電力大數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究及趨勢

鐘準(zhǔn)昆

摘 要：在大數(shù)據(jù)的時代背景下，電力大數(shù)據(jù)及其系統(tǒng)面臨前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。為使電力大數(shù)據(jù)能夠更好的滿足資產(chǎn)管理、生產(chǎn)營銷等系統(tǒng)的需求，文章介紹了電力大數(shù)據(jù)的概念和特征，詳細(xì)的闡述并分析了可視化系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)以及其應(yīng)用，展望了可視化技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：電力大數(shù)據(jù)；可視化；可視化系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)；技術(shù)研究；趨勢

中圖分類號：TM743 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）30-0062-02

1 引 言

智能電網(wǎng)技術(shù)高度融合了傳統(tǒng)的電力技術(shù)和信息、控制、自動化等技術(shù)，通過對發(fā)送、輸送、配置、使用以及調(diào)試、營銷等很多環(huán)節(jié)收集大量的數(shù)據(jù)信息，對信息進(jìn)行分析、挖掘，最終能夠掌握并控制各個環(huán)節(jié)決策并優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)生產(chǎn)效率的提高、電網(wǎng)運(yùn)行達(dá)到較高的穩(wěn)定性、滿足電力客戶的用電需求。

智能電網(wǎng)都在不斷進(jìn)步、規(guī)模也逐漸擴(kuò)大，多種智能電表、信息系統(tǒng)以及傳感器等異構(gòu)分布式數(shù)據(jù)源連續(xù)的產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)信息，所以被稱作是電力大數(shù)據(jù)。

電力大數(shù)據(jù)可以說是電網(wǎng)職能的主要支撐體系，所以在眾多工作內(nèi)容中，對數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、處理、挖掘是工作的重點(diǎn)內(nèi)容。

2 電力大數(shù)據(jù)概念以及特征

電力大數(shù)據(jù)主要是指智能電網(wǎng)在發(fā)電、配電、輸電、營銷以及管理等環(huán)節(jié)的海量數(shù)據(jù)。

按照電網(wǎng)企業(yè)的主營業(yè)務(wù)將數(shù)據(jù)大致可分為電網(wǎng)運(yùn)行和設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)、電力企業(yè)銷售數(shù)據(jù)、及電力企業(yè)管理數(shù)據(jù)三類。

隨著智能化設(shè)備的廣泛應(yīng)用，大數(shù)據(jù)的來源包括安裝于家家戶戶的智能電表、數(shù)以萬計的發(fā)電機(jī)、變壓器、開關(guān)設(shè)備、架空線路、高壓電纜等設(shè)備中獲取的高速增長的監(jiān)測數(shù)據(jù)，光伏和風(fēng)電功率預(yù)測所需的大量的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

電力大數(shù)據(jù)是建設(shè)性能穩(wěn)定、安全可靠、高效運(yùn)作、節(jié)能電網(wǎng)的重要保障。

為了能夠分析電力大數(shù)據(jù)，使得智能電網(wǎng)的管理水平得到提高，需要建立更加科學(xué)的數(shù)據(jù)智能系統(tǒng)。

電力大數(shù)據(jù)有很多特征，比如體量大、多類型、速度快等：

①體量大：電力大數(shù)據(jù)所收集的數(shù)據(jù)規(guī)?？梢赃_(dá)到PB數(shù)量級別。

②類型多：不僅可以得到傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，而且還可以在營銷系統(tǒng)、生產(chǎn)管理等方面產(chǎn)生大量的非結(jié)構(gòu)以及半結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

③速度快：電力大數(shù)據(jù)無論采集還是處理都有著極快的特點(diǎn)。

此外電力大數(shù)據(jù)可以通過和其他行業(yè)的行業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行交換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)深度挖掘與分析。

3 基于電力大數(shù)據(jù)的可視化以及在電力系統(tǒng)中的 應(yīng)用

電力系統(tǒng)工作人員為了能夠使得系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟(jì)，就必須對每個環(huán)節(jié)的設(shè)備和工作狀態(tài)進(jìn)行隨時的監(jiān)測。但是，電網(wǎng)內(nèi)大量設(shè)備都互聯(lián)，監(jiān)測設(shè)備的連接方式、設(shè)備之間的相互影響是一項艱巨的任務(wù)，電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)可視化系統(tǒng)可以在其生成的圖像中展示大量信息，方便操作人員準(zhǔn)確快速理解，實(shí)時監(jiān)控所有設(shè)備狀態(tài)，并完成可靠操作，電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)可視化操作系統(tǒng)可以為工作人員的工作帶來很大的便利，是一種高效的方案。

智能電網(wǎng)中數(shù)據(jù)量最大的應(yīng)屬于電網(wǎng)運(yùn)行和設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)。電網(wǎng)運(yùn)行和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括電網(wǎng)運(yùn)行關(guān)鍵指標(biāo)、電網(wǎng)潮流、試驗數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)遙信、缺陷記錄、供電場所視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)等。提取系統(tǒng)的主參數(shù)及配網(wǎng)終端數(shù)據(jù)，能夠構(gòu)建一個全景的電網(wǎng)絡(luò)信息拓?fù)鋱D像，并在圖中采取可視化技術(shù)手段將相關(guān)豐富信息的集中展示。

在此全景的電網(wǎng)拓?fù)鋱D中能夠?qū)崿F(xiàn)如下幾類問題的在線分析：重要設(shè)備健康狀況的在線監(jiān)測與分析，專線用戶的用電行為特征分析與預(yù)測；對電能質(zhì)量進(jìn)行在線評價與分析等。

到目前為止，電力系統(tǒng)可視化研究主要包括三個方面，分別是靜態(tài)數(shù)據(jù)的可視化研究、動態(tài)數(shù)據(jù)可視化研究、電力系統(tǒng)元件。

運(yùn)行狀態(tài)可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是各參數(shù)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)規(guī)則，以及各狀態(tài)量的關(guān)聯(lián)度及其權(quán)重。目前，各種適用于大數(shù)據(jù)分析的深度關(guān)聯(lián)規(guī)則有：基于粒計算的關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法、基于壓縮矩陣的Apriori算法、基于云計算平臺Hadoop的快速關(guān)聯(lián)規(guī)則增量更新算法（C-FUP）等。

4 可視化系統(tǒng)開發(fā)的步驟

在開發(fā)這個系統(tǒng)的時候使用面向?qū)ο髾C(jī)制，定義不同的模塊和插件達(dá)到各種功能實(shí)現(xiàn)的目的?？梢苑譃槠邆€步驟：

①對資源標(biāo)識符的格式以及業(yè)務(wù)系統(tǒng)的對象相關(guān)描述進(jìn)行確定；

②所涉及的圖形里面的業(yè)務(wù)對象列表進(jìn)行確定；

③定義SGL開發(fā)圖模，當(dāng)然也包含了圖模所設(shè)計的支持狀態(tài)組以及狀態(tài)值等內(nèi)容；

④業(yè)務(wù)信息設(shè)置插件的開發(fā)；

⑤在圖形里面讀取所有圖件相關(guān)的業(yè)務(wù)信息，并將從業(yè)務(wù)服務(wù)所獲得的數(shù)據(jù)設(shè)置到對應(yīng)的圖件插件中以及業(yè)務(wù)對象所關(guān)聯(lián)的控制功能插件里面；

⑥系統(tǒng)的運(yùn)行與檢測；

⑦自定義人機(jī)界面風(fēng)格。

5 電力大數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

可視化系統(tǒng)在完成SGL的模塊設(shè)計后，可以協(xié)同其他模塊及可視化關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)各種展示。下面主要詳述電力大數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，主要包含云計算技術(shù)、區(qū)域點(diǎn)密度可視化技術(shù)、等高繪制技術(shù)、電網(wǎng)潮流和GIS可視化技術(shù)、歷史流展示技術(shù)等。

5.1 云計算技術(shù)

隨著云計算技術(shù)的不斷深化發(fā)展，云計算的數(shù)據(jù)存儲、分析、處理等方面的技術(shù)和理論研究為大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。因為大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量和分布式的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)難以勝任。

云計算的核心思路是分布式文件系統(tǒng)（distributed file system，DFS）和MapReduce技術(shù)，DFS有著高容錯性的特點(diǎn)，并且是為部署在價格低廉的硬件上而設(shè)計的，而且它為應(yīng)用程序提供高吞吐量的數(shù)據(jù)訪問，適合那些有著超大數(shù)據(jù)集（large data set）的程序。以分布式文件處理技術(shù)為基礎(chǔ)，去掉了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的關(guān)系型特性，數(shù)據(jù)存儲被簡化且更加靈活，使PB、ZB級的數(shù)據(jù)存儲成為可能。

另外，該框架中還包含商業(yè)智能應(yīng)用、傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)倉庫、大數(shù)據(jù)訪問框架、大數(shù)據(jù)調(diào)度框架、網(wǎng)絡(luò)層、操作系統(tǒng)、服務(wù)器、備份和恢復(fù)、數(shù)據(jù)管理等模塊。

MapReduce是用來進(jìn)行并行處理和生成大數(shù)據(jù)集的并行編程模型。Hadoop包含了MapReduce的開源實(shí)現(xiàn)，是引起關(guān)注的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)之一。Mahout是基于MapReduce的并行數(shù)據(jù)挖掘項目，對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘算法，性能大幅提升。

5.2 區(qū)域密度可視化技術(shù)

區(qū)域密度可視化技術(shù)是把每一個區(qū)域用點(diǎn)密度來展示，這種方法的優(yōu)勢就是很直觀，目前常用于表示區(qū)域用電負(fù)荷密度。

點(diǎn)密度圖要求必須生成一定的隨機(jī)點(diǎn)，如果隨機(jī)點(diǎn)在對應(yīng)的區(qū)域里面輸出這個點(diǎn)，如果不在區(qū)域中，還需要再一次生成隨機(jī)點(diǎn)然后再進(jìn)行判斷，持續(xù)進(jìn)行此步驟一直到滿足點(diǎn)數(shù)要求。在實(shí)現(xiàn)區(qū)域負(fù)荷密度可視化的時候，實(shí)際情況的地理邊界線可以粗略的認(rèn)為是多個點(diǎn)相互連接而成的不規(guī)則的多邊形，所以才通過判斷點(diǎn)在多邊形內(nèi)還是外的算法實(shí)現(xiàn)這一過程。

算法流程：

①首先需要讀取所給的多邊形的區(qū)域邊界條件；

②查找這個多變性里面定點(diǎn)的最大、最小坐標(biāo)數(shù)值，以期得到粗略的范圍；

③生產(chǎn)這個粗略范圍的隨機(jī)點(diǎn)；

④判斷點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)部還是外部；

⑤如果在內(nèi)部，那么就繼續(xù)繪制；

⑥如果在區(qū)域外部那么就要再次生成就重復(fù)（3）然后繼續(xù)操作，否則就退出結(jié)束。

5.3 等高線繪制方法

等高線是地面上高程相同的各相鄰點(diǎn)所連接成的封閉曲線垂直投影到平面上的圖形.構(gòu)造節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的等高線不僅能反映節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行的當(dāng)前狀態(tài)，還能對節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的將來狀態(tài)做出預(yù)測.等高繪制方法在可視化應(yīng)用中比較普遍，特點(diǎn)就是有著很強(qiáng)的數(shù)據(jù)連續(xù)性。等高線圖例，如圖1所示。

繪制過程如下：

①首先需要構(gòu)造三角網(wǎng)格；

②內(nèi)插數(shù)據(jù)等值點(diǎn)；

③搜索并追蹤等值點(diǎn)；

④曲線擬合，填充色塊兒。

5.4 電網(wǎng)潮流和GIS可視化技術(shù)

利用箭頭方向、箭頭大小表示線路潮流方向和大小，在原有的電網(wǎng)單線圖，依據(jù)潮流大小用箭頭和數(shù)值直觀反映線路上的功率值。利用GIS可視化把電網(wǎng)的可視化和地理信息系統(tǒng)結(jié)合起來，基于已有的GIS系統(tǒng)三維地理信息系統(tǒng)的可視化研究，運(yùn)用包圍盒算法、求交算法等三維場景拾取算法，包含物體三維展示、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)提供一個可視化的三維地理信息系統(tǒng)，為輸配電網(wǎng)管理者提供一個縮微化模型，從而為輸配電網(wǎng)的管理、基建、維修、擴(kuò)建和決策等提供地理信息。

5.5 歷史流展示技術(shù)

歷史流展示技術(shù)體現(xiàn)在對電網(wǎng)歷史數(shù)據(jù)的管理與展示上。在電力系統(tǒng)中，深層次的應(yīng)用分析往往以歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。對生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)、電網(wǎng)的規(guī)劃數(shù)據(jù)和負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)，通過歷史流展示技術(shù)，可以繪制出數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢并預(yù)測出未來的數(shù)據(jù)走勢；通過歷史流回放展示技術(shù)，可以模擬歷史重大事件發(fā)生、演變，挖掘歷史事件潛在的知識與規(guī)律。

6 電力行業(yè)可視化智能系統(tǒng)未來趨勢分析

電力行業(yè)可視化是基于大數(shù)據(jù)分析挖掘理念和可視化展現(xiàn)技術(shù)手段，未來“智能系統(tǒng)”將繼續(xù)在線檢測、視頻監(jiān)控、應(yīng)急指揮、智能查詢等展示模式功能上持續(xù)擴(kuò)展完善，同時可視化展示電網(wǎng)及相關(guān)設(shè)施總體運(yùn)行情況，突出顯示異常信息；實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)場景、設(shè)備的三維虛擬仿真等；實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行仿真功能，為互動體驗、方式預(yù)想及事件重演提供支持。

6.1 應(yīng)急指揮模式

基于WebGis，快速調(diào)用調(diào)度各子系統(tǒng)實(shí)時、歷史數(shù)據(jù)，以大數(shù)據(jù)挖掘分析為手段，實(shí)現(xiàn)電力應(yīng)急狀態(tài)下從現(xiàn)場狀況捕獲、應(yīng)急處置方案形成到快速響應(yīng)、現(xiàn)場時效處置、資源的協(xié)助和調(diào)動一體化的應(yīng)急指揮可視化平臺，納入VAS的數(shù)據(jù)通過本模式任意切換。

6.2 運(yùn)行監(jiān)控模式

不但對運(yùn)行各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)以及終端用電量參數(shù)等經(jīng)過系統(tǒng)ETL模塊進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，結(jié)合高分GIS，以多種圖表、多維度、多方式的展示出來，而且對非電網(wǎng)而影響到電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)時信息進(jìn)行監(jiān)測，包括氣象信息、衛(wèi)星云圖、雷電檢測等功能，并提供系統(tǒng)告警、影響范圍和程度分析及輔助應(yīng)急處理功能，支持系統(tǒng)分級分類梳理展示。

6.3 快速仿真和建模

有針對性的開發(fā)和應(yīng)用快速仿真模型，市場售電數(shù)據(jù)、法律法規(guī)、風(fēng)險分析和控制都應(yīng)被納入系統(tǒng)模型并量化系統(tǒng)的安全性和可靠性，提供快于實(shí)時的超前仿真，該功能首先利用高性能量測和通信系統(tǒng)得到拓?fù)?、潮流、電壓、頻率、設(shè)備實(shí)時模型等信息，然后據(jù)此進(jìn)行狀態(tài)估計和在線分析，最后確定當(dāng)前系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性。

6.4 自定義模式

自定義模式滿足各類綜合疊加性或各類非標(biāo)準(zhǔn)場景模式下的展示需求，根據(jù)實(shí)際要求，自定義數(shù)據(jù)源、顯示方式、顯示位置等內(nèi)容，采用拖拽操作，簡單易用，同時支持應(yīng)急指揮的快速響應(yīng)與故障隱患的排除處理。

7 結(jié) 語

基于電力大數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)近年來雖然不斷取得新的成果，但是將數(shù)據(jù)繪制成高精度、高分辨率圖片的業(yè)務(wù)模型、智能算法和交互式圖形處理工具開發(fā)的研究還有很長的路要走，與此同時許多應(yīng)用不能夠得到全方位的支持。所以在以后的研究中更應(yīng)該致力于數(shù)據(jù)圖形展示、挖掘等綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)多樣、精細(xì)、全面發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王棟.大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)在電網(wǎng)企業(yè)的應(yīng)用[J].江蘇電機(jī)工程，2014，06：

82-84.

[2] 黃彥浩，于之虹，謝昶，等.電力大數(shù)據(jù)技術(shù)與電力系統(tǒng)仿真計算結(jié)合問 題研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2015，01：13-22.

[3] 宮宇，呂金壯.大數(shù)據(jù)挖掘分析在電力設(shè)備狀態(tài)評估中的應(yīng)用[J].南方 電網(wǎng)技術(shù)，2014，06：74-77.

[4] 王強(qiáng)，李俊杰，陳小軍，等.大數(shù)據(jù)分析平臺建設(shè)與應(yīng)用綜述[J].集成技

術(shù)，2016，02：2-18.

[5] 宋亞奇，周國亮，朱永利.智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)處理現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，

2013，37（4）：927-935.

[6] 中國電機(jī)工程學(xué)會.中國電力大數(shù)據(jù)發(fā)展白皮書[R].2013.

[7] 胡牧，李勇，孔震，等.數(shù)據(jù)拓?fù)渫诰蚍椒捌湓陔娋W(wǎng)數(shù)據(jù)處理分析中的 應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化.2013，37（3）：83-86.