县调EMS系统可视化技术应用资料.docx

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县调EMS系统可视化技术应用资料

县调EMS系统中可视化

技术应用

二〇一一年七月

1综述

1.1县级电网调度系统主要特点

随着电力系统的建设和电力自动化系统的发展，电网调度员所面临的电网规模日趋庞大，结构日益复杂，传统意义的调度自动化系统使得调度员的工作压力越来越大，主要体现在如下几个方面：

●电网状态量数目激增，很难对电网进行全面的判断和监视，不易从大量的数据中得到对电网的整体认识；

●电网发生异常情况后，告警信息复杂且繁多，调度员很难根据系统提供的信息准确判断故障的位置和严重程度；

●受时间、条件等限制，对电网的控制措施很难保证安全和经济。

同时县级调度自动化位于调度自动化最低层，是其它各级调度系统的基础信息来源，作用尤为重要，为了解决上述问题，在EMS系统中应用了可视化技术，主要目的在于帮助调度员直观的监视电网运行状态，最终减轻调度员的工作压力，提高电网调度的安全性和经济性。

该系统利用可视化展示平台，通过三维图元、颜色透明度编码、动画显示、背景渲染等手段，直观地显示电网实时数据，最大程度减轻调度员的工作强度，保障电网安全、高效运行。

1.1.1系统的总体设计思想

1.1.1.1产品背景描述

调度员日常工作主要内容可以分为监视电网和控制电网，其中控制电网又分为处于调整目的控制电网和电网紧急情况下的故障恢复。

要想提高电网调度的自动化水平，必须从调度员的日常主要工作入手。

目前，传统的能量管理系统（EMS）在数据采集与监控、电网分析方面的功能比较完备，给电力用户带来了极大的便利。

在长期的使用过程中，用户从电网安全、可靠、经济运行的角度，对系统提出了更高的要求。

电网监视通过可视化平台进行各种监视数据的展示，辅助调度员面对规模日益增大的采集数据，可以迅速获知重要的信息，准确判断电网的当前状态。

对EMS系统大量的采集数据和分析结果进行挖掘提取，得到能够表征电网当前及未来一段时间的运行状况的特征并通过直观的手段展现，使得调度人员能够更为便捷地把握电网的运行状况。

1.1.1.2系统结构设计

系统本身采用先进的C/S机制，并在整体设计上采用SOA体系。

可视化显示平台和业务逻辑采用插件体系结构，使业务的扩充与平台的功能相互隔离，保证了业务功能不断扩充条件下平台功能的稳定。

系统可视化模块直接使用EMS系统的图形，通过图形信息搜索确定图形信息的坐标和业务信息，来进行可视化展示。

作为系统的关键环节，电网数据可视化展示平台采用插件式体系结构，即基本的可视化展示环境、图形的显示、电网数据的获取、人机互动功能作为基础的可视化平台，在此平台之上，建立插件交互接口规范，开发可视化展示插件。

每一个可视化展示插件通过与具体的数据提供者进行通信，按照自行定义的业务逻辑确定可视化展示手段，最后通过调用可视化平台提供的标准接口控制可视化的展示。

可视化系统提出了面向主题的可视化展示方式，即通过分析，把海量的电网状态数据按照不同的侧面通过可视化平台展示，通过特定的可视化手段，把电网在该维度上的信息展现给调度员。

1.1.2主要功能

可视化监视功能是对SCADA系统监视功能的深化，针对地区调度员关注的热稳定等问题，系统监视能够表征电网安全状态的变量，采取直观的展示方式向调度员展示上述变量的运行情况，让调度员对电网的运行状况有准确的把握，通过系统的可视化展示平台，把抽象、纷杂的数据用直观、友好的方式传达给调度员。

县调EMS系统可视化技术的主要包含以下功能：

潮流动态展示：

可在电网结构拓扑潮流图、厂站单线图以及地理接线图等图形画面中，根据线路的有功大小进行动态潮流显示，以流动箭头的大小和速度随有功的大小同步变化。

节点电压等高线：

可在地理接线图、电网结构拓扑潮流图上依据节点的电压情况，以等高线方式动态显示等高线，等高线之间以颜色深浅区分；节点电压等高线，可以单独显示高电压等高线（标幺值>1的电压），也可以单独显示低电压等高线（标幺值<1的电压）。

无功展示：

通过飘带、圆柱等三位效果展示各个场站之间的无功产生、消耗、接受、传输情况。

N-1展示：

对整个电网进行静态安全分析，扫描设备，通过圆柱、空中连线、倒立圆锥和立体墙等三位效果展示设备引起的越限设备。

厂站功率因数监视：

通过立体饼图展示场站的功率因数，功率因数达到告警值时通过饼图颜色变化突出显示。

作为上述功能的一个集中展现平台，系统的重要组成部分是电网数据可视化展示平台。

该平台采用OpenGL基础开发，可以显示EMS系统中已有的潮流图、站内接线图等图形，并能在这些图形上进行可视化展示。

具体的可视化展示手段包括流动潮流显示、二维饼图显示、三维圆柱显示、背景渲染等。

显示界面在三维空间中，可以无级缩放，支持图像的旋转、倾斜，支持图像任意漫游，便于调度员从不同角度、不同详略程度观察可视化显示的结果。

1.1.3系统的创新点

县调EMS系统的可视化应用在设计理念、设计思路、实现方法上具有一系列创新点，具体体现在如下几个方面。

1.1.3.1县级调度中可视化的应用

县级调度自动化位于调度自动化最低层，是其它各级调度系统的基础信息来源，县级调度所起到的作用不容忽视，因此对县级EMS系统的功能要求更高，可视化技术在县级调度中的应用非常有创新性，通过对电网数据的可视化监视，极大的提升了县调的功能。

1.1.3.2与能量管理系统无缝配合

可视化监视模块与能量管理系统在功能上实现了无缝配合，主要体现在几个方面：

（1）直接复用能量管理系统的电网模型、系统图形、电网运行数据；

（2）主要人机交互过程可以直接在调度台完成。

上述特点极大减轻了系统部署的工作量，对系统维护人员说，省去了维护两套独立系统的繁杂工作量，对电网调度人员来说，本系统的主要功能看起来像是能量管理系统功能的加强和延伸。

1.1.3.3面向主题的电网数据可视化展示

随着电网规模的发展和电网自动化建设水平的提高，表征电网运行状态的数据量日益增多，在较大规模电网中，可以用海量数据来形容。

在如此众多的海量数据中，要发现电网的异常状况，或者对电网的某个指标进行评价都是困难的。

目前电网分析计算方法还无法完全取代人工智力在电网安全评估中的作用，因此把表征电网状态的海量数据按照某种方式分门别类向调度员展示，把有一定抽象和趋势启发作用的数据以直观的方式展现是计算机辅助电网分析的主要作用。

面向主题的电网数据可视化根据电网关注的不同侧面，抽象出“主题”的概念，所谓主题包括可视化展示的基础图形，用于该主题展示的可视化配置和一个可视化展示插件。

1.1.3.4跨平台的电网数据可视化展示平台

电网数据可视化是用直观的方式把电网的各种数据进行表现的手段，是科学计算可视化技术在电网数据分析领域的一个应用。

电网智能调度系统设计开发的可视化平台采用OpenGL技术为基础，配合先进的业务分析方法和计算机图形算法，实现跨不同硬件和操作系统运行的效果，既可以运行在X86平台Windows操作系统、Linux操作系统，也可以在SPARC平台Solaris等Unix平台下正常运行。

可视化展示平台可以显示传统的电网潮流图、站内接线图等图形，可以在这些图形基础上显示各种可视化图元，如饼图、圆柱体、圆锥体、立体墙等信息，这些图元的尺寸、颜色、透明度都可以被编码，用以表示各种相关的量值信息。

可视化平台还提供丰富的人机交互手段。

可视化界面本身可以随着鼠标滚轮的操作进行无级缩放，可以使用鼠标直接拖拽画面进行平移，可以通过拖拽界面提供的导航罗盘进行画面的旋转，还可以通过滑杆进行界面的倾斜操作，以鸟瞰图的方式观察图形上的二维和三维图元效果。

三维图元支持点选操作，可以与插件进行互动，通过双击等操作进入不同的显示场景。

1.1.3.5插件式模块设计

系统采用先进的模块化设计思想，把各个功能按照一定的业务和逻辑关系分配到不同的模块中，提供插件应用框架，使平台和插件可以正常工作，而系统的功能可以灵活配置。

系统中插件化设计用于多个功能集的设计和开发，如可视化平台功能插件等。

1.1.4系统实施的关键技术

系统的设计开发完成，下列技术是整个系统的关键，这些技术涵盖了系统主要核心业务的实现、整体框架结构和部署应用方式等方面，是本系统的技术核心。

1.1.4.1模型图形共享与实时数据访问

电网模型、图形和实时数据是可视化各种功能应用的基础，本系统开发过程中，确定共享能量管理系统的模型图形和实时数据。

系统直接向能量管理系统的实时数据访问电网运行数据，为了不增加原有系统实时数据库的负担，在系统中建立电网实时数据本地缓存，通过数据更新模块从能量管理系统实时数据库中访问实时数据并送到实时数据本地缓存。

数据刷新的范围和频率可以通过配置来确定。

系统共享能量管理系统中已有的图形，通过扩充原有图形显示机制实现。

原有图形系统中，图元的显示通过面向对象方式构件了图元代码类继承体系，负责完成图元内容的管理和绘制操作。

通过修改原有图元类派生体系中的基类，增加OpenGL环境下专用的绘制虚函数，并在具体子类中重载该虚函数，实现了在OpenGL环境中的绘制。

1.1.4.2电网数据可视化方案与应用

电网可视化技术把电网监视分析计算的结果通过形象直观的方式展现在界面上，供调度员获得电网运行状况和计算分析结论。

采用OpenGL实现图形的绘制，支持能量管理系统原有的图形，并且以潮流图、地理图等作为可视化展示的基础。

使用二维和三维可视化图元进行可视化展示，二维图元包括流动潮流线、饼图等，三维可视化图元包括圆柱、圆锥、立体墙等。

支持图形背景的渲染，即按照图上数据点采用分割插值的方法得到整个图形的数据分布，并按照颜色影射的方式把数值映射到颜色，在图形背景上进行颜色绘制，表示数值在二维平面的分布状况。

确定各种信息的可视化显示手段。

线路负载率可以采用两种方式显示，一种采用在线路中间位置布置饼图的方式，使饼图的填充比例与线路的负载率对应；另一种是采用背景渲染的方式在线路周围通过颜色块的方式表示线路负载率的大小。

母线电压用节点等高线的方式显示。

采用圆柱高度显示变压器的负载率和变压器的力率（功率因数），也可以使用背景渲染的方式在地理图上按照变电站位置绘制主变的负载率和功率因数。

1.1.4.3面向主题的电网监视框架

电网调度主界面提供主体切换机制，并提供主题配置界面，用户可以在系统运行过程中添加、修改、删除主题。

每一个主题的内容包括主题的标题、说明信息，包括所使用的基础图形，进入该主题时默认背景渲染方案，可视化业务支持插件，进入主题的默认视角等信息。

1.1.5结论

县调EMS系统可视化技术的应用以先进实用的计算机技术为基础，以准确高效的电网分析算法为支撑，全面辅助调度人员完成电网的调度运行工作，大大降低了调度人员的工作强度，保证电网运行的安全、经济、高效。

2县调EMS系统可视化技术路线

县级调度系统研制过程中借鉴了国内外电网调度自动化理论和应用成果，充分发挥了我公司在电网自动化产品领域多年的研发经验，通过调研充分考虑面向用户的特点和使用习惯，采用了如下的设计思想和技术路线：

2.1先进实用的算法和模型

本系统选择算法以先进和实用作为衡量标准，选择经过我公司多年使用验证的算法或者符合本系统使用环境的算法和模型，各模块中所选择的算法和模型如下：

1）电网扫描采用快速二分算法，能在很短的时间内完成电网模型数据的更新和电网状态的扫描。

电网的安全扫描包括母线电压越限扫描、线路负载率扫描、变压器负载率扫描，还包括自定义扫描。

设备状态扫描的限值，首先由EMS模型获取，对于模型中没有提供的限值，则根据设备所属的电压等级等信息自动确定；

2）可视化场景背景渲染采用动态网格划分方法，可以根据图形尺寸和图形密度，配置恰当的网格密度，保证背景渲染的效果，又不会带来过渡的计算开销。

在背景等高线背景渲染中，首先把按照图形有效尺寸把渲染范围划分成网格，然后依据设定的影响范围，分析确定影响每一个网格的数据点，再根据计算方式计算每个网格的实际数值，再根据实际数值确定数据点所对应的颜色，最后把所有的数据点的颜色连起来，就构成了颜色渲染的结果。

2.2模块化松耦合体系结构设计

系统软件的可扩展性、可维护性是系统在整个生命周期内一个重要的评价指标，由于县调EMS系统的可视化技术应用是一个具有探索和尝试性质的开发项目，其内容又涵盖多种不同的业务逻辑，为了开发和后续升级改造的方便，也为了提高系统整体的可扩展性、可维护性，本系统研发过程中充分采用了模块化的体系结构，具体表现在系统架构、模块组织、模块内设计几个层次。

在系统架构层次，系统与能量管理系统采用数据转发模块进行电网数据的获取，通过数据库链接方式建立对原有模型数据的访问；在模块组织方面，采用SOA方式构造整个系统结构，主要的业务逻辑采用服务方式提供，部分业务服务充分共享，界面数据分离；在模块内部设计中，注意业务逻辑的包装，利用动态链接库技术提高每个业务功能内部的内聚，降低功能单元的耦合度；部分模块采用插件化设计思想，使程序代码具有较高的可维护性，为现场灵活配置提供了组织基础。

2.3面型对象的软件设计与开发

面向对象的分析与设计（OOAD）在许多领域中得到了广泛的应用，应用面向对象的方法，用贴近人了自然思维方式去分析、抽象、表达系统开发过程中的各种信息，能有效地控制系统开发的复杂性。

面向对象方法提供了对象、类、继承、封装、多态等一系列机制，用于分析、抽象、简化、模拟实际的问题和系统，因而使这种方法称为软件开发技术的主流。

系统广泛采用面向对象的方法分析设计和实现，包括可视化图元体系设计，可视化窗口体系设计，插件化模块组织等。

利用面向对象技术提供的各种概念和技术组织实现系统的重要功能，组织代码，控制开发的复杂性。

2.4基于OpenGL实现三维可视化平台

OpenGL是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，它是在SGI等多家世界闻名的计算机公司的倡导下，以SGI的GL三维图形库为基础制定的一个通用共享的开放式三维图形标准。

目前，包括Microsoft、SGI、IBM、DEC、SUN、HP等大公司都采用了OpenGL作为三维图形标准，许多软件厂商也纷纷以OpenGL为基础开发出自己的产品，其中比较著名的产品包括动画制作软件SoftImage和3DStudioMAX、仿真软件OpenInventor、VR软件WorldToolKit、CAM软件ProEngineer、GIS软ARC/INFO等。

OpenGL的最大特点是与硬件的无关性，独立于硬件和窗口系统。

1）使用它，图形软件生产厂商再不用为各种不同的机型开发设计不同的软件，只要操作系统使用了OpenGL适配器就可以达到相同的效果。

2）它可以运行在当前各种流行的操作系统上，如MacOS、Unix、Windows95/98/NT/2000、Linux、OPENStep、Python、BeOS等，并且很容易从一个平台移植到另一个平台上。

许多计算机公司已经把OpenGL集成到各种窗口和操作系统中，其中操作系统包括UNIX、WindowsNT、DOS等，窗口系统有X窗口、Windows等。

本系统采用Qt进行界面编程，使用Qt提供的OpenGL包装类QGLWidget为基础进行OpenGL设计和开发。

在OpenGL环境下实现可视化场景的绘制，具体包括场景的布局与控制、基础图形的绘制、可视化图元的绘制和可视化插件接口支持系统。

使用OpenGL技术使本系统的可视化功能可以运行在任何硬件和操作系统平台之上。

2.5可视化平台与可视化应用的独立性

可视化展示平台是对电网数据以及分析计算结果进行展示的一种手段，可视化展示平台与具体的业务逻辑应用相互独立，以保证业务逻辑的可扩展性。

可视化平台提供基础的图形和图形附带数据、状态的刷新，提供对基本图元的支持和基本的用户互操作控制，并通过插件框架向应用插件提供服务。

应用插件按照插件接口规范实现接口的各种调用，便可以与可视化平台进行交互，按照业务逻辑设计需要在可视化界面中使用各种基本图元实现可视化展示场景。

2.6人性化的人机交互和界面展示

EMS系统的可视化主要目的是直观的向调度员反映电网的运行状况和各种分析计算指标，因此系统在界面设计中充分考虑人机工程学的因素。

在可视化界面设计中，应充分利用人眼比较敏感的颜色编码，其次利用动画，但应保证动画效果不能过多，以免造成界面紊乱，湮没有效信息。

在二维场景中，可以充分利用图元尺寸进行信息编码；在三维场景中，由于透视效果，处于场景不同位置的图元在尺寸上会有视差，因此不用尺寸作精确编码，更多使用颜色、透明度、动画等明显区分的特性。

可视化场景中背景颜色的渲染应能根据用户的使用习惯配置不同的颜色映射方案，使背景渲染的颜色能正确反映所表达的分析结果，同时又能让用户产生准确的反应。

在界面设计中，充分考虑颜色、动画的效果。

1、程序界面和基本功能

主要提供如下功能：

第一：

SCADA数据的三维图形展示。

第二：

根据限值进行越限提醒。

智能监视服务中，可以自动根据电压等级、拓扑结构等因素确定限值；也可以人为指定限值；接受智能监视服务的越限信息，并展示。

运行AUTOMMI，进入界面，界面的左上区域，为当前监视的主题，或关注的方面，可根据需要，点击，选择不同的监视主题，这样，右边的可视区域，就会显示当前选定的监视主题界面。

上边的菜单提供了对主题的配置，右下的圆形图标，显示当前的连接服务信息，即连接服务是否正常，正常为绿色。

另外，具有图片存储、根据选择是否显示图例功能。

选择主题地理潮流图主题，显示如下图：

2、智能监视主题配置

对于监视主题可通过如下方法配置：

点击“主题”菜单中的“主题配置”，系统弹出，主题配置对话框，如下图：

（换成现有图形）

系统弹出主题配置对话框，如下图：

（换成现有图形）

对于主题配置项目，如上图所示：

需要给出“图形目录”、“插件目录”（如果该主题有处理该主题的插件），“标题”（主题显示名称）“图形”（主题对应的图形文件），“插件”（该主题使用的插件），“图例”（主题使用的图例），“默认颜色渲染”（主题渲染时，使用的颜色），“默认俯仰”（默认的打开主题时，图形的俯仰角度），“默认旋转”（默认的打开主题时，图形的旋转角度），“说明”对该主题的概要说明。

设置完毕，“确认”，即可加载该主题，“取消”取消本次主题配置。

3、电网数据监视主题的可视化展示

根据不同的主题配置，可选择相关主题进行展示：

（核对名称）

（1）地理潮流展示。

（2）110kV地理潮流展示。

（3）35kV地理潮流展示。

（4）110kV母线电压监视。

（5）35kV母线电压监视。

（6）10kV母线电压监视。

（7）无功展示。

（8）N-1分析展示。

3.1、地理潮流展示

该图以线路的走向和线路的负载率、变压器负载率的地理潮流图为背景，该主题监视220kV和110kV变压器负载率。

通过圆柱来展示厂站中变压器的负载情况，圆柱分为两节，下面蓝色填充柱节表示变压器的负载率，上面半透明绿色柱节表示距离负载率100%的距离。

采用地理潮流图作为该主题的底图，厂站周围圆柱数目表示变压器数目，线路的箭头大小表示线路的有功大小，线路中的饼图表示线路负载情况：

3.2、110kV地理潮流展示

在110kV地理潮流图背景下，该主题监视110kV变压器负载率和线路有功流向。

采用圆柱展示变压器负载率情况，通过圆柱中的填充比例和填充的颜色表示数值当前的相对大小以及与上下限的接近程度。

通过与给定的预警限值、报警限值比较，可以控制圆柱整体的颜色、大小、透明度等，以便在出现接近或超越限值时引起使用者的充分重视，也便于在正常状态下不分散用户的注意力。

3.3、35kV地理潮流监视

在35kV地理潮流图背景下，线路采用流水线方式，可以监视35kV各个厂站间有功的流动情况和变压器负载情况，流水线箭头方向是线路中有功的流动方向，三角形大小标识有功的大小，如图所示：

3.4、110kV母线电压监视

在系统潮流图下，采用圆柱的形式对场站110kV母线电压进行监视，电压超过告警值后会以颜色变化提示，同时可以采用等高线形式对母线电压就行颜色渲染，不同的颜色代表不同电压的高低。

如图所示：

3.5、35kV母线电压监视

在系统潮流图下，采用圆柱的形式对场站35kV母线电压进行监视，电压超过告警值后会以颜色变化提示，同时可以采用等高线形式对母线电压就行颜色渲染，不同的颜色代表不同电压的高低。

如图所示：

3.6、10kV母线电压监视

在系统潮流图下，采用圆柱的形式对场站10kV母线电压进行监视，电压超过告警值后会以颜色变化提示，同时可以采用等高线形式对母线电压就行颜色渲染，不同的颜色代表不同电压的高低。

如图所示：

3.7、无功展示

系统以地理潮流图为背景，通过取得实时数据对各个厂站的无功的产生、消耗以及厂站直接的传输提供可视化展示，采用不同颜色的多柱节圆柱来展示不同的意义，可以直观的将各个厂站中无功的传输情况展现给调度员，在每一个厂站周围以圆饼的形式展示厂站的功率因数，整个圆饼是100%，蓝色便是所占的比例，红色的饼图便是功率因数越下限。

同时在背景图中以数字显示厂站无功，可以选择隐藏或者显示，如下图：

3.8、N-1分析展示

N-1扫描故障分析是对某一状态的电力系统，停运某一条支路而进行安全分析，分析得到的电网运行薄弱环节展示给调度员。

电网安全分析的结果，以可视化展示平台通过圆柱、圆锥、三维立体墙等方式展示越限信息。

系统采用电网地理潮流图作为底图，将N-1扫描结果以圆柱、圆锥等显示出来，通过设置不同的颜色可以区分越限严重程度。

如图所示：