路 強(qiáng)，張海波，YUAN Xiao-hui，陳 晨

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一種基于電力線路布局優(yōu)化的城市供電數(shù)據(jù)可視分析方法

路 強(qiáng)1,4，張海波1，YUAN Xiao-hui2，陳 晨3,4

(1. 合肥工業(yè)大學(xué)計算機(jī)與信息學(xué)院VCC研究室，安徽 合肥 230601； 2.北得克薩斯大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，丹頓 TX 76201； 3. 國網(wǎng)安徽省電力公司合肥供電公司，安徽 合肥 230031； 4. 合肥市電力大數(shù)據(jù)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230031)

電力數(shù)據(jù)可視化可以實(shí)現(xiàn)海量電力設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)中各種屬性、運(yùn)行狀態(tài)等電力特征信息以圖形、圖像化直觀呈現(xiàn)，為設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的及時、有效監(jiān)控分析提供有力保障?；诔鞘泄╇姅?shù)據(jù)，提出一種城市供電態(tài)勢的可視分析方法。首先根據(jù)供電系統(tǒng)中的變電站數(shù)據(jù)對總體供電態(tài)勢進(jìn)行可視化，然后根據(jù)供電線路數(shù)據(jù)對線路進(jìn)行基于多標(biāo)準(zhǔn)約束的布局優(yōu)化并對其進(jìn)行可視化編碼，最后根據(jù)線路的附屬關(guān)系對線路下掛載的用戶進(jìn)行可視化編碼。設(shè)計了一套可視分析系統(tǒng)，旨在方便用戶探索分析某一區(qū)域的供電態(tài)勢。基于上海市城市供電數(shù)據(jù)的案例分析表明，該方法可以有效地反映某一區(qū)域內(nèi)的總體供電態(tài)勢和具體供電細(xì)節(jié)。

城市供電數(shù)據(jù)可視化；供電態(tài)勢；線路布局優(yōu)化；可視化編碼

近年來，大數(shù)據(jù)發(fā)展迅猛，同時開啟了一次重大的時代轉(zhuǎn)型，很多傳統(tǒng)行業(yè)都在積極借助大數(shù)據(jù)的力量，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級。電力作為國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是關(guān)乎國計民生的重要支柱產(chǎn)業(yè)，通過大數(shù)據(jù)可視化方法推動電力產(chǎn)業(yè)升級優(yōu)化，提高電力生產(chǎn)、營銷及電網(wǎng)運(yùn)維等方面的管理水平具有重要意義。

城市供電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)中最重要的一環(huán)，其供電態(tài)勢直接反映城市供電情況的穩(wěn)定與否。在城市供電系統(tǒng)中，變電站、供電線路和用電用戶三者扮演著重要的角色也包含著復(fù)雜的層次關(guān)系，變電站下設(shè)有很多附屬線路，線路下掛載多個用戶。傳統(tǒng)的電力數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)對城市供電中的變電站主要采用熱力圖和散點(diǎn)圖等可視化方法，讓電力部門工作人員大體掌握電網(wǎng)的整體情況。而對于供電線路大多采用直接法進(jìn)行繪制。對于下屬的用電用戶，傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)很少提到對其的可視化，也沒有將變電站、供電線路和用電用戶三者數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)可視化。為此，本文提出了通過多標(biāo)準(zhǔn)約束的方法將線路進(jìn)行布局優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上對變電站和供電線路以及用電用戶進(jìn)行關(guān)聯(lián)可視化。

首先根據(jù)城市供電系統(tǒng)中的變電站數(shù)據(jù)對總體供電態(tài)勢進(jìn)行可視化，然后根據(jù)供電線路數(shù)據(jù)對線路進(jìn)行基于多標(biāo)準(zhǔn)約束的布局優(yōu)化并對其進(jìn)行可視化編碼，最后根據(jù)線路的附屬關(guān)系對線路下掛載的用戶進(jìn)行可視化編碼。根據(jù)此3種層次關(guān)系的城市供電數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)可視化，可以對某一區(qū)域的供電態(tài)勢進(jìn)行探索和分析。

1 相關(guān)工作

1.1 城市供電數(shù)據(jù)可視化

在城市供電系統(tǒng)中，電力數(shù)據(jù)主要來源于變電站、變電站附屬線路和線路下掛載的用戶。傳統(tǒng)的對于城市供電數(shù)據(jù)的可視化，如GEGNER等[1]對變電站和供電線路的可視化采用的是餅圖、線路潮流圖、熱力圖的方式；DUTTA和OVERBYE[2]對城市供電態(tài)勢采用了散點(diǎn)圖和折線圖的方式；LI等[3]采用了基于OpenGL的方法對電力線路潮流進(jìn)行可視化。

對于布局復(fù)雜的供電線路來說，直接法繪制會增加視覺干擾，也難以讓用戶進(jìn)行交互操作。同時由于分布式電源的快速發(fā)展，城市供電系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)形態(tài)發(fā)生了巨大變化。在含有大量分布式電源的供電網(wǎng)絡(luò)中，部分線路的潮流方向因為分布式電源的存在而異于傳統(tǒng)的潮流方向，因為分布式電源會給局部線路節(jié)點(diǎn)供電，使得潮流方向并不只是單純的從變電站流向下屬的各個用電節(jié)點(diǎn)。傳統(tǒng)的電力可視化系統(tǒng)也缺少對擁有分布式電源的用戶用電的可視化。

結(jié)合上述工作，本文利用城市供電系統(tǒng)中的供電數(shù)據(jù)，對變電站、供電線路和用電用戶采用多種可視化編碼方式對三者進(jìn)行關(guān)聯(lián)可視化。

1.2 線路數(shù)據(jù)可視化

在城市供電系統(tǒng)中供電線路數(shù)據(jù)最為復(fù)雜，其數(shù)據(jù)以變電站為根節(jié)點(diǎn)呈散射狀向四周擴(kuò)散，且布局錯綜復(fù)雜，在傳統(tǒng)的可視化技術(shù)中大多采用直接法繪制供電線路，易出現(xiàn)線路的遮擋，造成視覺混亂不利于用戶觀察。對于供電線路的可視化可以借鑒可視化技術(shù)中的線路布局問題。線路布局問題一直是信息可視化研究的熱點(diǎn)問題之一，而基于規(guī)則的線路變形就屬于其中的一種。在一些可視化元素較多，線路走向雜亂無章的圖中，為了能避免線路帶來的視覺混亂干擾，而進(jìn)行的一系列的滿足某種約束規(guī)則的變形過程稱之為基于規(guī)則的線路變形[4]。該規(guī)則可以是約定俗成為美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，也可以是用戶自定義的規(guī)則。

最早的基于規(guī)則的線路變形是Harry Beck的手工地鐵線路圖，其不保留原始車站的地理位置信息，而是強(qiáng)調(diào)地鐵網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是手工繪制優(yōu)雅好看的地鐵線路圖需要專業(yè)技能且非常耗時。BARKOWSKY等[5]首次嘗試地鐵線路自動布局，該算法雖然實(shí)現(xiàn)了自動布局，但是由于沒有考慮擴(kuò)大站點(diǎn)的間距，導(dǎo)致市中心站點(diǎn)過于密集，同時還存在站點(diǎn)重疊的問題。HONG等[6-7]使用了美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，在力導(dǎo)向算法的基礎(chǔ)上使用了5種不同的處理方式進(jìn)行地鐵線路自動布局，線路的方向僅限于水平、豎直、對角上。但是線路布局還是存在視覺混亂的情況。N?LLENBURG和WOLFF[8-9]使用混合整數(shù)程序法(mixed integer programming，MIP)給地鐵地圖規(guī)定了軟約束和硬約束，避免了局部最優(yōu)的問題，但是運(yùn)行速度太慢。STOTT等[10]利用爬山法的多目標(biāo)優(yōu)化法進(jìn)行地鐵線路布局，每個初始布局中，有5種度量準(zhǔn)則，其迭代過程是以原始圖中加入的整數(shù)網(wǎng)格開始的，并給出了一個啟發(fā)式的解決局部最優(yōu)解的方法。WANG等[11-12]用高斯牛頓法和拉格朗日乘子法優(yōu)化地鐵線路，其中使用魚眼的變形方法來解決小屏幕顯示的問題，用戶選擇不同的路線或編輯的關(guān)鍵點(diǎn)地鐵線路呈現(xiàn)方式也會隨之發(fā)生變化，但用戶很難發(fā)現(xiàn)示意圖描述的是同一線路。FINK等[13]使用基于力導(dǎo)向布局的貝賽爾曲線來繪制地鐵線路示意圖。ROBERTS等[14]討論了曲線和線性布局的可用性。

綜上，本文提出一種新的基于約束規(guī)則的可視化方法，將線路布局優(yōu)化應(yīng)用到城市供電系統(tǒng)電力線路布局中，降低電力線路的復(fù)雜性，減少其對人產(chǎn)生的視覺干擾。使用戶可以根據(jù)優(yōu)化后的線路布局圖方便、快捷地掌握某一區(qū)域供電態(tài)勢并方便用戶進(jìn)行交互操作，同時將城市供電中的變電站、供電線路和用電用戶進(jìn)行關(guān)聯(lián)可視化，用戶可以通過交互操作探索分析出異常電力信息產(chǎn)生的原因。

2 系統(tǒng)概述

本文設(shè)計了一套城市供電數(shù)據(jù)可視分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多視圖合作的方式，結(jié)合不同層次類型的城市供電數(shù)據(jù)提供多角度的分析方法。系統(tǒng)的整體界面如圖1所示，其中，圖1(a)為供電態(tài)勢視圖，圖1(d)為變電站負(fù)荷總覽視圖，其展示了城市供電系統(tǒng)供電態(tài)勢的總概貌；圖1(c)為供電線路負(fù)載視圖展示了局部區(qū)域變電站供電線路的優(yōu)化布局；圖1(b)為用戶用電顯示圖，其能較好地支持對線路下掛載用戶的用電情況的展示和探索。本系統(tǒng)的設(shè)計嚴(yán)格遵守“Overview First，Zoom and Filter，Details on Demand”[15]的設(shè)計準(zhǔn)則。

圖1 基于線路布局優(yōu)化的城市供電數(shù)據(jù)可視分析系統(tǒng)

3 數(shù)據(jù)和方法

3.1 數(shù)據(jù)類型

由于城市供電數(shù)據(jù)涉密，本文的城市供電數(shù)據(jù)主要基于對已有的電力數(shù)據(jù)字段的模擬。

模擬城市供電數(shù)據(jù)主要包括如下信息：

(1) 變電站的供電信息。變電站經(jīng)緯度坐標(biāo)、變電站的額定容量、變電站的當(dāng)前負(fù)荷。

(2) 供電線路的信息。線路節(jié)點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)、所屬線路及線路額定電流和實(shí)際電流。

(3) 用戶用電信息。用戶經(jīng)緯度坐標(biāo)、額定容量和實(shí)際容量，對于擁有分布式電源的用戶還包括額定發(fā)電量和實(shí)際發(fā)電量。

3.2 需求概述

為了從城市供電數(shù)據(jù)中對城市供電態(tài)勢和供電細(xì)節(jié)進(jìn)行有效的可視化，在咨詢相關(guān)專家后，對城市供電數(shù)據(jù)可視分析方法提出2點(diǎn)要求：

(1) 保留供電信息的完整性。即包含區(qū)域的供電細(xì)節(jié)，是可視化分析城市供電數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。

(2) 保持供電線路的拓?fù)潢P(guān)系。對于結(jié)合實(shí)際地理位置分析城市供電態(tài)勢至關(guān)重要。

3.3 方法描述

本文采用多標(biāo)準(zhǔn)約束對城市供電線路數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化布局優(yōu)化，其總體流程如圖2所示。

圖2 電力數(shù)據(jù)可視化方法總體流程

為了將線路布局算法應(yīng)用到電力線路中，需設(shè)定以下約束規(guī)則：

(1) 均分角度規(guī)則(1)。為了避免某一節(jié)點(diǎn)延伸出來的多條電力線路因為距離太近而造成視覺混亂，邊與邊之間的夾角應(yīng)該盡量的大，即

(2) 邊長均等規(guī)則(2)。為了保證供電線路中每條線的長度與整體地圖協(xié)調(diào)，不能有太長的節(jié)點(diǎn)線路，即每條節(jié)點(diǎn)線路長度要近似相等，且不能超過規(guī)定的長度

其中，為邊集合中的邊；為可以自定義的統(tǒng)一的線段長度。

(3) 線性規(guī)則(3)。為了保證供電線路規(guī)則化且易于觀察，每條邊可以繪制的方向規(guī)定在水平、豎直和對角線這8個方向

基于規(guī)則的線路變形一般是對多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的過程。本文采用實(shí)現(xiàn)簡單且易于實(shí)現(xiàn)的爬山算法對多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。具體多目標(biāo)函數(shù)為

其中，P為權(quán)重總和；W為對應(yīng)約束規(guī)則C的權(quán)重。

本文布局算法步驟如下：

輸入：變電站下屬供電線路所有節(jié)點(diǎn)。

輸出：經(jīng)過約束優(yōu)化后的供電線路布局圖。

步驟1. 根據(jù)供電線路節(jié)點(diǎn)計算所有其相鄰節(jié)點(diǎn)信息并統(tǒng)計個數(shù)，得到節(jié)點(diǎn)間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，再根據(jù)節(jié)點(diǎn)與線路的附屬關(guān)系將節(jié)點(diǎn)集合成線路。

步驟2.遍歷每條線路，先將線路中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)墨卡托投影將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成像素點(diǎn)坐標(biāo)，然后計算各線路在3個標(biāo)準(zhǔn)下的數(shù)值，并得到目標(biāo)函數(shù)。

步驟2.1.遍歷線路下的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)之間的連線，計算其在直角坐標(biāo)系下相對于軸正向逆時針方向的角度，根據(jù)其大小對所有連線進(jìn)行排序，排序后的每2條線段組成一對計算其線段之間的角度，最后將節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量和計算出來的角度輸入式(1)，得到每條線路在該約束下的數(shù)值之和。

步驟2.2. 遍歷線路下的線段，根據(jù)像素點(diǎn)坐標(biāo)計算2點(diǎn)間的距離，然后輸入式(2)，得到每條線路在該約束下的數(shù)值之和。

步驟2.3. 遍歷線路下的線段，計算線段在直角坐標(biāo)系下相對于軸正方向的角度，然后輸入式(3)，得到每條線路在該約束下的數(shù)值之和。

步驟3. 根據(jù)爬山法對目標(biāo)函數(shù)式(4)進(jìn)行優(yōu)化得到最終變換后的線路節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)之前的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和線路附屬關(guān)系，分別繪制每條線路得到最終的布局優(yōu)化后的線路布局圖。

如圖3所示，圖3(a)中A處原本的線路較為擁擠，根據(jù)角度均分原則(1)和線性規(guī)則(3)，變換后的線路方向分散且呈線性；B處原本曲折的線路，根據(jù)角度均分規(guī)則(1)，變換后的線路水平美觀；C處和D處原本的線路長度長短不一，根據(jù)邊長均等規(guī)則(2)，變換后的線路長度均等。

圖3 多標(biāo)準(zhǔn)約束的線路布局優(yōu)化

4 分析任務(wù)與可視化視圖

4.1 分析任務(wù)

使用多標(biāo)準(zhǔn)約束的方法將供電線路進(jìn)行布局優(yōu)化后，本文從對城市供電數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析出發(fā)，設(shè)計了一套完整的分析流程，從總體的城市供電態(tài)勢來展示有問題的變電站信息，然后引導(dǎo)用戶探索變電站的供電線路以及線路附屬的用電用戶信息，從而分析出異常產(chǎn)生的原因。可視分析系統(tǒng)應(yīng)滿足以下任務(wù)：

(1) 全局認(rèn)知(T1)。將城市供電系統(tǒng)中的變電站按照地理位置分布和實(shí)時的供電情況對其進(jìn)行展示，其可視化編碼信息間接反映了該區(qū)域的總體供電情況，從全局視角觀察變電站的分布情況有助于用戶發(fā)現(xiàn)城市供電系統(tǒng)中的總體態(tài)勢和異常值。

(2) 相互關(guān)系認(rèn)知(T2)。通過數(shù)據(jù)預(yù)處理階段后的數(shù)據(jù)中的層次信息判斷數(shù)據(jù)之間的附屬關(guān)系。通過表示不同電力層次信息數(shù)據(jù)，可以體現(xiàn)城市供電數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，幫助探索城市供電系統(tǒng)中局部區(qū)域的細(xì)節(jié)。系統(tǒng)需能體現(xiàn)城市供電數(shù)據(jù)的相互關(guān)系。

(3) 異常分析認(rèn)知(T3)。從城市供電數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系可以探索出城市供電系統(tǒng)中異常信息產(chǎn)生的原因，此過程需要結(jié)合用戶對系統(tǒng)的交互操作來實(shí)現(xiàn)。

4.2 可視化視圖

4.2.1 供電態(tài)勢視圖

針對第1個分析任務(wù)，本文設(shè)計了總體供電態(tài)勢顯示視圖。圖1(a)展示了不同時段的城市供電系統(tǒng)中某一地區(qū)變電站的供電情況，用戶可以根據(jù)左下方的時間選擇器選擇觀測時段。并采用標(biāo)簽分類的方式代表變電站，用顏色表示變電站的負(fù)荷情況，顏色越深實(shí)時負(fù)荷越大，標(biāo)簽下面的圓圈大小映射變電站的額定容量，標(biāo)簽類型代表變電站當(dāng)前負(fù)荷情況。閃電類型標(biāo)簽代表變電站當(dāng)前負(fù)荷屬于正常水平，警告標(biāo)簽代表處于異常狀態(tài)。通過對變電站采用標(biāo)簽分類的可視化方式，用戶可以直觀地獲知某一區(qū)域的總體供電態(tài)勢，同時報警提示框也很容易讓用戶發(fā)現(xiàn)負(fù)荷低于20%和高于80%的異常變電站。

供電態(tài)勢視圖可以為用戶提供城市供電態(tài)勢在地理位置上的全局視角(T1)，觀察變電站在城市供電系統(tǒng)中的地理位置的分布情況以及負(fù)荷情況。

4.2.2 變電站負(fù)荷總覽視圖

變電站負(fù)荷總覽視圖顯示了某一區(qū)域所有變電站近10天的負(fù)荷總體變化情況。如圖1(d)所示，每條顏色不同的折線代表不同的供電站，為了方便用戶分析，每條折線采用相同顏色的氣泡的形式自動標(biāo)注了所代表的變電站在近期10天之內(nèi)的最大負(fù)荷和最小負(fù)荷，并用一條虛線來表示10天之內(nèi)負(fù)荷的均值。

變電站負(fù)荷總覽視圖為用戶提供了城市供電態(tài)勢在時間上的全局視角(T1)，觀察變電站負(fù)荷在城市供電系統(tǒng)中隨時間的變化情況。

4.2.3 供電線路布局圖

供電態(tài)勢視圖和變電站負(fù)荷總覽視圖提供了對城市供電系統(tǒng)供電態(tài)勢信息在地理位置和時間上分布的總覽，粒度較大，屬于 overview 的范疇。對于具體的供電情況，仍需要向下鉆取到更細(xì)的供電層面，同時也需要一個更加直觀高效的圖來研究每個變電站在某一時刻的供電細(xì)節(jié)。根據(jù)此原則并針對第2個分析任務(wù)，本文設(shè)計了供電線路負(fù)載視圖，可先將城市供電線路進(jìn)行布局優(yōu)化，然后對其進(jìn)行可視化編碼。采用的是基于多標(biāo)準(zhǔn)約束的電力線路布局優(yōu)化算法(圖1(c))，用戶在選擇要觀察的變電站后，圖中會出現(xiàn)經(jīng)過布局優(yōu)化的供電線路布局圖，并根據(jù)線路的實(shí)時負(fù)荷將其映射成不同的顏色。顏色越深，代表供電線路的負(fù)荷越高。用戶將鼠標(biāo)懸停在線路上方時會顯示該線路的實(shí)時負(fù)荷數(shù)據(jù)。

供電線路布局視圖為用戶提供了城市供電系統(tǒng)中變電站、供電線路的相互關(guān)系(T2)以及探索分析變電站負(fù)荷異常的方式(T3)，方便用戶觀察變電站下屬線路實(shí)時負(fù)荷情況。

4.2.4 用戶用電展示圖

針對第3個分析任務(wù)，本文設(shè)計了用戶用電展示視圖，可根據(jù)用戶的點(diǎn)擊事件將用戶視角聚焦到感興趣的供電線路，然后對其下屬的用戶用電信息進(jìn)行可視化編碼。如圖1(b)所示，用戶用電展示模塊可顯示不同時段某一線路下屬的用戶用電情況。地圖上的人型標(biāo)識代表正常的用電用戶，顏色代表實(shí)時用電負(fù)荷；閃電標(biāo)識為擁有分布式電源但是仍需供電線路供電的用戶，顏色代表實(shí)時用電負(fù)荷；數(shù)據(jù)上傳標(biāo)識為擁有分布式電源且發(fā)電有節(jié)余需要向上供電的用戶，顏色代表實(shí)時發(fā)電量與額定發(fā)電量的比值。

用戶用電展示視圖為用戶提供了城市供電系統(tǒng)中供電線路與用電用戶的相互關(guān)系(T2)以及探索分析線路負(fù)荷異常的方式(T3)，方便用戶觀察線路下屬用戶實(shí)時用電情況。

5 案例分析

本文根據(jù)城市供電系統(tǒng)中電力數(shù)據(jù)已有的字段對數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，并從不同視圖的角度分析上海市的城市供電態(tài)勢。

5.1 供電態(tài)勢分析

供電態(tài)勢視圖如圖4所示，當(dāng)前視框內(nèi)的10個標(biāo)簽代表上海市內(nèi)10個變電站2017年5月29日早上8點(diǎn)的負(fù)荷情況，根據(jù)標(biāo)簽的顏色信息可以分析出當(dāng)前供電情況整體穩(wěn)定，對于彈出報警框的1號和3號變電站根據(jù)其標(biāo)簽類型和顏色以及圓圈大小可以分析得出，1號和3號變電站容量較大，安全性不容忽視，其中1號變電站處于高負(fù)荷報警狀態(tài)，3號處于低負(fù)荷報警狀態(tài)。報警框內(nèi)顯示的電力數(shù)據(jù)信息表明1號和3號變電站為220 kV級別城市供電系統(tǒng)變電站。城市供電系統(tǒng)中應(yīng)該避免變電站出現(xiàn)長時間的高負(fù)荷和低負(fù)荷的異常情況，分析其原因就需要查看變電站下屬的供電線路的供電情況，用戶只需點(diǎn)擊想要查看的變電站標(biāo)簽就能進(jìn)一步地探索下屬的線路信息，對異常進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

圖4 供電態(tài)勢視圖

5.2 變電站負(fù)荷分析

圖5中的折線分別代表上海市內(nèi)10個變電站在近10天內(nèi)的負(fù)荷變化情況。從圖可知，上海市1號變電站在近10天內(nèi)最高負(fù)荷達(dá)到90%，負(fù)荷均值為76%，其余點(diǎn)較為平穩(wěn)；鼠標(biāo)懸停在5月23日時間線上還可以比較當(dāng)天所有變電站的平均負(fù)荷。用戶可以對感興趣的變電站折線進(jìn)行點(diǎn)擊操作，同時供電態(tài)勢圖中心視角就會鎖定在相應(yīng)的變電站位置上，以方便用戶進(jìn)行探索。

圖5 變電站負(fù)荷總覽視圖

5.3 供電線路負(fù)載分析

圖6(a)是1號變電站原始線路布局圖，圖6(b)是經(jīng)過多標(biāo)準(zhǔn)約束布局優(yōu)化和可視化編碼后得到布局圖。在圖6(a)的a處由于線路均等規(guī)則的約束，過長的線路優(yōu)化后長度明顯變短；b處從線路根節(jié)點(diǎn)延伸出去的5條線路角度擁擠，在經(jīng)過角度均分規(guī)則約束優(yōu)化后線路之間角度區(qū)分明顯；c處原本曲折的線路在經(jīng)過線性規(guī)則約束優(yōu)化之后線路處于水平狀態(tài)。

圖6 供電線路負(fù)載圖

在經(jīng)過可視化編碼之后，供電線路的顏色代表其實(shí)時負(fù)荷。左下方的時間軸表示數(shù)據(jù)時間為2017年5月29日早上8點(diǎn)，根據(jù)供電線路的分布和顏色可知當(dāng)前負(fù)荷較高的區(qū)域為上海市西部區(qū)域。將鼠標(biāo)懸停在負(fù)荷較高的9號線觀察該線路的實(shí)時供電信息，可以看到當(dāng)前負(fù)荷超過其額定負(fù)荷的80%，下面掛載的用戶數(shù)量為6個，其用電情況需繼續(xù)向下探索，用戶只需要點(diǎn)擊想查看的供電線路就可以進(jìn)入用戶用電情況分析視圖。

5.4 用戶用電情況分析

根據(jù)用戶選擇的供電線路，地圖視角會自動定位到能包含該線路的最小視框?qū)蛹壓陀脩酎c(diǎn)擊的位置。如圖7所示，對于9號線路，下面掛載9位用戶，編號為1的用戶標(biāo)簽為紅色代表實(shí)時用電負(fù)荷超過80%；編號為2和9的用戶標(biāo)志為電池代表其擁有分布式電源，其標(biāo)簽為綠色代表其負(fù)荷低于20%；編號為4的用戶標(biāo)志為流量上傳，說明其也是擁有分布式電源的用戶，且發(fā)電有節(jié)余需要向上供電。除了2號、4號和9號用戶其余用戶用電負(fù)荷都較高，特別是1號用戶用電負(fù)荷超過其額定負(fù)荷的80%。

圖7 用戶用電信息視圖

結(jié)合2017年5月29日上午8點(diǎn)多種供電態(tài)勢視圖分析得出：上海市地區(qū)，整體供電情況良好，沒有過多的高負(fù)荷和低負(fù)荷的變電站。其中對負(fù)荷較高的上海1號變電站進(jìn)行點(diǎn)擊操作將視角轉(zhuǎn)到供電線路視圖，得出該變電站下屬供電線路負(fù)荷較高的區(qū)域為西部；對于9號線路通過線路布局得知其沒有下屬的供電線路，所以該類型的線路高負(fù)荷的情況可以大致推測是下屬用戶用電高負(fù)荷所導(dǎo)致的，且通過用戶用電視圖可以證實(shí)這種推測。若對高負(fù)荷的9號線路進(jìn)行改造，需考慮由線路下的分布式電源用戶2號、4號、9號來分?jǐn)?號用戶的高負(fù)荷用電需求，從而緩解9號線路的供電壓力。

6 結(jié)束語

本文針對城市供電中的變電站、供電線路及用戶用電數(shù)據(jù)，提出一種針對城市供電中的電力數(shù)據(jù)的可視分析方法。該方法對于變電站采用散點(diǎn)圖加標(biāo)簽分類的表現(xiàn)形式，對供電線路采用多標(biāo)準(zhǔn)約束的方法進(jìn)行布局優(yōu)化，對用電用戶根據(jù)其是否擁有分布式電源進(jìn)行標(biāo)簽分類展示。其優(yōu)勢如下：

(1) 提供了對城市供電系統(tǒng)層次數(shù)據(jù)的可視化，將層次數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，有利于用戶進(jìn)行探索式分析，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因，與傳統(tǒng)方法相比，該方法更加高效。

(2) 針對供電線路數(shù)據(jù)采用多標(biāo)準(zhǔn)約束的方法對線路布局進(jìn)行優(yōu)化，有利于減少視覺混亂方便用戶進(jìn)行交互和探索操作。

本文方法的局限性包括：

(1) 隨著線路節(jié)點(diǎn)數(shù)量的提升，基于多標(biāo)準(zhǔn)約束的線路布局優(yōu)化算法得出結(jié)果所需要的時間也會隨之增長。

(2) 對供電線路中分布式電源所引起的潮流方向轉(zhuǎn)變信息未進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和可視化編碼。

在后續(xù)研究工作中，本文將致力于結(jié)合城市供電系統(tǒng)中的分布式發(fā)電數(shù)據(jù)，對可視化方法進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建一種多角度、全方位、美觀簡潔的城市供電數(shù)據(jù)可視分析方法。

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A Method for Visual Analysis of Urban Power Supply Data Based on Power Line Layout Optimization

LU Qiang1,4, ZHANG Hai-bo1, YUAN Xiao-hui2, CHEN Chen3,4

(1. VCC Division, School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230601, China; 2. Department of Computer Science and Engineering, University of North Texas, Denton TX 76201,America; 3. State Grid Hefei Electric Power Supply Company, Hefei Anhui 230031, China; 4. Hefei Engineering Research Center of Electric Power Data Application, Hefei Anhui 230031, China)

The visualization of power data can realize the online monitoring of different power features including various attributes and operating status, etc., which can be graphically and visually presented to provide a powerful guarantee for the timely and effective monitoring and analysis of equipment operation status. Based on the urban power supply data, a method for the visual analysis of power supply situation in the city is proposed. Firstly, the overall power supply situation is visualized based on the substation data in the power supply system. Then, the layout is optimized based on multi-criteria constraints and visually coded according to the power supply line data. Finally, according to the relation of lines, the visualized coding is conducted on the users of different lines. A visual analysis system has also been designed to facilitate the user’s exploration and analysis of the power supply situation in a certain area. Case studies based on Shanghai City Power Supply data show that the method can effectively reflect the overall power supply situation and specific power supply details in a certain area.

urban power data visualization; power supply situation; line layout optimization; visual coding

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2019010024

A

2095-302X(2019)01-0024-08

2018-06-28；

2018-07-11

安徽省自然科學(xué)基金項目(1708085MF158)；國家自然科學(xué)基金項目(61602146)；國家留學(xué)基金項目(201706695044)；合肥工業(yè)大學(xué)智能制造技術(shù)研究院科技成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)項目(IMICZ2017010)

路 強(qiáng)(1978-)，男，安徽合肥人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向為信息可視化、可視分析。E-mail：luqiang@hfut.edu.cn