电力系统运行状态可视化技术分析Power World

电力系统运行状态可视化技术分析
本文对电力系统运行状态可视化定义、可视化展现内容和可视化技术分类进行整理和总结，对我们公司电网调度自动化产品的可视化技术策略进行了分析和思考，用于公司内部进行可视化预研及开发参考。

一、电力系统运行状态可视化的定义
文献[1]是国内较早提出数字化电网概念，电网可视化是数字电网的主要组成部分。

国外早期进行这方面研究的院校是University of Illinois at Urbana-Champaign(UIUC)大学，并在1996年发表了《电力系统及其元件可视化技术最终报告》（美国行业/大学合作研究中心的国家科学基金项目）这一重要成果。

该校的主要研发人员Weber J D, Overbye T J.等创办了Power World公司[2]，进行产业化推广。

该公司在电网可视化研究方面处理领先地位，2006年与广西电力勘探设计研究院数字电网研究中心[3]合作，进行国内的推广工作。

根据该网站最新报道，东方电子欲该中心合作，在DF8002系统上集成，估计目前的困难是由于Power World公司的产品只支持Windows平台，文中提及了东方电子非常期待Power World的Unix 版本尽早问世。

电力系统可视化是国内近几年研究的热点，在多方面[4] [5] [6] [7] [8] [9] [10]。

国内电网研究成果比较多的院校有四川大学、浙江大学。

文献[11]是国内较早介绍科学计算可视化的技术和应用状况，并结合电力系统中信息与数据的特点，提出了可视化技术在电力系统研究中应用的方式和设想。

文献[12]对当前的电力系统运行状态可视化技术进行了较全面的阐述。

综合这些文献，我们可以给出可视化的定义：可视化技术是把各种繁杂的数据转换成直观的几何表示（图形和图像），从而有利于人们正确理解数据或过程的含义。

电力系统运行监视可视化(visualization of power system operating state)是指利用可视化技术将系统运行状态以图形或图像方式予以显示，以使系统运行人员更方便、更直观地了解当前系统的运行状态，以便其采取的运行控制措施更有效、更有针对性[12]。

二、为什么需要可视化
电力系统是个庞大的系统，它的运行状态复杂多变，调度人员在工作中需要处理大量的数据。

由于人对图形图像的感知能力很强，借助可视化技术将电力系统中的海量数据信息转变为直观的图形或图像信息，可以大大提高对电力系统运行状态的理解[11]。

三、可视化系统构成
文献【11】给出了典型的可视化系统的基本构成模块，这些模块是：
1、数据输入与输出。

这个模块进行可视化系统与外界(数据采集装置、其它科学可视
化系统或计算机信息系统)之间的数据交换。

它必须支持各种格式的科学数据，有能
力对它们进行转换。

2、数据存取。

这个模块执行数据的保存和读取。

它应该支持共享访问和分布存储，以
解决数据共享和大数据量的间题。

3、数据操作。

在这个模块中进行大部分的数据加工。

如数据标准化、滤波、平滑、网
格定位、坐标转换、线性变换、几何变换、分段、特征识别、抽取和增强等等。

4、可视技术。

这个模块实现从科学数据到可视图像的映射，需要应用各种数据表现形
式和绘制方法。

这个模块的输出数据形式是图形绘制原语，以支持数据交换和系统
移植。

5、基本图形系统。

它执行图形绘制原语，生成屏幕图像。

6、用户界面。

它进行用户与可视化系统的交互。

7、命令解释。

这个模块对用户的命令进行解释和组织，形成控制数据，对系统中的各
个模块进行控制。

电力系统自动化也是由上述功能构成的行业性应用系统。

四、电力系统可视化内容
电力自动化系统的可视化内容可分为电力系统数据可视化显示、电网结构的可视化展示。

1、电力系统数据显示
数据显示是实现可视化的基础功能。

描述电力系统运行的数据和信息很多，大体上包括：
●电力系统实时采集数据
⏹母线（节点）数据，如节点电压及电压越限情况、角度、负荷和节点电价等
⏹线路数据，线路中的功率，潮流流向、越限情况、容量备用情况等
⏹变压器数据，容量备用情况，温度等越限情况
⏹发电机，容量备用情况
●电力系统运行趋势分析数据
⏹负荷预报
⏹电价趋势
2、电网结构图形描述
⏹单线图
⏹潮流图
⏹地理图
⏹电网结构状态，如元件投运与否、孤岛和停电区域等
并能在这些图上进行数据可视化展现。

五、可视化实现技术分类
传统的SCADA和EMS系统本质上也是采用可视化技术来展现电力系统运行状况的，如接线图、潮流图、帮图、饼图和地理图等，这些可视化都是以二维图形加固定方式显示的数值和状态实现的。

近几年在可视化技术研究和实现上，获得了丰富的成果。

新的可视化技术引入到电力系统运行状态监视，带来了非常震撼的视觉冲击效果。

一方面通过将数据转变为直接可视化的图形图像信息，更加直观、方便，另一方面缓解了十多年一成不变的图形展现方式给运行监视人员带来的“审美疲劳”。

新的可视化技术主要表现在如下几方面。

1、三维展现技术
a)二维图变换视角＋立体棒表现三维信息展现
典型图如下：
上图经过渲染的系统潮流图上用三维的棒形显示系统潮流数据，数据的大小是以棒的高度展示的。

在棒图的顶端显示了线路的备用状况。

30母线的小系统，实际潮流图以地平线方式展现，垂直的柱形图显示发电机的无功输出（灰色填充段）和无功备用（成色填充段）。

b)虚拟现实技术（VR）
典型图如下：
2、二维图区域着色及渲染（等高线表示）
a)地理图上的点线图展现潮流信息
该图是地理图上形成的点线图展现系统的潮流信息。

线的粗细表示潮流大小，线的颜色表示不同的电压等级。

b)点线图上展现综合信息
本图是典型的点线图。

是7母线模型进行的区域电量成本算例的可视化展示，整幅图可分为三个区域（上区、左区和右区），以不同颜色区分。

以箭头的表示潮流的方向，以箭头的大小表示潮流的大小，以线路上的饼图表示线路负载率。

有基本的数字信息（量测和成本等）、文字信息（AGC状态等）和状态信息（开关状态和机组运行状态）展示。

此外，观察饼图有三部分构成，占空比、百分率、文字（A代表有功，MV A代表单位及量纲），饼图的大小
也表示了潮流值的大小。

发电机图标中转子位置直观表示了发电机母线电压相角。

c)展现节点实时负荷分布信息
根据节点负荷分布情况进行地理图的渲染，并以点线图的方式展现潮流信息。

d)高亮显示需要紧急处理的危险信息
越限信息以红色显示，临界信息以黄色显示，正常信息不显示。

e)展现负荷预测信息
f)展现节点电价
g)大图形展现
北美东部地区图形。

3、将数字量状态量以动态的图形展现
以几何图形显示数值信息，饼图的展现、棒的粗细展现、箭头的大小展现、箭头的快慢展现？上述一些图中都有展现。

4、人机交互技术
a)分级图展现方式
随着系统规模的增加，在一个屏幕上显示整个系统出现困难，这时的解决方法是将系统图的显示细分为不同的级，然后应用多窗口操作在不同级别显示图之间进行切换。

一般将系统图分为4级：第1级，仅显示最高电压等级的变电所，一般作为导航图；第2级，显示导航图中被圈定的范围，该图中可以显示较低电压等级中的一些细节；第3级，将第2级图中被圈定范围中的细节完全显示，包括被选定变电所的主接线形式的示意图；第4级，被选定变电所的主接线图。

尽管该多窗口分级显示方式可较为有效地解决大规模系统的网络结构显示问题，但是在电力系统中，它的应用并不成功，没有得到调度员的青睐。

由于调度员的工作量很大，不但要对系统全局有整体的把握，同时还希望能迅速了解局部区域的详细内容。

因此他们喜欢使用方便、快捷的操作方式来帮助判断和理解系统运行状态，减小工作强度。

基于上述原因，文献[13]提出了系统网络的双(多)屏显示方案。

该方案中，网络显示由2(多)个屏幕，即主屏幕和(若干)子屏幕实现，其中主屏幕显示系统全图，而子屏幕显示主屏幕中圈定的区域。

这样，使用者在同一时间既可在主屏幕观看全网运行状况，也可通过子屏幕考察感兴趣的细节，如节点电压、角度、电价，线路负载情况等。

b)重点越限展现阈值设定
c) 三维变换视角
没有例图呀:）:P 。

六、 实现对策
总体概况有如下几点展现方式：
1、 动画功能，如潮流的箭头流动。

2、 图件尺寸的动态化，如饼图。

3、 以不同透明度区分重点和非重点的图形信息
4、 背景着色分区。

5、在背景着色分区的基础上，以等高线标识（Contouring）渲染。

6、3D交互。

我们的差距：
1、动画功能，只有固定的箭头显示，箭头的大小及多少、颜色和流速固定。

2、饼图只有多个量的比例分配，需要有（或获取）满度值方式显示。

能大小、颜色
动态变化，能在饼上显示文本字符。

3、无背景着色分区，需要能定义封闭的多边形区域，并着上动态的颜色。

4、无以等高线方式渲染功能，需要解决处理和显示算法问题。

5、无3D功能。

为在调度自动化系统中应用可视化技术，需要有如下几个问题需要考虑：
1、GT的未来愿景，是否地层以OpenGL实现？采用什么图形格式（自定义还是标准
的）？
2、三维图形平台及库的选择，以Qt4.x还是选择其它三维库（如SGI的Open
InventorTM开源项目）？
3、电网运行分布数据着色和渲染等高线算法研究（文献[14]提出了可行的算法）。

文
献[5]的（特征密度表示法，本人给起的名字 ）算法简便易行。

文献[6]采用等
高线方法应该是普遍采用的。

网址[15]给出了大量的等值线处理算法。

4、已有特性的完善，如箭头、饼图、棒图等等。

5、三维信息的定义和三维展现技术，是否可采取分步实现的方式，如定义和配置在
已有的二维画面上完成，并将二位图形转成两维地平线图和三维图形定义描述，
合成形成调度可用的三维图形？
6、针对区域定义和着色渲染展现技术？
7、针对数字量、状态量展现技术？
8、针对人机交互技术，多屏工作方案？
参考文献：
1、《数字电力系统（DSP）－新世纪电力系统科技发展方向》卢强物理与工程V ol.11
No.3 2001
2、Power World公司/
3、广西电力勘探设计研究院数字电网研究中心/szdw/default.aspx
4、《电力系统可视化技术及其在南方电网的应用》王庆红《南方电网技术研究》
5、《电力系统动态过程的可视化方法研究》闵勇，孙希健电网技术第25卷第11期2001
年11月
6、《电力系统节点运行数据等高线可视化实现方法》胡之武，邱家驹，王康元电力系统自
动化第29卷第8期2005年4月25日
7、《动态监视下电力系统状态的可视化》陈玮，罗毅，涂光瑜，盛戈眸电力系统自动化
第28卷第8期2004年4月25日
8、《广西电网规划建设应用可视化技术实践》卢静电力设备2006年11月第7卷第11
期
9、《基于SVG和Java的电力系统节点电压可视化》朱丽娟，王康元，张洁继电器第34
卷第5期2006年3月1日
10、《基于SVG的电网数据可视化图形描述》王康元，张洁，朱丽娟电力系统及其
自动化学报第18卷第5期2006年10月
11、《科学计算可视化及其在电力系统中的应用前景》韩祯祥、吕捷、邱家驹电
网技术1996.7 第20卷第7期
12、《电力系统运行状态可视化技术综述》电力系统自动化2004.4第28卷第8期
13、吕阳，李卫东，刘绕，等(Lii Yang, Li Weidong, Liu Rao,et al).电力系统运行状态双
屏显示可视化研究(Research on Double Screens Display for Power System State Visualization) 中国高等学校电力系统及其自动化专业第19届年会论文集(In: Proceeding of 2002 19th CUS-EPSA).成都(Chengdu):2003. 1306~1309
14、Voltage Contours for Power System Visualization，Weber J D, Overbye T J. V oltage
Contours for Power System Visualization. IEEE Trans on Power Systems, 2000，IJ(I):404-409，可惜下不来:^:P。

15、/upload_log.asp?e=syesbssj*&n=god
16、。