基于VRGIS 平台的电网运行优化决策支持系统设计

徐钏洋，张嘉伦，郑乔

（国网台州市路桥区供电公司，浙江台州 318050）

在我国电力事业迅速发展的今天，满足当今社会经济增长所需的电能越来越多。同时，超高压输电解决了大容量、远距离输电的难题，减少了输电损耗，也有效地解决了不合理的能源结构和与电力有关的能源分配的不平衡问题[1]。然而，由于我国电网运行存在欠负荷问题，出现网络架构不稳定的情况，制约了新能源的有效使用。因此，有必要设计电网运行优化决策支持系统[2]。目前使用的电网运行多层次优化决策支持系统，是在现有调度自动化结构的基础上，结合智能电网发展趋势，根据电网实际运行情况，将电网运行分为两个阶段，分别是正常运行阶段、异常运行阶段，针对不同阶段设计了决策子系统[3]。虽然使用该系统能够实现电网安全运行，但这种基于启发式搜索的系统，需通过构建数学模型，确定衡量测试集的启发性函数，对电网运行进行决策[4]。针对该问题，提出了基于VRGIS 平台的电网运行优化决策支持系统设计。

1 系统硬件结构设计

将GIS 与虚拟现实VR 技术结合，形成VRGIS 平台[5]。基于VRGIS 平台的电网运行优化决策支持系统总体结构如图1 所示。

图1 系统总体结构

由图1可知，该系统主要包括两大主体[6]。一是将模型库和数据库系统相结合，提供量化的决策信息，为业务优化提供决策支持；二是负责专家系统和数据挖掘，直接从仓库中获取信息，并将其存入知识库[7]。

1.1 VRGIS平台

VRGIS 平台具有存储、处理、查询、分析的功能，可将GIS地理信息系统与VR虚拟技术结合[8]。VRGIS平台如图2 所示。

由图2 可知，VRGIS 中的所有节点都存储在场景中，并作为对象，处理全部空间信息[9]。对于虚拟场景，所有信息处理节点都具备一个传输接口，当虚拟场景被渲染后，通过在次日访问每个节点的唯一身份，对节点进行绘制。GIS 分析也可以采用同样的方法，将所有的节点空间信息作为分析对象，利用三维GIS算法实现虚拟现实和GIS 之间的数据共享[10-11]。

图2 VRGIS平台

1.2 数据采集系统

在数据采集系统中，采集卡也是一种电脑扩展卡，通过USB 无线网络总线与微机相连，完成数据采集功能[12]。根据AD 模块对信号的要求，调整变压器的前端输入电路[13]。利用FPGA 实现时钟信号的高速差分传输和控制功能，并以差分的方式将所有信号传送给核心控制器，包括数据和状态信号，各模块分别完成AD 模块和时钟传输模块的采集。通过GTX 接口，将接收到的差分数据进行并行、串行转换和位降处理，并将定制数据通过PCI 总线传输到PC 机[14]。

1.3 运行优化模型库管理系统

数据仓库的建立和实际应用的抽象，都离不开优化模型库管理系统中数据模块的运行工作[15]。其目的是构建主题，并为多种应用程序数据源的集成提供统一的标准。该模块包含了管理内容的数值类型值，使用户能够更好地进行查询，并能对各种复杂的查询进行合理的调度。由于包含实施模块中的主要数据，因此不需要在查询中连接大量模块，只要扫描事实表即可。因为模组很小，所以事实表可以快速连接并加快查询速度[16]。

1.4 智能决策子系统

面向电网的智能决策子系统是一个集数据库服务器和Web 服务器于一体，实现实时数据采集、处理、存储、发布功能的子系统。主站负责线路性能的计算、优化分析、运行指导、问题解决、管理员人机交互等功能，系统中的其他服务器可做冗余备用。应用层网络采用10/100 Mbps 以太网体系结构，实现服务器与客户端的互联，可满足实际应用的需要。

2 系统软件部分设计

2.1 基于VRGIS平台的决策数据预处理

VRGIS 分析方法是在数据预处理过程中，采用对象的节点组织方式，将每一层、每一片地形的数据保存到对象中。在分析各节点的空间数据时，可以通过统一的公共接口访问实现，使用该方法能够方便快捷地访问数据。数据输入系统通过使用者互动方式，读取外部档案至系统。对收到的现场数据进行整理，发出更新指令给数据库，依次判断更新指令，待所有判断完成后，将系统更新结果通知多维动态显示系统。

对海量电网运行优化决策数据进行预处理，算法步骤如下：

步骤1：设置单位分块面数的幂值n和单位网格对应的纹理N，幂值越大，表明绘制三角形网格的次数也越多。但是，该方法的渲染效率很低，所以，需要根据网格大小把剩余的渲染区域补齐，以获得显示场景的长宽值。

步骤2：设最初的网格层i为当前处理层；

步骤3：对于确定的网格数据，将其切分成2n-i个分块，每个分块之间存在1 个单位重叠区域，用于填补网格缺陷；

步骤4：将处理的网格数据作为输入参数；

步骤5：算法结束。

定义处理后的数据分块为Xijk，其中包含单位网格信息和全部数据，分块总量G计算公式为：

公式（1）中，i表示网格层；j表示分块在X轴方向的位置；k表示分块在Y轴方向的位置。将文件分块按照四叉树索引方式组合全部数据，消除操作系统的限制，控制单个集合文件的大小在标准大小范围内。

2.2 决策场景实时绘制

在决策场景实时绘制过程中，受到计算机不同硬件差异影响，无论是从外部存储器还是从存储器到显存的数据读取都会产生较大的差异。为此需要对数据调度流程中的任务分配进行优化，消除硬件间的干扰，提高磁盘访问速度，以满足实时渲染要求。

VRGIS 平台采用四叉树网格技术，对场景数据进行轴向划分。

步骤1：根据四叉树的分块情况对场景进行整体划分，假如一个建筑物跨越一条边界，它的中心点所在子树的边框应该被适当地放大，使之完全包围。

步骤2：对于各种类型的物体，可以根据其位置来判断包围盒，并将其储存在包围盒内。如果它的位置与两个边界框重叠，它就被指定为其中的一个。

步骤3：对四叉树进行分块时，首先要判断其所含模数。在场景分组中，当分盒树的数量达到一定标准时，边界框中的标记应保持不变。

步骤4：当绘制数据时，首先从场景中读取围绕这个包围盒的信息。如果已注释包围盒，则一次性读取所有包围盒数据。

步骤5：提取包含的对象信息，根据存储的信息生成用于渲染的对象。这将有效减少磁盘访问的数量。

3 实验分析

3.1 实验环境

以某有限公司电网发展和改造项目为例，该电网位于中西部地区，包括10 条输电线路和15 座变电站，全长共803 公里。因施工区域大多在山区，当地气候条件十分恶劣，项目施工难度较大，为此项目负责人多次勘探，设计施工方案。

3.2 电网连通性测试

智能电网GIS 系统有其自身的特点，即具有电网连接的特点。电网连通性分析功能都是在二维或三维界面上通过GIS 实现的，并且贯穿于整个测试过程。GIS 是一项实用、可靠的重要功能，它能使工作人员建立网络连接并进行分析。对变电站、开闭所、变压器等设备进行选型时，首先要把设备的供电范围与连接仿真系统相结合，在供电范围内，根据线路高亮显示电网资源数据。

电网连通性测试如图3 所示。

图3 电网连通性测试

如图3 所示，从网络连接的角度分析，可以清楚地看出，所有电力设备都是从一个变电所出来的，整个线路的连接状况也是如此。该装置之间采用高亮图形闪烁线，以检测其拓扑关系。在线路连接之后，就会显示高亮，并且会传回两台设备的设备清单。要分析两个设备都在环网上，必须考虑交换机的状态，否则就会得到“参数错误”消息。

3.3 实验结果与分析

由于场景视点的频繁变化，使某些请求失去效用，队列中需要对全部请求进行遍历，检测并删除已经失效的请求，进而保证系统的可用性。理想情况下的遍历结果如图4 所示。

图4 理想情况下的遍历结果

以图4 为基础，分别使用电网运行多层次优化决策支持系统、基于启发式搜索电网运行决策支持系统和基于VRGIS 平台决策支持系统分析遍历结果正确性，如图5 所示。

由图5 可知，电网运行多层次优化决策支持系统、基于启发式搜索电网运行决策支持系统遍历结果与理想情况不符，存在数据丢失情况，而使用基于VRGIS 平台决策支持系统与理想情况一致，说明具有良好遍历结果。

图5 3种系统遍历结果对比分析

针对上述遍历结果，对比分析n个线程的数据调度结果，以此作为决策支持的依据，3 种系统对比结果如表1 所示。

由表1 可知，使用电网运行多层次优化决策支持系统无法采集到全部数据，因此最终发布数据仅有30 bits 数据；使用基于启发式搜索电网运行决策支持系统，虽然采集到40 bits 数据，但是最终发布数据仅有30 bits 数据；使用基于VRGIS 平台决策支持系统能够采集到全部50 bits 数据，并发布全部数据。由此可知，使用基于VRGIS 平台决策支持系统具有良好的决策支持效果。

表1 3种系统决策支持对比结果

4 结束语

以电网运行优化决策支持系统VRGIS 平台设计为基础，结合虚拟现实技术和GIS 技术，运用组件式开发思想，成功开发了VRGIS 软件。实现了虚拟现实与GIS 的集成模式，虚拟现实与GIS 的数据共享等功能。针对电力系统仿真的需要，有机地整合了虚拟现实系统和GIS 的功能。

当前，由于软件开发还处在技术完善阶段，因此，在系统的下一步工作中，还需要从以下几个方面进行改进：一是GIS分析功能的逐步完善，二是对二维GIS功能和系统的更加全面的研究，改善现有二维GIS数据的利用率，实现场景自动构建的智能化。