（电路与系统专业论文）配电网电力运行数据可视化技术的研究与实现.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着电网规模的日益扩大和计算机技术的发展，为了辅助提高系统运行人员处 理和分析纷繁的电网数据的效率，可视化技术在电网中得到了广泛的应用。电网信息可视化 技术是把各种繁杂的数据转换成直观的图形或图像方式予以显示，帮助系统运行人员更加直 观、正确的理解数据的含义。 现有的电网可视化应用方案较多的是在地理接线图或者系统单线图的基础上实现的。配 电网地理接线图是反映配电网设备以地理信息为底图或参考背景的接线图形，一般由配电地 理信息系统( g i s ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 的图形管理模块生成；描述配电网线路及 设备实际电气连接关系的配电网系统单线图可以由电网生产管理系统( g p m s ，g r i d p r o d u c t i o nm a n a g e r n e l l ts y s t e m ) 生成，也可以由人工利用绘图工具( 例如a u t o c a d 等) 绘 制而成。这就带来了一个问题，由于两幅图形来自于不同的系统，其模型和数据存在不对应 的隐患，给配电管理和监控一体化带来了不便。因此，有必要研究一种算法，完成从地理接 线图到单线图的映射，保证两幅图形共享相同的模型和数据。研究如何从已有的地理接线图 形的基础上自动生成对应的配电网系统单线图，是正确进行配电网可视化的基础。因此，本 文的主要研究内容如下： 首先，介绍了配电网系统单线图的自动生成算法和电网信息可视化技术的研究意义和国 内外研究现状，提出了研究的内容。 其次，简要介绍了本课题的研究所涉及到的一些背景知识，为后面的进一步研究奠定理 论基础。 接着，研究了一种基于地理接线图的配网单线图的自动生成算法，保证生成的单线图和 地理接线图共享相同的模型和数据( 图、数、模一体化) ，为后面的可视化技术研究提供背景 图形基础。 然后，研究了配电网电力运行数据的二维可视化的技术和算法，针对线路型( 线路潮流) 数据，运用潮流圆饼图在配电网单线图上实现了其可视化展现；针对节点型( 节点电压) 数 据，提出了基于不规则三角形网的等高线方法，首先利用d e l a u n a y 网格加密的方法对初始不 规则三角形网模型进行加密，使其成为比较均匀分布的三角形网格，有效提高了等值线的精 度，同时，在等值线的追踪过程中，提出了利用等值面切割不规则三角形网格的方法，有效 降低了等值线搜索过程中的复杂度。该方法已在某地区供电局提供的地理接线图形和单线图 上进行了试验，实际案例表明，其可视化显示速度快，效果良好，生成的图形格式为国内外 电力系统部门推荐采用s v g 格式，利于不同系统之间的图形及数据的交换和共享。 针对电力系统三维可视化技术在实际应用中面临的主要问题，即三维图形的生成实时性 不高和图形显示实现技术的选择问题。提出了改进的l o d ( 1 e v e lo f d i v e r s i o n ) 算法，针对传 杭州电子科技大学硕士学位论文 统的为不同的显示细节建立多级l o d 模型的方法的不足，提出将多级显示细节放在一个l o d 模型的不同条件下触发显示，减少了建立多级l o d 模型所产生的冗余数据，降低了传输数据 的带宽要求，增加了显示速度。对各种常见的三维显示技术进行了比较，考虑到s v g 技术在 三维显示方面的不足，而j a v a 3 d 具有可移植性强、交互性好、网络传输速度快和实现起来比 较容易的优点，选择利用j a v a 3 d 技术在配电网接线图上以柱状图的方式实现了电力运行数据 的三维可视化显示，生成的三维图形具有旋转、放大和缩小显示的功能，显示效果良好。 最后，对全文进行了总结，从中得出了一些有益的结论，并为能够进一步的深入研究提 出一些设想和展望。 关键词：配电网，电力运行数据，可视化技术，等高线法，j a v a 3 d n 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h eg r o w i n gs c a l eo fp o w e rg r i da n dt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r t e c h n o l o g y , 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 nw i d e l yu s e di np o w e r 鲥di no r d e rt oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fp r o c e s s i n ga n da n a l y z i n gt h ed a t ao fp o w e rg n df o rt h ep o w e rs y s t e mo p e r a t o r s t h e e x i s t i n gm e t h o d so fp o w e rg r i dv i s u a l i z a t i o na r em o s tb a s e do nt h eg e o g r a p h i c a lw i r i n g d i a g r a mo rs y s t e ms i n g l e l i n ed i a g r a m g e o g r a p h i c a lw i r i n gd i a g r a mo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki sa d i a g r a mw h i c h r e f l e c t st h eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，u s u a l l yg e n e r a t e db yt h e g r a p h i cm a n a g e m e n tm o d u l eo fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) o fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ； s y s t e ms i n g l e l i n ed i a g r a mo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kw h i c hd e s c r i b e st h ee l e c t r i c a lc o n n e c t i o no f l i n e sa n de q u i p m e n t sc a nb eg e n e r a t e db yg r i dp r o d u c t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ( g p m s ) o rd r a w n b ym a n u a ld r a w i n gt o o l s ( s u c ha sa u t o c a d ，e t c ) t b i sp o s e sap r o b l e m b e c a u s et w ok i n d so f d i a g r a m sa r eg e n e r a t e df r o md i f f e r e n ts y s t e m s ，t h e i rd a t aa n dm o d e lm i g h tb en o tc o r r e s p o n d i n g t l l i sb r i n g sal o to fi n c o n v e n i e n c et ot h ei n t e g r a t i o nm o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n t t h e r e f o r e , i ti sa n e c e s s a r yt os t u d ya l la l g o r i t h mw h i c hc o m p l e t e st h em a p p i n gf r o mg e o g r a p h i c a lw i r i n gd i a g r a mt o s i n g l e l i n ed i a g r a mc o r r e c t l y i tc a ne n s u r et h et w od i a g r a m ss h a r et h es a n l em o d e la n dd a t a s t u d y i n gh o wt og e n e r a t et h es y s t e ms i n g l e - l i n ed i a g r a ma c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gg e o g r a p h i c a l w i r i n gd i a g r a ma u t o m a t i c a l l yi st h eb a s i so fv i s u a l i z a t i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k 。t h e r e f o r e , t h e m a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , i ti n t r o d u c e st h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n dr e s e a r c hs t a t u so f t h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o n a l g o r i t h m so fs y s t e ms i n g l e l i n ed i a g r a mo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n di n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o n t e c h n o l o g yo f p o w e rg r i d i tp u t sf o r w a r dt h er e s e a r c hc o n t e n to f t h i st o p i c s e c o n d l y , i ti n t r o d u c e ss o m eb a c k g r o u n dk n o w l e d g ew h i c hi st h et h e o r e t i c a lb a s i so ff u r t h e r r e s e a r c h t h e n ，i ts t u d i e sa na u t o m a t i cg e n e r a t i o na l g o r i t h mo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kb a s e do n g e o g r a p h i c a lw i r i n gd i a g r a me n s u r i n gt h a tt h es i n g l e l i n ed i a g r a ma n dw i r i n gd i a g r a ms h a r et h e s a m em o d e la n dd a t a ( i n t e g r a t i o no fg r a p h i c ，d a t aa n dm o d e l ) i tp r o v i d e sb a c k g r o u n dd i a g r a mf o r t h er e s e a r c ho f v i s u a l i z a t i o nt e c h n i q u e s i ts t u d i e st h et w o d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o nt e c h n i q u e sa n da l g o r i t h m so fo p e r a t i o nd a t ao f d i s t r i b u t i o nn e t w o r k i ta c h i e v e sav i s u a lp r e s e n t a t i o nu s i n gap i ec h a r t f o rl i n e - t y p ed a t a f o r n o d e - t y p ed a t a ，i tp r o p o s e sac o n t o u rm e t h o db a s e do nt r i a n g u l a t e di r r e g u l a rn e t w o r k t a k i n gi n t o a c c o u n tt h a tu s i n gd e l a u n a yt r i a n g u l a t e di r r e g u l a rn e t w o r ko n l ym a ya f f e c tt h ea c c u r a c yo ft h e c o n t o u r , i te n c r y p t st h ei n i t i a ld e l a u n a ym e s ha n dm a k e si tm o r eu n i f o n i l t h e r e f o r ei ti n c r e a s e st h e i i i 杭州电子科技大学硕士学位论文 a c c u r a c yo fc o n t o u r b e c a u s ei th a sap r o b l e mt h a tc o n t o u rt r a c k i n gi sc o m p l e x ，i tp r o p o s e sa n e w m e t h o dt h a tu s i n ge q u i v a l e n ts u r f a c ec u t t i n gt r i a n g l a t e di r r e g u l a rn e t w o r k i tr e d u c e st h ec o m p l e x i t y e f f i c i e n t l y t h em e t h o dh a sb e e nt e s t e di ng e o g r a p h i c a l w i r i n gd i a g r a ma n ds i n g l e - l i n ed i a g r a m w h i c ha r es u p p l i e db ya r e ap o w e rs u p p l yb u r e a ua n dt h ea c t u a lr e s u l ts h o w st h a tt h ev i s u a ld i s p l a y i sf a s ta n dg o o d t h eg r a p h i cf o r m a ti ss v gw h i c hi sr e c o m m e n d e db ya u t h o r i t i e so fp o w e r s y s t e m a th o m ea n da b r o a da n di ti sb e n e f i tt ot h ee x c h a n g ea n ds h a r i n go fg r a p h i c sa n dd a t ai nd i f f e r e n t s y s t e m s f o rt h em a j o rp r o b l e m so ft h r e e - d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yo fp o w e rs y s t e mi n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，n a m e l yt h eg e n e r a t i o no fr e a l t i m e 乎a p h i ci s n o tf a s ta n dt h ec h o i c eo f g r a p l l i c a ld i s p l a yt e c h n o l o g y a ni m p r o v e dl o d ( 1 e v e lo fd i v e r s i o n ) a l g o r i t h mi sp r o p o s e dw h i c h p u t sf o r w a r d st h a tm u l t i - l e v e ld e t a i ls h o u l db ei na l o dm o d e la n dw o u l db et r i g g e r e db yd i f f e r e n t c o n d i t i o n s ；i tr e d u c e st h ea m o u n to fd a t aw h i c hi sg e n e r a t e db yt h ee s t a b l i s h m e n to f m u l t i l e v e l l o dm o d e l sa n dr e d u c e st h eb a n d w i d t hr e q u i r e m e n t so fd a t at r a n s m i s s i o n t h ed i s p l a ys p e e di s i n c r e a s e dm u c h i tc o m p a r e st h ev a r i e t yo fc o m m o nt h r e e - d i m e n s i o n a ld i s p l a yt e c h n i q u e s i tf i n d s t h a tt h es v gt e c h n o l o g yi sn o tg o o di nt h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a ya n dj a v a 3 dh a sal o to f a d v a n t a g e s ，s u c ha st h ei n t e r a c t i o ni sg o o d ，t h en e t w o r kt r a n s m i s s i o ns p e e di sf a s ta n di ti se a s i e rt o a c h i e v e i tc h o o s e sj a v a 3 dt e c h n o l o g ya st h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a yt e c h n o l o g y t h er e s u l t i n g t h r e e d i m e n s i o n a ld i a g r a mc a nb er o t a t e d ，z o o m e di na n do u ta n dt h er e s u l ti sg o o d f i n a l l y , s o m eb e n e f i c i a lc o n c l u s i o n sh a v eb e e nd r a w na n ds o m ep r o s p e c ta n dc o n s i d e r a t i o ni n t h ef u t u r eh a v eb e e np u tf o r w a r df o rm o r es t u d y i n gi nt h ee n d k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，p o w e ro p e r a t i o nd a t a ，v i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y , c o n t o u rm e t h o d ， j a v a 3 d i v 杭州电子科技大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题研究背景及意义 配电网是整个电力系统中电能量发、输、变、配、用中最后的一个环节，承担着向用户 供电的重要任务，是整个电网供应链中最基层的组成部分。在电力系统中，一般把二次降压 变电所低压侧直接或降压后向用户供电的网络，称为配电网【1 1 。按照电网的所在地域或所服 务的对象分类，配电网可分为城市配电网和农村配电网两类【2 1 ；按电压的高低可分为三类： 高压配电网( 1 1 0 l 、6 3 k v 和3 5 k v ) ，中压配电网( 1 0 k v 和6 l ) ，低压配电网( 3 8 0 v 和2 2 0 v ) 。 近年来，随着经济的高速发展、用电量的快速增长，国家对配电网的建设愈来愈重视， 配电网的规模也在日益扩大，这就带来了一个问题，庞大的电网运行数据容易导致调度人员 对潜在重要运行数据信息的遗漏，因此，为了提高调度人员的处理和分析纷繁复杂的电网运 行数据的效率和准确性，保证整个电网安全、可靠、经济的运行，可视化技术在电网中的应 用也愈来愈广泛。 可视化技术就是将各种错综繁杂凌乱的数据转换成清晰直观的图形或图像方式表达出 来，达到帮助人们正确、直观的理解数据或过程的含义的目的【3 4 】。通过已有的研究表明，人 眼对图形的敏感程度要大大高于对数据的敏感程度，将可视化技术实践于电网运行监控，调 度人员很容易从可视化后的图形中及时发现电网存在的问题和变化趋势，从而提高决策效率 和安全性。 在目前的电力系统可视化技术中，一种典型的也是最常见的做法是利用电力系统应用软 件或者仿真软件( 如p o w e rw o r l ds i m u l a t o r 、m a t l a b 等) 计算出结果，然后把结果交给集成 的可视化图形模块，由该图形模块显示出可视化图形。通常情况下，这些图形平台所采用的 技术和方法是不同的，有的是基于地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 现有 的图形平台，有的是采用完全独立开发的图形模块，这就带来了一个问题，即：不同系统之 间的图形和数据共享非常困难。 针对此问题，国际电工技术委员会i e c 提出了i e c 6 1 9 7 0 ( 描述能量管理系统的应用程序 接口) 和i e c 6 1 9 7 8 ( 描述配电管理系统的应用程序接口) 两大标准体系，这两大标准现在已 经成为电力企业应用集成时所参考和采用的标准。两大标准定义了一种电力系统模型交换的 标准，即公共信息模型( c i m ，c o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l ) 。同时，为了能够实现图数模的 一体化，i e c 提倡把s v g ( s c a l a b l ev e c t o rg r a p h i c s ，可升级矢量图形) 作为电力系统图形的 标准，通过s v g 技术可以把图形描述对象和c i m 数据模型对象一一关联起来。由于s v g 图 形对象和数据模型对象具有关联对应的关系，因此，以s v g 格式表示的电力系统图形( 如系 杭州电子科技大学硕士学位论文 统单线图、地理接线图等) 不再是一种简单的图形，而成为了一种可移植可扩展的图形资源。 以这些图形作为背景图形基础，利用可视化技术生成所需的新图形( 如潮流管状图、节点电 压等高线图) ，这些图形把大量纷繁的电网数据信息以一种清晰直观的图形方式予以显示，调 度运行人员可以更容易地从可视化后的图形中及时发现电网存在的问题。 通过研究现有的电力系统可视化应用方案可以发现，采用较多的一种方案是以系统单线 图或地理接线图为背景图形基础，利用可视化技术把数据转化为二维或三维图像进行显示， 二者在可视化技术的实现上没有太大的区别，只是它们参考的坐标系不同而已。 与输电网相比，配电网电压等级虽低，但是接线方式的复杂性却远远超过了输电网。描 述电网连接关系的图形一般有以下两种：地理接线图和单线图( 一次图) 。 配电网地理接线图是反映电网地理信息的图形，一般由配电g i s 系统的相关图形模块根 据设备的地理位置坐标信息生成。 配电网系统单线图是用来描述配电网线路及设备实际电气连接关系的一种图形，具有结 构清晰、图形规整的特点。配电网系统单线图与地理接线图不同，其主要是用来表现设备、 线路及其状态和逻辑关系，在图中并不具备地理上的位置、距离和比例尺等因子。配电网系 统单线图是一种非常重要的图形，它可以帮助工作人员更直观的了解到配电网上各种设备的 连接关系和运行状态，大大提高调度运行机构掌控配电网的能力，提升电网调度安全运行管 理和服务水平。所以，配电网系统单线图是电网调度部门不可或缺的一种图形。目前，配电 网系统单线图可以由电网生产管理系统( g p m s ，g r i dp r o d u c t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ) 生成，也 可以由人工利用绘图工具( 例如a u t o c a d 等) 绘制而成。 由于地理接线图和系统单线图这两幅图形产生于不同的系统，其模型和数据存在不对应 的隐患，给配电管理和监控一体化带来了不便。因此，有必要研究一种方法，完成从地理接 线图到单线图的映射，保证两幅图形共享相同的模型和数据。如何根据已有的地理接线图形 生成与之对应的系统单线图是正确进行配电网可视化的基础。 本课题研究配电网电力运行数据的可视化技术，主要包括两方面的内容，一是研究一种 配电网系统单线图形自动生成算法：实现在已有的地理接线图形的基础上自动生成与之对应 的配电网系统单线图形；二是以地理接线图和系统单线图为背景图形基础，研究配电网电力 运行数据可视化中的一些关键技术和算法，并编程实现其可视化显示，包括二维可视化和三 维可视化。将可视化技术应用于配电网的运行监控当中，把大量繁杂的电力运行数据以图形 的方式予以显示，可以大大提高调度运行人员的效率和准确率，对提升配电网调度安全运行 管理和提供优质的服务水平起着非常大的作用。因此，研究配电网电力运行数据的可视化技 术具有非常重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 配电网单线图自动生成研究现状 电网电气单线图具有结构清晰、图形规整的特点，在电网的规划、设计、运行调度中， 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 都是不可或缺的一种图形。针对单线图的自动生成方面，国内外已经有一些学者对其开展了 相关研究。 新加坡学者【6 , 7 , 8 】对输电网络的布局布线进行了研究，沿用了大规模集成电路的布线思想， 以“线路总长度最短、交叉点数最少、元件分布均匀”为目标函数，选用的优化布局算法是 f o r c e d i r e c t e d m e t h o d ( 力导演算法) ，在布局完成后进行布线，分为以下几个流程：f l o o r p l a n n i n g ( 平面规划) 、p l a c e m e n t ( 放置) 和r o u t i n g ( 走线) ，这种方法没有考虑到变电站等设备的 地理位置坐标等信息。 宋适宇，徐彭亮等人f 9 , 1 0 介绍了采用罚函数法进行输电网单线图的自动生成算法。邢佳磊、 杨洪耕【l l 】等对输电网运行单线图的自动布局方面做了研究，也取得了不错的成果，他们根据 “变电站均匀分布”原则和该地区电网的规模灵活确定布局区，达到既美观又能在有限大小 的屏幕上尽可能多地获取信息的效果，将布局区分为变电站布置区及输电线路布线区，在确 定所有的变电站放置位置后，在布线区进行线路走线即按一定方法连接具有相同编号的端口。 此方法只允许在布线区内进行走线，并且端口方向一致，位置固定，以使整体更加简洁清晰。 但该种方法由于固定了线路的端口位置，造成了走线的时候出现了很多不可避免的线路交叉 点。 胡冰【】2 】等人提出了一种基于变电站内外模型图形的输电网系统单线图的自动生成算法， 该方法把整个布局区域当作一块具有标准槽位的印制电路板，其槽位方向为平行放置，然后 假定变电站外模型为一个长方形的电子元件，接下来的工作就是要把这些电子元件放置到槽 条内，等元件布置完之后再进行布线，为了简便起见，规定槽条的上部为水平走线廊道，左 右为垂直走线廊道，最后将变电站内模型嵌入到变电站外模型之中形成一幅完整的输电网系 统的单线图。其布置布线区的示意图如图1 1 所示。 图1 1 布置布线区示意图 配电网的接线方式比输电网要复杂得多，现有的研究配电网单线图自动生成方面的文献 还比较少。 文献 1 3 ，1 4 】中提出将一个辐射状的配电网络拓扑结构用图论中的树表示，提出生成辐射 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 状配电馈线电气接线图的方澍1 3 ，1 4 1 。文献 1 5 】提出了一种将配电地理走向图转换为配电单线图 的方法【i5 1 ，首先将一条馈线分成若干条分支，并采用逐步布置法，按照分支级数的大d , j l 哽序 每次添加一条分支，并采用了交叉、重叠消除处理方法避免出现交叉的情况，但该方法没有 充分利用地理接线图中设备的坐标信息。 文献 1 6 1 提出了一种以递归思想组装配电单线图的方法【1 6 】，首先建立干线图元对象及支 线图元对象，然后以奇数级分支垂直放置，偶数级分支水平放置为布置原则，通过最低级支 线逐级向上进行图形参数识别，下级分支接入上级分支时，按照接入点的顺序上下( 或左右) 交错布置，由于逐级形成的图形独占空间，因此在原理上根本避免了交叉和重叠，但生成图 形时未考虑支线和配电变压器等设备的方位问题，自动生成的图形的设备位置应该尽力符合 地理接线图上的方位，满足调度人员的习惯。 1 2 2 电力系统可视化技术研究现状 近年来，随着计算机技术的发展和对科学计算可视化技术越来越深入的研究，电力系统 可视化技术已经受到了国内外越来越多的研究人员的密切关注。 电力系统可视化技术是指利用可视化技术对电力系统设备的各种属性、系统运行状态通 过一些先进算法和技术处理之后，以图形或图像的方式在电网图形平台上予以显示【1 7 1 ，从而 帮助系统运行调度人员更直观、清晰地了解当前系统的运行状态。 电力系统可视化展现主要有两种形式【1 8 1 ，一种是利用现有的仿真软件( 如m a t l a b 、p o w e r w o r l ds i m u l a t o r 、s u r f e r ) 进行显示；另一种是在配电管理系统( d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n t s y s t e m ，d m s ) 或能量管理系统( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t 锄，e m s ) 系统的基础上开发可 视化软件包来完成数据信息的可视化显示。 在电力系统可视化研究领域中，国外比较有代表性的是美国的i l l i n o i s 州大学的o v e r b y e 研究纠1 9 1 ，研究了如何才能更为有效地表示电力系统中的运行数据的方法，并开发出了电力 系统的可视化仿真软件p o w e rw o r l d ，在电压显示方面，o v e r b y e 研究组提出了电压等位线的 显示计算方法。 日本东京电力公司电力工程研发中心的k o b a y a s h i 研究组【2 0 】在电力系统动态行为状态显 示方面做了研究，提出了一些很有新意的关于电力系统动态状态描述方面的理论，同时也提 供了些怎样将电力系统中最重要的电压、功角、功率等参数和稳定性紧密的联系起来的思 路。 国内这方面的研究还处在积极的探索中，最初的研究主要是关注如何在地理接线图上准 确地显示出电力系统的运行状态的数据，即如何把地理信息系统( g i s ) 和电力系统有机结合 起来。描述电力系统运行状态的数据很多，包括：电力系统节点的电压、负荷等节点信息； 线路中的有功功、无功功率等潮流信息；系统中各状态( 节点电压、线路电流) 的越限情况 【2 ，当前通用的数据显示方法有等高线方法、耦合多屏显示方法等。 近几年来，计算机软硬件的蓬勃发展，为电力系统三维可视化的实现提供了坚实的技术 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 基础，再加上三维可视化的诸多优点，三维可视化已经成为电力系统可视化系统发展的趋势。 美国学者t h o m a sj e f f e r yo v e r b y e 教授研究课题组提出了很多有关电力运行数据进行三 维可视化时碰到的问题及其解决方案。清华大学的陈佳田j 在电力系统运行数据的三维展示方 面做了探索，在电网接线图的基础上针对节点型和线路型数据分别设计出三维曲面图、三维 柱面图、三维管道图等可视化表达方式。 目前看来，使用三维可视化技术确实可以表达更多的信息，但是三维系统在应用中也碰 到了许多的问题，例如第三维应当用来表达何种信息，如何高效的实现三维场景中的交互操 作( 定位、拾取) 以满足调度系统的实时性要求也是目前面临的一个问题。另外，各种三维 显示技术一般都是基于特定的平台和操作系统，且生成的图形为自己固有的图形格式，因此， 若想在不同系统之间实现图形的网络传输和共享将会非常困难。 1 3 本文的主要工作与创新 本文的核心工作主要包括两方面的内容，一是研究一种系统单线图形自动生成算法：实 现在已有的地理接线图形的基础上自动生成与之对应的配电网系统单线图形，保证两幅图形 共享相同的模型和数据( 图、数、模一体化) ，为后面的可视化技术研究提供背景图形基础； 二是研究配电网电力运行数据可视化的一些关键技术和算法，并在实际的电网背景图形( 地 理接线图和系统单线图) 上进行可视化显示，包括二维可视化和三维可视化。具体内容如下： ( 1 ) 研究了一种基于地理接线图的配电网单线图的自动生成算法 研究了一种在配电地理接线图的基础上自动生成配电网系统单线图的算法，保证单线图 和地理接线图上的拓扑结构和数据信息完全一致。首先建立分级支线配电数据模型，然后对 地理接线图进行网格化处理，把图上的设备添加入已经设计好的网格中，保持设备之间的相 对位置不变，然后根据设备的拓扑连接关系，采用投影法自动生成各级支线和配电变压器等 图形，同时在单线图的源点展现出变电站内部接线图，最后添加相关的文字信息。 ( 2 ) 研究了配电网电力运行数据的二维可视化技术和算法 研究了配电网电力运行数据的二维可视化技术和算法，首先运用潮流圆饼图在配电网系 统单线图形上实现了线路型( 如线路潮流) 数据的可视化，当数据值达到某一个阈值时，圆 饼就会变大并呈红色显示以示预警；针对节点型( 如节点电压) 数据，提出了基于不规则三 角形网的等高线法，并在某地区供电局提供的地理接线图形和单线图上进行了可视化展示， 生成的图形格式为国内外电力系统部门推荐采用s v g 格式，利于不同系统之间的图形及数据 的交换和共享。 ( 3 ) 研究了配电网电力运行数据三维可视化中的一些关键技术和算法 针对电力系统三维可视化技术在实际应用中面临的主要问题，即三维图形的生成和绘制 过程比较耗时，实时性不高和图形显示实现技术的选择问题。分析和研究了三维可视化中的 一些关键技术和算法，提出了改进的l o d ( 1 e v e lo f d i v e r s i o n ) 算法，将多级显示细节放在一 个l o d 模型的不同条件下触发显示，减少了建立多级l o d 模型所产生的冗余数据，达到减 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 少图形生成时间，增加显示速度的目的；在比较各种常见三维图形显示技术的基础上，考虑 到s v g 在三维显示方面的不足，而j a v a 3 d 在网络传输方面的优越性和实现起来比较容易的 特点，选择利用j a v a 3 d 技术实现了配电网电力运行数据的三维可视化显示。 本文的创新点： ( 1 ) 可视化图形格式方面 在二维可视化时，本研究选择了已被目前国内电力系统部门推荐采用作为电力系统行业 的唯一图形标准的s v g ( s c a l a b l ev e c t o rg r a p h i c s ) 作为可视化图形的格式，能够满足不同 e m s 图形和数据交换的需要；在三维可视化时，考虑到s v g 在三维显示方面的不足，而j a v a 3 d 具有可移植性强、交互性好、网络传输速度快和实现起来比较容易的特点，选择j a v a 3 d 作为 三维图形显示实现技术，生成的图形a p p l e t 可以嵌入到网页中，客户端可以非常容易地查看 服务器生成的图形。 ( 2 ) 二维可视化方面 在运用基于不规则三角形网的等高线方法实现节点型数据的可视化时，考虑到若仅仅是 采用d e l a u n a y 建立不规则三角网，有时候可能会由于原始离散点的过分稀疏和不规则分布的 特点，以致网格化后出现畸形网格或大尺寸网格，影响最终生成的等值线的精度；为了解决 这个问题，提出在网格化的过程中对初始d e l a u n a y 网格进行加密处理，使其成为均匀分布的 网格，从而达到提高等值线的精度的目的。一般的等值点计算和追踪是先在三角形边上内插 等值点，然后进行等值线的搜索和追踪，这就面临着一个难题，即等值线在追踪过程中的走 向判断比较复杂；提出了一种新的等值线追踪方法，即先用等值面切割不规则三角形网格， 得到一系列的等值线线段，然后有规则、有次序的将这些等值线线段连接成等值线，采用该 种方法可以有效降低等值点搜索过程中的复杂度。 针对s v g 图形具有体积小、开放性好的特点，开发了一种图形分析软件，以隔一定的时 间间隔( 例如1 分钟) 就把s v g 格式的可视化图形存储在硬盘中。在电网发生故障后，对故 障进行分析时就可以调用查看故障发生前一段时间的电网的电压、电流等参数的变化情况图 形，从而帮助故障分析人员更快、更准确的查找到故障发生的原因。可以在可视化界面的文 本框中输入所需要查看的时刻，也可以拖动时间滑动条，右侧的可视化图形显示区域就会显 示出该时刻的电压可视化图形。 ( 3 ) 三维可视化方面 提出了改进的l o d ( 1 e v e lo fd i v e r s i o n ) 算法，针对传统的为不同的显示细节建立多级 l o d 模型的方法的不足，提出将多级显示细节放在一个l o d 模型的不同条件下触发显示， 减少了建立多级l o d 模型所产生的冗余数据，减少图形生成的时间，增加了显示速度。 1 4 本文的组织结构 文章主要讨论的是配电网电力运行数据可视化技术的研究，可视化显示以配电网地理接 线图和单线图为背景图形基础。因此，为了保证两幅图形共享相同的模型和数据，实现配电 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 管理和监控一体化，首先需要研究一种算法，实现从地理接线图到单线图的映射，然后再以 这两幅图形为背景图形研究电力运行数据的可视化显示。文章分为系统单线图的自动生成和 配电网电力运行数据的可视化技术研究( 包括二维可视化和三维可视化) 两部分。 第一章为引言，介绍了课题的研究背景、意义及国内外研究现状，并提出了本文的主要 工作内容。 第二章简要介绍了研究过程中需要的一些背景理论知识，为后面的进一步研究奠定了理 论基础。 第三章研究了一种基于地理接线图的配电网系统单线图的自动生成算法。 第四章研究了配电网电力运行数据的二维可视化技术和算法，针对配电网单线图上的线 路型( 线路潮流) 数据，运用潮流图技术实现了其可视化展现；针对节点型( 节点电压) 数 据，提出了基于不规则三角形的等高线法，并在某地区供电局提供的地理接线图形和单线图 上进行了可视化展示；最后开发了一种图形分析软件，协助故障分析人员在故障发生后能够 更快、更准确地查找出发生故障的原因。 第五章对电力系统三维可视化技术中的一些关键技术和算法进行了研究，目的是减少图 形生成的时间，提高数据信息可视化的实时性，然后利用j a v a 3 d 技术实现电力运行数据的三 维可视化显示。 第六章是论文的总结和展望，概括了本文的内容和一些课题研究中的体会，提出了下一 步需要改进和完善的地方。 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 第2 章相关技术和理论 本章主要介绍一些在后面的研究过程中所涉及到的基本理论知识，为进一步深入的研究 奠定理论基础。 2 1s v g 技术 s v g ( 全称：s c a l a b l ev e c t o rg r a p h i c s ) 是由w 3 c ( w o r l dw i d ew e bc o n s o r t i u m ，万维网 联盟) 指定的基于x m l 语言的一种矢量图形技术【2 3 洲，s v g 显示的图形与图像本身的分辨 率无关，因此，通过利用s v g 可以在网页上显示出高质量的矢量图形，可以无限放大图形而 保证图形不失真；同时，s v g 还具有色彩渐变、滤镜效果等图像处理方面的功能。由于s v g 具备了其它图形技术没有的诸多优点，近几年来，在各行各业都出现了s v g 的身影，在电力 行业领域，国际电工技术委员会i e c 提倡把s v g 作为电力系统图形的唯一标准，相信s v g 在电力系统中的应用必定会越来越多【2 5 , 2 6 2 7 1 ，特别是在电力系统状态可视化方面。基于此， 本次研究选择s v g 作为二维可视化的图形格式。 2 1 1s v g 的基本要素 s v g 中定义了文字、图形、图像、可重用单