基于可视化技术的地区电网智能调度预警系统设计应用

王大亮，邓健，鲁海威，王承民，刘涌，袁秋实，伏祥运

（1. 国网吉林省电力有限公司 长春供电公司，吉林 长春 130000；2. 吉林财经大学 亚泰工商管理学院，吉林 长春 130000；3. 国网吉林省电力有限公司，吉林 长春 130000；4. 上海交通大学，上海 200240；5. 上海博英信息科技有限公司，上海 200240；6. 国网江苏省电力公司 连云港供电公司，江苏 连云港 222023）

随着电力系统的快速发展，电网调度工作的重要性愈发突出，调度员需要关注的设备范围和层面也日益扩大。如何快速分析、处理、展示这些信息成为了当今电力信息化的重要课题。

可视化技术是指将抽象的事物或过程变成图形图像的表示方法。将可视化技术用于电网运行监控，调度员很容易从可视化后的图形中及时发现电网存在的问题和变化趋势，提高决策效率。当前，可视化技术随着电力系统的发展需要不断进步，从最初的电网单线图的数据原始表示及列表表示，逐步向二维/三维图形化、动画发展，并吸收了信息学、美学、心理学等学科技术，形成了一系列与电力系统运行相适应的可视化表达方式。

本文在前人研究开发的基础上，设计建立的可视化调度和预警系统以设备为单位，借助于计算机图形理论和技术，形象生动地显示电网运行信息，为调度人员提供电网实时数据的分类管理，并且挖掘出那些对电网运行有重要影响的数据，对这些数据进行形象表达，并融入优化控制策略，是电网调度自动化的创新实践。

1 电网智能调度预警系统

电网智能调度系统是以电网调度系统为对象，通过不断研发和应用新型的电网控制技术、信息技术和管理技术，实现电网调度各环节信息的智能交流。它是提高电网调度安全生产保障能力和决策能力，提高调度资源共享和优化配置能力，提高电网调度规范化、标准化、精益化和智能化运行和管理能力，为电网安全、优质、经济运行提供支持和保障的技术体系。

当前，电网规模化与复杂化的发展趋势使得电网安全和经济运行问题凸显，电网智能调度系统的研究与开发成为关注焦点。从现有研究成果来看，电网智能调度系统的研究主要集中在电网状态计算（包括预测）方法、决策系统及系统平台搭建3个方面[1-2]。

本项目重点开展地区电网N-1开断扫描计算分析及智能安全预警和辅助决策、电网负荷转移能力、变电站及重要用户的供电综合可靠性、地区电网运行水平的综合量化评价体系研究，建立起系统级的地区电网安全稳定分析和预警的检测体系，通过可视化手段，友好的人机界面向调度运行人员提供当前运行方式下的电网辅助决策支持。

2 可视化技术在电网调度预警中的应用

可视化方式区别于传统的文字表格和一般图形表示方式，它以人眼容易识别的方式，用形状、颜色、大小、位置、移动、闪烁等多种方式结合来表达信息。

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。可视化技术起初广泛用于测量数据及计算数据的可视化展示，通过相应地图形或者图表来直观地展现这些数据，从而帮助用户发现数据间潜在的联系，这也就是我们常说的科学计算可视化[3]。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于图形、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[4]。文献[5]中指出可视化技术是实现智能电网的关键基础技术。文献[6]中分析了电力设备智能化的技术可行性，为实现可视化提供了前提条件。

电力系统常见的可视化功能包括动态潮流图、等高线、三维曲面、三维棒图、区域着色、故障指示、线路异常指示、变压器异常指示、动态棒图、动态饼图、动态表计图等。随着信息化及市场化的不断发展，当前的系统日益复杂，数据与日俱增，通过可视化手段来提高数据利用率的需求也越来越高。

3 地区电网智能调度预警可视化系统设计与实现

文献[7-9]是关于电力系统可视化技术的比较有代表性的文章。Overbye的研究小组将电力系统中节点电压的分布看成在整个系统覆盖区域内是连续的，将传统的任意节点电压的离散数值，根据其离各实际节点位置的距离及对应节点的电压标么值，采用特殊的算法计算并采用连续变化的颜色值绘制。其目的是为了使整个系统区域被表示为一幅彩色的等高面图形，用户可以对全系统范围内的电压分布一目了然。文献[10]针对暂态稳定、电压稳定研究了可视化方法，但是该方法需要调度员具有较高的理论水平，并且计算所需要的时间较长，不适合调度员在线监视。文献[11]研究了利用虚拟环境在地理位置图上进行数据的3D显示，其中纵向维度用来显示可用传输容量和发电机无功功率储备等数据。该方法图形直观清晰，也较美观。文献[12]研究了可视化技术在配电网可视化中的应用，研究了配电网三维虚拟可视化平台的研究与应用。文献[13]从电力系统应用软件的需求出发，分析了图形平台的一般功能和设计原则。

本文基于文献[7-13]的部分研究成果，在具体实现上采用了新的算法，遵循CIM、SVG、CIS的模型-图形-传输接口规范以及静态监视-动态监视-安全控制分析-辅助决策的功能体系。

3.1 设计总框架

全系统采用一台数据库服务器、一台监控工作站。其中数据库服务器采用Sun Solaris 10 UNIX操作系统，工作站则采用Windows操作平台。

整个系统包括基础平台和高级应用2大部分。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。

其中，与现有的SCADA/EMS系统的数据接口如图1所示。

图1 数据接口图Fig. 1 Data interface diagram

这样设计的可视化系统有如下特点：

1）该系统很好地继承了原有SCADA/EMS中有效的实践经验。现有的SCADA/EMS有着成熟的理论基础和应用经验，可视化系统在借鉴、传承其精华的同时，融入可视化新技术。通过可视化手段来提高数据利用率。

2）将可视化界面与功能紧密结合，展示调度员所思、想看及动手操作的具有视觉敏感的界面，加深对系统态势及解决方法的理解。

3）系统框架是一个开放式系统，可任意插入后续功能。该系统的核心算法是互动与顺序协调统一的在线算法，可采用纯数学模型算法、数据挖掘算法、人工智能算法等。

3.2 主要功能介绍

本次设计的可视化系统实现了以下功能：

1）实现电网实时数据的收集，利用动态显示及二维图像对电网线路、节点电压及发电机有功、无功功率的实时信息进行形象表达。主要包括节点电压的等高线、线路的负载饼图、线路负载的等高线、动态发电机、动态潮流。

2）利用三维图像对有功、无功功率备用的实时信息进行形象表达，如无功备用、变压器备用、三维旋转功能。

3）任意断面潮流功率总加预警可视化。系统提供显示线路任意断面组合的功率总加，并将结果用柱状图表示。该功能大大减轻了调度人员的工作强度，为调度人员迅速、准确地评估系统的运行状态提供了强大的技术支持。

4）实时态下电网运行的指标体系及电网静态脆弱性的可视化表达。利用SCADA/EMS传递的实时数据对发、输电系统，负荷及无功装置等的运行工况进行分类处理，然后应用模糊聚类的方法，客观评估系统的安全运行状态。

各部分可视化关系如图2所示。

图2 可视化关系图Fig. 2 Visual data diagram

4 系统应用

本文所述系统已经在吉林省长春市实际应用。软件主界面如图3所示。

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 电网动态潮流可视化

本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，如图4所示。

图3 软件界面Fig. 3 Software interface

图4 线路潮流及传输容量的可视化Fig. 4 Visualization of the line flow and transmission capacity

此外，当线路潮流越限时，越线线路的负载率将显示在线路上。

4.2 母线运行电压的可视化云显示

系统提供了电压云显示的方案，如图5所示。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。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。

4.3 变压器负载率可视化显示

主变的有功负载情况采用两段棒图来表示，如图6所示。

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

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

5 结语

电网调度作为电网运行的核心内容，在建设坚强智能电网为目标的电网发展趋势下，研究和开发智能调度系统成为必然。本文在分析电网智能调度预警可视化系统的总体设计思路以及软硬件系统组成基础上，介绍了电网调度预警可视化系统的应用。该系统的工程实践结果表明，其具有较好的应用前景与深入研究价值，为进一步发展智能电网提供了技术支持。

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