电网可视化研究与实践

０　引言

可视化（Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ），是２０世纪８０年代后期随着计算机技术发展而出现的一门技术。是把一些繁杂的文字和数据转换成直观的图形和图像，帮助人们形象地理解数据或过程的含义，以致物理过程的本质，它是数据或文字表达的补充和提升。信息可视化就是利用计算机支撑的、交互的、对抽象数据的可视表示，来增强人们对这些非物理抽象信息的认知。在其他领域，可视化受到广泛重视和飞速发展，而在电力系统可视化的应用是有限的，如在图模库一体化中的应用、系统一次接线图及潮流的流动等。然而这些有限的可视化已无法满足调度员实时准确电网运行状态的需要。新的可视化技术可用来提高电力企业人员在大量的电力系统数据中展现重要的信息，监视电网状态的能力，保证系统可靠性，防止级联事故的发生。

１　国内外电力系统可视化发展

目前，国内外学者对可视化技术在电力系统中的应用做了大量的研究，主要在电网数据显示、运行安全状态显示和运行趋势显示等方

面，主要通过电力系统仿真软件计

算，通过现有的可视化图形软件进行

数据分析和图形显示，例如对系统潮

流断面数据、静态安全分析数据进行

二维或者三维的展示。

１９９９年在美国成立的合作研究机

构——电力可靠性解决方案研究合作

组织，开展了电网实时可靠性研究课

题。该研究内容之一便是调度决策支

持工具及可视化，而且基于ＰＳＥＲＣ

（电力系统工程研究中心）的基础研究

而开发的软件工具首先在Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ

进行试验。该监视工具设计来为调

度员更及时、更有效地报警潜在危

险的电网运行状态，以提高调度员

采取正确的措施来防止事故扩大。

使用可视化技术的电压管理工具用

不同颜色显示美国西部电网的电压

情况，直接显示一些诊断信息，包

括观察状态的严重程度以及所采取措

施的有效性。

１．１　发展动态

（１）增强电力系统二维可视化。在

ＥＭＳ的电力系统单线图上可以应用滤镜

技术突出显示参数特别的线路，同时用

标尺方法标注线路无功功率和怎样应用

等高线来展示电网母线功率注入。

（２）应用三维可视化技术对电压

幅值、传输线路和变压器负荷等信

息进行分析预测。这种可视化需要

的功能包括展示整个系统的安全状

态、越限情况，发生偶然事故的部

分和由它引起干扰的部分之间的地

理关系等。

（３）可视化技术应用到设备管理

和监测中，将系统宏观的可视化观

点应用于电力系统中重要的设备的

详细状况和运行条件的可视化。

１．２　主要应用领域

１．２．１　电网运行数据可视化

传统的电网结构单线图具有结

构清晰、规整的优点，可以将系统

节点数据和线路数据清楚地标注到

相应的位置上。但是它不与实际系

统的地理位置对应，直观性较差，

在某些应用上显出其局限性。基于

地理的电网接线图，十分直观。但

是某些节点和线路在地理上聚集

在一起时，数据的显示存在问

题。这是可以用有选择性的显示

满足某一条件的数据，如分区、

分层显示，以避免数据显示过于

密集甚至重叠。

１．２．２　预想事故分析（ＣＡ）可视化

ＣＡ的结果可以用一系列的二维

矩阵来描述，如表１所示。

潘坚跃（杭州市电力局，　浙江 杭州　３１０００９）

2007年第5卷第7期

40?电力信息化?

?

电力信

息化

设备（ＩＥＤ）技术正改变原有的ＳＣＡＤＡ

系统，使得采集数据爆炸式的增长。例如利用ＳＣＡＤＡ和ＩＥＤ的结合提取出实时的发电机变压器的电－热模型。此方法的优点是实时电－热模型可以确定许多重要信息。如变压器热点温度、变压器寿命和在线负荷极限等。这些信息可以通过可视化的方式呈现在工作人员面前。

通过计算得到的变压器实时电－热模型，温度和动态负荷都能够可视化。随着时间发展视图不断进行更新，就能提供系统运行的动态显示。变压器的可视化可以通过多种方式实施。比如先构建变压器的３Ｄ模型和变压器不同部分的温度色码。３Ｄ模型可以进行旋转、平面化、缩放等操作，使用者可以采用自己最想要的视角来仔细观察变压器的运行状态。

２　可视化的实现算法

２．１　电压等高线的２种实现算法

（１）基于三角形网络法实现的电压等高线。其运用的生成等高线的算法是不规则三角网（ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｅｄｉｒｒｅｇｕｌａｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　，ＴＩＮ）生成法，ＴＩＮ是按一定的规则将离散点连接成覆盖整个区域且互不重叠、结构最佳的三角形，实际上是建立离散点之间的空间关系，虽然ＴＩＮ方法需要的内存较大，但其拓扑关系清晰、内插时间短、基于ＴＩＮ的算法也较成熟，因而近年来得到了较快的发展。

（２）根据插值算法实现的电压等高线。根据插值算法实现电压等高线是通过计算图２０中各关键点电压

的方法计算其电压值，最后用不同的颜色标示相应的电压值。

采用不同的颜色表示电力系统节点特征量的不同数值是常用的手

段，但由于电力系统节点分布的离散性，仅仅对少量离散点的着色无法达到提高全图可视性的要求，同时也使用户难以准确掌握系统各地区的特征量分部规律。根据插值的方法是假设特征量在全系统范围内连续分布，节点处的特征量取其当前运行值，非节点处则根据其与各节点之间的距离按一定算法取值，从而得到全系统的特征量分布图。

２．２　负荷密度的区域算法

结合实际的电网地理接线图计算一个给定区域里的电力负荷，主要是根据区域闭合的原理，流进区域的负荷减去流出区域的负荷等于流进区域的总负荷，而供电区域的总用电负荷等于流进区域的总负荷加上电厂发电负荷和总的损耗。对一条线路首先要判断它到底属于哪个供电区域，然后计算属于同一供电区域的负荷总量。通过线路可以找到线路两端的连接点，然后通过其所属的电压等级找到其所属变电站，最终找到所属供电区域，并且通过断路器找到其开关上线路的有功测量值。当所有供电区域的总用电负荷都求得时，然后在地理接线图上对负荷密度进行可视化显示。

３　基于ＳＶＧ的电网信息可视化

可视化技术在电力系统中的应用中常常会遇到一些仿真软件，它们的数据格式基本都是非公开的二进制格式，不同系统之间图形数据的共享比较困难，需要相互提供转换接口。相比之下，ＳＶＧ是一种开放标准的文本式矢量图形格式，使用ＳＶＧ描述的图形资源，可以在任其中一个矩阵存储电压结果，另一个存储传输元件的电流结果。矩阵的行对应预想事故，列分别对应母线电压或支路电流值。由于Ｃ

Ａ

的计算结果可能会产生大量的数据，有效地进行数据的组织是ＣＡ可视化的先决条件。ＣＡ结果的可视化将显示３个层面的信息：首先，通过显示系统越限个数和最严重的过负荷百分数和／或最低的标么电压，给出每一预想事故引起的系统电流和电压越限情况的综观；其次，显示越限的具体参数和越限元件的位置；最后，显示某一单预想事故所引起的越限值和位置。

用３Ｄ显示技术对ＣＡ所得数据做可视化分析，可以帮助调度员迅速了解系统的安全状态以及系统的薄弱点。

１．２．３　设备管理可视化

设备管理可视化主要用于设备管理、环境管理、防范防灾管理、资产管理各个模块的规划配置报告的显示，设备状态监视图形显示等。

（１）设备检修管理可视化。它帮助检修人员了解特定时间段内需要检修的设备及其相关联的线路等信息，方便了相关人员安排检修计划。

（２）设备故障管理。当系统中有设备发生故障时，设备管理可视化系统应该能够迅速地在地理接线图中显示出故障设备所在厂站以及相关联的线路和厂站，便于相关人员及时处理故障设备。

（３）

设备状态可视化。智能电子

母线电压越限矩阵

支路电流越限矩阵

2007年第5卷第7期

42

?

电力信息化

?

作者简介：

何支持ＳＶＧ浏览器（如带ＳＶＧ插件的ＩＥ浏览器）中显示，极大地方便了图形资源在各个系统之间共享。

　（１）基于ＳＶＧ的可视化的软件

实现方案（软件结构图）。分析现有的电网可视化应用方案可以看出，电网可视化应用较多是在地理接线图或者系统单线图的基础上，将数据转化为二维或三维图形对象进行展示。ＳＶＧ能够准确描述电力系统图元并提供精确的图形元素定位，非常适合描述地理接线图或者电网单线图，这就为用ＳＶＧ来展示电网可视化的图形提供了可能性。

　（２）地理接线图和电网单线图。基于地理图电网接线图和电网单线图可以通过现有的图形系统提供的转换接口转成ＳＶＧ格式的图形。电网的单线图可以由ＳＣＡＤＡ系统导出，地理接线图通过几次讨论，可以通过生产系统的经纬度信息来自动形成。

　（３）基于ＣＩＭ平台的ＳＶＧ电网可视化方案。系统的数据源为现有电力系统应用软件提供的基于ＣＩＭ标准的ＸＭＬ文件和地理接线图或者单线图的Ｓ

Ｖ

Ｇ文件。经过可视化计

算，得到电网数据和电力系统运行状况的可视化分析结果并生存ＳＶＧ图形文件。

４　可视化技术实际应用

在掌握和了解了国内外电力系统可视化方面的发展趋势，并通过对一些实用化手段的研究，对杭州市电力局的现有应用系统的数据源进行了充分调研和分析后，用可视化应用组件对电力系统数据进行可视化处理，实现了以下功能：

（１）基于地理图电网接线图。基于地理图电网接线图和电网单线图通过现有的图形系统提供的转换接口转成ＳＶＧ格式的图形。

（２）潮流动态图。在潮流图上用流动的箭头表示线路上的有功和无功潮流，箭头的尺寸与功率的大小成比例，使用人员可从动态图得知更为详细的潮流信息。

（３）三维图。对超过限值的主变或变压器闪烁提示，通过这种方式可检查历史回放中变压器、线路负载率的变化情况。

（４）等高线图。为了解整个电网某历史时间段内电压变化情况，以地理图或潮流图为背景，根据历史数据生成电压等高线的变化情况，为使用者提供直观的动态电压等高线变化情况。

（５）三角网格法的电压等高线。运用的生成等高线的算法是不规则三角网（ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｅｄ　ｉｒｒｅｇｕｌａｒ　ｎｅｔ－ｗｏｒｋ　，ＴＩＮ）生成法的杭州电网如图１所示。

（６）区域负荷密度。电力系统中的一些区域数据如区域负荷密度，　可以针对每一供电区域中的用电总负荷进行可视化显示，以负荷密度的形式将地理图上杭州各区域的用电负荷显示了出来。

５　结语

企业的信息建设是一项庞大复杂的系统工程，通过对国内外的各种文献资料的阅读，掌握和了解了

国内外电力系统可视化方面的发展趋势，并通过对一些实用化手段的研究，理解了如何将可视化技术应用于地区电网的信息展示。当然，只对这项技术做了一个初步的探索，通过这次探索，觉得可以在以下几个方面作进一步的实践：

（１）目前主要集中在最基本的电气运行特征数据的可视化展示，即Ｕ、Ｉ、Ｐ等量的展示，在今后的工作中，可以尝试频率、ＰＭＵ等动态电气量的展示，也可以尝试非电气量，如在线监测数据的展示。

（２）　可以在２Ｄ的基础上作一些进一步的简单３Ｄ的尝试，如前面的事故预想上所提到的这些技术。

（３）通过尝试各种可视化展示模型，找出一个最适合运行和管理人员直观感觉各种运行特征的可视化模型，并能够将它固定下来，成为管理电网的有利帮手。

（４）通过与ＰＩ的结合，进一步将这些技术应用到对ＰＩ中的历史数据的展示上，可以充分的利用ＰＩ中的资源。