（电机与电器专业论文）电力系统可视化相关问题及其在发电厂中应用的研究.pdf

电力系统可视化相关问题及其在发电厂中应用的研究 并予以实现。与传统的集中式规程相比，分布式规程能有效提高运行人员的操作效率和 学习效率。 在理论研究部分的基础之上，将关联多屏显示应用于发电厂运行状态显示，对其具 体实现进行了分析和研究。并进一步引入上述d c s 气泡窗口可视化技术，发展了适用 于发电厂的关联多屏显示方式。该研究是关联多屏显示概念的具体化和研究的深入化， 为发电厂运行监控工作做出了有益的探索。 综上，该文对电力系统可视化相关问题及在发电厂中的应用进行了深入研究。基础 理论研究部分丰富了电力系统可视化的研究内容，可为电力系统可视化的进一步发展和 完善提供理论依据；应用理论研究可为发电厂d c s 可视化技术的扩展提供技术支持， 相关研究成果的实用化有助于提高发电厂的监控水平。 关键词：电力系统；可视化；相关问题；d c s 大连理工大学博士学位论文 r e s e a r c ho nv i s u a l i z a t i o no fp o w e rs y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o n si n p o w e rp l a n t a b s t r a c t v i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yi se x t r e m e l yi m p o r t a n ti nh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c eo fp o w e r s y s t e m s of a r ，v i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e di nm a n ya r e a so fp o w e rs y s t e m t h r o u g ht r a n s f e r r i n gm a n yt y p e so fd a t a t ot h eg r a p h i c so r i m a g e sw h i c ha r em o r e e a s y t o u n d e r s t a n d ，u t i l i z i n gv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yr e d u c e st h eb u r d e no fm o n i t o r i n gw o r k m o r e o v e r ，i tm a k e sac o n t r i b u t i o nt om a k i n gt h ep o w e rs y s t e mr u n n i n gw e l l w i t ht h e i n t e r c o n n e c t i o na n dc o n t i n u o u se x p a n s i o no ft h ep o w e rs y s t e m t h e r ei sm o r ei n f o r m a t i o n n e e dt ob em o n i t o r e d t h er o l eo fv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yi sb e i n gp r o m i n e n ti n c r e a s i n g l y t h ec u r r e n tr e s e a r c ho fv i s u a l i z a t i o nf o c u s e do nt h ei n t r o d u c t i o no fn e wv i s u a ld i s p l a y s t y l e s ，o rt h ei m p r o v e m e n t so ft h ev i s u a ls t y l e sw h i c hh a sb e e na p p l i e d h o w e v e r ，s o m e r e l a t e di s s u e so fv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yl a c k sa t t e n t i o n s ，s u c ha sc o o r d i n a t i o no fv i e w s s u c hp r o b l e m sh a v eac e r t a i ni m p a c to nt h er e s u l t so fv i s u a li z a t i o n i tn e e d st ob es t u d i e d i na d d i t i o n ，c o m p a r e dt ot h ev i s u a l i z a t i o no fg r i do p e r a t i n gs t a t u sv i s u a l i z a t i o n ，r e s e a r c ho n v i s u a l i z a t i o no fp o w e rp l a n td c sh a sb e e ns l o w h o w e v e r ，a st h ee l e c t r i c i t yp r o v i d e r so f w h o l ep o w e rs y s t e m ，t h ep o w e rp l a n tp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l e t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt o s t r e n g t h e nt h er e s e a r c ho nv i s u a l i z a t i o no fp o w e rp l a n td c s t or e s e a r c h t h ew o r ki sd i v i d e di n t ob a s i ct h e o r e t i c a lr e s e a r c h e sa n da p p l i e dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h e s a s f o l l o w s ： i nt h eb a s i ct h e o r e t i c a lr e s e a r c h e s ，t h eh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c eo fd c si ss u m m a r i z e da s af o c u s o nt h i sb a s i s ，t h i sp a p e ra n a l y s i si n d e p t h ，a n du l t i m a t e l ym a k e sa s p e c i f i cd e m a n d a n a l y s i so fh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c eo fd c si na c c o r d a n c ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e o p e r a t o r s w o r k s o m er e l a t e di s s u e so fp o w e rs y s t e mv i s u a l i z a t i o na r e a n a l y z e d ，i n p u to fv i e w ， c o l l a b o r a t i o no fv i e w sa n dl a y o u to fv i e wa r ep r e s e n t e da n da n a l y z e ds e p a r a t e l y m o r e o v e r ， t h ed e s i g nf e a t u r e sa r ep r e s e n t e dt os o m ee x t e n t ，w h i c hl e a d st ot h ef o l l o w u pa r t i c l e a f t e rs t u d y i n gt h ec o l l a b o r a t i o no fv i e w sd e e p l y ，an e wc o n c e p tc o u p l e dm u l t i s c r e e n d i s p l a yi sp r e s e n t e d t h i st e c h n o l o g ye m p h a s i z e st h ec o u p l i n gr e l a t i o n s h i pa m o n gt h es c r e e n s ， w h i c hm e a n st h es u b s c r e e nu p d a t e si t s d i s p l a yc o n t e n t sw i t ht h ec h a n g i n go ft h e m a i n s c r e e n sd i s p l a y m o r e o v e r ，e x p a n d i n gt h ev i s i o nf o ro p e r a t i n gt h es a m et a s ki nm o r e ! i i 电力系统可视化相关问题及其在发电厂中应用的研究 s c r e e n sd i v e r t st h ed a t ae f f e c t i v e l y t h ec o u p l e dm u l t i s c r e e nd i s p l a yt e c h n o l o g yi sa n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y ，a n dt h er e s u l t so f t h i st e c h n o l o g yu s i n gi np o w e rs y s t e ma r ed e s c r i b e d i nt h ea p p l i e dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h e s ，t h ec o n c e p tb a l l o o nt i pi sp r e s e n t e d ，a n du s e df o r d i s p l a y i n gt h eo p e r a t i n gs t a t u so fp o w e rp l a n t s t h ec o n t e n t sn e e d e dt ob es h o w e di n d c s s y s t e m a r ed i v i d e dt ot h r e et y p e so b j e c t sd a t ap o i n t s ，s p e c i f i ce q u i p m e n t ，a l a r mp o i n t s m o r e o v e r ，t h eb a l l o o nt i pd i s p l a ym o d ei sd e s i g n e d ，a n dt h ee l e c t r o n i cm o d u l ei sa d d e dt ot h e b a l l o o nt i pa saf u n c t i o n t h es i m u l a t i o na p p l i c a t i o n sp r o v et h a tt h eb a l l o o nt i p sa r ef l e x i b l e ， a n dc a l ld i s p l a ym o r ei n f o r m a t i o ni nal i m i t e dd i s p l a ys p a c e ，r e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h e o p e r a t i o nw i n d o w u s i n gt h eb a l l o o nt i pi m p r o v e st h eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c eo fd c s s y s t e me f f e c t i v e l y b a s e do nt h ec o u p l e dm u l t i s c r e e nd i s p l a y ，c o r r e l a t e dm u l t i s c r e e nd i s p l a yi sp r e s e n t e d t h r o u g hf u r t h e rd e v e l o p m e n t c o r r e l a t e dm u l t i s c r e e nd i s p l a yc r e a t e sd i f f e r e n tc o r r e l a t i o n s b a s e do nt h ea s s o c i a t i o nr e l a t i o n s h i p ，s u c ha so b j e c t c o r r e l a t e d ，i n f o r m a t i o n c o r r e l a t e d ， i n h e r i t a n c e c o r r e l a t e da n dc o m p l e t e l yc o r r e l a t e d b a s e do nt h eb a s i ct h e o r e t i c a lr e s e a r c h e s ，t h ec o n c e p tc o r r e l a t e dm u l t i s c r e e nd i s p l a yi s u s e di np o w e rp l a n t m o r e o v e r ，t h ep r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o na r ea n a l y z e da n ds t u d i e d b a s e d o nt h e c o r r e l a t e dm u l t i s c r e e nd i s p l a ya n db a l l o o nt i p ，p o w e rp l a n to p e r a t i n gs t a t u s i s p r e s e n t e d t h i sr e s e a r c hm a k e sa u s e f u le x p l o r a t i o nf o rp o w e rp l a n tm o n i t o r i n gw o r k t os u mu p ，t h ea r t i c l em a k e sd e e p e rr e s e a r c ho nt h ep o w e rs y s t e mv i s u a l i z a t i o nr e l a t e d i s s u e sa n di t sa p p l i c a t i o n si np o w e rp l a n t s t h eb a s i ct h e o r e t i c a lr e s e a r c h e sh a v ee n r i c h e dt h e s t u d yc o n t e n to fp o w e rs y s t e mv i s u a l i z a t i o n ，w h i c hp r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rf u r t h e r d e v e l o pa n di m p r o v ep o w e rs y s t e mv i s u a l i z a t i o n ；t h ea p p l i e dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h e sp r o v i d e t h et e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ee x t e n s i o no fv i s u a l i z a t i o nt e c h n i q u e si np o w e rp l a n t s d c s ，t h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o ns h o u l dh e l pt oi m p r o v et h em o n i t o r i n g l e v e lo fp o w e rp l a n t s k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ；v i s u a l i z a t i o n ；r e t a t e di s s u e s ；d c s i v 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：堕堕塑查竺堕坠f 塑丝堡垄塑坠堑塑三塑垒 作者签名：趣建日期：鲨生年二l 月丝日 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：! 鲤壶圣互墨坐塑! 旦丝丝垄丝塑i 塑塑三墨盗 作者签名： 整! 毽日期：j 盟年生月三2 日 导师签名：二本仁一噍衅年卫月卑日 大连理工大学博士学位论文 1绪论 1 1研究背景 电力系统的安全稳定运行，对于国民经济的发展和人民群众生活的保障具有重要意 义。随着电网互联、电力市场化以及系统规模的不断扩充，电力系统的运行方式愈加复 杂。而发电厂作为电力系统中的电源，若机组发生故障或跳闸，会对电网产生冲击，轻 则引起参数波动，重则导致系统崩溃。因此，发电厂的安全稳定运行，对于电力系统的 重要性不言而喻。 现代发电企业的生产过程广泛采用了高度自动化的工业控制系统分散控制系 统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，简称d c s ) ，以实现对生产过程的监视和控制。计算机 技术和现代控制技术的飞速发展，使得d c s 对发电生产的监控达到全面覆盖，并渗透 到生产系统的各个层面，成为发电厂的神经中枢。因此，发电厂的安全经济运行对d c s 高度依赖。 在发电生产过程中，电厂运行人员通过现场控制室的计算机终端系统进行监控， d c s 软件系统为终端提供了友好的人机界面( h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e ，简称h c i ) ， 供运行人员使用，以间接完成对机组设备的控制。人机界面又称用户界面，它是用户与 计算机系统交换信息的媒介，是用户使用计算机系统的综合操作环境。友好的人机界面 能够对用户产生持久的吸引力，促进人机整体效益达到最佳。相反，不良的人机界面会 使用户情绪低落、工作效率低下、操作错误增加，甚至导致决策失误和严重事故。 1 9 7 9 年美国三哩岛核电站事故的分析调查表明，酿成灾难的一个重要原因是控制室 的人机界面总体设计上的缺陷指示仪表的分散、零乱、庞杂，使操作员无法快速判 断当前状态和事故本质，从而接连采取错误操作，最终导致堆芯熔化。 d c s 人机界面显示主要以画面和窗口的形式构成，包含系统画面、操作画面、报警 画面、逻辑图、趋势图等内容。这些画面、图表和窗口以形象直观的方式将发电厂运行 状态展现给运行人员，以高度集成的软环境，为运行人员掌握和了解现场运行状况提供 了便利的监控手段。好的显示手段能够提升运行人员分析、解决问题的速度，提高工作 效率，为机组的安全稳定运行提供保障。相反，不合理的显示方式会降低运行人员的工 作效率，拖延事故处理的时间，甚至会影响到机组设备的安全运行。 近年来，随着计算机技术和可视化技术的发展，为了提高电力系统调度员的工作效 率，应用于电网运行状态显示的可视化技术和理论层出不穷，极大地丰富了电网运行 状态的监控手段。这些研究大都集中于将数字转换为图形的方式、方法上，而事实上， 电力系统可视化相关问题及其在发电厂中应用的研究 为提高可视化技术本身的应用水平，有必要研究其相关的些问题，特7 , i j 是可视化试图 之间的协作关系。针对此类问题的研究甚少。 对于上文提高的发电厂d c s ，无论国内还是国外，研究其运行状态显示的可视化技 术和理论均很少。虽同属电力系统范畴，但由于生产特点的不同，电网和发电厂在运行 状态的监控手段和方式上有很大差异。随着电力系统的不断扩充和发展，大批量的高参 数、大容量机组的投产和各种新技术、新设备的应用，使得发电厂现场运行状态愈趋复 杂，数据激增，原有的数据显示方式越来越难以满足实际要求。发电厂运行状态的显示 仍然依赖于传统的显示技术及简单的可视化技术，如大屏幕显示、多屏显示、常规的窗 口画面等。显示手段的发展远远落后于硬件设备的更新步伐，运行人员操作和使用着世 界上最先进的设备和技术，而摆放在眼前的监控手段仍然停留在二、三十年前的水平， 资源没有得到合理有效的配置，未能完全发挥新技术和新设备的潜能，这不能不说是一 种遗憾。 因此，在科学技术高度发达的今天，有必要在电力系统可视化研究的基础之上，对 其相关问题进行研究。有鉴于电厂可视化研究的重要性以及其研究匮乏的现状，有必要 将相关成果应用于发电厂运行状态的显示系统之中，以填补相关领域空白，最终为发电 企业的安全生产和稳定运行提供有力的技术支持。 1 2可视化的发展历史 1 2 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。科学计算的目的是洞察，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，不能及时得到计算结果的直观、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，并应用于生产实践中。无疑，这些问题的解 决有赖于科学计算可视化。 大连理工大学博士学位论文 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，它不仅包括了 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巨量数据提供生成 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力的支持。 ( 3 ) 为模拟计算和数据分析提供视觉交互手段。 ( 4 ) 人们利用工作站的良好性能、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，强有力地支持了那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。 为达到上述目的，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 乔面方法学、系统设计以及信号处理领域的各种知识，并把这些认为是相互独立的领域， 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 2 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 电力系统可视化相关问题及其在发电厂中应用的研究 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，并伎“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、西欧和日本各著 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一门新兴学科，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 年代计算机 科学中的研究热点。 1 2 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- i - 1 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 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 大连理工大学博士学位论文 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。 目前可视化的输入输出设备主要有以下几种： 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。 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。 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。它与数据手套或其他三维交互设备联合使 用将是未来可视化系统的一部分。 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。 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： 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 + + 和f o r t r a n 等语言，调用库程序，开发具体应用。 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。 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，在每变换节点上提供若干交互控制选择的功能。 通用数据流结构的可视化系统该类软件采用数据流处理方式和“搭积木式” 的应用构造方法。它的适用性和可扩展性强，是目前公认的可视化系统中较好的结构。 电力系统可视化相关问题及其在发电厂中应用的研究 1 3电力系统运行状态可视化技术综述 1 3 1研究发展过程 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( 2 , 3 1 ，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1 l ，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，计算机人机交互技术有了新的进展，字符图形界面( c h a r a c t e rg r a p h i c s l 被新一代的全图形界面( f u l lg r a p h i c s ) 所取代。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 4 , 1 2 1 ， 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 晰掌握的基础上，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 海量数据间的内在联系，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 研究组从9 0 年代初开始该领域的研究 2 , 3 , 1 2 - 1 6 l ，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： ( 1 ) 不正确的人机接口设计构架； ( 2 ) 低效率的显示解决方案： ( 3 ) 对用户任务了解得不充分； ( 4 ) 低水平的数据显示： ( 5 ) 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 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。 大连理工大学博士学位论文 同时，瑞士学者rb a c h e r ( 1 9 9 5 ) 【1 7 l 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。 巴话学者gpa z e v e d o 等( 19 9 5 ) i t 8j 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是一 种较好的方式，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fa l v a r a d o 组( 1 9 9 6 ) 1 1 9 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共事业系统计算机管理软件及接口技术发展缓慢，希腊、 意大利和法国等欧洲国家的电力、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【2 0 t ，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 应用。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 研究组开展了电力系统可视化的系列研究( 2 卜3 列， 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 5 1 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。 该组还对3 d 应用进行了颇有成效的探索1 2 1 1 ，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 t 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 ) p 驯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据的可视化，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。对计算所得到 电力系统可视化相关问题及其在发电厂中应用的研究 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洁t ：1 1 七匕1 e l 标，并以正 确的方式予以可视化显示，是个有效途径。 加拿大的jdm c c a l l e y 研究组( 1 9 9 7 ) 【”。6 】在系统安全域可视化方面开展研究，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组( 2 0 0 1 ) 口7 1 利用电压稳定局部指标l i 对参数空间进行降维， 通过前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 维空间上绘出相关可视化图形。以天津( 华1 t ) 1 6 5 9 母线系统为 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 ) 3 8 , 3 9 l 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。ajh a u s e r 和jfv e r s t e g e ( 1 9 9 9 ) 【4 0 】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 3 2 数据显示 数据显示是人机接口技术中的一个主要方面，也是可视化的一项基本功能，故其研 究得到很多研究者的关注。描述电力系统运行状态的数据很多，大体上可分为如下： 电力系统节点电压、角度、负荷和节点电价等节点数据，线路中的功率等； 系统中各状态量( 如：节点电压、线路功率等) 的越限情况： 系统中各元件( 如：变压器、发电机和输电线路等) 的容量备用情况； 系统中一些量( 如：电压、电价和负荷等) 的趋势分析结果： 系统结构( 如：孤岛、停电区域等) 的显示： 系统运行整体安全水平的显示。 以下从基本数据显示、运行状态显示、运行趋势显示、3 d 显示应用和颜色运用等 五方面对数据显示的研究现状予以叙述。 大连理工大学博士学位论文 ( ”基本数据显示 基本数据显示包括网络结构、节点数据和线路数据三个方面。 匠络缝控 早期普遍使用的网络结构描述方式是利用粗细不同的线段组成的单线国，如图11 。 图12 不基于地理位置的点线圈 f i 9 12 s i , g l e l i n e d l 8 9 唧c 0 田p o s 。d o f n o d o s a n d l m e s 电力系统可视化前j 关问题艘其在垃电厂中应用的研究 矿习 啊i p 隧j ! 实际上，在近期文献中，在教学与演示中一般使用单线图，而在实际应用中普遍使 片j 点线图的表示方式。 随着系统规模的增加，在个屏幕上显示整个系统山现田难，这时的解决方法是将 系统图的显示细分为不同的级，然后应用多宙u 操作在不同级别显示图之间进行切换 54 ”。 般将系统罔分为4 级： 第i 级：仅显示最高电压等级的变乜所，一般作为导航图： 第2 绂：显示在导航圈中被吲定的范日，该幽t 叫以丑不较低电压等级中的一些细 节： 大连理工大学博士学位论文 第3 级：在第2 级图中被圈定范围中的细节被完全显示，包括被选定变电所的主接 线形式的示意图： 第4 级：被选定变电所的主接线圈。 文献i 4 j f 给出一个样式如图i5 。 茔点墼据 节点数据包括节点电压、角度、节点电价、发电出力、负荷大小以及可反映其越限 或储番程度的数据描述。 阻l5 圈终结构4 级显示示例 n 9 15e x a m p l eo f 4 l e v e ln e t w o r 4 ：s t m c m r 出s p l a y 相对于线路数据，普遍认为节点数据的显示较为困难，因其是离散的，且现实世界 中投有普遍被接受的概念与其对应( 如：线路潮流可以利用水流的概念进行描述，而节 点电压就没响。概念与2 对应。) 。 众所周知，节点数据目前一般都采用表格数据形式或在网络罔k 用文本方式显示。 其优点是数据显示准确也能清楚地描述数据的地理分布情况，缺点是很难清晰地反映 越限情况和电压分布模式，当系统规模变大时上述问题更加突出。 电力系统可视化相关问题及其在发电厂中应用的研究 另一种方式是利用柱图显示例，每个电压利用前后两个柱图来描述其中前面的柱 图用米表示电压值，而后面的用米标示额定电压。该方法虽然可很好地解决电压分布模 式问题，但不能解决数据地理分布描述的问题。 文献 2 】提出两颧色矩形梓捕述方式，r 乜压显示的旦伟做法生【f 罔16 所示。 z 图16 朗颜色矩形柱电压表示 f i 9 16 t w o - e o l o r b a rv o t a g e m 州a y 图中中间的矩形柱表示电压正常情况，就像水杯中注入水量的情形，两种颜色的分 界线反映r 电压的大小，其中杯