可视化技术在地区电网智能调度预警研究中的应用

王文林

（国网安徽省电力公司黄山供电公司，安徽 黄山 245099）

电力工业作为保证国民经济实现可持续发展增长的重要基础产业，拥有大量的资产、设备、人员等信息，而且数据采集能力不断提高，使得数据量日益庞大[1]。高效地管理和利用信息数据成为当今电力行业的重要议题之一。随着信息化程度的提高，各种管理信息系统的投入使用虽然能够更高效地进行资源优化配置、提高工作效率，然而大量的文字信息不利于用户迅速挖掘出数据的内在规律。而可视化技术可以将这些无法用语言或列表表示的信息以多样式的数据模型图表示出来，直观地显示出数据之间的内在联系，便于用户总结潜在规律[2]。

文献[3-6]对可视化技术在电网不同方面的应用展开了研究。其中文献[3]介绍了电网实时监控的可视化实现；文献[4]研究了大电网连锁故障预警的方法及可视化显示的技术；文献[5]应用二维虚拟可视技术搭建了配电网三维可视化平台。文献[6]介绍了可视化管理模式在安全生产中的应用。

本文以电力行业应用需求为出发点，通过对可视化技术的研究，设计并实现了可视化技术在电力系统中的一些应用，将图形和数据模型紧密关联起来，既具有图形的直观性又具有数据的严谨性支持，在电力系统实际应用中具有重要意义。

1 SVG技术

可视化技术主要用于将数据以图形或图像的形式呈现出来，并通过交互功能实现信息的交互，从而能够使用户更加直观地获取数据信息。在电力系统应用中，也需要对大量的测量数据、试验数据及计算数据进行统计、分析。因此，科学计算可视化无疑是增强电力系统研究能力的一种有力手段，结合电力的实际需求，逐步形成了电力可视化技术。通过电力可视化技术可以实现对图形、地图及相关数据的统一管理，并能够实现在图上实时显示监测数据、生成统计图表、利用图形模型对数据进行分析等功能，从而使电力工作人员能够更快捷地获取所需信息，提高工作效率，进而保证电网运行安全[7]。

SVG，全称为Scalable Vector Graphics（可伸缩矢量图形），它是W3C制定的、用矢量描述图形的XML应用标准[8]。SVG严格地遵从XML语法并继承了XML的跨平台性和可扩展性，图形内容采用文本格式语言来描述，仅仅通过修改文本文件内容即可实现对图形的修改。因此，基于SVG的图形文件代码小且易于修改，这就为在网络上进行发布传输提供了较好的基础。同时，作为矢量图形，SVG图像品质高，可实现无极缩放。总体而言，SVG主要具有以下几个特点：

1）具有兼容性。因为SVG是由W3C制定的且完全基于XML语言的，因此它继承了XML的跨平台性和扩展性，并能够和HTML、DOM、CSS、JavaScript等标准化技术进行无缝连接[9]。此外，当前主流浏览器如IE9，firefox，chrome都直接支持SVG，这就为SVG的广泛应用奠定了良好基础。

2）采用文本描述对象。SVG采用了与传统的图像格式不同的文本来描述矢量化的图形，这就使得基于SVG的图形文件具有较好的可用性，用户只需通过文本编辑器打开这个文本文件，即可顺利地获取描述图形的文本代码，通过SVG语法对文本代码进行修改就可实现对图形的编辑操作[10]。以文本形式保存的SVG文件占用空间小，容易加载。

3）具有动态和交互式性。SVG支持DOM（Document Object Model，文档对象模型）且能和JavaScript技术进行无缝连接。因此，可以通过修改SVG图形的DOM模型来实现图形的动态改变[11]。通过JavaScript脚本可以监听鼠标点击等外部事件，从而驱动相应的交互性事件[12]。

4）具有易用性。只需要学习SVG的基本语法即可绘制出基本的图形元素，然后通过元素间的组合便可以绘制出任意用户期望的图形。此外，可以将复杂的图形保存为图元，这样就可以直接引用该图元无需再重复编写代码[13]。针对SVG的特点，结合电力的实际应用需求，SVG适用于需要频繁刷新信息的图形可视化展示，以及自定义图形的显示及动态交互。本论文研究并实现了SVG在电力系统中的一些可视化应用，如电力一次接线图的可视化展示，电力设备状态变化统计的可视化展示，试验数据分析的可视化展示等。

2 智能调度预警系统可视化总体设计

2.1 硬件物理结构

目前，黄山供电公司已建设能量管理系统（SCADA/AGC/AVC/EMS/DTS）、电能量计量系统（TMR）、水调自动化系统、调度信息管理系统（OMS）等调度应用系统，逐步形成了一个能满足多种生产管理需要的综合信息化应用环境。在此基础上，地区电网智能调度安全预警体系采用一台数据库服务器、一台监控工作站，其硬件物理结构如图1所示。其中的数据库服务器采用Sun Solaris 10 UNIX操作系统，以充分利用UNIX操作系统运行可靠、网络安全程度高的特点；工作站则采用Windows操作平台，这样可以充分利用运行人员对Windows平台的各项操作功能比较熟悉的优势，有利于运行人员尽快地学习和掌握本系统的各项操作功能。

图1 硬件物理结构图Fig. 1 Hardware structure chart

2.2 软件功能结构

整个系统包括基础平台和高级应用两大部分。

其中基础应用涵盖了网络通信管理、用户管理、配置管理、日志管理、图形显示与编辑、报表管理功能。高级应用则包括了综合量化评估、基于检修计划的风险预警、变电站及重要用户评估、在线监视及可视化、N-1计算、变电站事故预案、负载率统计、辅助决策等功能模块。各个模块之间的关系如图2所示。

图2 软件总体框架图Fig. 2 Frame diagram of software

3 在线监视及可视化功能设计

黄山市地区电网智能调度安全预警体系中在线监视及可视化的功能主要包含：

1）主界面显示电网潮流图，提供漫游、缩放、鹰眼、全屏显示等浏览功能，提供设备画法库、剪贴板、撤销等编辑功能。

2）以图模一体化技术将图形与电气元件模型一一对应，实现数据的可视化维护。

3）在一次设备旁边显示其实时数据。

4）以设备类型分图层管理电气元件，可以控制图层的显示和隐藏。

5）用户可以自定义设备画法。

6）图形可以打印，可以保存为图形文件（BMP/JPG/PNG）。

7）线路潮流的监视及可视化。

8）主变负载率的监视及可视化。

9）线路传输容量的监视及可视化。

10）母线电压的监视及可视化。

软件流程图如图3所示。

图3 系统数据流程图Fig. 3 System data flow diagram

4 智能调度预警系统可视化功能在黄山电网的应用

当前，基于硬件结构及软件框架的可视化系统已在黄山电网获得了实际应用。系统将来源于SCADA的实时信息、EMS的状态估计信息进行重新整合，在地区电网主网接线图、地理接线图及母线接线图的基础上，以饼图、棒图、等高线色谱等形式动态描述电网潮流、母线电压、变压器负载等电网运行数据，并在此基础上实现综合量化评估、基于检修计划的风险预警、变电站及重要用户评估、在线监视及可视化、N-1计算、变电站事故预案、负载率统计、辅助决策等分析功能。

4.1 基本潮流监视的可视化

系统采用在输电线路上叠加箭头的方式显示潮流，其中箭头流动的方向对应潮流走向，箭头流动的速度反映潮流的数量。线路中流动的潮流为复功率，因此采用不同颜色的箭头分别显示有功功率和无功功率。同时为了避免某一区域线路密集时难以区分的问题，程序提供了选择功能。可以选择同时显示有功功率和无功功率，也可以选择只显示有功功率或无功功率，或者选择不显示功率流动，如图4所示。

软件对过载线路还可用二维负载等高线和三维柱图进行告警显示。

4.2 母线运行电压的可视化云显示

系统提供了用电压云显示的方案。电压云显示的难点是如何把离散的节点电压转化为连续的电压值。该方案利用距离加权的方法计算出非节点处的电压的，从而将离散的节点电压转化为连续的节点电压着色问题。如图5所示。节点电压的高低用不同颜色区别显示。其中，电压高和低，分别用红色和蓝色来标识。其中红色越深，表示该地区电压越高，以此来警示运行人员加以关注。用户可以根据自己的需要配置高、中、低电压的颜色。

图4 线路潮流的可视化显示Fig. 4 Visualization of power flow

图5 母线电压的可视化云显示Fig. 5 Visualization of bus voltage

此外，对电压越限母线使用电压等高线或颜色进行预警，保护及自动装置动作应用挂牌的方式进行告警显示。

4.3 变压器负载率可视化显示

“变压器负载率”功能如图6所示。主变的有功负载情况采用两段棒图来表示，其中红色表示变压器有功负荷，蓝色表示有功备用。当把鼠标移到某一柱子上时，系统会以数字形式显示所有指标。

对过载主变还可用二维负载等高线和三维柱图进行告警显示。

5 结语

随着电网规模越来越大，电网的结构越来越复杂，原有EMS中的数据显示方式已难以满足实际要求。如何利用现有的系统分析技术、数值分析理论以及计算机数据处理和显示技术构成新的运行状态可视化平台，是一个重大的研究课题。新一代的电力系统规划、调度、运行与控制必将向着可视化方向发展，加强数据综合与可视化表达手段以及颜色与3D显示的应用研究势在必行。

图6 主变负载率可视化显示Fig. 6 Visualization of transformer load rate

本文的工作重点在研究颜色映射法、等值线法等可视化理论的基础上，以SCADA、EMS系统为基础，为调度人员提供电网实时数据的分类、聚集、分析等，挖掘出那些对电网运行有重要影响的数据，并对这些数据进行形象表达的可视化系统为解决电力信息化问题做了有益的尝试。系统在二维图形场景实现用单个或一组数据显示设备运行参数，设备投切状态显示，显示动态潮流线，利用饼图、棒图显示参数，节点电压云图，变压器负载柱状图等。并在此基础上实现综合量化评估、基于检修计划的风险预警、变电站及重要用户评估、在线监视及可视化、N-1计算、变电站事故预案、负载率统计、辅助决策等分析功能。

[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.LIU Rao，LI Weidong，L譈Yang. Surveys on power system operating state visualization research[J]. Automation of Electric Power Systems，2004，28（8）:92-98（in Chinese）.

[2] OVERBYE T J，WIEGMANN D A，THOMAS R J.Visualization of power systems: final report[M]. New York:PSERC Publication，2005: 17-30.

[3] 赵林，王丽丽，刘艳，等. 电网实时监控可视化技术研究与分析[J]. 电网技术，2014，38（2）：538-543.ZHAO Lin，WANG Lili，LIU Yan，et al. Research and analysis on visualization technology for power grid realtime monitoring[J]. Power System Technology，2014，38（2）: 538-543（in Chinese）.

[4] 刘茜. 大电网连锁故障预警方法及可视化技术研究[D].北京：华北电力大学，2013.

[5] 完整，缪伟，卫志农，等. 配电网三维虚拟可视化平台的研究与应用[J]. 电网与清洁能源，2011，27（5）: 12-15.WAN Zheng，MIAO Wei，WEI Zhinong，et al. Research and applecations in distribution network based on threedimensional virtual visual platform[J]. Power System and Clean Energy，2011，27（5）: 12-15（in Chinese）.

[6] 文浩. 供电企业安全生产可视化管理模式应用研究[J].南方电网技术，2010，4（1）：68-71.WEN Hao.Application research on the visualization model of safe production management in power supply enterprises[J].Southern Power System Technology，2010，4（1）：68-71（in Chinese）.

[7] MCCORMICK B H，DEFANTI T A，BROWN M D.Visualization in scientific computing[J]. Computer Graphics，1987，21（6）: 72-79.

[8] W3C.Scalable Vector Graphics（SVG）1.1（Second Edition）[EB/OL]. http://www.w3.org/TR/SVG，2011-8-16.

[9] ZHANG Jianmin，XU Aichun，LI Haixiang. An automatic engineering configuration system for substation automation based on SVG/XML/CM[J]. Automation of Electric Power Systems，2004，28（14）: 54-57.

[10] LI Yaping，YAO Jianguo，HUANG Haifeng，et al. Application of SVG in the dispatching automation system of power network[J]. Automation of Electric Power Systems，2005，29（23）: 80-83.

[11] 王康元，张洁，朱丽娟. 基于SVG的电网数据可视化图形描述[J]. 电力系统及其自动化学报，2006，18（5）：84-88.WANG Kangyuan，ZHANG Jie，ZHU Lijuan. SVG-based power grid data description and visualization[J].Proceedings of the CSU-EPSA，2006，18（5）: 84-88（in Chinese）.

[12] 袁泉，王康元，张洁，等. 基于SVG的公共信息交互平台[J]. 继电器，2005，33（12）：66-68.YUAN Quan，WANG Kangyuan，ZHANG Jie，et al.Common information interaction platform based on SVG[J].Relay，2005，33（12）: 66-68（in Chinese）.

[13] 石东源，卢炎生，王星华，等. SVG及其在电力系统软件图形化中的应用初探[J]. 继电器，2004，32（16）：37-40.SHI Dongyuan，LU Yansheng，WANG Xinghua，et al.Study of the application of SVG in power system graphicalized software[J]. Relay，2004，32（16）: 37-40（in Chinese）.