張子建

(國(guó)網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031)

加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)輔助性房屋的電力監(jiān)管是促進(jìn)施工項(xiàng)目安全穩(wěn)定發(fā)展的重要方式之一。傳統(tǒng)監(jiān)控手段通常通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控的方式來(lái)監(jiān)管生產(chǎn)輔助性房屋的電力基建環(huán)境，時(shí)刻監(jiān)管施工現(xiàn)場(chǎng)的電力變化情況，如秦曠宇等[1]進(jìn)行了電網(wǎng)基建項(xiàng)目全過(guò)程智能化監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)研究，完成電力設(shè)備的智能化監(jiān)控。韓吉軍等[2]基于RDU-Net深度學(xué)習(xí)模型，設(shè)計(jì)了電力基礎(chǔ)設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)特征提取方法，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決，在很大程度上提高了用電安全。但是對(duì)于位置偏遠(yuǎn)的地區(qū)來(lái)說(shuō)，以上方法并不適用。

基于此，本文結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)生產(chǎn)輔助性房屋存在管理人員不足、用電量大、電力監(jiān)管手段相對(duì)落后情況，在運(yùn)程監(jiān)控中引入了OpenGL可視化技術(shù)，通過(guò)圖形學(xué)理論，實(shí)現(xiàn)電力基建環(huán)境潮流的可視化顯示，繪制電力線路的潮流箭頭和動(dòng)態(tài)餅圖，了解線路中潮流信號(hào)的走向以及電壓的分布情況，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制電力線路，提高了生產(chǎn)輔助性房屋的電力安全。

1 電力基建環(huán)境狀態(tài)估計(jì)

1.1 電力基建環(huán)境混合狀態(tài)估計(jì)

利用混合狀態(tài)估計(jì)方程對(duì)電力基建環(huán)境進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，計(jì)算公式如式(1)所示：

z=h(x)+e

(1)

式中：z為量測(cè)相量；h(x)為狀態(tài)估計(jì)方程系數(shù)矩陣；x為電力基建環(huán)境狀態(tài)；e為高斯噪聲。

通過(guò)加權(quán)最小平方算法對(duì)狀態(tài)相量進(jìn)行優(yōu)化，即可得到：

(2)

式中：J為加權(quán)系數(shù)；R為量測(cè)誤差協(xié)方差矩陣。

由此可得：

xk+1=xk+[G(xk)]-1HT(xk)R-1[z-h(xk)]

(3)

式中：H(x)為雅可比矩陣；G(x)為增益矩陣。

量測(cè)相量z中包含了同步量測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)量測(cè)結(jié)果，同步量測(cè)結(jié)果中又包含了線電流相位以及電壓相角等信息，而傳統(tǒng)量測(cè)結(jié)果中則包含了電壓的變化幅度、潮流節(jié)點(diǎn)信息以及輸入電流功率等。用式(4)表示：

(4)

1.2 電力基建環(huán)境線性狀態(tài)估計(jì)

如果電力基建環(huán)境在電源管理單元(Power Management Unit，簡(jiǎn)稱PMU)量測(cè)下為完全可觀的，那么可用線性狀態(tài)估計(jì)方程對(duì)電力環(huán)境進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)。為了確保PMU所得的電流量測(cè)結(jié)果與電力基建環(huán)境狀態(tài)之間為線性關(guān)系，需要對(duì)電壓相量進(jìn)行轉(zhuǎn)換[3]。關(guān)系表達(dá)式如式(5)所示：

(5)

式中：Vr、Vi分別為電力基建環(huán)境中電壓的實(shí)部和虛部；Ir、Ii分別為電力基建環(huán)境中電流的實(shí)部和虛部。

綜上所述，電力基建環(huán)境的加權(quán)最小二乘法的解為

x=(HTR-1H)-1HTR-1z

(6)

式中：T為電力基建環(huán)境狀態(tài)周期。

2 電力基建環(huán)境遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控實(shí)現(xiàn)框架

2.1 可視化監(jiān)控流程

首先，通過(guò)SCADA(數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng))對(duì)電力基建環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并傳送至能量管理系統(tǒng)(EMS)中；然后，通過(guò)潮流計(jì)算和靜態(tài)安全分析[4]，得到節(jié)點(diǎn)電壓值和支路潮流信號(hào)；最后，繪制潮流箭頭和動(dòng)態(tài)餅圖，生動(dòng)形象地展現(xiàn)出電力基建環(huán)境的潮流分布和電壓分布情況。不僅如此，通過(guò)預(yù)警模塊，可將監(jiān)測(cè)到的異常情況展現(xiàn)在顯示終端上，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的不同以不同顏色的亮燈提醒工作人員及時(shí)查看，避免發(fā)生安全事故。

電力基建環(huán)境遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控流程如圖1所示。

圖1 電力基建環(huán)境遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控流程圖

2.2 基于OpenGL的可視化信息轉(zhuǎn)換

OpenGL技術(shù)利用頂點(diǎn)對(duì)幾何圖形單元進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過(guò)運(yùn)算單元直接計(jì)算頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算后通過(guò)光柵獲得幾何碎片信息；在像素圖像處理過(guò)程中，首先對(duì)像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果保存在相應(yīng)的存儲(chǔ)文件中，然后利用光柵獲取圖形元素。

在上述的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，所有的圖形片元都要經(jīng)過(guò)光柵處理[5]，將處理后的像素?cái)?shù)據(jù)引入到幀緩沖器中即可實(shí)現(xiàn)可視化的目的。

OpenGL可視化技術(shù)的框架搭建依托的是VC++6.0開發(fā)環(huán)境。雖然二者可以兼容在一起進(jìn)行混合編程，但是對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的選取二者之間存在顯著的差異。OpenGL技術(shù)選取坐標(biāo)原點(diǎn)的方式是通過(guò)確定屏幕的中心點(diǎn)坐標(biāo)，而VC則是通過(guò)選取屏幕左上角頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)[6]。本文以O(shè)penGL技術(shù)為主。在二維平面圖上，轉(zhuǎn)換關(guān)系如下所示：

(7)

(8)

式中：(dOpenGL，pOpenGL)為在OpenGL技術(shù)下選取的屏幕坐標(biāo)原點(diǎn)；(dVC，pVC)為坐標(biāo)原點(diǎn)在VC開發(fā)環(huán)境中的位置；DVC_max、PVC_max分別為VC開發(fā)環(huán)境中橫縱坐標(biāo)的最大范圍值。

3 電力基建環(huán)境潮流可視化實(shí)現(xiàn)

對(duì)電力基建環(huán)境進(jìn)行潮流計(jì)算的目的是了解電力線路中變壓器、母線的負(fù)載情況以及有功、無(wú)功功率等信息。以往對(duì)這些數(shù)據(jù)的顯示通常以單線圖和列表的形式，給工作人員查看帶來(lái)了巨大的工作量[7]。本文依托OpenGL可視化技術(shù)，繪制了潮流箭頭和動(dòng)態(tài)餅圖，具體如下：

(1)在潮流箭頭的繪制過(guò)程中，用箭頭的指向、流動(dòng)速度等信息表示潮流的流向和數(shù)量；

(2)通過(guò)繪制動(dòng)態(tài)餅圖表示當(dāng)前線路的電壓分布情況。

3.1 潮流箭頭繪制

潮流箭頭本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是一個(gè)小三角形，由三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)構(gòu)成，利用OpenGL技術(shù)中畫三角形的原理畫出箭頭，并對(duì)其進(jìn)行顏色的填充[8]。首先，隨機(jī)選擇一條輸電線路，明確其長(zhǎng)度值；然后，在該條線路上按照相同距離選取一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)即為潮流箭頭其中的一個(gè)頂點(diǎn)，依據(jù)等邊三角形思想，計(jì)算這個(gè)箭頭的另外兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)信息。一個(gè)箭頭的三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)選取方法如圖2所示。

圖2 潮流箭頭頂點(diǎn)坐標(biāo)選取

(d0，p0)為以同等距離在線路上選取潮流箭頭的其中一個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，由等邊三角形理論可求得另外兩個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算公式如式(9)、式(10)所示：

(d1，p1)=[d0+Lcos(θ+δ)，p0+Lsin(θ+δ)]

(9)

(d2，p2)=[d0+Lcos(θ-δ)，p0+Lsin(θ-δ)]

(10)

式中：L為等邊三角形中邊的長(zhǎng)度；θ為潮流箭頭在輸電線路中的傾斜角大??；δ通常為30°，也就是潮流箭頭頂點(diǎn)的一半。

3.2 動(dòng)態(tài)餅圖繪制

在實(shí)際的電力基建環(huán)境監(jiān)測(cè)中，為了快速定位異常情況發(fā)生的部分，利用動(dòng)態(tài)餅圖繪制技術(shù)，可及時(shí)了解電力基建環(huán)境的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，同時(shí)也起到了一定的數(shù)據(jù)挖掘作用。

繪制動(dòng)態(tài)餅圖的最根本目的就是為工作人員在工作中及時(shí)了解線路中的負(fù)載信息提供依據(jù)[9]。將單線圖轉(zhuǎn)換為百分比動(dòng)態(tài)餅圖，可以很清楚地得到當(dāng)前輸電線路中的負(fù)載率，進(jìn)一步得到輸電線路的備用容量情況。不僅如此，還可在繪制動(dòng)態(tài)餅圖時(shí)加入不同顏色和不同尺寸，來(lái)生動(dòng)地表示電力基建環(huán)境的臨界點(diǎn)信息。

在繪制動(dòng)態(tài)餅圖時(shí)，事先需要設(shè)定一個(gè)事故閾值和普戒值[10]，餅圖中沒有超過(guò)這兩個(gè)值的部分用藍(lán)色來(lái)填充；當(dāng)超過(guò)這兩個(gè)值時(shí)，以紅色展現(xiàn)出來(lái)。藍(lán)色還可以表示電力基建環(huán)境的正常狀態(tài)，紅色表示電力基建環(huán)境此時(shí)正處于負(fù)載狀態(tài)下，需要對(duì)其進(jìn)行檢查利用顏色的變化，也可幫助工作人員清楚地了解到電力基建環(huán)境的狀態(tài)信息。

在OpenGL的繪制過(guò)程中，餅圖中的名稱信息與線路是相互對(duì)應(yīng)的，避免出現(xiàn)餅圖信息混淆的問(wèn)題。但是為了進(jìn)一步確保餅圖信息顯示得更清楚，通常只在工作人員所負(fù)責(zé)的電力基建環(huán)境上進(jìn)行動(dòng)態(tài)餅圖的顯示。

3.3 可視化功能實(shí)現(xiàn)

1)OpenGL顯示窗口

本文所提的電力基建環(huán)境遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控方法中，可視化顯示窗口實(shí)現(xiàn)了多種功能，例如可視化圖元的顯示、操作按鈕的顯示、基礎(chǔ)圖形的顯示等，支持不同的繪制需求和操作控件體系。

2)可視化圖元與圖形共享

在利用OpenGL技術(shù)繪制潮流箭頭和動(dòng)態(tài)餅圖時(shí)，可以通過(guò)添加虛線的方式對(duì)子類進(jìn)行重載，然后將圖元與電力基建設(shè)備結(jié)合起來(lái)，完成圖形的繪制與共享。

3)信息展示與人機(jī)交互

為了使基于OpenGL技術(shù)的可視化顯示界面能更加清晰、明確地幫助工作人員及時(shí)了解電力基建環(huán)境的狀態(tài)信息，本文引入色彩模塊和動(dòng)畫模塊，通過(guò)不同顏色和不同動(dòng)畫將異常情況進(jìn)行突出顯示，并且傳送至預(yù)警模塊，及時(shí)提醒工作人員查看。與此同時(shí)，本文還引入了智能的人機(jī)交互模式，例如點(diǎn)擊顯示窗口中的可視化圖元按鈕，即可看到此時(shí)電力基建環(huán)境的電壓情況、負(fù)載情況等，提高工作人員的工作效率。

4)預(yù)警模塊

當(dāng)電力基建環(huán)境出現(xiàn)異常情況時(shí)，線路中母線j出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的嚴(yán)重度函數(shù)為

(11)

式中：Iij為j出現(xiàn)異常情況時(shí)產(chǎn)生的后果；Wv，j為j的異常權(quán)重因子；Uij為j的電壓變化幅度；Uj，sche為j的標(biāo)準(zhǔn)電壓值；ΔUj，lim為j的電壓變化幅值；Nb為電力基建環(huán)境中的j數(shù)量。

對(duì)異常風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分如表1所示。

表1 異常風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

5)顏色圖的繪制與顯示

在繪制顏色圖之前，要確定電力基建設(shè)備的類型和參數(shù)值，計(jì)算得到與之對(duì)應(yīng)的潛在數(shù)據(jù)點(diǎn)。在繪制過(guò)程中，將數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為圖數(shù)據(jù)點(diǎn)或者網(wǎng)格點(diǎn)插值數(shù)據(jù)，最終再利用換算公式將其轉(zhuǎn)換為顏色數(shù)值，此時(shí)即可繪制顏色圖，并將其顯示在可視化界面。電力基建設(shè)備在繪制顏色圖時(shí)的部分設(shè)備類型和參數(shù)如表2所示。

表2 電力基建設(shè)備的部分類型和參數(shù)

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文方法在監(jiān)測(cè)電力基建環(huán)境方面的合理、有效性，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取的是某大型施工現(xiàn)場(chǎng)中生產(chǎn)輔助性房屋的電力數(shù)據(jù)。在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)之前，需先將來(lái)自于EMS和SCADA系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)整合，通過(guò)OpenGL技術(shù)，結(jié)合該項(xiàng)目所在地區(qū)的電網(wǎng)接線圖、地理接線圖以及母線接線圖等信息，以潮流箭頭和動(dòng)態(tài)餅圖的形式對(duì)電網(wǎng)潮流、母線電壓以及變壓器負(fù)載情況進(jìn)行繪制，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)異常情況的預(yù)警提醒。

4.1 電力基建環(huán)境動(dòng)態(tài)潮流可視化

實(shí)驗(yàn)中，在輸電線路上繪制疊加箭頭，箭頭所指的方向即為潮流流動(dòng)的方向，箭頭的流向速度表示電網(wǎng)中潮流的數(shù)量，該條輸電線路中動(dòng)態(tài)潮流監(jiān)視情況如圖3所示。

圖3 輸電線路動(dòng)態(tài)潮流監(jiān)視

從圖3中可以看出，本文方法通過(guò)OpenGL技術(shù)能夠清晰、準(zhǔn)確地將電力基建環(huán)境實(shí)際情況顯示出來(lái)，建視圖簡(jiǎn)單易懂，實(shí)用性非常強(qiáng)。當(dāng)工作人員查看不同線路的電力情況時(shí)，直接點(diǎn)擊潮流監(jiān)視圖中該條線路所在的位置即可，大大提高了工作人員的工作效率。通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目生產(chǎn)輔助性房屋的電力基建環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控，可以清楚地看到每一天輸電線路中潮流的變化趨勢(shì)和傳輸方向，為線路優(yōu)化、提高安全防護(hù)提供了可靠的依據(jù)。

4.2 預(yù)警模塊性能測(cè)試

以某大型施工現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)輔助性房屋電力基建環(huán)境為例，驗(yàn)證本文方法中的預(yù)警模塊是否可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路中的異常情況并報(bào)警提醒。該施工現(xiàn)場(chǎng)電力基建線路如圖4所示。

圖4 電力基建環(huán)境線路圖

將異常情況的預(yù)警參數(shù)設(shè)置為：線路出現(xiàn)損壞的概率為0～0.01的隨機(jī)數(shù)，Wv，j=1，N=1，Uj，sche=1.0pu，Uj，lim=0.05pu。在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，假設(shè)共出現(xiàn)了44次異常情況，所得的電力基建環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)圖如圖5所示。

圖5 電力基建環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)圖

對(duì)應(yīng)表1風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，從圖5中可以看出，絕大部分異常情況都不會(huì)對(duì)電力線路產(chǎn)生很大的影響，大部分處于0.06以下，會(huì)以亮綠燈、藍(lán)燈、黃燈、橙燈提醒工作人員，對(duì)整體電力基建環(huán)境不會(huì)造成嚴(yán)重后果。但是也有一小部分線路處于異常嚴(yán)重范圍，32號(hào)節(jié)點(diǎn)高于0.06，將以亮紅燈的形式發(fā)出提醒，31號(hào)節(jié)點(diǎn)接近于0.06，應(yīng)當(dāng)給予重點(diǎn)觀察，將其調(diào)整到安全范圍內(nèi)。針對(duì)這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，可采取以下措施進(jìn)行改進(jìn)：

(1)加強(qiáng)線路的檢修工作，適當(dāng)?shù)靥砑永^電保護(hù)器，降低線路出現(xiàn)異常情況的幾率；

(2)通過(guò)減少這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)附近的負(fù)載量來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)值，使其恢復(fù)至可接受的范圍內(nèi)，避免對(duì)整個(gè)電力基建環(huán)境產(chǎn)生較大的影響。

實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)減少31、32號(hào)節(jié)點(diǎn)附近30、33、34號(hào)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載量，驗(yàn)證是否可以將風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)降到可接受范圍內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

表3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)前后對(duì)比

5 結(jié) 論

遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，提高了生產(chǎn)輔助性房屋的用電安全，促進(jìn)了電力系統(tǒng)工作人員的工作效率，解決了施工現(xiàn)場(chǎng)管理人員不足、用電安全管理不到位的問(wèn)題，在一定程度上降低了電力監(jiān)管費(fèi)用。各階層管理人員，可以時(shí)刻關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)電力基建環(huán)境，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況、及時(shí)規(guī)劃解決方案，提高了用電安全的同時(shí)也提高了管理效率。