（控制理论与控制工程专业论文）电力系统运行状态的双屏显示可视化研究.pdf

摘要 电力系统是个庞大的系统，它的运行状态复杂多变，调度人员在工作中需要处理大 量的数据，任务繁重。随着能量管理系统( e m s ) 高级应用软件的不断完善和计算机计 算速度的不断提升，各种分析诗算结果源源不断地产生：电力系统的发展( 如系统互联、 电力市场化) ，也使得经济类数据人量地涌现出来。现有e m s 中的数据显示方式已经不 能满足实际需要。因此，如何合理地显示海量数据，减轻调度人员工作强度和提高工作 效率，已成为急待解决的问题。 j 叮视化技术是8 0 年代后期随着计算机技术发展而 h 现的一个新兴研究领域。它的主 要目的足更加有效的分析和处理越来越多的科学和工程数据，提高工作效率，促进科学 和工程技术的发展。 由于人对图形图像的感知能力很强，借助可视化技术将电力系统中的海量数据信息 转变为直观的图形或图像信息，可以大大提高对电力系统运行状态的理解。 本文结台可视化技术与计算机技术，对电力系统运行状态的数据显示问题进行了深 入研究，提出了双屏显示的新概念。在建立了一个比较通用的电力系统矢量图形编辑器 的基础上，对双屏显示技术进行了具体实现以及潮流追踪结果的可视化等方确的应用研 究。 关键词：可视化：双屏显示；潮流追踪 a b s t r a c t t h ep o w e rs y s t e mi sv e r yl a r g e ，w h o s eo p e r a t i n gs t a t ei sv e r yc o m p l e xt h eo p e r a t o r sn e e d t od e a lw i t ha g r e a tl o to fd a t a , w h o s et a s k sa r eh e a v y w i t ht h ei m p r o v i n go ft h ea p p l i c a t i o n s o f t w a r eo fe n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ( e m s ) a n dt h ei n c r e a s i n go ft h ec o m p u t e rc a l c u l a t i n g s p e e d ， k i n d so f r e s u l t sc o m ei n t ob e i n g t h ed e v e l o p m e n to f p o w e rs y s t e mb r i n g sag r e a td e a lo f e c o n o m i cd a t a t h ep r e s e n tm e t h o do fd i s p l a y i n gd a t ac a n n o tb es a t i s f a c t o r y s oag o o dw a yi s n e e d e dt od i s p l a yt h ed a t as oa st oi m p r o v et h eo p e r a t o r s w o r k i n ge f f i c i e n c y t h ev i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yi san e wr e s e a r c hd o m a i nw i t ht h ed e v e l o p i n go ft h e c o m p u t e rt e c h n o l o g ya tt h ee n do ft h e1 9 8 0 s i ti su s e dt oa n a l y z ea n dd e a lw i t ha nj m n l e n s e a m o u n to f i n f o r m a t i o na n dt oi m p r o v e w o r k i n ge f f i c i e n c y a sh m n a nh a sa g o o ds e n s eo fi m a g e sa n dg r a p h i c s ，t h ev i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yc a nb e a p p l i e dt oc h a n g et h ed a t ai n f o r m a t i o ni np o w e rs y s t e mi n t oi m a g e sa n dg r a p h i c si n f o r m a t i o n ， w h i c hc a nh e l pt h eo p e r a t o r st ou n d e r s t a n dt h e o p e r a t i n g s t a t e i nt h i sp a p e r , an e wc o n c e p to fd o u b l es c r e e n sd i s p l a yi s p r e s e n t e d 0 1 1t h eb a s eo ft h e b u i l d i n go f ag r a p h i ce d i t o r , d o u b l es c r e e n sd i s p l a yi sr e a l i z e da n dr e l a t e da p p l i c a t i o ni ss t u d i e d k e yw o r d s ：v i s u a l i z a t i o n ；d o u b l es c r e e n sd i s p l a y ；p o w e rf l m vt r a c i n g 电力系统运行状态的双屏显示可视化研究 0 前言 科学计算可视化，又称为可视化技术，是上个世纪8 0 年代后期随着计算机技术发展 而出现的一门新兴技术。其主要做法就是把各种繁杂的数据转换成直观的图形和图像， 从而有利于人们正确理解数据或过程的含义。它的主要目的是更加有效地处理和分析越 来越多的科学和工程数据，以提供一个探索和研究物理现象的先进工具，从而提高科学 研究和t 程设计的效率。 近年来，可视化技术已经成为流体工程、气象学、分子生物学、医学等数据密集学 科的重要研究手段，并且不断地向各个应用领域扩展。鉴于它巨大的潜力和广阔的应用 前景，许多围家已经投入大量的人力和资金进行这方面的研究，一些国家甚至把它上升 都产业竞争的高度。可视化的研究已经成为当前的热点。 电力科学作为门工程科学，面临着这样的难题：数据的采集能力不断提高，数据 量越来越大，但足这些数据侧重于供实时监视和控制使用，要利用这些数据进行科学研 究尚缺乏有利的分析和处理工具。由于电力系统在国民经济中的重要地位，加之系统庞 大，运行控制极其i ；f ；| 难、复杂，故每一项新的计算机技术都在电力系统中立即进行应用 性探索，而可视化技术无疑是增强电力系统研究能力的一种有力手段。问题的关键是如 何结合电力科学的特点来有效地利用可视化技术。 本文首先介绍了可视化技术的发展历史，然后研究了其在电力系统中的应用与所遇 到的难题。针对电力系统数据显示困难这个问题，本文进行了一些探索性的研究，提出 了双屏显示的新概念。在建立了一个比较通用的电力系统图形编辑器的基础上，对双屏 显示技术进行了具体实现，然后就双屏显示相关方面的应用进行了研究，实现了潮流追 踪结果的可视化等内容。 电力系统运行状态韵双屏显示可视化研究 1 概论 1 1 可视化的发展史 1 1 1 可视化的概念与作用 计算机的诞生和发展推动了科学技术的迅速发展，从而也促进了科学和工程计算的 诞生和迅速发展。科学计算的1 7 1 的是洞察，而不仅是获得数据。虽然计算机用于科学计 算已经有近五十年的历史，但是长期以来，使用者不能对计算过程进行干预和引导，被 动地等待计算结果的输出，而大量的输出结果又往往采用人工处理的方法，这样做的结 果，不仅使数据处理十分繁琐和费时，不能及时得到汁算结果的直观、形象的整体概念， 而且还会丢失大量信息，严重影响着人们对自然规律的更深层次的认识。近年来，随着 科学技术和计算工具的迅猛发展，待处理的数据量越来越大，如何对这些数据进行快速 处理，使浩如烟海的数据得到有效的利用；如何采用有效的通信手段来代替目前存在于 人与数据、人与人之间的文字通信和数字通信，使人们及时观察到在传统科学计算中发 生的现象，进而发现新规律，建立新科学，并应用于生产实践巾。无疑，这些问题的解 决有赖于科学计算可视化。 科学计算可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术，将计算过程中产生的数据 和计算结果转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交：互处理的理论、方法和技术。 也就是说，科学计算可视化将图形生成技术、图像处理技术和人机交互技术有机地结合 在一起，实现从复杂的多维数据中产生图形，同时也可以分析和理解存入计算机的图像 数据。它涉及到了计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉和人机交互 技术等多个领域。 实际上，随着科学技术的发展，科学计算可视化的含义已大大扩展，它彳i 仪包括了 科学计算数据可视化，而且包括工程计算数据的可视化，同时还包括实验和测量数据的 可视化。 科学计算可视化的作用主要包括以下几个方面： ( 1 ) 为各应用领域提供分析工具和手段，为超级计算机所产生的臣最数据提供 生成和表现的方法。 ( 2 ) 科学计算结果的后处理为提高科学计算质量和效率提供了强有7 j 的支持。 ( 3 )为模拟计算和数据分析提供视觉交互手段。 ( 4 )人们利用工作立古的良好性能、大容量的存储器和磁盘空间、以及功能强大 的图形设施，将图形和计算紧密结合，强有力地支持t n 些把视觉洞察力 作为问题求解能力的应用领域。 ( 5 ) 通过增强的计算性能，把过去那种模拟与设计独立进行处理的方法结合起 来处理，使模拟与设计中的三维问题能够交互求解，从而使各种用户逐步 进入设计方法学的新时代。 为达到一i ：述目的，科学计算可视化正综合利用计算机图形学、图像处理技术、用户 界面方法学、系统设计以及信号处理领域的各种知识，并把这些被认为是桐瓦独立的领 电力系统运行状态的双屏显示可视化研究 域，通过可视化工具与技术把它们结合起来进行统一的研究和分析。反过来，这种统一 的研究和分析又推动着当前科学计算可视化的新发展，使科学可视化工具与技术向着对 用户更加友好、对各领域更加适应的方向发展，从而增强它的潜力和应用性。 1 1 2 可视化的历史背景与发展 科学计算可视化是发达国家在2 0 世纪8 0 年代后期提出并发展起来的一个新的研究 领域。进入8 0 年代后期以后，计算机软硬件技术不断发展，求解问题的规模不断扩大， 复杂度不断提高，因而导致了海量数据集的产生与无法有效解释和应用这些数据的矛盾 日益尖锐。1 9 8 6 年在a c ms i g g r a p h “图形、图像处理和工作站”讨论会上，提交给美国 国家科学基金会( n s f ) 的报告中已经认识到了这一矛盾。该报告指出，为帮助科学家进 行数据分析处理，以发现和确认其中所含的物理现象，发现数据生成中的错误，需要研 究先进的可视化技术。接着在1 9 8 7 年，n s f 在华盛顿又召开了“科学计算可视化”首次 专题讨论会，与会者是来自计算机图形学、图像处理以及从事不同领域的科学计算专家。 会议认为“将图形和图像技术应用于科学计算是一个全新领域”，并指出“科学家们不仅 需要分析由计算机得出的计算数据，而且需要了解在计算过程中数据变化的情况，这些 都需要借助于计算机图形学及图像处理技术”。会后，m c c o r m i c k 、d e f a n t i 和b r o w n 发表 了第一篇科学计算可视化报告v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ，描述了会 议成果，总结了会议的结论和建议，宣告了科学计算可视化这一新兴学科的正式诞生。 m c c o r m i c k 等人的报告，对推动美国联邦政府有关部门、工业和科学界重视发展科学 计算可视化起到了很好的作用，并使“v i s u a l i z a t i o n ”一词不断出现在有关报刊与学术 会议上，成为引人瞩目的一个发展领域。 自1 9 8 7 年美国n s f 召开科学计算可视化的首次会议以来，美国、西欧和e 1 本各著名 大学、研究所、超级计算机中心以及各大公司纷纷进行科学计算可视化理论和方法的研 究，并在重要的国际计算及图形学会议上发表文章。1 9 9 1 年以来，美国电气电子工程师 每年召开可视化学术会议，并出版论文集。1 9 9 5 年，美国i e e e 刊物中又增加了一种新刊 物 i e e et r a n s a c t i o no nv i s u a l i z a t i o na n dc o m p u t e rg r a p h i c s ) ) 。与此同时，美国、 德国的超级计算中心、研究所及大公司着手开发用于科学计算可视化的软件系统，并逐 渐形成商品推向市场。 可以说，科学计算可视化作为- - f 新兴学科，经过短暂的十年，已获得迅速发展， 欧美发达国家在科学可视化理论与方法的研究、应用及培训上投入了大量的资金和人力， 取得了显著效益。科学可视化、多媒体与虚拟现实一起成为2 0 世纪9 0 年代讨算机科学 中的研究热点。 1 1 3 可视化的实现基础 科学计算可视化从其覆盖的学科和涉及的研究人员来说都非常广，因此，它是- - 1 3 交叉学科，在实现时需要硬件和软件两大基础技术给予支持。 1 硬件基础 科学计算可视化是科学计算与图形图像技术的结合。超级计算机拥有最高的运算速 电力系统运行状态的双脬显示_ j 搅化硎f 究 度，是大型科学与工程计算、大型数据处理的理想平台，但它没有图形处理功能。图形 工作站拥有最好的图形处理功能，是图形图像处理的理想平台，但计算速度比超级计算 机低。对于极其复杂的科学计算可视化任务来说，超级计算机与图形工作站结合应该是 比较好的硬件平台。 甘前可视化的输入输出设备主要有以下几种： ( 1 )鼠标包括光电式和机械式两种，主要用于与二维应用进行交互，也用于模 拟成三维输入设备，用于三维图形交互。 ( 2 )数据手套它是利用各种传感器技术，随手的姿势解释它在三维空间的位置 和方向。数据手套提供了一种全新的交互手段，使人们摆脱了传统的键盘和 鼠标的束缚，因此它在三维交互硬件中占有相当重要的地位。 ( 3 )头盔显示器通过输入给用户一对立体视图，使用户观察到图像，用户可通 过立体眼镜以三维立体画面形式观察虚拟现实。它与数据手套或其它三维交 互设备联合使用将是末来可视化系统的一部分。 ( 4 )视频输出设备视频录像机能提供全彩色、全速动画输出，因而是目前可视 化输出的一种普遍形式。 ( 5 )彩色硬拷贝可用各种彩色热力、喷墨及绘图设备来生产：胶片或纸上的硬拷 贝，它们具有各种不同的成本和图像质量，也可采用直接从屏幕上生成照片 的办法。 2 软件平台 目前的可视化软件，按其结构可分为四类： ( 1 ) 图形软件 该类软件的特点是在现有的图形软件中加入一个支持可视化的 程序库，库中包括一般的可视化造型技术、交互技术以及数据传递、输出技 术等子程序，用户基于c 、c 十十和f o r t r a n 等语言，调用库程序，开发具体应 用。 ( 2 ) 高层交互命令系统在可视化的支持层上，为常见的可视化应用技术开发一 个命令式用户界面，通过命令级交互语言进行填色、字符编辑、坐标绘制等 操作，并直接在用户控制下交互完成可视化应用。 ( 3 ) 面向某一领域的可视化系统该类软件的特点是根据领域的要求，确定可视 化数据的变换流程，在每一变换节点上提供若干交互控制选择的功能。 ( 4 ) 通用数据流结构的可视化系统该类软件采用数掘流处理方式和“搭积木 式”的应用构造方法。它的适用性和可扩展性强，是目前公认的川视化系统 o + l 较好的结构。 1 2 电力系统运行状态的可视化研究 1 2 1 电力系统运行状态可视化研究的毖要性 随着电力系统的发展，新情况新问题不断涌现，这些都使得对电力系统运行状态可视 化研究的要求越来越迫切，具体体现在如下几点： 临近运行极限：出于经济性考虑，现在电力系统。般都运行于稳定极限附近，尤 电力系统运行状态的取屏显示可视化研究 其是在资金短缺的我国，该现象更加明显。这就要求系统运行人员对出现的问题 快速反应，否则后果难以想象一 ， 。 系统越来越大：随着各种技术的改进和新技术的出现，由于地区能源资源的不平 衡，系统广泛互联以追求运行的经济性。特别是电力系统商业化运营的引入，为 追求经济性，大范围的功率输送越来越多，这使得运行控制的范围越来越大，系 统成员种类日趋繁杂，系统控制难度也越来越大； 数据越来越多：随着e m s 高级应用软件的不断完善和计算机计算速度的不断提 升，各种分析计算结果源源不断地产生；电力市场化后，大量经济类数据也涌现 出来，如：节点电价、发电报价以及电力市场中的各种交易数据等。 上述因素使得原有e m s 中的数据显示方式已不能满足实际要求。如何利用现有的系 统分析技术、数值分析理论、计算机数据处理和显示技术构成新的运行状态可视化平台， 已成为迫切需要解决的问题。 1 2 。2 研究的发展过程 尽管电力系统运行状态可视化的实质性研究出现于上世纪9 0 年代中期 1 0 】，但在9 0 年代初，结合e m s 应用软件界面研究的相关工作已经开始【4 1 0 1 ，一些概念已被提出，为 后续出现的一些做法提供了基础。 8 0 年代末，计算机人枫交互技术有了新的进展，出现了全图形界面( f u l lg r a p h i c s ) ， 从而替代了上一代字符图形界面( c h a r a c t e rg r a p h i c s ) 。随后，电力界的高校、科研机构和 软件公司纷纷介入，积极探索新一代e m s 应用软件界面。由于全图形界面在办公软件应 用中的巨大成功，一些研究者甚至认为界面的好坏会成为直接影响e m s 应用软件市场成 功与否的重要因素【】0 1 。 研究的深入和软件应用表明，基于新一代界面的软件并没有取得预期的效果口_ ”， 一些表现如：计算操作效率低、多窗口的不适用、图形应用的浅层次及3 d 显示应用的勉 强等。实际上，造成上述现象的原因是软件开发人员对e m s 应用软件和电力系统运行状 态的显示问题没有深刻的认识，仅限于浅层次的应用。而只有在对上述问题有了明晰掌 握的基础e ，才能将全图形界面和e m s 应用软件有机地结合起来，从而开发出受调度人 员欢迎的产品，成为真正实用的应用工具。 随后，一些学者就此问题展开研究，主要是从电力系统实际问题入手，研究系统中 海量数据问的内在联系，并对现有的基本数据显示方式进行革新，强调图形显示的效率。 美国学者rdc h r i s t i e 研究小组从9 0 年代初开始该领域的研究 i , 2 , 1 1 - 1 5 】，认为现有的 电力系统应用软件设计中没有充分利用开发和运用全图形界面的潜能，具体体现在如下 几个方面： 不正确的人机接口设计构架； 低效率的显示解决方案： 对用户任务了解得不充分； 低水平的数据显示； 低水平的用户操作设计 针对上述问题，他们选择了电力系统运行人员最为关心也是迫切需要解决的安全分 析与显示问题作为研究方向开展研究，在系统结构描述、数据显示和安全分析的应用等 电力系统运行状态的双屏显示可视化1 i j f 究 方面取得了一定的进展，为后续研究提供了很有价值的参考。 同时，瑞士学者rb a c h e r ( 1 9 9 5 ) 1 1 6 针对海量静态安全分析数据显示问题进行研 究，具体做法是利用计算机像素描述n 1 静态安全分析中线路操作对系统的影响，借助 颜色反映安全状态。 巴西学者gpa z e v e d o 等( 1 9 9 5 ) 旧指出，现在普遍使用的以粗细不同的线段来表 示电力系统结构的单线图是造成混乱的根源，提出了利用点线图描述电力系统结构足一 个较好的方式，并对两种描述方式进行了比较。在此基础上，提出了全新的电力系统结 构描述图。该图中用矩形块反映负荷的大小，用线段粗细反映线路的容量，用大小不同 的圆来描述发电机的容量。文中还讨论了节点电压角度和幅值变化趋势的描述方式。 美国的f a l v a r a d o 小组( 1 9 9 6 ) 1 8 1 探索了利用机械模拟( m e c h a n i c a la n a l o g ) 来描述 系统暂态稳定状况的可视化方法。 鉴于电力和通信等大型公兆事业系统计算机管理软件及接口技术发展缓陧，希腊、 意大利和法匡l 等欧洲国家的电力、通信公司及高校和一些跨国公司合作，在1 9 9 7 年启动 了一项计划【1 9 1 ，旨在探索和推进先进计算机显示技术，尤其是3 d 技术在相关领域的应 _ | 。从其研究结果看，进展不大，至今也未见后续相关报道。 9 0 年代，电力系统市场化席卷全球。这时的系统更加复杂，数据成倍增加，可视化 的要求也愈加迫切。 9 0 年代中期，美国学者tjo v e r b y e 研究小组开展了电力系统可视化的系列研究，在 其提出的电压等位线( c o n t o u r i n g ) 显示技术【2 0 l 基础上，对节点数据( 如：节点电压、电 价等) 、线路数据( 如：线路传输容量、线路负载率等) 的显示进行了可视化显示研究。 该小组的研究分两个方面：其一是侧重于应用，可视化显示在实际地理图上展开，采用 点线图或只标出节点的系统结构显示方式；其二是针对演示和教学，是在目前普遍使用 的利用粗细不同的线段来表示电力系统结构的单线图上进行。 该小组还对3 d 应用进行了颇有成效的探索【2 ”，具体是利用虚拟环境( v i r t u a l e n v i r o n m e n t ) 技术实现系统数据的3 d 显示，多出的维度用于显示输电网络可用传输容量 ( a r c ) 和发电机无功功率储备等数据。 我国学者邱家驹等人( 1 9 9 9 ) 1 2 2 】研究了将电力系统与地理信息系统有机地结合起来， 在地理图上真实地显示电力系统的运行状态。研究中利用传统的静态安全分析和故障排 序方法，在a r c v i e w g i s 地理信息系统平台上，实现静态安全分析数掘的可视化，并以浙 江实际电网为例介绍了该方法的应用结果。 可视化研究只有在和所研究的领域有机融合后才能发挥其优势，大量的研究也证明 了这一点，将系统数据不加处理而简单地利用图形显示的做法是低效的。列计算所得到 的海量数据进行综合，发现其内部联系以得到可准确反映系统状态的简沽指标，并以正 确的方式予以可视化显示，足一个有效的途径。 加拿大的jdm c c a l l e y 研究小组( 1 9 9 7 ) 1 2 3 - 2 5 在系统安全域可视化方面丌展研究， 其主要做法是利用已有的安全稳定分析方法和人工神经网络相结合，通过综合分析找到 系统运行安全域的2 维简洁描述。 我国学者余贻鑫研究小组( 2 0 0 1 ) 2 6 署1 j 用电压稳定局部指标l i 对参数空间进行降维， 通过日u 馈神经网络描述系统在降维空间上的电压稳定可行域边界，利用这一神经网络可 以在线快速地在2 维或3 维空问 ：绘出相关可视化图形。以天滓( 华北) 1 6 5 9 母线系统为 电力系统运行状态的双屏碌示q 视化研究 例，给出了可行域的直观描述结果训练神经网络和在2 维或3 维空间上快速显示域的边 界所需的时间需求。 德国学者eh a n d s c h i n 等( 2 0 0 1 ) 口l ”j 结合认知理论，利用电压稳定局部指标l i 在 人工智能自组织聚类的自组织图( s e l f - o r g a n i z i n gm a p ) 上自动显示系统整体电压稳定水 平，研究中强调系统行为的描述而不是系统量测数据的显示。 实际运行中，系统调度人员不仅想知道电压水平、线路潮流等细节，还欲了解系统 整体安全水平。a jh a u s e r 和jfv e r s t e g e ( 1 9 9 9 ) 2 9 1 对如何利用可视化技术反映系统整 体运行安全水平进行了探索，提出了分3 级进行系统运行状态显示的方案。 纵观电力系统运行状态可视化研究的发展过程，8 0 年代末到9 0 年代初是图形技术引 入的时期，9 0 年中期开始进行提高可视化显示效率的研究，而9 0 年代末则开始数据综合 分析可视化研究。 1 2 3 发展趋势 电力系统的发展( 如：系统互联、电力市场化等) 和相关软硬件技术( 如：电力系 统计算与分析技术、人工智能技术等，计算机显示、人机交互和多媒体技术) 的出现和 i i _ = | 益成熟，为可视化在电力系统中的应用研究奠定了物质基础。以上论述表明，尽管电 力系统运行状态可视化研究已进行了十余年，但研究还不是很深入，其应用也仅限于某 个特定问题( 如：电压稳定，静态安全分析) ，相对于其他研究方向( 如：优化潮流算法) 进展还是十分缓慢的。不管在可视化技术的合理与综合运用，还是在基本数据显示、相 关方向应用方面还有待于进一步深入，欲实际应用还要有相当长的路要走。 在可视化技术的合理与综合运用方面，首先在颜色运用上，现有研究都处于摸索阶 段，还没有一个被认可的统一规范；其次，3 d 显示应用还停留在浅层次，其应用潜力还 没有得到充分发挥；再次，人机交互手段方面，现在的研究还只限于键盘和鼠标，新技 术( 如：数据手套、视觉追踪和语音技术等) 的应用还未被涉及。 而在基本数据显示、相关技术应用等方面，首先在网络结构的表示问题上，现有研 究还只是停留在传统的二维显示；其次，基本数据的趋势显示只限于单个数据，区域或 整体变化趋势的显示还未被涉及；再次，高级数据 3 0 l 的生成与显示( 如：文 2 3 - 2 9 1 的研究) 还刚刚丌始，需大力加强。 可视化研究是典型的多学科交叉问题，仅从计算机显示角度进行研究不可能从根本 上解决问题。利用认知理论和人一机系统工程学( 如：人的因素分析j ) 对其研究提供 指导是十分必要的。 此外，讨算机硬件成本的降低，为数据的多屏幕显示提供了物质基础，文 3 2 1 探索了 该方面的研究，栩关问题的进一步工作正在进行。 应该注意的是，现有的研究均是在保持人机界面友善的基础上，尽量追求操作的简 捷和画面的直观等，即追求软件的易用性，但这往往会牺牲一些性能。就像照相机需要 人人会用的“傻瓜”机也需要性能优异的专业机一样，我们认为开发操作相对复杂、功 能深入的电力系统运行状态可视化“专业”软件是很有必要的。因此有必要引入“超级 调度员”的概念，该人员在工作前要进行相应的训练，以适应工作要求。当然，相关软 件的设计思路也要改变，要更专业、更有针对性。 电力系统运行状态的双屏显示可视化研究 1 3 本课题的主要研究工作 电力系统运行状态可视化，是理论问题与工程实际紧密结合的一个研究方向，有很 多问题需要进行深入的理论研究和探索。本课题在面向对象编程技术的基础上，以 m i c r o s o f tv is u a ic + + 作为开发工具，迸行了如下几方面的工作： ( 1 )编制了一个比较通用的电力系统矢量图形编辑器，包含基本的矢鼍图形元 素，并可以根据需要组合出各种电力系统元件图形； ( 2 )提出了双屏显示的概念，并通过程序将双屏显示技术具体实现； ( 3 )在图形编辑器和双屏显示技术的基础上，对潮流追踪结果的可视化进行了较 深入的研究和实现； ( 4 )对等高线( c o n t o u r ) 方法和潮流流动的动态效果实现进行了研究。 电力系统运行状态的双屏显示可视化研究 2 电力系统矢量图形编辑器的设计与实现 2 1 图形编辑器的功能分析 图形是工程中最简洁的语言。随着图形用户界面的发展，电力系统图形编辑器越来 越成为电力系统分析软件中不可或缺的一部分。它直接的好处就是给用户提供了一个方 便、易用的界面，可以使应用程序更直观地实现其操作和分析。它所服务的对象不应局 限于某一具体的应用分析，这就要求它具有通用性，要充分考虑应用软件的共同需要。 i 刭形编辑器应该能够绘制最基本的图形元素，如直线、圆、连续直线、多边形、标 注文本等，此外，应用在电力系统中，还能够方便、快捷地绘制出各种电力系统常用元 件，如母线、发电机、负荷等。 匿】形编辑器还应当具有完善的编辑功能，可以对图形元素进行选择、复制、剪切、 粘贴、删除、撤销等操作，还有图形的放大、缩小、移动等操作功能。更高级的功能应 包括图形的保存和读取，图形元素的线形定制、颜色管理、文字编辑和图形填充等。 2 2 图形编辑器的面向对象程序设计 2 2 1 概述 网络拓扑的图形化，是电力系统可视化中最重要也是最难实现的部分之一。网络拓 扑的图形化是要将电力系统元件之问的关系通过图形正确、直观地进行表达，并提供给 用户与程序进行交互的简单、方便的手段。现在，继电保护整定计算、电网的规划设计、 电力系统分析计算、电力系统的数据采集与控制等，基本上都离不丌网络拓扑图形的支 持。为每个软件的图形需求开发图形程序不仅是一种极大的资源浪费，而且也大大增加 了各种相关数据维护的工作量。电力系统运行状态的可视化，同样也迫切地需要有一个 比较通用的图形编辑器。 软件系统的功能曰益强大，规模越来越庞大，结构也越来越复杂。电力系统应用程 序的复杂性表现在以下几个方面： ( 1 ) 大规模系统的建模( 训算) ( 2 ) 大量数据的处理( 数据库) ( 3 ) 刈可视化的需求( 图形用户界面g u i ) 进行软件丌发的任务就是要将这些设想进行工程化。传统的程序用结构化的语言编 写( 算法分解方法) ，例如f o r t r a n 和c ，这些程序的生命周期很短，而且很难进行重用 和扩展。软件的复杂性和人类认识基础的局限性要求在软件设计和编程上提出完全不同 的方法。2 0 【吐纪8 0 年代末、9 0 年代初，面向对象技术( o d j e c to r i e n t e dt e c h n o l o g y o o t ) 的h 臻成熟为解决这个问题提供了可能，许多电力科技工作者开始致力于这方面 的研究。面向对象技术在电力系统软件开发中的应用，主要集中在以下几个方面：电力 系统应用软件的图形用户界面、电力系统数据库、分析层应用程序、专家系统等。 本章将刈面向对象技术进行简单介绍，并对其在电力系统软件中应用的研究成果做 个简要的综述。然后运用面向对象技术，实现一个用于电力系统的通用图形编辑器。 电力系统运 i 状态的取屏显示可视化研究 2 2 2 面向对象技术的基本概念 面向对象技术之所以能够如此迅速地发展，走向实用，并渗透到软硬件行业的各个 领域，关键在于其看待现实世界的方式和现实世界的组织方式是一致的，它能够直接将 问题域结构映射到系统模型中。同时，面向对象从一开始就支持软件重用，这一点也为 它的发展奠定了基础，因为重用直接导致开发成本的降低，软件质量的提高。另外，处 于软件本身所具有的“自治”特点，使得面向对象系统的可扩展性和可维护性大大提高。 下面简要介绍一下面向对象中最重要的几个概念：类和对象、继承、多态性。 1 、类和对象( c l a s sa n do b j e c t ) 面向对象方法认为，类是一个封装了数据抽象和过程抽象的单j i ，该单元能够描述 现实世界客观实体的状态和行为。其中数据抽象( 可称为属性) 描述类的数据属性，过 程抽象( 方法、操作或服务) 描述类的动作属性。 类的属性赋予了类状态保持的能力，这就使类能够“生存下去”；同时类的操作使类 能够主动变化，实现状态变迁，这样类就又获得了“发展”的能力。正因为这样的两大 能力，类j 能够胜任描述任何客观世界中的有机实体。 类就像一个模板，描述了一批对象所具有的共性特征。对象是实实在在、彼此可区 分的客观实体。对象可以是物理实体，比如一条母线，同样也可以是抽象的事务。它们 通过属性进行个性化，例如母线的电压等级。对事物的抽象过程需要对它们的行为模式 进行仔细的研究，除去不必要的部分。例如，在研究一个电力系统的静态行为时，设备 的时间常数就和这个研究过程无关，就不用模拟。系统的行为可以通过对象处理属性的 方法来获得，并可以派生相关信息。 2 、继承( i n h e r i t a n c e ) 在现实世界中大量的实体都存在一定程度的相似性。这种相似性可能表现在实体的 外形上，也可能表现在实体的行为和内在特性上。人们总是希望能够最大程度地利用种 种相似性来简化工作，并重用以前的工作，面向对象利用继承来表达这种相似性。而且， 继承也刻画了类的一般性和特殊性，被继承的类称为父类，继承的类称为予类。继承这 种机制使得类的描述具有了层次结构，处于同一层次结构中的类共享顶层类所定义的属 性和操作。 3 、多态性( p o l y m o r p h i s m ) 多态性是指对象的某个行为具有多种性态的特征。行为的多种性态封装在剥象内部， 外界并不知道，一个行为的多种形态从外界看来具有, f h i i l 的行为名称。具体应该执行哪 些形态由对象自己根据接收到的消息里的相关参数决定。由此可见，多态性表明消息由 接收者进行解释，不由发送者解释。它使得面向对象系统具有了良好的维护性和扩展性。 2 2 3 面向对象开发方法简介 面向列象技术在理论上主要包括三部分：面向对象分析、面向列象设计、面向对象 编程。 1 、面向对象分析( o b j e c to r i e n t e da n a l y s i s - - o o a ) 电力系统运彳亍状态的双屏盟示可视化研究 面向对蒙分析一般按照五个步骤进行：标识对象、标识结构、标识主题、定义属性、 定义服务。对象的定义应该从问题域空间、文字资料和图片资料等入手。结构表示了问 题域空间的复杂性。主体可以用来控制模型规模的复杂度，它提供了一个控制读者在一 定时间内能考虑和理解模型的多少部分的机制。 2 、 面向对象设计( o h j e c to r i e n t e dd e s i g n - - o o d ) 面向对象设计就是四个部分：设计人机交互部分、设计问题域部分、设计任务管理 部分和设计数据管理部分。人机交互部分突出人如何命令系统及系统如何向用户提交信 息。设计问题域部分实质上是o o a 工作的进一步延伸，在其工作基础上进行。设计问题 域部分与面向对象分析并没有严格的分界线，因此可 三c 把o o a 理解为o o d 的一部分，这 种分析和设计之问的无缝连接更真实地反映了开发活动的本质。任务管理部分用来管理 任务的运行、交互等。数据管理部分的设计既包括数据存放方法的设计，又包括相关服 务的设计。 3 、面向对象编程( o b j e c to r i e n t e dp r o g r a t t r n i n g o o p ) 以面向对象的观点看来，程序是对象的集合。这些对象知道如何交互作用以实现程 序的设计目标。o o p 用识别现实世界可能存在，也可能不存在的方法，仿照现实世界制作 程序。山于对象包含数据和对数据进行操作的函数两者，所以o o p 使得大而复杂的编程 方案便于设计、维护和修改，比过程式程序设计方法更快更好地生成代码，而不会引起 使用过程式编程技术所产生的混乱。 2 2 4 面向对象技术在电力系统中的应用现状 电力系统软件设计中最为关键的步骤就是进行系统建模。整个系统的开发都是围绕 所建立的面向对象模型进行的，模型的好坏直接影响到整个系统的性能、灵活性、可维 护性。因此，自从面向对象技术被引入到电力系统应用软件开发中以来，电力系统面向 对象的建模就一直是电力科技工作者研究的热点问题， 文献1 将用于电力系统的应用程序分为稳态分析、动态分析和实旋决策自动控制这 三种类型。稳态分析源于系统规划和电力系统运行，一些典型的应用程序如：潮流分析、 短路分析、继电保护整定、网络拓扑处理、可观测性分析、电力系统状态估计、o p f 和偶 然事故分析等，多用于进行离线分析或用于能量控制中心的在线系统。另外一部分问题 就涉及到了动念分析，包括暂态稳定和小扰动稳定等。 文献。”对四种电力系统典型的面向对象模型作了比较分析。对这些模型的优点和不 足之处，做了客观详细的评价，并指出了它们之间的异同之处。文中最后指出了电力系 统面向对象建模时应遵循的一些原则： ( 1 ) 各个类要完全独立，避免类之间的交叉依赖关系： ( 2 ) 应使模型中的类对象与现实世界中的实体对象保持对应一致； ( 3 ) 避免把特定于某种应用的特征引入到类属性中去； ( 4 ) 类的体系结构要简单通用，能适用于各种应用层程序的开发。 这些原则为我们建立电力系统的面向对象模型提供了非常有用的帮助。另外还有许 多面向对象的模型也见诸文献。但目前这些电力系统0 0 模型大都是基于某种具体应用而 提出的，存在通用性不够好、结构不灵活、复杂、难以扩展等缺点。本文所建立的图形 电力系统运行状态的双屏显示可祝化研究 编辑器，较好地解决了这些不足。 2 。3 图形编辑嚣的具体实现 2 3 。1 软件的开发环境 本系统采用v i s u a lc + + 6 0 作为开发环境。m i c r o s o f tv i s u a lc + + ( 简称v c h ) ， 是微软可视化套件v i s u a ls t u d i o 中的重要组成部分。由于同是微软的产品，v i s u a l 平 台是当前w i n d o w s 应用开发系统中与w i n d o w s 平台本身支持最彻底的开发平台。作为3 2 位的c + + 开发程序，它不但有功能强大、面向对象的优点，同时提供了一系列的可视化开 发工具，在这些工具中最常用的是微软基础类库m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc 1 a s s e s ) 。 m f c 对w i n d o w s 大部分对象进行封装，用户只需从这些类中生成实例即可，而不用和 底层的a p i 函数打交道。m f c 具有强大功能，应该说m f c 是v i s u a lc + 的主体组成部分。 选择v i s u a lc + + 作为开发工具主要是基于以下几方面原因： ( 1 ) v is u a lc + + 不是用传统的编程方法建立软件系统，而是以图形化的方式建 立超人机界面。在入机界面方面，v i s u a lc h 在其内部工具条中提供了便 捷的界面设计工具，如按钮、位图、下拉框、文本编辑框等。从而使程序 设计人员不需要过多考虑编写用户界面，提高了程序设计的效率。 ( 2 )在实际运行中，执行速度非常重要。基于c - h 的v i s u a lc + + 在这方面比其 它高级语言具有明显的优势，同时从基本原理上支持面向对象的编程方法。 ( 3 ) v i s u a lc + + 具有功能强大的函数库、模板类库。 v i s u mc + + 支持多任务系统，可以同时运行多个线程，这为将来扩充系统功能提供 良好的基础。而且v i s u a lc + + 下开发的程序也可以便利地移植到i n t e r n e t ，符合时代发 展的趋势。 2 。3 2 图形编辑器的基本功能 ( 1 1 能够绘制基本的图形元素：直线、连续直线、圆、圆弧、标注文本、多边形等。由 于电力系统元器件种类比较多，所以本图形系统并未单独提供可绘制元器什的图形 元素，而是采用了图例( 即图形块) 的方式。使用图例方法，可以根据实际需要自 由组合出需要的图形元素并保存下来，以后就可以方便凋用，所以该功能的扩展性 很强。 ( 2 ) 完善的图形编辑功能；可以对图形元素进行选择、复制、剪切、粘贴、删除、撤销 等操作，还可以对图形元素定制线型、颜色、填充和坐标定位等。 f 3 ) 其它图形操作功能：图形的放大、缩小、移动等操作。町用鼠标进行图形绘制，还 可以通过图形数据管理接口创建需要的图形。 ( 4 ) 还具备图形的保存和读取功能，图形系统的打印功能等。 该系统具有良好的开放性，强大的绘图功能，易于扩展。界面如图2 1 。 电力系统运行状态的j 嘎屏显示司视化_ f i j | 究 图2 - 1 程序主界面 f i g2 1t h ei n t e r f a c eo f p r o g r a m 2 3 3 图形显示方式的选择 本系统选择了用矢量图来绘制图形元素。矢量图是以图元为单位的图形，每个图元 都是一个独立的对象，每一次的显示都是在这些图元的所在位置上重新显示它们，而不 是象位图那样是映射到显示像素的位阵列。与位图相比，矢量图更适合显示图形元素， 这是因为： f 1 ) 图形元素用矢量图都可以很好的描述和显示，而且这种每类图元对象对应一类组 成元素的对应关系很符合面向对象的思想，可以用很清楚的c + + 类来管理图元。 ( 2 1 矢量图形可以进行无级放大和缩小，这和a u t o c a d 绘制的图形是类似的，这 样电力系统网络图在屏幕上显示和在打印时都不会因为图形的缩小或放大影响 图形的质量，无论放大或缩小多少倍，矢量图始终清晰不失真。 ( 3 ) 矢量图形存储起来占空间小，节省资源易于传送。 2 3 4 图形元素的类组织 使用面向对象的程序设计和c + + 类的组织方法，组织建立起一个基本矢量图形系统 的元素类。该系统够处理圆、直线、多边形、标注文本等图形元素。针对每类图形元 素，组织建立起对其组织管理的c + + 类，把每个图形元素作为一个独立的对象来管理。 对电力系统网络图各种图形元素进行分析，可以发现各类图形元素具有一些相同的 属性和操作功能，如图形元素的颜色、线宽、线型等等以及一个图形元素是否作了删除 标识等操作。这些图形元素中共性的属性与操作组织存放在一个图形元素基类中，具体 的图形元素类由这个类派生。 我们把所有的图形元素抽象为一个类c d r a w , 然后有这个c d r a w 类派生出五个类 c l i n e ，c p l i n e ，c c i r c l e ，c a r c ，c t e x t ，分别对应五类图形元素对象。其中c l i n e 对应直 线，c