基于Web的智能电网可视化需求建模

袁 灏， 张炜刚， 刘晓平

（1.合肥工业大学 计算机与信息学院，安徽 合肥 230009；2.山东大学（威海）机电与信息工程学院，山东 威海 264209）

0 引言

智能电网的快速发展推动了人们对电力系统可视化技术的不断研究与应用［1－3］。目前传统的可视化系统都是基于C／S（客户端／服务器）的构架，使用OpenGL等桌面渲染技术进行实现。这种方式部署与维护的成本很高，一般需要每一台计算机安装客户端，出现问题或版本更新时也需要安排专业人员到现场进行处理，大大提高了安装与维护成本。

基于Web的智能电网可视化系统使用B／S（浏览器／服务器）构架，无需安装和配置客户端，仅需一个网址，经由浏览器即可登录系统。更新或维护系统时，也仅需要更改服务器端即可。2010年上半年完成并发布的WebGL是一种3D绘图标准，它可以为HTML5中的Canvas提供硬件3D加速渲染，从而使用系统显卡在浏览器中展示3D场景和模型，开发人员也不需要再开发用于网页的渲染插件，满足了电力系统可视化要避免使用插件的安全需求。

新技术与新框架的使用提高了系统开发的困难和复杂性，为了很好地实现最终的需求目标、缩短开发周期、降低开发成本，就需要对基于 Web的可视化系统有一个全面系统的了解，因此需求建模在整个系统的开发过程中非常重要。本文首先进行了系统边界分析，再使用标准建模语言UML［4］对需求进行建模，包括用例建模和交互建模的可视化建模方式。

1 系统边界分析

系统边界即系统包含的功能与系统不包含的功能之间的界限［5］。一般在系统分析阶段定义，只有明确了系统边界，才能继续进行下面的分析、设计等工作。明确的边界分析有助于系统模块的划分，明确各个模块的功能职责以及模块间的交互过程。经验证明大量的程序错误是发生在输入或输出范围的边界上，而不是发生在输入输出范围的内部，因此针对各种边界进行分析测试，可以减少错误的发生。图1所示为基于Web的可视化系统边界场景示意图。

图1 基于Web的可视化系统边界场景示意图

整个可视化系统包括如下4个系统边界：

（1）调度员边界流程描述。系统通过浏览器向调度员展示场景，使其获取当前电网运行状态信息。

（2）维护人员边界流程描述。维护人员对系统运行过程中产生的错误日志进行分析处理，设置系统可视化参数。

（3）EMS总线／服务器边界流程描述。总线为系统提供当前电网信息，系统进而进行数据的二次处理和格式化处理。服务器向系统提供用户及电网信息，从而进行权限验证、历史重现。系统不用自己测量数据，系统可以向服务器存储用户的基本信息，用户也可以对系统设置信息。

（4）图形编辑器边界流程描述。图形编辑器提供系统所需站内图和地理图，系统从中获取变电站、母线等图元的位置、属性信息。系统不用自己绘制场站图和地理图。

2 用例视图建模

用例模型的概念最早由文献［6］提出，是系统既定功能及系统环境的模型，可以作为客户和开发人员之间的契约。用例建模与需求的确定是紧密结合的，初步的用例图可以根据顶层需求确定，进一步的求精应由更详细的需求来驱动。如果在开发生命周期中用户需求变了，这些变化应首先体现在需求文档中，接着在用例模型中出现［7］。

参与者和用例由对功能性需求的分析来确定，参与者并不是某人或事物的特定实例，而是系统外部的人或事物针对用例所扮演的角色［7］。根据系统边界分析可知，可视化系统主要包含调度人员、维护人员和EMS总线／系统3个参与者，其在系统中的功能各不相同，因此需要根据不同的参与者建立不同的用例视图，如图2所示。

图2 智能电网可视化系统用例建模

图2a为面向调度员的用例模型，可视化系统通过浏览器向调度员提供多种电网数据展示方式。

图2b为面向EMS总线／服务器的用例模型，设计时需要定义它与可视化系统的接口和规范，保证数据的准确性和有效性。

图2c为面向维护人员的用例模型，维护人员可以使用系统进行参数设置并分析日志。

3 交互建模

交互建模显示了协作对象之间的事件（消息）顺序，属于需求分析的高级阶段［7］。基于Web的可视化系统交互模型如图3所示。调度人员通过网址登录系统界面，服务器根据输入的用户名密码确定用户权限。当判断用户具备访问权限时，页面初始化JS文件，JS文件再以异步通讯的方式每隔一段时间向服务器请求电网数据，获取格式化的JSON数据后，经由不同的图元库函数在浏览器中展示电网场景。

图3 基于Web的可视化系统的交互建模

4 需求模型验证

在需求模型验证过程中，使用上苑供电区域的线路负载率情况实现了基于Web的电网可视化原型系统，如图4所示。

图4 上苑供电区域220kV线路负载率实例

通过AJAX技术［8］让页面每隔一段时间向服务器发出一次请求，服务器收到请求后分析当前场景中包含的电力模型类别和属性，再将要展示的电力数据信息格式化后通过以太网传递给浏览器，浏览器再调用图元库函数在Web页面中更新展示的场景，使调度员能够及时获取当前电网的运行状态。通过三维场景可以清晰地展示供电区域内断路器状态、线路负载率、变压器负载率、有功潮流、无功潮流以及区域总体状态的实时信息，从而达到直观展现电网运行数据，帮助调度员及时处理故障和减少电网事故损失的目的。经过本实例的验证，该系统可以作为基于Web的电网数据可视化［9］需求分析阶段的有效工具。

5 结束语

本文通过UML的可视化建模方法，对基于Web的智能电网可视化系统进行了需求建模，并结合实例使用该模型进行了具体需求过程分析验证，可帮助用户和开发人员了解模块边界和接口功能以及系统的交互通讯过程，减少需求错误和需求缺失导致的时间及资金耗费。进一步的工作是添加电网扩展模型，从而增加系统对开发过程中新产生需求的适应性和可复用性。

［1］Sun Y，Overbye T J.Visualizations for power system contingency analysis data［J］.IEEE Trans on Power Systems，2004，19（11）：1859－1866.

［2］Overbye T J，Rantanen E M，Judd S.Electric power control center visualization using geographic data views［C］／／Proc Bulk Power System Dynamics and Control－VII，Charleston，SC，2007，8：19－24.

［3］Wiegmann D A，Essenberg G R，Overbye T J，et.al.Human factor aspects of power system flow animation［J］IEEE Trans on Power Systems，2005，20（8）：1233－1240.

［4］Booch G，Rumbaugh J，Jacobson I.UML用户指南［M］.邵维忠，译.北京：机械工业出版社，2001：68－72.

［5］祝世海，李胜利，孟 炯，等.基于用例模型的面向对象需求分析方法［J］.哈尔滨理工大学学报，2002，7（1）：34－37.

［6］Marciniak J.Encyclopedia of software engineering［M］.NY：John Wiley ＆ Sons，1994：87－90.

［7］Maciaszek L A.需求分析与系统设计［M］.马素霞，译.北京：机械工业出版社，2009：79－83.

［8］Serrano N，Arozegi J P.Ajax frameworks in interactive Web apps［J］.IEEE Software，2007，24（9）：12－14.

［9］Zhang Weigang，Yuan Hao，Wang Jiangong，et al.A Web－GL－based method for visualization of intelligent grid［C］／／4th International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies，2011：1546－1548.