配电自动化系统中的可视化技术.doc

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可视化技术在配电自动化系统中的应用

林庆农

南京南瑞继保电气有限公司

摘要：

配电自动化系统是对大范围配电区域中的负荷、设备、故障进行统一监控和管理的系统，由于它管理的区域广、设备多、情况复杂，用传统的显示方法已经不能满足现代配电自动化的要求，传统的配电自动化系统中，主要采用接线图、地理图、曲线、棒图等手段来对配电网的运行状况进行显示，手段比较单一，而且对于大规模的复杂图形其不足的地方就暴露了出来，要么图形比较凌乱，要么只能显示局部的内容，引进新的可视化技术来解决这些不足就显得非常迫切。

二十世纪九十年代出现的可视化技术是随着计算机图形学的发展而出现的一门新型工程实用技术，它把各种复杂的工程数据转化为直观的图形，有利于人们快速掌握和正确理解。

本文在介绍图形可视化技术的基础上，着重探讨了可视化技术在配电自动化系统中的应用，提出了多种配电数据的可视化方法，为能充分分析数据和挖掘数据之间的有机联系并采用适当的方法把它们表现出来提供了新的思路。

文中介绍了多种可视化图形的表现方法，如：

2D，3D图形，等高线，渐变区域着色，饼图，箭头，方向，运动速率，大小变化等，描述了实现这些技术的手段，引入的新技术包括：

基于openGL的三维图形技术，动画技术，等高线算法，区域渲染算法等。

研究表明将系统数据不加处理就简单地显示出来的做法是低效的，形象生动的图形可以表达很多数据才能表述的信息。

我们的可视化软件不仅用可视化图形的方法来表示系统，还对系统中的海量数据进行分析和挖掘，找出其中内在的联系以得出可以准确反映系统状态的简洁指标，并以适当的可视化的方法表现出来，常表示的配电自动化系统中的信息有：

状态，容量，裕度，相角，速率，负荷分布，运行趋势，稳定域，地理分布信息等。

采用可视化技术显示这些信息往往不是孤立的显示单个的数据，而是通过一种可视化的方法可以同时把多种数据的含义表示出来。

当然，可视化技术在我国使用的时间还不长，很多公司是直接采用国外的软件，自己开发可视化的实时应用软件的公司还很少。

我公司无论在计算机图形技术的研究方面，还是把它应用于实时配电自动化系统进行可视化显示方面都做了很多、很有意义的尝试，也取得了比较好的效果。

随着我国电力系统规模的不断扩大，要求的越来越高，可视化技术必定会得到越来越广泛的应用。

关键词：

配电自动化系统，可视化技术，系统运行状态，容量，三维图形

引言

随着我国电力工业的发展，配电网规模越来越大，越来越复杂，电网运行的安全性在国民经济中的重要性也越来越高。

为保证用电质量和用电可靠性，配网管理人员希望在最短的时间内掌握尽可能多的配电网运行信息，并在事故时提前预警，辅助调度员尽快做出决策，尽量缩短故障处理和故障恢复时间。

配电自动化系统应提供如下信息：

（1）配电网运行概况

配电网在日常运行过程当中，需要对配电网的运行状态进行有效的采集和监视，随着配电网规模的扩大，配电网信息越来越多，及时准确的配电网运行数据对运行管理人员来说是非常重要的。

如何在有限的屏幕上显示尽可能多的信息，并提供多种显示手段，是人们现今重点研究的课题。

（2）配电网中所有设备的负载情况

配电网中设备很多，供电能力的强弱，供电质量的好坏与这些设备的运行状态有很大的关系，电力设备故障必然导致电力系统出现问题。

所以随时了解配电设备的运行情况：

运行率、负载率、故障率等，对了解配电网的运行是很有帮助的。

（3）配电网薄弱环节的分布情况

配电网在运行过程当中，各部分的负荷状态是不一样的，其抗故障的能力也是不一样的，哪里是当前薄弱的环节，如何根据当前配电网情况分配负荷，减轻配电网薄弱环节的运行负担。

（4）配电网故障的精确信息

配电网运行过程中故障是不可避免的，在发生故障的时候，如何将准确的故障信息及时可靠地传送给调度人员，辅助他们正确判断，采取有效的行动，隔离故障，防止故障的进一步扩散。

配电自动化系统的可视化就是要提供各种各样的新的显示手段，让这些信息以合适的方式表现出来，提高调度员的工作效率。

传统配电自动化系统中的显示技术

在传统的配电自动化系统中，主要有两类图形显示工具，一类是单线图显示，一般由自己开发；一类是地理图显示，一般采用商用的地理信息系统，如：

MapInfo，ARCInfo、SmallWord等。

单线图工具主要显示电气连接的逻辑关系，不关心具体位置，只关心拓扑连接以及相应的测量值和开关的开合状态，图形还包括曲线、棒图等趋势图形，调度员通过图形上显示的数据来了解配电网运行的情况，地理信息图显示设备的地理位置和地形情况，便于设备巡检和了解管道位置和走向。

这两类图形的显示技术的主要特点都是在图形的基础上（单线图或地理图），同时显示电力设备运行的数据信息，如：

有功、无功、电流、电压、相角以及开关、刀闸的开合状态。

可以如实直观地反映配电网的实际运行情况，但不做进一步分析，调度员需要哪个画面、需要哪个数据，都必须亲自查找调用，这种方式的优点是：

一旦选择正确的画面，准确的数据就会连同图形一起显示出来，缺点是：

必须人工选择，比较耗时，紧急时候调度员可能忙不过来，不能主动把重要信息提供给调度员，没有分析功能，数据形式比较单一。

有研究表明，人们对单线图的记忆准确率只有59%，对分析图表的记忆准确率达85%。

这就提示我们，单线图对调度员来说并不是最有效的显示方式，应引入新的显示技术。

3.可视化技术在配网中的应用

现代数据可视化（DataVisualization）技术指的是运用计算机图形学和图像处理技术,将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术。

它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域。

数据可视化概念首先来自科学计算可视化（VisualizationinScientificComputing），科学家们不仅需要通过图形图像来分析由计算机算出的数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化。

随着计算机技术的发展，数据可视化概念已大大扩展，它不仅包括科学计算数据的可视化，而且包括工程数据和测量数据的可视化。

近年来，随着网络技术和电子商务的发展，提出了信息可视化的要求。

我们可以通过数据可视化技术，发现大量电力系统数据中隐含的规律，从而为决策提供依据。

这已成为数据可视化技术中新的热点。

在配电自动化系统中含有大量的配电网运行数据，如何更好地对这些数据进行分析，并通过合适的方式显示出来，更有效地被调度员接收，是现代数字可视化技术需要研究和解决的问题。

可视化技术可以从以下三个方面进行考虑：

（1）概略化

传统的显示方法是有哪些数据就显示哪些数据，不区分这些数据的重要程度，结果是图形上面数据很多，比较凌乱，真正重要的数据不能得到关注。

概略化的目的就是对所有数据进行分析，区分数据的重要程度，把最重要的信息以最醒目的方式显示出来，并根据信息的不同性质，按不同颜色或不同方式显示，忽略那些不重要的信息，使得图形直观、简洁、重点突出。

调度员只需要扫一眼画面就可以知道电网大致运行情况，重点问题在哪里，电网薄弱环节在哪里，而不需要一个数据一个数据地去比对，去分析。

（2）形象化

传统的显示方法主要采用单线图加数据的方式，这种显示方式虽然准确，但不直观，信息获取不方便，需要一个数据一个数据去看，形象化的手段就是利用现代可视化技术，采用多种图形表现方法，把枯燥的数据用形象的图形来表示，比如：

用颜色、形状、大小、运动速度、位置关系等表现不同的数据和数据的性质，并且对数据之间的关系、不同时间数据之间的关系、单个数据与整体之间的关系也用图形表现出来，这样一个图形包含了比单个数据多得多的信息，不仅直观形象，而且信息量大，是传统显示方式所无法比拟的。

（3）多维化

传统的显示方法大多采用二维图形来显示，随着要表达的信息量的增大，二维图形显示方法已经不能很好地满足要求，需要采用先进的三维显示技术。

以前，由于技术水平和机器性能的限制，对三维图形的研究很少，更不用说用于实时系统，但随着技术的进步，三维图形已经完全可以满足实时性的要求，应用的范围也越来越大，显示的效果是二维图形所无法达到的。

所以，在可视化技术中，三维图形有着很重要的地位，是衡量技术水平的重要标志，如何把二维图形和三维图形有机地结合起来，如何用三维的方法更好地表现配电网的运行情况，是我们需要重点研究的课题。

总结可视化技术，主要有以下几类：

3.1潮流的动态属性

在配电网的单线图、潮流图和地理图中，线路潮流是很重要的数据，以前通常的表示方法是在线路旁把潮流的数值显示出来，这种方式虽然数据比较精确，但不形象，特别是当数据比较多的时候，画面比较杂乱，重点数据不突出，调度员很难在这样的画面中快速发现问题。

可视化技术则是采用动态图形的方式来显示数据，用不同的颜色、大小等来区分数据，比如：

线路上的潮流采用箭头方式来表示，箭头的方向表示潮流方向，潮流的大小可以用箭头的大小来表示也可以用箭头移动的快慢来表示，箭头的疏密或者用置于线路上的饼图表示线路的容量等。

采用这种形象化的表现手段并不是要显示精确的数据，而是要表现数据之间的相对重要性和相对关系，让调度员可以简单看一眼就可以了解当前电网运行的大致情况，而没有必要细看每一个数据。

当然，这种形象化的方法对于大型复杂的配网系统来说可能会导致画面凌乱问题，因为如果每条线路都有大量的箭头在运动的话，可能反而使人看不清，这时我们需要一定的过滤机制，比如：

按电压等级来显示动态属性，或按容量达到一定比例来显示等。

所以，可视化功能不是始终显示的，而是根据用户的要求，有选择按钮，并且还有过滤功能，方便用户根据自己当前的情况和需要，选择不同的功能按钮，以达到最佳效果，使画面既直观又简洁。

同样对于表现线路容量的饼图来说，也存在同样的问题，当显示的地理范围比较大、线路比较复杂时，如果把每条线路的容量都显示出来，可能会占据太多的地方，反而会盖住需要的信息，这时就需要有智能判断功能，只显示占用容量大于80%的线路上的饼图，对于容量还有很大冗余的线路可以省略其上的饼图，这样既重点突出，又画面整洁。

还有当画面缩放时饼图的大小应该根据放大比例作相反调节，即当画面放大时，饼图不应该也同比例放大，而是要适当缩小，以免遮住其它信息。

3.2等高线

长期以来电力系统都是采用单线图和设备边上的数据来展现电力系统运行情况，这种方法的好处是数据比较准确，不足之处在于不直观，没有全局观，特别是当要同时观察许多数据时。

为了克服这些问题，引入了等高线技术，它首次改变了对图形的显示方式，把单线图和地理图作为一个整体来对待，用区域染色的方法把设备状态、属性或数值表现出来，同时可以表明设备之间的相对关系。

大家常用的等高线如温度等高线、地理等高线等，这些数据都是空间连续分布，而电力系统中电力数据不是空间连续的，电压等级只存在于母线或线路当中，采用等高线时就需要补充一些虚拟值来填充二维区域，这些虚拟值一般采用对周围数据加权平均法来求得，不同的加权平均算法会得出不同的结果，一旦这些虚拟值计算好以后，彩色等高线图就可以显示出来，一般蓝色表示低电压，红色表示高电压。

这样，通过颜色用户可以很快地了解当前电网运行的情况，了解负荷重的地方在哪里，要注意哪些薄弱环节等。

等高线方法也可以用于报表，过去的报表一般采用二维表格方式，所有数据都没有区别地显示在格子中，用户要了解电网情况必须阅读表格中每一个数据，既费时又容易遗漏。

采用等高线方法显示报表时，不仅显示数据，而且还要显示数据的状态，状态的显示采用填色的方法，过载、越限都用不同的颜色区分开来，这样的报表一目了然，还能发现数据的变化趋势和变化规律，便于进一步分析。

3.3三维技术

二维图形大家都比较熟悉，一直以来电力系统的图形都是采用二维显示，但随着计算机硬件运算速度的提高和三维软件技术的成熟，可以在不需要增加任何硬件的基础上就可以很好地显示三维图形，实现人机交互，电力系统最新的三维应用是变电站三维模拟仿真，可以用逼真的三维场景仿真变电站的所有操作。

在配电自动化系统中，三维技术的应用主要表现在两个方面：

（1）地理信息系统

配电自动化系统中，地理信息显示占有很重要的地位，以前主要采用商用的地理信息系统来完成这一任务，如：

MapInfo，ARCInfo，SmallWorld等。

其实在配电自动化系统中对地理信息的要求有其自己的特点，而商用地理信息系统是针对通用地理信息要求开发的通用系统，很多功能在配电自动化系统中是用不到的，而配电自动化系统所需的一些特殊功能商用地理信息系统又不能很好满足。

商用地理信息系统占用的硬件资源很多，极大地影响了系统的效率，而且，目前还没有一套商用地理信息系统支持三维显示，所以，我们在开发系统时决定开发自己的专门用于配网的地理信息系统，这样做的好处：

A.可以更好地满足配网的要求。

B.占用资源少，性价比高，速度快。

C.可以和单线图进行很好整合，相互可以转换。

D.电网数据显示方便。

E.提供三维功能等。

在配电网中，线路可能是架空线，也可能是地下电缆，三维空间概念很强，地面上的建筑、山体需要三维技术来展现，线路巡检、设备报装、线路规划等日常操作最直观的方法也需要三维技术支持。

所以，三维功能是配网地理信息系统中重要的功能，它可以极大地提高信息的可观测性和操作的方便性。

（2）单线图系统

单线图系统传统都是采用二维图形显示，随着可视化技术的发展和计算机技术的提高，三维技术得到了广泛的应用，除了表示数据、状态和颜色以外，用另一维来表示数据相对关系和其它信息，这样就使信息更加丰富，图形更加直观。

比如：

在三维的接线图上，每个设备都可增加一个三维棒图，表示设备的当前容量，以及当前容量与最大容量之间的关系，可以是变压器容量、发电机容量、线路容量等，另外，三维图形可以通过旋转，从不同角度进行观察，使图形看得更清楚。

在三维曲线中，可以把同一条曲线的不同天数用曲面的方式表现出来，或者不同曲线，在相同的时间段，以三维的曲面方式表现出来，更便于比较，表现力也更强。

3.4动画技术

电力系统中数据是不断变化的，如何把变化的数据有效地表现出来是可视化技术中需要解决的重要问题，动画技术的引入是一个突破，它把数据的变化用图形的改变或动画效果反映出来，如：

用仪表盘、指针、刻度尺、游标、水位仪的改变来表示数据的变化，或用图形的移动、速度的变化、形状的改变等动画效果来表示数据的变化。

动画技术的表现一般分为两类：

A.数值类：

这种类型首先定义最大值和最小值所对应的图形和位置，数值在此范围内变化，每个数值代表一个位置或一种形状，系统会自动根据数值的变化改变图形的位置或形状，调度员根据图形可以立即知道数值的大小，图形的改变实时反映数值的变化，图形连续的变化如同动画一样，调度员也可以根据图形的变化规律掌握数据变化的趋势，具有一定的预测作用。

B.状态类：

数据可能具有多种状态，不同状态对应不同的图形，这种图形可以是静止的，也可以是动画的，或用不同的颜色表示。

动画图形可以是GIF格式、AVI格式等。

当出现不同的图形、不同的颜色或不同的动画时，用户就知道数据的状态是什么。

4.结束语

随着我国电力系统的发展，电网规模越来越大，数据越来越多，原有的配电网自动化系统的显示方式已不能满足要求，而计算机技术的发展和图形显示技术日益成熟，为电力系统可视化技术奠定了物质基础，如何利用现有的数据分析技术、数据挖掘技术、图形和图像处理技术来构造新的配网可视化系统，更好地为电力系统服务，已成为各个厂家加紧研究的课题。

配电网系统运行可视化目前研究还不深入，其应用也仅限于某些方面，无论是技术的综合应用还是应用领域的拓展，都需要进行深入研究，新系统还有很大的发展空间。

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