可视化技术在EMS系统中的应用

余虹

（浙江省电力公司，浙江 杭州 310007）

1.引言

电力系统是一个大型系统，节点星罗棋布，支路纵横交错。系统在运行中产生大量诸如电压、电流、功率等事实数据，这些数据通常以数字的形式在电力系统图上显示。运行管理人员常被埋没在这些变化着的海量的枯燥数据中，往往忽视了一些对运行或设备有关键意义的数据，不能有效发现一些事故的征兆。电力系统对安全性要求较高，随着系统规模越来越大、各种数据越来越多，传统的数据显示方式已不能很好地满足实际要求，电力系统可视化技术成为解决这一问题的最佳方案[1]。

根据所显示数据的性质和来源的不同，电力系统可视化显示的内容可以划分为数据显示、分析结果展示。数据显示即显示电网运行过程中产生的各种量测信息，包括网络数据、节点数据和线路数据等，可以结合运行方式信息或者相关的地理信息进行展示。分析结果显示则是将各种传统的分析计算程序的输出结果以图形或者图像方式进行展示，如N-1分析结果、灵敏度计算结果等[2][3]。

如何采用更有效的手段，利用可视化的技术和手段展示电网运行的信息已成为一个重要的研究课题。

2.电力系统可视化技术包含的内容及方法

可视化的手段主要是采用二维或者三维图形的大小、颜色、透明度、位置关系、动画等维度，按照一定的规则进行编码，使之能携带相关的信息，组成一幅图像或图形，最终反映给使用者。在考虑一个具体的可视化方案时，必须对各种可用的编码方式进行合理的组合和权衡，使最终形成的可视化方案直观清晰，主题鲜明[4,5]。

电力系统可视化技术需要根据电力系统的特点和电网运行管理的性质进行合理的设计，为此，提出主题的概念来应用电力系统可视化技术。所谓主题，是指电网运行管理人员所关注的一个方向，如设备负载率、电压稳定情况、安全分析结果等。电力系统庞大而复杂，很难能用一个指标或一个维度去描述，因此采用分主题的方式组织电力系统可视化展示符合操作人员的思维习惯，适应于现有的电网理论研究水平。

2.1 可视化的过程

电力系统可视化运行数据的过程包括四个步骤：

（1）过滤：对原始数据进行预处理，去除扰动和噪声；

（2）映射：将过滤得到的数据映射为几何元素，如：点、线、面、三维体图形等；

（3）绘制：几何元素绘制，得到结果图像，目前常用到OpenGL技术；

（4）反馈：显示图象，并分析得到的可视结果。

2.2 可视化系统的实现

应用现有的计算机显示设备，可以通过二维和三维的方式对数据进行展示，其中的二维方式包括文字、图形、动画、颜色等，3D方式则可以应用不同的三维物体的形状、颜色、透明度等手段。随着电网可视化主题的丰富和展示手段的进一步研究，越来越多的可视化手段在电力系统监控中得到了很好的应用。

2.2.1 二维可视化展示手段

（1）标尺

如图1所示，标尺是一种集几何形状与颜色、透明度于一体的二维展示手段，最适用于展示母线电压等这类具有上下限的数值。通过标尺中的填充方向和填充比例表示数值当前的相对大小以及与上下限的接近程度。根据当前值与给定的预警限制、报警限制比较，可以控制标尺整体的颜色、大小、透明度等，在出现接近或超越限制时引起使用者的充分重视，同时在正常状态下不分散用户的注意力。

图1 标尺图

（2）普通饼图

普通饼图采用扇形占整圆的比例表示分量占总量的比例关系，如图2所示，适用于表示线路的负载率等归一化的相对量。和标尺一样，可以使用当前比例控制饼图的颜色、大小、透明度等。

图2 饼图

（3）流水线

图3 流水线

流水线是一种非常直观的表示流动物理量的抽象化图元，采用三角形作为流动的元素，三角形的方向指向流动的方向，三角形的大小表示量的大小，通常采用绝对的数值对三角形进行编码，使同一幅图上的不同流水线之间的三角形大小具有可比性，如图3所示。在动画模式下，三角形沿着预定的方向流动。可以对流水线的颜色、大小、速度、方向进行编码，表示与某些限值的相对关系，图3中，下侧流水线的颜色要比上侧的流水线颜色更红一些，表示其更接近本身的限值。

（4）等高线/颜色图

在与地理信息相结合展示数据点信息时，如果对没有数据的区域按照某种方式进行插值计算，把所有数值相等的点连接起来，就得到类似于地图的等高线展示方式，为了更加值观，通常会填充按阶梯分布的颜色，得到如图4所示的颜色图。图4中以标尺所表示的母线电压为数值基础，结合标尺所处的图形位置渲染得到的颜色等高图。

图4 颜色图示例

2.2.1 三维可视化展示手段

三维展示手段较平面二维展示手段多出了高度信息，同时也引入了体积的概念。采用三维展示手段可以在同样图元密度的平面图基础上展示更多的信息。

（1）圆柱 /圆锥

三维圆柱可以由任意多个柱节相叠组成，可以赋予每个柱节独立的意义，可以单独控制每个柱节的高度和颜色，所有的柱节采用统一的半径。示例中的圆柱分为两节，下面绿色填充柱节表示变压器的负载率，上面半透明柱节表示距离负载率100%的距离，如图5所示。圆柱的半径、高度、颜色、透明度都可以用来编码，如果关系恰当，还可以用圆柱的体积表示某种数量。

圆锥表示方法与此类似，圆锥一般不用多节层叠的方式，并且可以通过圆锥顶部的朝向表示不同的含义。

（2）空间连接线

使用空间中的连接线，能够清楚表示三维空间中的图形部件之间的关联关系，有效避免在二维平面上连接线交叉的问题。通过对空间连线的颜色、线宽、透明度进行编码，使之携带更多的信息。

图5 圆柱图

3.电力系统可视化主题展示应用

可视化主题用来集中展示电网某一个或某一些方面的特征，一个可视化主题的展示离不开图形、数据服务和可视化图元三部分内容。图形通常采用调度自动化系统常用的单线图、潮流图、地理图等，作为可视化展示的背景基础；数据服务是可视化数据的来源，可以是直接的电网实时量测数据，也可以是分析计算的结果，这是可视化展示的核心内容；可视化图元则是根据主题的用途和数据的性质采取前面所述各种可视化手段进行组合，这是可视化的直接形式。

可视化展示既可以直接使用已有的调度自动化系统中的图形，也可以新建适于可视化展示的专用图形。可视化系统架构采用可扩展插件技术，当需要扩展一种新的分析计算业务数据可视化时，只需要开发相应的插件并恰当配置即可在可视化环境中应用。

3.1 电压监视主题

图6 电压监控可视化主题

如图6所示，采用潮流图作为可视化背景，在变电站旁边，适用标尺表示站内主要母线的电压水平，图上的数据来自智能监视服务。图形背景针对标尺的坐标和标尺所表示的电压水平进行颜色映射并渲染得到颜色等高图。从图上可以看到，左上部颜色图偏黄色，表示该区域的电压水平较其它区域高，从附近几个场站的电压标尺可见，有的标尺接近预警限值，有的标尺已经超过了预警限值。运行使用人员只需要在全局图上看一眼便可清楚知道整个电网电压区域的分布关系。

3.2 设备负载率监视主题

图7中以线路负载率和传送潮流监视界面为基础，采用饼表示线路的负载率，采用流动的箭头形状表示线路传送有功潮流的方向和大小，不同线路上的三角形大小不同，可以定性表示相应线路有功潮流的大小关系。超过预设限值的线路负载率和潮流线上的箭头符号都会改变颜色，引起用户的注意。

图7 线路负载率和潮流传输监视主题

3.3 N-1分析结果展示主题

图8N-1分析可视化中的场景，表示的是N-1分析结果的概览，即所有扫描到的故障及其严重程度，图上每个故障所引起的越限情况采用圆柱来表示，圆柱的高度表示引起越限状况的数目。该图上还有一些比较透明的小圆椎，表示所在位置的部件故障也进行了扫描，但是没有引起越限。通过故障概览图可以对N-1分析扫描的所有故障和那些严重程度较高的故障一目了然，如果需要了解具体一个故障的详细内容，可以在图上双击代表该故障的圆柱，进入详细信息界面。

详细图中，仍用圆柱表示故障的严重程度，意义与其在概览图中的意义完全相同，其它图元表示该故障所引起的越限信息。详细图中使用空间连线把故障和所影响的设备连接起来。在详细图上双击故障圆柱便可回到先前的故障概览界面。

图8 N-1分析结果可视化故障详细信息

3.4 应用现状

目前，二维可视化技术的应用已比较广泛，浙江省的AVC系统、湖州和舟山的可视化调度系统已成功应用了这些技术来增强电力图形的可视化效果，实践证明应用可视化技术有利于调度人员迅速发现问题和解决问题。

4.结束语

调度自动化系统是一套实用化的生产运行系统，关系到实际的电力生产，可视化技术的应用应该以增强实用化为主要目的。可视化主题展示用创新性的图示表示方法、多维坐标转换、虚拟现实等深入研究信息展现技术，实现电网运行控制管理的直观展示，可以更好地支持智能电网业务应用需要，提高调度运行规范化和科学化水平。

[1]刘娆,李卫东,吕阳.电力系统运行状态可视化技术综述[J].电力系统自动化,2004,28(8)：92-98.

[2]王庆红.电力系统可视化技术及其在南方电网的应用[J].南方电网技术研究，2006,2(3)：40-44.

[3]韩祯祥,吕捷,邱家驹.科学计算可视化及其在电力系统中的应用前景[J].电网技术,1996,20(07),22-27.

[4]Thomas JOverbye.电力系统可视化技术[J].电力系统自动化,2005,29(16)：60-94.

[5]胡之武,邱家驹,王康元.电力系统节点运行数据等高线可视化实现方法[J].电力系统自动化,2005,29(8)：55-59.