)語

電力系統(tǒng)所需處理的龐大信息使得調(diào)度自動化系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢必然是與計算機進行聯(lián)合。可視化技術(shù)有著十分強大的數(shù)據(jù)分析能力和圖形展示能力，目前已廣泛運用于各個領(lǐng)域。在電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中融入可視化技術(shù)，采用單棒圖、等值線、動態(tài)潮流以及圖形三維旋轉(zhuǎn)等可視化手段，可以有效提高電力系統(tǒng)調(diào)度效率，保證調(diào)度自動化系統(tǒng)可靠運行，其進一步的研究方向是3D顯示與數(shù)據(jù)綜合。

[1] 李祺威.一體化技術(shù)在電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014(4)

[2] 王世峻，鐘鳴，金皓純.基于電力調(diào)度自動化的可視化技術(shù)應(yīng)用分析[J].機電信息，2013(33)

[3] 向志紅.一體化技術(shù)在電力調(diào)度自動化系統(tǒng)的應(yīng)用分析[J].電子制作，2013(12)

[4] 賈書濤，杜珂.關(guān)于電力調(diào)度自動化主站系統(tǒng)中可視化技術(shù)的應(yīng)用探討[J].河南科技，2014(10)

2014-09-22

馮平(1984—)，男，廣東東源人，電力工程助理工程師，研究方向：電力自動化。