蔡 宇，許洪強(qiáng)，劉金波，陶洪鑄，曹越峰

（1. 國(guó)家電網(wǎng)有限公司國(guó)家電力調(diào)度控制中心，北京市 100031；2. 南瑞集團(tuán)有限公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），江蘇省 南京市 211106）

0 引言

可視化是20 世紀(jì)80 年代后期隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一門技術(shù)［1-2］?？梢暬夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用有助于調(diào)度運(yùn)行人員更好地掌握電網(wǎng)運(yùn)行的規(guī)律，對(duì)保障電網(wǎng)安全運(yùn)行具有重要的意義。隨著電網(wǎng)快速發(fā)展和電力設(shè)備數(shù)據(jù)采集能力的提升，調(diào)控云匯集的數(shù)據(jù)類型逐漸豐富、數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆炸增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)［3-6］，如何處理海量的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)“主次分明、直觀形象、詳盡高效”的電網(wǎng)運(yùn)行綜合展示，是電網(wǎng)可視化面臨的新挑戰(zhàn)［7］。

近些年，電力系統(tǒng)可視化技術(shù)也受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界廣泛關(guān)注。美國(guó)Power World 公司開發(fā)出可視化計(jì)算分析程序Power World Simulator［8］和在線可視化調(diào)度運(yùn)行系統(tǒng)Power Retriever［9］等，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)基本數(shù)據(jù)的可視化顯示。美國(guó)PJM 公司開發(fā)了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，在可視化和事件報(bào)警客戶端中可以根據(jù)需要在不同的窗口中展示相關(guān)的頻率、相角等信息［10］。國(guó)內(nèi)這方面的研究起步較晚，文獻(xiàn)［11］在低頻振蕩快速檢測(cè)、電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)可視化、水庫(kù)及發(fā)電能力可視化計(jì)算等方面進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［12］開展了三維可視化研究，并在國(guó)家電力調(diào)度控制中心跨區(qū)域動(dòng)態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)中應(yīng)用。文獻(xiàn)［13-14］實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵指標(biāo)的多視圖可視化展示。文獻(xiàn)［15］針對(duì)大電網(wǎng)仿真獲得的大量數(shù)據(jù)，構(gòu)建了人機(jī)互動(dòng)的高效仿真分析環(huán)境。文獻(xiàn)［16］提出一種多組件Web 可視化開發(fā)平臺(tái)，并有效驗(yàn)證了該平臺(tái)對(duì)開發(fā)效率、響應(yīng)及時(shí)性的提升效果。

已有的研究為本文提供了參考，但對(duì)于具有復(fù)雜時(shí)空關(guān)系的海量、多維電網(wǎng)大數(shù)據(jù)，仍未有完整、全面分析的可視化工具［17］。隨著調(diào)控云的建設(shè)，現(xiàn)有的電網(wǎng)可視化技術(shù)在以下幾個(gè)方面無法完全滿足應(yīng)用需求：1）對(duì)調(diào)控信息的全景感知和全局分析支撐能力不足；2）對(duì)電網(wǎng)對(duì)象的全生命周期管理及全狀態(tài)展示支撐不足；3）缺乏對(duì)調(diào)控信息的“智能關(guān)聯(lián)、互聯(lián)共享”的支撐，無法實(shí)現(xiàn)接線圖自動(dòng)繪制和對(duì)可視對(duì)象間的智能關(guān)聯(lián)及信息全方位展示；4）可視化展現(xiàn)形式較為單一。

鑒于此，如何有效組織海量的電網(wǎng)信息，實(shí)現(xiàn)從遠(yuǎn)景到近景的全景可視化，從歷史到未來的全狀態(tài)可視化，以及從要素要主題的全信息可視化，傳遞更關(guān)鍵、更有效、更全面的信息，支撐大電網(wǎng)安全運(yùn)行，是調(diào)度自動(dòng)化重要的研究課題之一。本文基于調(diào)控云平臺(tái)提出了適應(yīng)調(diào)控業(yè)務(wù)需求的可視化電網(wǎng)總體架構(gòu)和設(shè)計(jì)原則，并分別從全景可視化、全態(tài)可視化和全息可視化3 個(gè)方面詳細(xì)闡述了可視化電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，然后對(duì)可視化電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)和典型應(yīng)用案例展開了論述，為后續(xù)調(diào)控云應(yīng)用建設(shè)的可視化研究與發(fā)展提供了有益參考。

1 可視化電網(wǎng)總體架構(gòu)

1.1 可視化電網(wǎng)定義

可視化電網(wǎng)（visualization grid，V-Grid）是基于統(tǒng)一對(duì)象模型，采用先進(jìn)信息計(jì)算機(jī)技術(shù)，以多層視圖架構(gòu)，全景、全態(tài)、全息展示電力系統(tǒng)特征、運(yùn)行軌跡和實(shí)時(shí)信息的可視化應(yīng)用平臺(tái)。

1.2 總體架構(gòu)

可視化電網(wǎng)主要由電網(wǎng)層、廠站層、一次設(shè)備層和二次設(shè)備層4 層視圖構(gòu)成，通過建立對(duì)象與對(duì)象、對(duì)象與信息間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從場(chǎng)景、時(shí)態(tài)及信息方面全面展示電網(wǎng)的構(gòu)成及運(yùn)行，分別稱為全景可視化、全態(tài)可視化和全息可視化。

全景可視化表現(xiàn)為空間上的縮放，從遠(yuǎn)景到近景的可視化。它從電網(wǎng)層、廠站層、一次設(shè)備層和二次設(shè)備層，以不同可視化形式呈現(xiàn)從設(shè)備個(gè)體到電網(wǎng)全景的場(chǎng)面。全態(tài)可視化表現(xiàn)為時(shí)序上的漸變，從歷史到未來的可視化，根據(jù)不同業(yè)務(wù)涉及的不同設(shè)備對(duì)象和業(yè)務(wù)處于的狀態(tài)進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。全息可視化表現(xiàn)為要素的豐簡(jiǎn)，從主題到全面的可視化。信息分為四大類，包括基本數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，全方位、多角度、形象化地展現(xiàn)電網(wǎng)信息。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和高性能顯卡發(fā)展，可視化電網(wǎng)采用先進(jìn)可視化技術(shù)，例如三維技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，全方位、多層次、立體化地展現(xiàn)了電網(wǎng)，真實(shí)還原現(xiàn)實(shí)電網(wǎng)架構(gòu)及運(yùn)行情況，更直觀地展示設(shè)備及電網(wǎng)信息間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，有助于人員快速掌握設(shè)備及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)程，高效處理電網(wǎng)信息，有效支撐電網(wǎng)業(yè)務(wù)。可視化電網(wǎng)總體架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 可視化電網(wǎng)總體架構(gòu)圖Fig.1 Overall architecture of V-Grid

2 可視化電網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

調(diào)控云平臺(tái)匯集了電網(wǎng)運(yùn)行的海量信息，為電網(wǎng)運(yùn)行提供數(shù)據(jù)管控和數(shù)據(jù)服務(wù)。本文以更直觀地展示電網(wǎng)信息為目標(biāo)，根據(jù)對(duì)象特性和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不同進(jìn)行了差異化設(shè)計(jì)，構(gòu)建了全景、全態(tài)、全息的可視化電網(wǎng)，其設(shè)計(jì)原則具備以下5 個(gè)特征。

1）直觀形象

可視化的目的是替代繁瑣的文字，給用戶最直觀、最形象的展示，從而達(dá)到觀其表（電網(wǎng)及設(shè)備外觀）、察其理（設(shè)備內(nèi)外部關(guān)聯(lián)關(guān)系）、知其源（運(yùn)行數(shù)據(jù)信息）的目的，讓數(shù)據(jù)變得可知、可感、可交互。

2）多維完整

保證電網(wǎng)模型的建立和信息展示的完整性需要從通用性角度出發(fā)，結(jié)合電力調(diào)控業(yè)務(wù)特點(diǎn)，從全局到局部，分類、分層、分級(jí)對(duì)全電網(wǎng)對(duì)象進(jìn)行建模和分表設(shè)計(jì)，為電網(wǎng)可視化提供通用的基礎(chǔ)信息模型，以呈現(xiàn)出形象、全面、有深度的全貌電網(wǎng)。

3）關(guān)聯(lián)連接

根據(jù)對(duì)象化模型已建立的對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系、各類對(duì)象與其屬性之間的關(guān)系，自動(dòng)構(gòu)建圖與圖之間的關(guān)系，形成可視化電網(wǎng)關(guān)聯(lián)圖譜，實(shí)現(xiàn)全方位、多層次、立體化的電網(wǎng)。

4）友好交互

電網(wǎng)可視化的交互設(shè)計(jì)應(yīng)更友好、更便捷。結(jié)合心理學(xué)和人體工學(xué)理論，設(shè)計(jì)具備友好便捷交互的可視化電網(wǎng)，便于搜索、查詢、分析等，達(dá)到信息呈現(xiàn)與易于理解的目的。

5）動(dòng)靜結(jié)合

可視化設(shè)計(jì)應(yīng)動(dòng)與靜相結(jié)合，遵循美學(xué)原則，考慮構(gòu)圖美、布局美、色彩美等因素，具有與數(shù)據(jù)契合的科技感、與時(shí)俱進(jìn)的現(xiàn)代感。

2.2 全景可視化

全景可視化是從宏觀到微觀對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行展示的總稱。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，全景可視化分為4 層視圖，即電網(wǎng)可視化、廠站可視化、一次設(shè)備可視化和二次設(shè)備可視化。各層視圖可視化展示形式不同，全景展示電網(wǎng)視圖框架如圖2 所示。

圖2 全景可視化電網(wǎng)四層視圖框架圖Fig.2 Framework of four-layer view of full-scene V-Grid

2.2.1 視圖結(jié)構(gòu)

1）電網(wǎng)可視化

電網(wǎng)層視圖按照展示形式可分為電網(wǎng)地理圖、結(jié)構(gòu)圖和潮流圖。地理圖分層疊加展示地理信息、外部環(huán)境、能源信息和電力設(shè)施，通過可視化技術(shù)從空間位置角度展現(xiàn)電網(wǎng)全景。結(jié)構(gòu)圖從全國(guó)電網(wǎng)、區(qū)域電網(wǎng)、省級(jí)電網(wǎng)到地區(qū)電網(wǎng)，按照不同電壓等級(jí)，從發(fā)電到輸電構(gòu)建了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，展示電力輸送的概況。潮流圖按照調(diào)度管理關(guān)系從電網(wǎng)到廠站，展示電網(wǎng)的能源流向、電力平衡、網(wǎng)間交換的信息。

不同的展示形式可供不同業(yè)務(wù)人員使用。地理圖能最真實(shí)地反映電力設(shè)備所處地理位置，直觀為使用人員展示電網(wǎng)設(shè)備及整體建設(shè)概況，適用于整個(gè)電力行業(yè)。結(jié)構(gòu)圖更適用于管理人員，根據(jù)不同電壓等級(jí)，構(gòu)建國(guó)、分、省、地、縣各級(jí)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。潮流圖更適用于調(diào)度運(yùn)行及計(jì)算人員使用，關(guān)注電網(wǎng)運(yùn)行潮流情況，基于潮流圖的電網(wǎng)視圖能將潮流運(yùn)行信息最直觀地展示給業(yè)務(wù)人員。

2）廠站可視化

廠站層視圖按照展示形式可分為廠站主題圖、單線圖、3D 圖、VR 圖以及二次配置圖。廠站層主要包括發(fā)電廠（火、水、風(fēng)、核、光、風(fēng)光、風(fēng)光儲(chǔ)等）、變電站（常規(guī)站、開關(guān)站、補(bǔ)償站和牽引站）和換流站等。

根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求，可選擇不同的廠站可視化展現(xiàn)形式，獲取需要的信息。主題圖對(duì)廠站基本信息、管理信息、統(tǒng)計(jì)信息、標(biāo)簽狀態(tài)等進(jìn)行展示。單線圖主要用于運(yùn)行人員，掌握廠站接線方式及查閱運(yùn)行狀況。3D 和VR 圖主要對(duì)廠站、站內(nèi)電力設(shè)備及二次設(shè)備實(shí)物進(jìn)行展示，便于運(yùn)行及管理人員全方位、立體化查看設(shè)備情況。二次配置圖是對(duì)站內(nèi)二次設(shè)備及系統(tǒng)的可視化，以及其關(guān)聯(lián)關(guān)系的展示，主要便于自動(dòng)化及保護(hù)專業(yè)人員使用。

3）一次設(shè)備可視化

一次設(shè)備層視圖主要以主題圖形式展現(xiàn)為主，以3D 圖、等值電路圖為輔，包括發(fā)電機(jī)、交流線路、直流線路、變壓器、母線、斷路器、電抗器、電容器、直流設(shè)備等。主題圖是對(duì)設(shè)備的畫像，展現(xiàn)了基本信息、管理信息、統(tǒng)計(jì)信息、標(biāo)簽信息、狀態(tài)等，以及一、二次設(shè)備間的關(guān)系。3D 圖是對(duì)對(duì)象進(jìn)行立體360°展現(xiàn)。等值電路圖通常在電力系統(tǒng)計(jì)算時(shí)需要，以獲取計(jì)算參數(shù)和等值模型。

4）二次設(shè)備可視化

二次設(shè)備層視圖主要以主題圖形式展現(xiàn)，包括自動(dòng)化設(shè)備和保護(hù)設(shè)備，以及廠站自動(dòng)化系統(tǒng)和電力通信系統(tǒng)等自動(dòng)化容器。其中，自動(dòng)化設(shè)備包括通用設(shè)備、廠站設(shè)備和配電設(shè)備等。保護(hù)設(shè)備主要是指保護(hù)裝置和安全自動(dòng)裝置。

2.2.2 可視化關(guān)系

基于面向調(diào)控云的電力調(diào)度通用數(shù)據(jù)對(duì)象結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)［18］，可視化電網(wǎng)可自動(dòng)構(gòu)建圖像與圖像的關(guān)系，形成電網(wǎng)全景可視化的關(guān)聯(lián)圖譜，支撐電網(wǎng)從宏觀到微觀的全景可視化展示，實(shí)現(xiàn)同視圖層圖像的多形式展示和不同視圖層圖像的關(guān)聯(lián)展示［19］。

可視化關(guān)聯(lián)圖譜由對(duì)象與對(duì)象的關(guān)聯(lián)和對(duì)象與信息的關(guān)聯(lián)自動(dòng)構(gòu)建生成，以可視化的形式呈現(xiàn)出電網(wǎng)對(duì)象間直接和間接關(guān)系。

1）對(duì)象與對(duì)象的關(guān)聯(lián)

對(duì)象與對(duì)象的關(guān)聯(lián)是對(duì)電網(wǎng)物理實(shí)景的真實(shí)反映，可分為上聯(lián)關(guān)系和下聯(lián)關(guān)系。上聯(lián)關(guān)系通常為直接的一對(duì)一關(guān)系，即A 類對(duì)象向上聯(lián)系B 類對(duì)象，B 類對(duì)象數(shù)量唯一，但A 類對(duì)象可向上聯(lián)系C 類、D類對(duì)象等，但C 類、D 類對(duì)象均唯一。例如，斷面與電網(wǎng)、發(fā)電廠與發(fā)電公司、發(fā)電廠與電網(wǎng)。下聯(lián)關(guān)系不僅含有一對(duì)一的關(guān)系，也包含一對(duì)多的關(guān)系。即A 類對(duì)象向下聯(lián)系B 類對(duì)象，B 類對(duì)象數(shù)量可唯一，也可為多個(gè)。例如：電網(wǎng)與變電站、變電站與保護(hù)配置、變電站與自動(dòng)化系統(tǒng)、線路與桿塔等。對(duì)象與對(duì)象的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖3 所示。

圖3 對(duì)象與對(duì)象關(guān)聯(lián)關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of correlation relationship between objects

2）對(duì)象與信息的關(guān)聯(lián)

對(duì)象除了與對(duì)象存在聯(lián)系外，對(duì)象和其他標(biāo)簽、事件等信息也有關(guān)聯(lián)，稱為對(duì)象與信息的關(guān)聯(lián)。每類對(duì)象具有不同的全壽命周期，在不同狀態(tài)具有不同的信息，與不同的事件信息相關(guān)聯(lián)，需綜合考慮這些信息全方位展現(xiàn)對(duì)象。以線路為例，線路與其仿真模型、故障集、停電計(jì)劃集、增改擴(kuò)容等信息具有關(guān)聯(lián)關(guān)系。在查詢線路對(duì)象時(shí)，能通過對(duì)象與信息關(guān)聯(lián)關(guān)系全面掌握對(duì)象建設(shè)及運(yùn)行情況。

2.3 全態(tài)可視化

根據(jù)不同類型電網(wǎng)對(duì)象的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)對(duì)象全生命周期的管理，構(gòu)建了可視化電網(wǎng)中的全態(tài)電網(wǎng)。全態(tài)電網(wǎng)主要包括2 層含義：一是單個(gè)對(duì)象所有過程的展示；二是電網(wǎng)全對(duì)象的全呈現(xiàn)。

2.3.1 全生命周期可視化

全生命周期可視化可實(shí)現(xiàn)每個(gè)對(duì)象的全生命周期狀態(tài)管理。從局部而言，針對(duì)每個(gè)對(duì)象可實(shí)現(xiàn)對(duì)其全生命周期狀態(tài)的可視化，但針對(duì)不同對(duì)象對(duì)應(yīng)的生命周期過程狀態(tài)不同。例如：發(fā)電廠、變電站和換流站等廠站類對(duì)象的生命周期狀態(tài)包括規(guī)劃、基建、調(diào)試、在運(yùn)、擴(kuò)建、退運(yùn)6 個(gè)階段；對(duì)于發(fā)電機(jī)、輸電線路、變壓器等設(shè)備類對(duì)象，其生命周期狀態(tài)包括規(guī)劃、建設(shè)、試運(yùn)、在運(yùn)、退運(yùn)5 個(gè)階段，如圖4 所示。其中，每個(gè)階段的狀態(tài)又可細(xì)分為具體狀態(tài)，例如：在運(yùn)態(tài)，可細(xì)分為運(yùn)行態(tài)、充電態(tài)、檢修態(tài)、備用態(tài)等。另外，對(duì)于容器類［18］電網(wǎng)對(duì)象，從投運(yùn)到退運(yùn)的整個(gè)過程中存在多種不同狀態(tài)的可視化。例如：斷面名稱不變，但其構(gòu)成成員的每一次變化生效均為一種新的狀態(tài)；廠站的擴(kuò)建，廠站名稱不變，但其內(nèi)部的變化也為一種新狀態(tài)等。

圖4 廠站及設(shè)備的全壽命周期Fig.4 Life cycle of power stations and equipment

2.3.2 狀態(tài)可視化

電網(wǎng)全狀態(tài)的可視化可從全局呈現(xiàn)各級(jí)電網(wǎng)全生命周期狀態(tài)。

1）在任意某時(shí)刻，可從全局呈現(xiàn)各級(jí)電網(wǎng)所處的狀態(tài)。例如：查看某時(shí)刻電網(wǎng)在規(guī)劃中、建設(shè)中、運(yùn)行中的輸電線路等；查詢?nèi)我鈺r(shí)刻的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，包括故障、檢修、預(yù)警、越限、重載等各類情況下電網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)；可查看氣象災(zāi)害或氣象環(huán)境對(duì)電網(wǎng)的影響，如對(duì)臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)刻的任意電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)可進(jìn)行全局可視化展示（如山火、覆冰、雷電、降雨、溫度、濕度等氣象信息對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響）。

2）在某電網(wǎng)全景下，呈現(xiàn)任意時(shí)段內(nèi)電網(wǎng)所有對(duì)象的生命周期發(fā)展動(dòng)態(tài)。例如：隨著電網(wǎng)規(guī)模的變化，長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)電網(wǎng)發(fā)電情況、負(fù)荷情況、用電量情況等的變化。查看指定時(shí)間范圍內(nèi)特高壓交直流建設(shè)歷程；查看電網(wǎng)某時(shí)段內(nèi)裝機(jī)增長(zhǎng)量和增長(zhǎng)趨勢(shì)；查看電網(wǎng)某時(shí)段內(nèi)新能源、光伏、風(fēng)電等各類型電源建設(shè)歷程及分布情況。

2.4 全息可視化

在電網(wǎng)每類對(duì)象上都附加有不同的信息，這些信息實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)信息全方位、多層次、立體化呈現(xiàn)，構(gòu)建了可視化電網(wǎng)中的全息電網(wǎng)。全息電網(wǎng)的信息分類分為四大類，包括模型數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)和文資數(shù)據(jù)。

2.4.1 模型數(shù)據(jù)

模型數(shù)據(jù)包含基礎(chǔ)模型、關(guān)聯(lián)關(guān)系和靜態(tài)標(biāo)簽3 類信息。

1）基礎(chǔ)模型

基礎(chǔ)模型包含電網(wǎng)及設(shè)備對(duì)象的基本信息、管理信息、仿真信息及銘牌信息等。

基本信息通常描述對(duì)象的主要特征，在壽命周期內(nèi)一般不發(fā)生變化，或變化頻度極小?；拘畔⒏鶕?jù)不同類型對(duì)象的特征不同而不同。例如：變電站的基本信息包括名稱、類型、最高電壓等級(jí)、所屬電網(wǎng)、地理位置、海拔、經(jīng)緯度、投運(yùn)日期、退運(yùn)日期、狀態(tài)等信息。發(fā)電廠除變電站包括的基本信息外，還包括發(fā)電廠燃料類型、煤場(chǎng)儲(chǔ)煤容量、鍋爐臺(tái)數(shù)、發(fā)電容量構(gòu)成等信息。

管理信息是在管理過程中賦予的信息，其變化不影響對(duì)象的物理屬性，壽命周期內(nèi)變化頻度不大。電網(wǎng)設(shè)備的管理信息可從電網(wǎng)關(guān)系、資產(chǎn)關(guān)系、調(diào)度關(guān)系、監(jiān)控關(guān)系和運(yùn)維關(guān)系5 類進(jìn)行描述。除電網(wǎng)設(shè)備外，企業(yè)機(jī)構(gòu)間也存在管理關(guān)系，同樣可通過管理信息進(jìn)行描述。圖5 例舉了變電站、線路、發(fā)電廠以及各企業(yè)機(jī)構(gòu)間涉及的管理關(guān)系。

圖5 對(duì)象的管理信息關(guān)系示意圖Fig.5 Schematic diagram of management information relationship between objects

仿真信息主要包括電力設(shè)備在建模仿真時(shí)的模型及參數(shù)信息，用于電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真和暫態(tài)仿真。仿真信息根據(jù)不同對(duì)象類型的數(shù)學(xué)模型及穩(wěn)定狀態(tài)的不同而不同。例如：發(fā)電機(jī)模型包括同步機(jī)模型、調(diào)速器模型、勵(lì)磁模型、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）模型等。其中，同步機(jī)模型包括同步、暫態(tài)、次暫態(tài)電抗和時(shí)間常數(shù)等；調(diào)速器模型包括電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)、汽輪機(jī)與主汽壓力等的死區(qū)、控制方式、負(fù)荷控制器比例-積分-微分（PID）參數(shù)等；勵(lì)磁模型包括放大、校正等環(huán)節(jié)各類參數(shù)；PSS 模型參數(shù)包括轉(zhuǎn)速、時(shí)間常數(shù)、電磁功率輸入等信息。

銘牌信息為固定在電網(wǎng)設(shè)備上向用戶提供廠家商標(biāo)識(shí)別、品牌區(qū)分、產(chǎn)品參數(shù)銘記等的信息，記錄了生產(chǎn)廠家及額定工作情況下的技術(shù)數(shù)據(jù)，以供正確使用。

2）關(guān)聯(lián)關(guān)系

模型數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系體現(xiàn)為電網(wǎng)對(duì)象的包含關(guān)系，這類對(duì)象通常為容器類對(duì)象［18］，指電網(wǎng)、發(fā)電廠、變電站、間隔、直流輸電系統(tǒng)、斷面、控制區(qū)、換流站等對(duì)象。通過可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)容器類對(duì)象的包含關(guān)系和統(tǒng)計(jì)信息的展示。例如：電網(wǎng)對(duì)象展示總裝機(jī)容量、機(jī)組臺(tái)數(shù)、發(fā)電廠數(shù)量、變電站容量、變電站數(shù)量、主變數(shù)量、換流站數(shù)量、換流變壓器容量、換流變壓器數(shù)量等。發(fā)電廠的統(tǒng)計(jì)信息包含鏈接交流線路、交流濾波器、串聯(lián)補(bǔ)償、并聯(lián)補(bǔ)償、靜止無功補(bǔ)償器等相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息等。

3）靜態(tài)標(biāo)簽

在可視化電網(wǎng)中采用標(biāo)簽技術(shù)，由滿足具備一個(gè)或多個(gè)同類標(biāo)簽的信息組成一個(gè)信息集，可用于該標(biāo)簽類的信息推薦、快速查詢等場(chǎng)景。標(biāo)簽信息可分為靜態(tài)標(biāo)簽和動(dòng)態(tài)標(biāo)簽。靜態(tài)標(biāo)簽指該對(duì)象與其他對(duì)象的關(guān)聯(lián)產(chǎn)生的標(biāo)志，一般變化頻度不大。例如：線路可以通過標(biāo)簽區(qū)別T 接線路、光纖負(fù)荷架空地線（OPGW）等。動(dòng)態(tài)標(biāo)簽與運(yùn)行信息緊密相關(guān)，在運(yùn)行數(shù)據(jù)中進(jìn)行介紹。

2.4.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示實(shí)時(shí)采集或計(jì)算的電網(wǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，是掌握和分析電網(wǎng)運(yùn)行情況不可或缺的信息。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包含采集數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)通常指遙測(cè)和遙信，例如有功功率、無功功率、電流、電壓、保護(hù)信息、開關(guān)量等。計(jì)算數(shù)據(jù)指與遙測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)的計(jì)算，例如電網(wǎng)發(fā)電、受電、負(fù)荷、母線平衡等。不同對(duì)象展示的實(shí)時(shí)信息不同。例如，發(fā)電機(jī)具有有功和無功實(shí)時(shí)采集信息；變壓器除有功和無功實(shí)時(shí)采集信息外，還有變壓器抽頭位置實(shí)時(shí)信息等。具備實(shí)時(shí)信息的對(duì)象量測(cè)類型通常也有歷史信息。

2.4.3 運(yùn)行數(shù)據(jù)

運(yùn)行數(shù)據(jù)分為時(shí)序數(shù)據(jù)和事項(xiàng)數(shù)據(jù)。其中，時(shí)序數(shù)據(jù)包括歷史數(shù)據(jù)、未來數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)特征值、統(tǒng)計(jì)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)標(biāo)簽。

歷史數(shù)據(jù)便于查詢或事后評(píng)估設(shè)備對(duì)象不同時(shí)間尺度的運(yùn)行情況，從秒級(jí)、分鐘級(jí)到日、月、年，均可通過不同可視化形式進(jìn)行展現(xiàn)，便于查詢和分析。未來數(shù)據(jù)主要指預(yù)測(cè)類或計(jì)劃類信息，包括各類電源發(fā)電預(yù)測(cè)、發(fā)電計(jì)劃、系統(tǒng)負(fù)荷和母線負(fù)荷的短期及超短期預(yù)測(cè)、環(huán)境氣象預(yù)報(bào)等。歷史數(shù)據(jù)和未來數(shù)據(jù)屬于原生數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)特征值、統(tǒng)計(jì)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)標(biāo)簽屬于衍生數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)特征值為根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法衍生出的最大值、最小值、平均值、極差、方差等指標(biāo)，用于表征電網(wǎng)及設(shè)備對(duì)象運(yùn)行的特征。統(tǒng)計(jì)指標(biāo)為在指定時(shí)刻或時(shí)段由原生數(shù)據(jù)通過計(jì)算或統(tǒng)計(jì)得到的能反映電網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)的指標(biāo)。動(dòng)態(tài)標(biāo)簽是指對(duì)象在運(yùn)行狀態(tài)下，隨時(shí)間變化產(chǎn)生的不可撤銷的時(shí)間標(biāo)志，不同對(duì)象具有不同的動(dòng)態(tài)標(biāo)簽。對(duì)于電網(wǎng)對(duì)象的動(dòng)態(tài)標(biāo)簽包括發(fā)電或負(fù)荷創(chuàng)新高、發(fā)生故障等。事項(xiàng)數(shù)據(jù)通常指關(guān)于電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)變化的監(jiān)視信息及工程建設(shè)信息，例如：設(shè)備對(duì)象的事件信息包括設(shè)備缺陷、故障、檢修、越限、重載、斷路器變位或刀閘發(fā)生變位等。

2.4.4 文資數(shù)據(jù)

文資數(shù)據(jù)包括視頻、音頻、文檔及圖片數(shù)據(jù)等。按照內(nèi)容不同，文資數(shù)據(jù)分為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)法制、技術(shù)文獻(xiàn)、運(yùn)行報(bào)告和生產(chǎn)文檔等。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)類文檔包含國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；法規(guī)法制類包含國(guó)家法規(guī)、企業(yè)法規(guī)和內(nèi)部制度等；技術(shù)文獻(xiàn)包含科技論文、技術(shù)報(bào)告、技術(shù)資料等；運(yùn)行報(bào)告類包含運(yùn)行例會(huì)、事故分析報(bào)告和檢測(cè)報(bào)告等；生產(chǎn)文檔類包含年度方式、臨時(shí)規(guī)定、處置預(yù)案、管理要求、會(huì)議紀(jì)要等。

3 可視化電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于三維可視化引擎的全景可視化技術(shù)

基于三維可視化引擎構(gòu)建具有高擴(kuò)展性的三維模型，利用數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)對(duì)地形、變電站、線路等電網(wǎng)對(duì)象建模，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)對(duì)象的三維動(dòng)態(tài)展示。使用動(dòng)態(tài)加載三維模型處理技術(shù)，對(duì)模型分層數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)圖片分層分級(jí)顯示，提升三維模型加載效率。從電氣連接到空間地理的拓展，抽象并封裝電網(wǎng)邊界和維度等空間結(jié)構(gòu)，對(duì)海量電網(wǎng)地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行組織、分析和空間索引，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)路徑規(guī)劃、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成、位置距離信息計(jì)算、包含關(guān)系判斷及查詢，實(shí)現(xiàn)廠站位置、線路走向、地形環(huán)境、拓?fù)滏溄印㈦娫醇皬S站分布和構(gòu)成等信息的可視化展示，實(shí)現(xiàn)從電網(wǎng)全貌到廠站，再到一、二次設(shè)備全景穿透，疊加多層電網(wǎng)運(yùn)行及外部環(huán)境信息的可視化集成。

3.2 基于全生命周期的對(duì)象動(dòng)態(tài)展示技術(shù)

對(duì)電網(wǎng)設(shè)施、外部環(huán)境等對(duì)象，依照時(shí)空斷面進(jìn)行截取，根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)提取對(duì)象各階段狀態(tài)，利用圖形、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺，通過表達(dá)、建模對(duì)數(shù)據(jù)加以可視化解釋，構(gòu)建電網(wǎng)對(duì)象從歷史到未來的全態(tài)演變模型?；诟欕娋W(wǎng)對(duì)象狀態(tài)演化，實(shí)現(xiàn)高維、多態(tài)、多場(chǎng)景、動(dòng)態(tài)展示網(wǎng)架歷史演變和新能源發(fā)展歷程等內(nèi)容，直觀展示當(dāng)前和歷史時(shí)間斷面的多態(tài)電網(wǎng)，支撐調(diào)控云信息的全景感知、全態(tài)防控和全局分析，形成以一體化電網(wǎng)模型為基礎(chǔ)的“全景電網(wǎng)一張圖、多層全態(tài)可視化”［20-21］。

3.3 基于調(diào)控云模型的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)自動(dòng)成圖技術(shù)

自動(dòng)成圖技術(shù)依據(jù)調(diào)控云廠站及線路基礎(chǔ)模型，結(jié)合圖論、組合優(yōu)化和智能計(jì)算等理論，消除電網(wǎng)設(shè)施對(duì)坐標(biāo)的依賴，研究貼近廠站相對(duì)地理位置關(guān)系的電網(wǎng)接線圖中元素自動(dòng)排布方法［22］。針對(duì)各類主配網(wǎng)接線圖的布局規(guī)則和習(xí)慣，遵循“總面積最小、線路總長(zhǎng)度估計(jì)值最短”原則進(jìn)行布局，設(shè)計(jì)自動(dòng)布局的對(duì)應(yīng)約束最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，引入組合優(yōu)化算法、進(jìn)化算法和深度學(xué)習(xí)算法等分析，將布局總面積、線路總長(zhǎng)度及交叉點(diǎn)個(gè)數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行線路優(yōu)化及布局微調(diào)，并通過電網(wǎng)模型驗(yàn)證自動(dòng)布局的結(jié)果，滿足在大屏、桌面終端及打印紙張等不同應(yīng)用場(chǎng)景下接線圖動(dòng)態(tài)、直觀、美觀的自動(dòng)布局需求，具備全量模型重新成圖和在設(shè)備新投退役后增量成圖功能。

3.4 全息電網(wǎng)可視化的疊加渲染與展示技術(shù)

基于調(diào)控云匯集的數(shù)據(jù)，在電網(wǎng)全模型基礎(chǔ)上疊加電網(wǎng)運(yùn)行方式、電網(wǎng)潮流分布、設(shè)備故障與缺陷信息、保護(hù)配置信息、設(shè)備檢修等信息。運(yùn)用矢量切片技術(shù)，采用金字塔模型按四叉樹剖分規(guī)則進(jìn)行地圖劃分，依次遞增構(gòu)建，由頂向下，逐層遞進(jìn)。根據(jù)用戶請(qǐng)求的數(shù)據(jù)需求，支持查看相應(yīng)層級(jí)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)，疊加渲染并展示電網(wǎng)設(shè)施元素與運(yùn)行數(shù)據(jù)，形成大電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)與趨勢(shì)，構(gòu)建檢修可視化、潮流可視化、故障可視化、缺陷可視化等，為專業(yè)應(yīng)用提供全面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和可視化支撐。

3.5 基于時(shí)空關(guān)聯(lián)分析的電網(wǎng)氣象災(zāi)害監(jiān)控與預(yù)警技術(shù)

在分析氣象災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)設(shè)備的影響時(shí)，引入四叉樹分割算法，以氣象災(zāi)害數(shù)據(jù)點(diǎn)為起始點(diǎn)不斷向外擴(kuò)散，進(jìn)行環(huán)形搜索，該算法可自定義離氣象災(zāi)害點(diǎn)中心任意距離的搜索半徑，檢索出定義范圍內(nèi)的電網(wǎng)設(shè)施。使用克里斯曼插值方法，設(shè)定插值級(jí)別并為各級(jí)別分配插值權(quán)重進(jìn)行逐級(jí)插值，將不規(guī)則網(wǎng)格氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行批量插值，實(shí)現(xiàn)將離散的觀測(cè)數(shù)據(jù)插值到規(guī)則格點(diǎn)上，完成對(duì)氣溫、降水等氣象信息進(jìn)行等值線圖繪制，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣象影響范圍內(nèi)設(shè)備的檢索。結(jié)合臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、高溫、強(qiáng)降水、大風(fēng)、覆冰厚度、山火距離、雷電頻次等告警規(guī)則自動(dòng)計(jì)算電網(wǎng)影響范圍，并關(guān)聯(lián)電網(wǎng)故障信息，提供實(shí)時(shí)告警、趨勢(shì)預(yù)警及預(yù)處置功能［23-24］。

4 可視化應(yīng)用實(shí)踐

下面以調(diào)控云地理信息導(dǎo)航應(yīng)用為例介紹可視化應(yīng)用效果。

4.1 全景電網(wǎng)一張圖

地理電網(wǎng)圖可靈活展示廠站位置、線路走向、運(yùn)行信息和外部環(huán)境，實(shí)現(xiàn)國(guó)家電網(wǎng)有限公司35 kV及以上全景電網(wǎng)一張圖，可視化展示多層、多級(jí)、多互聯(lián)電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息。附錄A 圖A1 至圖A4 分別展示從廠站到一、二次設(shè)備的可視化畫像。圖A1 以賓金直流為例展示了直流輸電系統(tǒng)的可視化畫像，能清晰反映出直流系統(tǒng)相關(guān)送受端廠站及線路信息、投運(yùn)運(yùn)行等基本信息。圖A2 為某廠站的可視化畫像，全面展示了廠站信息，并可根據(jù)需要切換查詢。除此之外，右上角關(guān)聯(lián)了多個(gè)廠站相關(guān)微應(yīng)用，例如接線圖、監(jiān)控系統(tǒng)、等值負(fù)荷等。圖A3 為某廠站的變壓器設(shè)備可視化畫像。圖A4 為某廠站的繼電保護(hù)中變壓器保護(hù)資源的可視化畫像。

附錄A 圖A5 為電網(wǎng)全景圖展示的示例，其規(guī)范了從6 kV 到±1 100 kV 不同電壓等級(jí)線路的圖例顏色、不同變電站類型和電廠類型的圖例，同時(shí)，對(duì)于在運(yùn)、規(guī)劃、在建等不同狀態(tài)規(guī)范了顯示圖例。圖中展示了局部不同電壓等級(jí)線路的示意圖，基于全景電網(wǎng)一張圖可根據(jù)不同需求選擇各電壓等級(jí)電網(wǎng)設(shè)備顯示，同時(shí)，支持可視化展示廠站和一、二次設(shè)備及其運(yùn)行相關(guān)信息。

4.2 全態(tài)時(shí)空電網(wǎng)播放器

播放器對(duì)廠站及設(shè)備不同時(shí)間、不同狀態(tài)進(jìn)行時(shí)空斷面的截取展示，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)架歷史演變、新能源發(fā)展歷程等內(nèi)容展示，直觀展示當(dāng)前和歷史時(shí)間斷面的多態(tài)電網(wǎng)，形成以一體化電網(wǎng)模型為基礎(chǔ)的“全景電網(wǎng)一張圖、多層全態(tài)可視化”。

附錄A 圖A6 為國(guó)家電網(wǎng)有限公司從2010 年到2020 年風(fēng)電和光伏的發(fā)展歷程示意圖?？梢钥闯?，隨著播放器時(shí)間變動(dòng)，可動(dòng)態(tài)展示對(duì)應(yīng)年份投運(yùn)的電站數(shù)量及容量大小，地圖上動(dòng)態(tài)標(biāo)注每年新增的電站，柱狀圖聯(lián)動(dòng)顯示每年的容量大小。

4.3 含外部環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警的全息電網(wǎng)可視化

基于地理信息，實(shí)現(xiàn)了氣溫、降水、風(fēng)、臺(tái)風(fēng)、雷電、山火、覆冰等外部環(huán)境影響因素實(shí)時(shí)與預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)分區(qū)分層疊加展示，根據(jù)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、高溫、強(qiáng)降水、大風(fēng)、覆冰厚度、山火距離、雷電頻次等告警規(guī)則自動(dòng)計(jì)算電網(wǎng)影響范圍，并關(guān)聯(lián)電網(wǎng)故障信息，提供實(shí)時(shí)告警、趨勢(shì)預(yù)警及預(yù)處置功能。

以雷電為例，疊加展示了電網(wǎng)線路及桿塔走勢(shì)、雷電落雷區(qū)域及線路故障信息，能將桿塔位置及落雷位置疊加展示，并對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警提示，有利于做好電網(wǎng)故障預(yù)警預(yù)案，提升大電網(wǎng)運(yùn)行安全。附錄A 圖A7 展示了某日雷電對(duì)電網(wǎng)線路的影響。左側(cè)展示線路桿塔走勢(shì)及雷電落雷位置，下方展示有雷電影響風(fēng)險(xiǎn)的桿塔，右側(cè)為雷電概況、告警線路和關(guān)聯(lián)故障信息展示區(qū)，彈出卡片為某受雷電影響的關(guān)聯(lián)故障相關(guān)信息卡片。

以臺(tái)風(fēng)為例，展示臺(tái)風(fēng)實(shí)時(shí)及預(yù)測(cè)路徑、登陸點(diǎn)/時(shí)間，實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)過境城市/時(shí)間、沿途影響電網(wǎng)在地圖上的可視化展示，并支持臺(tái)風(fēng)路徑對(duì)電網(wǎng)影響的聯(lián)動(dòng)分析。附錄A 圖A8 展示了2020 年黑格比臺(tái)風(fēng)過境的路徑及所影響的電網(wǎng)線路、變電站、發(fā)電廠等，同時(shí)，可疊加展示電網(wǎng)故障、檢修、預(yù)警等信息。左側(cè)為地圖展示區(qū)，展示臺(tái)風(fēng)路徑、登陸點(diǎn)、電網(wǎng)線路、故障標(biāo)識(shí)等；左側(cè)圖中的提示框?yàn)楦鶕?jù)臺(tái)風(fēng)路徑提示有風(fēng)險(xiǎn)的線路和廠站，即地圖中每一個(gè)路徑點(diǎn)黃色標(biāo)注區(qū)域中的廠站及線路。下方為臺(tái)風(fēng)路徑信息，跟隨地圖中預(yù)計(jì)臺(tái)風(fēng)影響范圍黃圈變動(dòng)而變動(dòng)，同時(shí)可快捷調(diào)閱相應(yīng)電網(wǎng)的運(yùn)行信息。右側(cè)可查詢實(shí)時(shí)和歷史故障信息及發(fā)生原因，在地圖中以故障圖例掛牌標(biāo)在故障設(shè)備上，同時(shí)，可在電網(wǎng)地圖中定位并高亮顯示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了適用于調(diào)控云的可視化電網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了架構(gòu)的組成，并對(duì)全景可視化、全態(tài)可視化和全息可視化進(jìn)行了分析。本文提出的可視化電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)多時(shí)空、多維度的電力系統(tǒng)特征數(shù)據(jù)、運(yùn)行軌跡和實(shí)時(shí)信息的綜合展示，解決海量電網(wǎng)運(yùn)行信息接入，以及眾多微應(yīng)用和微服務(wù)建設(shè)后的集成、融合、共享難題，為調(diào)控運(yùn)行提供全業(yè)務(wù)、多場(chǎng)景人機(jī)協(xié)同交互支撐，使得電網(wǎng)感知更立體、調(diào)控業(yè)務(wù)更精益、資源聯(lián)動(dòng)更高效?；诳梢暬娋W(wǎng)設(shè)計(jì)，建設(shè)新形勢(shì)下滿足國(guó)分省、省地縣的協(xié)同監(jiān)視、生產(chǎn)組織、運(yùn)行分析等需求的應(yīng)用是下一步重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

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