呂 霏，馬 強(qiáng)，雷 鳴，王銀照，杜鵬程

（國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

基于電網(wǎng)監(jiān)控的可視化控制系統(tǒng)研究及應(yīng)用

呂 霏，馬 強(qiáng)，雷 鳴，王銀照，杜鵬程

（國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

為滿足電力調(diào)控中心對電網(wǎng)運(yùn)行信息的展示需求，并解決傳統(tǒng)可視化控制系統(tǒng)在靈活性、交互性、擴(kuò)展性方面的問題，結(jié)合當(dāng)前最新的可視化控制系統(tǒng)技術(shù)，采用一體化控制、高清展示、模塊化控制等技術(shù)，提出一種基于電網(wǎng)監(jiān)控的可視化控制系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)為調(diào)控人員提供了高分辨率的點(diǎn)對點(diǎn)可視化畫面展示，畫面組合靈活，操作控制便捷，易于擴(kuò)展維護(hù)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。該系統(tǒng)已在省級調(diào)控中心成功應(yīng)用，其可行性和適用性得到了驗(yàn)證。

電網(wǎng)監(jiān)控；可視化控制；電網(wǎng)綜合信息；一體化控制

0 引言

電力系統(tǒng)運(yùn)行時，對電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度指揮和運(yùn)行監(jiān)控，需要接收、存儲、處理、展示大量的電網(wǎng)運(yùn)行信息。調(diào)控運(yùn)行人員通過可視化大屏幕來獲得各種重要信息，實(shí)現(xiàn)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)及不同安全分區(qū)的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、視頻等信號的集中顯示，以滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

電網(wǎng)信息可視化控制系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)取得了一些成果：實(shí)現(xiàn)了詳細(xì)的地理潮流圖形、電壓等高線圖形、無功優(yōu)化模型等的實(shí)時展示［1-3］；圖形表現(xiàn)方式有了多元化的發(fā)展趨勢，能夠更有效地展示各類信息［4-7］；能夠應(yīng)用智能輔助決策系統(tǒng)對電網(wǎng)故障進(jìn)行高精度定位和直觀展示，為故障處置提供高效技術(shù)支持［8］；此外，可視化控制系統(tǒng)在特高壓電網(wǎng)、地鐵供電網(wǎng)中也逐漸被廣泛研究與應(yīng)用［9-11］。目前研究均為關(guān)于電網(wǎng)運(yùn)行信息的圖形可視化展示，缺乏對可視化控制系統(tǒng)的研究。而電網(wǎng)監(jiān)控信息的可視化展示形式、展示畫面效果的進(jìn)一步提升，尚需要一個新型的可視化控制系統(tǒng)進(jìn)行支撐。為使可視化控制系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠、便捷，對系統(tǒng)的各種高級應(yīng)用功能提供有力支撐，基于模塊化開發(fā)的思想，對可視化控制系統(tǒng)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，有利于可視化展示形式和展示畫面的實(shí)現(xiàn)。

1 傳統(tǒng)可視化控制系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)可視化控制系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示，工作站信號經(jīng)過級聯(lián)控制器，分別傳送至對應(yīng)處理器上，經(jīng)處理后送至大屏幕進(jìn)行展示。

圖1 傳統(tǒng)可視化控制系統(tǒng)架構(gòu)

這種架構(gòu)存在以下問題：處理器與屏幕之間一一對應(yīng)，任一處理器出現(xiàn)故障，都將直接影響對應(yīng)屏幕的展示效果；可視化控制系統(tǒng)工作站和大屏幕處理器只能傳送低分辨率信號；人機(jī)交互功能薄弱，屏幕展示方案固定，操作控制方式單一，不能靈活地按照要求實(shí)現(xiàn)個性化定制，如需調(diào)整展示方案，需從軟件層面進(jìn)行二次開發(fā)；采用DVI線纜進(jìn)行信號傳輸，不支持光纖，傳輸距離短，架構(gòu)難以進(jìn)行擴(kuò)容，擴(kuò)展性較差。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，該系統(tǒng)在信號清晰度、展示靈活性、系統(tǒng)可擴(kuò)展性等多個方面已不能完全滿足用戶需求。為了實(shí)現(xiàn)可視化展示平臺的高清顯示，以及展示內(nèi)容的按需組合、靈活操作、模塊化控制和自定義擴(kuò)展，需要對原有的可視化展示平臺進(jìn)行升級改造。

2 新型可視化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

新型可視化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)信號源統(tǒng)一管控和展示，滿足實(shí)用性、可靠性、擴(kuò)展性、安全性、靈活性的要求。

實(shí)用性。系統(tǒng)的建設(shè)以實(shí)用性為基本原則。系統(tǒng)功能滿足監(jiān)、控、查、管、用的基本要求，硬件和軟件平臺界面友好、易學(xué)易用、使用方便、圖像清晰；采用統(tǒng)一的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議，使整個系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)間能互聯(lián)互控，充分發(fā)揮整個系統(tǒng)的功能。

可靠性。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，關(guān)鍵部件需雙重化配置，重要數(shù)據(jù)及時備份，如有異常情況發(fā)生，可做到及時有效地恢復(fù)。為了保證系統(tǒng)的完整性、正確性和可恢復(fù)性，系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素要從硬件、軟件系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行中給予充分的防止。

擴(kuò)展性。擴(kuò)展性原則主要體現(xiàn)在系統(tǒng)橫向和縱向的擴(kuò)展能力上。系統(tǒng)在橫向擴(kuò)展方面，在滿足當(dāng)前展示需求的基礎(chǔ)上可方便的擴(kuò)展容量，實(shí)現(xiàn)更大容量的可視化控制系統(tǒng)。在縱向擴(kuò)展方面，系統(tǒng)具有良好的兼容性和通用的軟硬件接口，用戶可在其基礎(chǔ)上進(jìn)行二次功能開發(fā)。

安全性。系統(tǒng)在前期設(shè)計(jì)過程中充分考慮安全要求。保證對全部數(shù)據(jù)信息的安全性管理和應(yīng)用，確保整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)充分安全，并對關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)施特殊保護(hù)。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需符合國家電網(wǎng)公司“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”等相關(guān)規(guī)定。

靈活性。用戶可以根據(jù)具體的可視化展示需求，對不同的信號源進(jìn)行靈活接入。根據(jù)信號傳輸實(shí)際距離的不同，采用SDI、雙絞線或光纖方式進(jìn)行信號傳輸，保證系統(tǒng)信號源采集的多樣化，實(shí)現(xiàn)對信號源的多模式應(yīng)用管理。

3 新型可視化控制系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，分為前端采集層、中心處理層、后端顯示層。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 前端采集層

前端采集層主要完成電網(wǎng)各種數(shù)據(jù)的繪制與渲染，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為展示信號，支持高分辨率信號輸出，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)展示畫面的點(diǎn)對點(diǎn)顯示。

前端采集層由6臺高性能工作站組成，對電網(wǎng)各類數(shù)據(jù)信息分別進(jìn)行處理，其中4臺工作站均可輸出16路高分辨率信號，另外2臺工作站可輸出16路低分辨率信號。工作站選用8核2.9GHz CPU兩塊，64 GB內(nèi)存，240 GB固態(tài)硬盤，2 TB企業(yè)級7200SATA3硬盤，保證了流暢的圖形輸出，并且具有低噪音，散熱效果好的特點(diǎn)。

3.2 中心處理層

中心處理層完成展示信息到可視化大屏幕的處理和分配，處理器采用一主一備模式。主控大屏幕處理器實(shí)現(xiàn)所有高分辨率信號及低分辨率信號接入，具備信號管理及觸控控制功能，可接入20路高分辨率信號和60路低分辨率信號源，支持連續(xù)不間斷運(yùn)行，如遇故障，可立即啟用備用處理器，24 h內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恢復(fù)。級聯(lián)控制器通過光纖直連主、備控制器，實(shí)現(xiàn)輸入信號的復(fù)用。傳輸線中傳輸距離長的一律采用光纖方式，傳輸距離短的用DVI線纜保證專業(yè)接線上柜。

中心處理層的主控處理器采用FPGA硬件架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)箱設(shè)計(jì)、Crosspoint總線技術(shù)、刀片式板卡設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高清信號的無縫切換。

FPGA硬件架構(gòu)。信號處理設(shè)備采用全硬件FPGA架構(gòu)，內(nèi)部自建核心運(yùn)算機(jī)制，圖像處理性能優(yōu)異。無內(nèi)嵌操作系統(tǒng)，啟動速度快（約5 s），避免了工控機(jī)式設(shè)備的死機(jī)、硬件沖突、藍(lán)屏、計(jì)算機(jī)病毒等缺陷。平均無故障工作時間大于30 000 h，穩(wěn)定性高，能夠適應(yīng)調(diào)控中心等部門對系統(tǒng)性能日益嚴(yán)格的要求。

標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)箱設(shè)計(jì)。設(shè)備箱體尺寸采用符合ANST/EIA RS-310-C/D標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)箱設(shè)計(jì)，安裝簡便，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)架式設(shè)計(jì)使得布線更加便捷、美觀，標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)化尺寸更加便于大規(guī)模設(shè)備的安裝和部署。

Crosspoint總線技術(shù)。主板采用巨量數(shù)據(jù)交換芯片技術(shù)和高速寬帶總線，徹底根除了總線帶寬低下引起的拼接系統(tǒng)顯示卡頓且不穩(wěn)定等問題。多屏處理器采用Crosspoint全交叉調(diào)度架構(gòu)高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，底層數(shù)據(jù)傳輸由數(shù)據(jù)調(diào)度芯片控制，每路信號獨(dú)享專用通道進(jìn)行傳輸，保證了所有信號圖像的完全實(shí)時顯示，信號顯示速度達(dá)到60幀/s。

刀片式板卡設(shè)計(jì)。輸入采集卡、輸出卡、切換卡、控制卡、風(fēng)扇、電源等主要模塊均為插卡式設(shè)計(jì)。使用和維護(hù)方便，輸入、輸出板卡支持工作狀態(tài)下熱插拔，無需重啟或刷新設(shè)備，不會對其他信號顯示造成影響，不會造成設(shè)備的工作狀態(tài)異常，真正實(shí)現(xiàn)板卡的“即時在線切換”。

無縫切換。數(shù)字視頻綜合平臺基于FPGA純硬件架構(gòu)和Crosspoint總線處理技術(shù)，并基于芯片性能對硬件代碼進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，使得芯片能夠發(fā)揮到最優(yōu)性能，避免了信號切換時的黑場現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對高清可視化信號真正意義上的無縫切換。

3.3 后端顯示層

后端顯示層將經(jīng)過處理器分配的信號顯示到可視化大屏幕上?？梢暬笃聊挥?×3塊Barco屏幕拼接而成，單屏分辨率1440×1080，如圖3所示。多路高清信號拼接成與大屏幕分辨率一致的輸出畫面，且各畫面之間可以根據(jù)需要通過無線移動控制終端進(jìn)行切換。

圖3 后端顯示大屏幕示意

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

按照上述設(shè)計(jì)原則和系統(tǒng)架構(gòu)，在電力調(diào)控中心建立了基于電網(wǎng)監(jiān)控的可視化控制系統(tǒng)，并投入使用。

新的基于電網(wǎng)監(jiān)控的可視化控制系統(tǒng)采用移動終端式人機(jī)交互平臺。配合無線路由器、交換機(jī)、集中控制服務(wù)器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集中控制?？梢暬故境绦虿渴鸬娇梢暬ぷ髡旧希ㄟ^可視化控制系統(tǒng)展示在大屏幕上，實(shí)現(xiàn)集調(diào)度、監(jiān)控、多維分析、運(yùn)行指標(biāo)、參觀匯報等為一體的信息可視化展示，實(shí)現(xiàn)展示內(nèi)容模塊化、高清化，大屏幕控制智能化、移動化。

人機(jī)交互平臺基于系統(tǒng)雙向控制、多點(diǎn)觸控等技術(shù)，從統(tǒng)籌、指揮、管理的角度出發(fā)，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)控人員的需要，實(shí)現(xiàn)了靈活顯示，便捷觸控，快速調(diào)用，拓?fù)渖桑锌毓芾淼裙δ堋?/p>

靈活顯示。各信號畫面可在屏幕上進(jìn)行任意疊加、縮放、漫游、分割。根據(jù)屏幕規(guī)模及顯示需求，調(diào)控人員可對信號窗口進(jìn)行自定義布局規(guī)劃，達(dá)到多樣化的展示布局，如圖4所示。

圖4 自定義展示布局

便捷觸控。系統(tǒng)可通過移動終端實(shí)現(xiàn)所有控制功能，包括信號窗口開關(guān)、縮放、移動等，支持多點(diǎn)觸控，操作簡易便捷。如圖5所示，在兩個信號選擇區(qū)內(nèi)選擇信號源，并通過觸屏拖拽的方式移動到展示效果區(qū)，此時大屏幕上的展示畫面會發(fā)生對應(yīng)的變化。

圖5 便捷觸控效果示意圖

快速調(diào)用。系統(tǒng)支持用戶將多個信號窗口保存為自定義顯示方案，如圖6所示。調(diào)控人員可通過移動終端實(shí)現(xiàn)對自定義顯示方案的快速調(diào)用，并通過視頻源檢索功能，對全部信號源進(jìn)行預(yù)覽、管理和調(diào)用。

圖6 快速調(diào)用預(yù)案

拓?fù)渖伞？梢暬刂葡到y(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際的硬件設(shè)備連接鏈路，直接在相應(yīng)的軟件界面端生成相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對相應(yīng)的圖標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)擊操作，可以直接在設(shè)備管理界面進(jìn)行相應(yīng)的管理操作。相應(yīng)的設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

中控管理?？梢暬到y(tǒng)軟件配合相應(yīng)的前端中控模塊硬件，可以統(tǒng)一管理視頻信號設(shè)備、音頻設(shè)備、顯示設(shè)備、門禁、燈光、窗簾等所有支持設(shè)備。支持串口、紅外、網(wǎng)絡(luò)等多種控制方式。

新型可視化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了上述多種功能，從系統(tǒng)架構(gòu)上解決了傳統(tǒng)可視化控制系統(tǒng)展示方案固化、操作控制繁瑣、系統(tǒng)調(diào)用緩慢、擴(kuò)展性差等問題，為可視化畫面展示方案的進(jìn)一步優(yōu)化、展示效果的進(jìn)一步提升提供了技術(shù)支撐。

5 結(jié)語

以調(diào)控中心對電網(wǎng)信息的展示需求為導(dǎo)向，結(jié)合當(dāng)前最新的可視化系統(tǒng)控制技術(shù)，將各種重要的信息在可視化大屏幕上清晰直觀快速地進(jìn)行展示，為調(diào)控人員的決策與工作提供真實(shí)可信的數(shù)據(jù)指導(dǎo)，使調(diào)控人員在很大程度上降低了誤判斷、誤操作、誤下令的可能性。提出的基于電網(wǎng)監(jiān)控的可視化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模塊化的展示方案，實(shí)現(xiàn)各個展示模塊的自由移動、放縮等操作，實(shí)現(xiàn)模塊在大屏幕上的任意拼接，根據(jù)展示需求，快速、靈活地配置展示方案。系統(tǒng)具有實(shí)用性、可靠性、擴(kuò)展性、安全性、靈活性的特點(diǎn)，畫面組合靈活，操作控制方便，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

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Research and App lication of Visualization Control System B ased on Power Grid M onitoring System

LV Fei，MA Qiang，LEIMing，WANG Yinzhao，DU Pengcheng
（State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

In order to meet the demand of displaying the operation information of the power network for the electrical power control center and to solve the problem of the traditional visualized control system in its flexibility，interactivity and scalability，a new scheme of the visualization control system based on the power grid monitoring which combines the latest visualized control system technology，integrated control，high-definition display and modular control technology is proposed.This new system provides a high resolution，point to point visualization screen for the control personnel.It has several desired features such as flexible screen combination，friendly user interface，easy extensibility and high system stability.The system has been successfully applied in the provincial control center，and its feasibility and applicability are verified.

power grid monitoring；visualization control system；power grid comprehensive information；integrated control

TM734

：A

：1007－9904（2017）08－0023－05

2017-02-12

呂 霏（1987），男，工程師，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與調(diào)度等工作。