（计算机应用技术专业论文）电力运行状态可视化技术研究(1).pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着电力系统规模的不断扩大，它的运行状态也越来越复杂多变，调度人员 在工作中需要处理大量的数据，任务繁重，同时能量管理系统( e m s ) 等软件的广 泛应用使得各种分析计算结果源源不断的产生，现有的电力调度系统中的数据显 示方式已经不能满足实际需要。因此，如何更加合理地显示系统运行中的大量数 据，快速提高系统的人机交互性能，从而减轻调度人员工作强度，提高工作效率， 已成为亟待解决的问题。电力系统运行状态可视化便是在这一背景下产生，它是 指利用科学计算可视化技术将系统运行状态以图形或图像的方式显示，使系统运 行人员更方便、直观地了解当前的运行状态，以便其采取的运行控制措施更有效、 更有针对性。科学计算可视化技术是上世纪八十年代后期随着计算机技术发展而 出现的一个新兴研究领域。它主要研究如何把科学数据转换成可视的、能帮助相 关人员理解的信息的计算方法，并广泛应用于空间数据和非空间数据的可视化。 近年来，可视化技术在电力系统中的应用日趋成熟，解决了诸多电力调度系统中 各种数据显示与处理的问题。 本文结合电力调度系统自身的特点和实际要求，并参考了国内外众多文献对 电力可视化技术的论述，对电力调度系统相关参数可视化的内容以及现有电力系 统可视化技术如地理接线图、支路潮流饼图、动态流、电压标尺、区域负荷密度、 等高线等电力运行状态可视化技术进行了详细的评述，指出了各种技术存在的不 足和改进策略，并将其付诸与实践。通过与山东积成电子公司电网开发部的合作， 本文在公司i e s 6 0 0 电力运行状态可视化系统下实现s g l 标准图形层的设计与 开发，完成了潮流图、区域负荷密度图、等高线绘制等可视化技术的实现。其中 区域负荷密度可视化是通过随机点的楔形定位法来判断输出的，等高线绘制则使 用了一种基于三次样条曲线的插值构造方法。本文提出了一种改进的基于图形处 理单元通过渲染浮点纹理的三维场景拾取算法，主要思想是利用图形处理单元的 可编程性改变传统的渲染管线，在绘制物体颜色信息同时将物体或控件的指针信 息附加上，在拾取时只需获取屏幕副本通过查询已生成的纹理表格来锁定被拾取 物体，在不发生快速实时的场景更迭的情况下，能够在很短时间内完成拾取判断 i i f 东大学硕士学位论文 操作，等待时间远远小于射线法。同时，该算法实现了与屏幕象素大小同等的拾 取精确度，满足了可视化系统中对精度的要求。 随着g p u 等硬件的高速发展，本文提出的基于g p u 渲染纹理的三维场景拾 取算法会有更大的用途，另外本文在i e s 6 0 0 系统使用等高线绘制方法和区域负 荷密度方法实现了预期目标，满足了公司的要求。 关键词：科学计算可视化；电力系统运行状态；图形处理单元；插值；三维拾 取 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ee x p a n d i n gs c a l eo ft h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m , i t sn 】【l l 】n i l 培s t a t u si s a l s og e t t i n gm o r ea n dm o l ec o m p l i c a t e d t h ep o w e rs y s t e mo p e r a t o r sn e e dt od e a lw i mt h e m a s s i v ed a t ai nt h ew o r k m e a n w h i l e ，m o r ea n dm o r ea n a l y s i sr e s u l t sh a v eb e e n g e n e r a t e dc o n t i n u o u s l yb e c a u s eo ft h ew i d e s p r e a du s eo fe n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ( e m s ) i tc 锄ts a t i s f yt h ea c t u a ln e e db yt h ee x i s t i n gd a t ad i s p l a ym o d ef o rt h ep o w e r o p e r a t i n gs y s t e m s oi tb e c o m e st h eh a r d e s tq u e s t i o nt ol i g h t e no p e r a t o r sw o r k i n g i n t e n s i t ya n di m p r o v et h ew o r k i n ge f f i c ie n c yb ys h o w i n gt h em a s s i v ed a t am o r e p r o p e r l yd u r i n gt h er t m n i n gs t a t ea n dr a p i d l yi n c r e a s et h ei n t e r a c t i o np e r f o r m a n c e 1 1 1 er u n n i n gs t a t ev i s u a l i z a t i o no fp o w e rs y s t e mw a sb o r na g a i n s tt h i sb a c k g r o u n d i t i sr e f e r st ou s i n gt h et e c h n o l o g i e so fv 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 gt od e m o n s t r a t e dt h e s y s t e m so p e r a t i o ns t a t eb yt h eg r a p ho rt h ei m a g ew a yt h a tm a k e st h es y s t e m so p e r a t i o np e r s o n n e l t ob em o r ec o n v e n i e n ti tm e a n st h es y s t e mo p e r a t o r su n d e r s t o o dt h ec u r r e n tn m n i n gs t a t u s m o r ec o n v e n i e n t l ya n dd i r e c t l ya n d 廿1 e yc a nc h o o s et h ep o i n t e dw a yt oc o n t r o lt h e s t a t ea tt h ef i r s tt i m e t h ev 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 gt e c h n o l o g yi san e w r e s e a r c hf i e l dw h i c hi sp r o p o s e da l o n g 、加t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y i nt h el a s tf e wy e a r so f19 8 0 s i tm a i n l yf o c u s e so nt h ec o m p u t i n gm e t h o dw h i c hc a l l c h a n g et h ed a t at ot h ei n f o r m a t i o nt h a tp e o p l ec a nu n d e r s t a n d i nr e c e n ty e a r s ，t h e t e c h n o l o g yb e c o m e sm o r em a t u r ei np o w e rs y s t e ma n ds o l v e sm a n yd a t a - d i s p l a y p r o b l e m s o nt h eb a s i so fp o w e rs y s t e m so w nc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ea c t u a lr e q u e s t ，t h i s a r t i c l ec o m m e n t a t e do nt h ee x i s t i n gt e c h n o l o g i e s ( s u c ha sg e o g r a p h yd e m a r c a t i o nl i n e c h a r tl i n ef l o wp i ec h a r t s ，a n i m a t e df l o w s ，v o l t a g eg a u g ea n ds oo n ) b yr e f e r r i n g n u m e r o u sd o m e s t i ca n df o r e i g np a p e r sr e l a t e da n dp o i n t e do u tt h ei n s u f f i c i e n c yo f e a c hk i n do ft e c h n o l o g ya n dt h ei m p r o v e m e n ts t r a t e g y t h i sa r t i c l ed e s i g n e da n d f i n i s h e dt h es t a n d a r dg r a p h i cl a y e rb yt h ec o o p e r a t i o no ft h ei e s - l a bc o m p a n y , a n d t h e ni m p l e m e n t e ds e v e r a lv i s u a l i z a t i o nm e t h o d sb a s e do ns g l ，i n c l u d i n ga n i m a t e d f l o w s ，c o n t o u r i n gb u sd a t aa n ds oo n b e s i d e s ，t h em e t h o do fc o n t o u r i n gb u sd a t ai s b a s e do ni n t e r p o l a t i n gc u b i cc u r v e s m o r e o v e r t h i sa r t i c l ep r o p o s e da na l g o r i t h mt o p i c ku po b je c ti na3 de n v i r o n m e n tb yr e n d e r i n gt oaf l o a tt e x t u r eb a s e do ng p u t h e m a i ni d e ao ft h ea l g o r i t h mi sa p p e n d i n gt h ep o i n t e ri n f o r m a t i o nt ot h et e x t u r ew h i l e i i i l i i 东大学硕士学位论文 r e n d e r i n gt h es c e n eb ym o d i f y i n gt h er e n d e r i n gp r o c e s s a tl a s t , t h ea l g o r i t h m f i n i s h e dt h ep i c k i n gp r o c e s sb yg e t t i n gac o p yo fs c r e e na n dt h e nl o c k i n gt ot h et a b l e o ft e x t u r e t h ea l g o r i t h mc a r lc o m p le t et h ep i c k i n gju d g m e n to p e r a t i o ni nas h o r t e r t i m et h a nt h er a y - i n t e r s e c t i o nm e t h o di ft h es i t u a t i o no rt h es c e n ed o e sn o ta l t e r n a t e f a s t m o r ei m p o r t a n t ，t h en e wa l g o r i t h mr e a l i z e dp i c k i n gp r e c i s i o n 、) l ，i t i lt h es a m el e v e l o ft h es c r e e np i x e le l e m e n tw h i c hi sm o r ep r e c i s et h a nt h er a y - i n t e r s e c t i o nm e t h o d t h ea l g o r i t h mb a s e do ng p uw i l lb em o r eu s e f u li nt h ef u t u r eb e c a u s eo ft h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft h eh a r d w a r e b e s i d e s ，t h ea l g o r i t h mo ft h ec o n t o u rl i n er e a l i z e d t h ee x p e c t e dg o a la n ds a t i s f i e dt h en e e do ft h ec o m p a n y k e y w o r d s ：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 ；p o w e rs y s t e mo p e r a t i n gs t a t e ； g p u ；i n t e r p o l a t i o n ；3 dp i c k i n g i v 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：弛日 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：童璋垒坠导师签名： 期： 山东大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第1 章绪论 在过去的十几年里，随着电力系统规模不断增大，为了保证系统安全、可靠、 经济的运行，人们研制了许多新设备来监控电力系统的运行，使运行人员能够掌 握更广更全面的电网运行信息。这些信息主要包括电网监控信息、计算数据、事 故记录信息、告警信息以及电力市场运营信息等。在一个区域性大电网中，系统 内有成千上万条母线，此外还包括大量发电机、变压器以及众多的自动控制设备 等，监控这些设备是电力系统s c a d a 的主要任务，而后将这些设备运行状态采 集到调度控制中心，进行实时处理、存储和显示，由此导致了电力系统处理的信 息量十分庞大，尽管e m s 能有效的管理电力系统使之安全运行，但伴随着各种技 术的改进和新技术的出现，加之地区能源资源的不平衡，促使系统广泛的互联以 追求运行的经济性，大范围功率输送越来越多，特别是电力系统商业化运营引入 后，各种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，以上种种都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。此外，出于经济性考虑，现在电力系统一般都运行于 稳定极限附近，尤其是在资金短缺的我国现象更加明显。这就要求系统调度人员 在面对紧急情况时，如一条重要的高负荷输电线路接近运行极限时会产生几十条 甚至几百条告警信息，需要在短时间内做出正确的判断和决策，而这对调度员来 讲几乎是不可能的。 综合以上所述问题，如何进行有效地管理和处理电力系统中各种各样的信息 已成为调度自动化系统所面临的一个重要课题。可视化技术为电力系统调度管理 人员和工程师进行管理电力系统安全运行提供了一条高效直观的途径。 电力系统运行状态可视化系统可以在其生成的图像中展示大量信息，让调度 人员快速准确地理解，监控所有设备的运行状态，并完成预期操作，进而实现电 网的安全运行。此外，可视化系统还能便于运行人员对电网的维护，提高其工作 效率和准确率。 1 i i 东大学硕十学位论文 1 2 电力系统信息可视化研究现状 随着科学计算可视化技术的发展和研究的逐步深入，电力系统可视化分析也 受到国内外研究人员越来越多的关注。 电力系统中可视化技术主要是在原有的能源管理系统( e m s ) 上发展而来的， 可视化系统在e m s 中的实现主要分为两种，一种是利用现有的软件如p o w e r w o r l ds i m u l a t o r 8 】进行显示；另一种( 也是大部分系统采取的实现方案) 是基于 e m s 系统开发自己的可视化软件包完成数据的可视化显示。在发达国家电力系 统可视化已有较普遍的应用【4 1 ，国内也在积极开发之中，如南京南瑞、北京科东、 山东积成、烟台东方等公司开发的产品与e m s 结合比较紧密，应用前景十分看 好。 e m s 的可视化软件系统即电力系统运行状态可视化系统在具体实现时可以 是基于地理接线图的，也可以是基于主接线图开发的，二者在可视化技术的实现 上没有太多的区别，只是所用的参考坐标系略有不同而已。在主流的电力可视化 系统中，可视化的基础功能是数据显示。描述系统运行状态的数据大体上包括： 节点电压、角度、负荷和节点电价等节点数据、线路中的功率、各状态量的越限 情况、各元件的容量备用情况等等。现在通用的数据显示方法分为线路数据、节 点数据、等高线方法和耦合多屏显示方法。 计算机软硬件的蓬勃发展，为电力系统三维可视化的实现奠定了技术基础， 加之三维可视化的诸多优点，也成为学术界和工业界广泛关注的电力可视化系统 发展的趋势。目前来看，使用三维可视化技术的确可以表达更多的状态信息，并 且系统界面美观清晰，但三维系统在应用中也碰到了许多设计问题，比如第三维 应当用来表达何种信息等。美国学者t h o m a sj e f f e r yo v e r b y e 教授研究课题组和 p o w e rw o r l d 公司开展的电力系统可视化系列研究工作【4 , 9 , 1 0 , 1 1 , 1 8 】，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。国内许多学者，例如 吕阳等人在其研究课题 2 1 , 2 4 中，也提出了诸多此类问题的解决方案。本文在第 二章，结合国内外已有文献和作者自己的开发经历，对电力运行状态可视化技术 进行了详细的评述，指出了目前可视化技术存在的不足和改进思路。 此外，如何高效的实现三维场景中的交互操作( 包括定位、拾取等) 以满足 对实时性要求极高的调度系统，也成为开发人员日益关注的问题。文献 3 5 ，3 6 ，3 7 】 2 山东大学硕士学位论文 等提出了基于o p e n g l l 拘交互算法和其改进后的算法，但由于只局限于小规模场 景，不适用与电力可视化项目。浙江大学c a d & c g 实验室的金小刚晰1 阐述了若 干通过修改包围盒后的射线求交算法，其中包括对有向包围盒和轴对齐包围盒的 改进算法，改进后的算法大大减轻了有关射线求交的过程。i - l _ a n r a _ l 1 a n 和h a e b e r l i 提出了一种基于硬件加速的拾取方案，但这种方法需要独占一个绘制管道，随着 图形处理单元( g p u ) 可编程性能的出现，使得程序员能够更加灵活的操作渲染 管线，有关硬件加速的改进算法也应运而生。华南理工大学梁成等人提出了一种 基于g p u 的拾取算法【3 1 1 ，能够达到像素精度，本文结合h a n r a h a n 并t l h a e b e r l i 的算 法思想对梁的算法做出了一些的改进，并对其进行了验证，结果表明新算法适用 于电力可视化场景。随着g p u 等硬件的高速发展，通过g p u 修改渲染管线的技术 一定会有更为广泛的应用。 1 3 本文的工作与创新 本文通过对当前工业应用中电力可视化技术和国内外相关文献的分析，指出 了电力系统中可视化技术方面存在的不足，并逐一提出了改进思路，继而详细阐 述了结合山东积成电子公司电网部门的i e s 6 0 0 系统，对其下s g l 标准图形层的 开发，其中主要包括对图模状态组和状态值的定义以及对应于各种状态组合绘制 方法的实现。在完成s g l 图形包设计的基础上，本文使用s g l 中的各种图模， 实现了电网潮流可视化技术、区域负荷密度可视化技术和等高线绘制技术。其中 潮流可视化技术采用了箭头叠加和线路属性实时更新的设计方案；区域负荷密度 可视化技术采用了点密度法，主要步骤为随机点的生成与定位判断完成；对于等 高线的绘制，本文首先解决了等高线绘制在应用到电网数据可视化时遇到的四个 小问题，并最终使用基于三次样条曲线的插值方法完成了对等高线的实时绘制。 在完成了若干可视化技术的基础上，本文对现有的场景拾取方法做出了一定 的研究，结合h a n r a h a l l 等人的硬件加速算法，提出了一种基于g p u 加速的渲染 到浮点纹理来完成场景图件拾取的方法。该方法二改原有的通过射线求交拾取场 景物体的思路，避免了繁杂的求交运算，具有更好的时间复杂度和拾取精度，并 且该方法充分结合了硬件发展的新技术，是今后研究的热点问题。 本文主要创新点：提出了基于g p u 加速通过渲染到浮点纹理进行三维拾取 3 山东大学硕士学位论文 的新算法。新算法利用s h a d e r 对控件坐标进行颜色的转换编码，实现了把世界 坐标和对象指针绘制到一张1 2 8 位r g b a 浮点r e n d e r t a r g e t 纹理上，然后通过 l o c k r e c t 纹理检索指定的像素值，实现了对控件的拾取。 1 4 本文组织结构 本文首先分析研究了现有的可视化技术，继而实现了基于s g l 图形包的三 种可视化技术，并对三维场景下的物体拾取提出了新的算法，论文具体组织结构 如下： 第一章论述了课题的研究背景和意义，概述了电力系统可视化的研究现状， 给出了本文的工作和创新。 第二章首先概括了科学计算可视化在电力系统中的广泛应用，介绍了电力系 统可视化的内容和相关技术，并指出了若干现行电力可视化系统中的存在的技术 问题，针对具体问题提出了可行的解决方案，最后依据不同的分类标准对电力系 统可视化进行了分类。 第三章介绍了i e s 6 0 0 系统开发的具体情况，包括相关概念的定义、系统开 发的步骤、系统模块的设计和代码结构的组织，并重点讲述了s g l 模块的实现 原理。 第四章主要讲述了使用s g l 图形包来完成相关可视化技术的内容，其中主 要包括对电网潮流可视化、区域负荷密度可视化和等高线绘制等技术的具体实现 方案。 第五章对有关二维和三维场景下物体的拾取算法进行了研究。主要描述了一 种结合原有的硬件加速方案并配合以先进的硬件条件的基于g p u 通过渲染到浮 点纹理的场景拾取算法，并对算法的可行性与复杂度进行了分析，并与基于 a a b b 包围盒的射线求交算法进行了对比和分析。 第六章总结了全文的主要内容，并对电力系统可视化的发展方向做出了相关 预测。 4 山东大学硕士学位论文 第2 章科学计算可视化及其在电力系统中的应用 随着我国电力系统的不断发展，电网规模日益扩大，电网上各种电力设备也 日渐增多，而由此带来的电网运行、调度、故障处理、管理和维护等各项工作越 来越繁重，这就要求有一种新的技术来保证电力系统操作简捷、高效的安全运行， 科学计算可视化即能满足这方面的要求。 2 1 科学计算可视化 科学计算可视化( v i s c - - 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 ) t 2 , 1 3 】，简称可 视化，是八十年代后期随着计算机技术的迅速发展而出现的- n 新兴技术，是研 究如何把科学数据转换成可视的、能帮助科学家理解的信息的计算方法。它是把 计算机图形学和图象处理技术应用于计算科学的学科。 近年来，科学计算可视化在电力系统中得到了广泛的应用，本章将在接下来 的章节中详细阐述可视化技术在电力系统中的应用。 2 2 可视化在电力系统中的应用 电力系统( p o w e rs y s t e m ) 是由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的 电能生产与消费系统，调度员为了保证系统稳定、高效、经济的运行在安全范围 内，就要对各环节中的设备及其状态进行实时监控。此外，由于电网内大量设备 间的互联，调度员还要监视这些设备的连接方式以及设备之间的相互影响。电力 系统运行状态可视化系统就是要为调度员实现上述监控提供一种简捷而高效的 解决方案。 2 2 1 电力系统运行状态可视化相关内容与技术实现 目前，电力系统运行状态可视化已经得到了广泛的应用，系统主要包含电力 系统静态数据可视化、电力系统动态数据可视化和电力系统元件可视化三个方 山东大学硕士学位论文 面。其中，动态数据可视化和系统元件可视化技术由于没有较多应用，本文不做 过多评述，下面主要讲述有关静态数据的可视化方法。 电力系统静态数据可视化【l l 包括电网数据可视化、安全分析可视化和设备管 理可视化三个方面。 电网数据是指电力系统在运行过程中直接测量或间接计算得到的运行数据 和设备的额定参数。电网数据也是电力系统运行状态主要的可视化内容，它主要 包括电网结构、线路数据、节点数据和区域数据四个方面。 传统的电网结构使用单线图来表示，单线图具有结构清晰、整齐的优点，可 以将系统节点数据和线路数据清楚的标注到相应的位置上。但是它不与实际系统 对应且直观性较差。随着电力系统规模的扩大，这种单线图上标注数据的方式已 经不能满足要求。基于地理图的接线图直接在地图上标注节点和线路，其优点是 符合实际且直观。但当某些节点和线路在地理位置上聚集时，数据显示就会出现 重叠。这时可选择性的显示某一条件下的数据。 线路数据的可视化主要通过潮流技术完成，即在输电线路上叠加箭头和动画 效果，箭头大小和方向分别表示电流的大小和方向。此外，饼图( p i ec h a r t s ) 也是 线路数据可视化的一种常用技术，它可以表达线路的负载率。但对于规模较大的 电力系统，饼图不能太多太大，否则会产生重叠。这时可以采用部分显示的方法， 即只显示负载率超过一定额度的线路，在必要时可以借助透明技术突出显示最重 要的线路。 由于节点数据是离散的，原有的可视化系统一般采用在图中相应节点位置处 标出节点的电压、功角等数值文本信息的方法来完成节点数据的可视化。这种方 式虽然十分准确，但是很难反映出系统的整体情况和电压超限情况。有研究者提 出了用电压标尺法来表示节点电压，这种方式虽然反映了节点电压的超限情况， 但不能反映电压的地理分布情况，采用电压等值线的表示方法可以很好的解决电 压分布和电压越线情况的显示，有关等值线的问题本章将在第四章专门描述。 区域数据如果仅用表格或文本的形式提供不能够直观形象的反应负荷分配 情况。t j o v e r b y e 9 1 等专家认为区域负荷的数值特性比较适合于用点密度图来描 述。点密度图是指用打上圆点或其他符号在给定的区域描绘特有的数据，每一个 点或符号都可以表示一个实体或群体。这些符号或圆点并没有明确的指出特征数 据所在的位置，而仅代表其处在定范围之内。 6 山东大学硕士学位论文 安全分析可视化主要是指通过计算，分析当系统中某个设备产生故障或异常 退出系统时所造成的影响，包括节点电压降低、线路负荷过载等情况。现有的安 全分析可视化是在这种分析的基础上主要针对安全状态和薄弱点两个方面展开 的研究。设备管理可视化包括设备检修管理、设备故障管理和雷电定位三个方面， 因其应用不多，故不多做介绍。 2 2 2 电力系统运行状态可视化的分类 电力系统运行状态可视化系统根据不同的分类标准和依据，主要有以下几种 分类方案： 首先，根据显示过程中所采用的图形显示方案不同可分为非公开位图显示方 法和s v g 显示方法【3 6 , 3 7 1 。目前，国内外大多数可视化软件多采用第一种方案， 其缺点为交互操作实现较为复杂，但能够轻松的实现从二维到三维可视化的过 渡；s v g 是种用x m l 描述的二维图形语言，s v g 允许矢量图形形状、图像 和文本三种图形对象，在界面操作交互的实现上比较简单，在显示三维图形方面 尚存在一些问题( 另一种基于x m l 标准的g e o g r a p h ym a r k u pl a n g u a g e 和g o o g l e m a p s 、g o o g l ee a r t h 私有的k m l - - k e y h o l em a r k u pl a n g u a g e 在三维空间中有较 好应用，但尚未应用在电力系统中) ，由于这种技术没有得到工业界的认可，所 以本文未对s v g 实现技术进行阐述。 其次，根据可视化定义域维数分类，可以将电力系统可视化分为二维可视化 和三维可视化两个方面。二维可视化主要应用了饼图、标尺、移动的箭头( 潮流) 、 点密度和等高线等技术手段。三维可视化方面主要是通过柱状图的方式在接线图 上预想发生事故的设备处进行标示，还可通过幕墙、关联线等三维图元对具体某 个设备故障引起的系统变化进行分析。 2 3 小结 本章总结了美国学者t h o m a sj e f f e r yo v e r b y e 教授研究课题组和p o w e rw o r l d 公司开展的电力系统可视化系列研究工作 4 , 9 , 1 0 , 1 1 , 1 8 ，并结合国内可视化技术的研 究，综合论述了电力可视化的内容和现有技术，对若干可视化技术尤其是二维系 统中的相关技术在实际应用中将会碰到的问题进行了探索和回答。 7 山东大学硕士学位论文 第3 章i e s 系统及s g l 标准图形层的实现 本文主要依托于山东积成电子公司i e s 6 0 0 系统，设计开发了s g l 即标准图 形层模块。下面将结合i e s 6 0 0 系统各模块，阐述s g l 的开发与实现过程。 3 1 系统结构 3 1 1 系统的开发环境 w i n 3 2 环境： m i c r o s o f tw i n d o w s2 0 0 0 陋| 2 0 0 3 m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 5 t r o l l t e c hq t3 3 8e n t e r p r i s e t r o l l t e c hq s a1 0 f r e e w a r ef r e e t y p e - 2 3 5 u n i x 环境： u n i x ( s o l a r i s ，a i x ，t r u 6 4 ，l i n u x ) t r o l l t e c hq t3 2 0e n t e r p r i s e f r e e w a r e t r o l l t e c hq s a1 0f r e e w a r e g c c ( 包括g m 3 2 或更高版本 x r e n d e r f r e e t y p e f r e e t y p e 2 f t g l l 3 开发环境中所使用的q t 是一个开源的并且跨平台的c + + 图形用户界面应用 程序框架。它提供给应用程序开发者建立艺术级的图形用户界面所需的所用功 能。q t 同x w i n d o w 上的m o t i f o p e n w i n g t k 等图形界面库和w i n d o w s 平台上 的c o w l c l a t l 是同类型的应用，但是q 具有优良的跨平台特性、面向 对象的完全支持、丰富的a p i 、多种图形技术的支持、x m l 文档的支持和重量 8 山东大学硕士学位论文 级软件k d e 的存在。正是这些优点使得q t 在自由软件界的众多w i d g e t s 中脱颖 而出。 3 1 2 系统相关概念定义 为了便于阐述和定义系统各个部分功能，本文使用了以下几个与业务配合的 关键概念定义： 图件：一个完整的实例化的图形元素或多个图形元素组合起来作为一个图形 元素处理的单元，称之为图件。对于业务来讲，图件是业务信息的载体。图件可 以由基本图形元素( 折线、多边形等) 实例化得到，但更多情况是业务图模的实 例化。 图模：又称为业务图模，是利用基本的图形元素构建的用于展示指定类型的 业务信息的图形元素组合。i e s 的图模系统具有增强的业务状态支持能力。可以 在图模中定义状态组及不同状态下的具体画法。基于这种增强的业务状态支持， 业务系统的处理插件可以以面向对象的方式处理业务状态。例如，一个图件绑定 了一个电力开关的业务属性，这个图件是使用自定义的开关图模，开关图模中定 义了一个开合状态组( 有开、合两种状态) ，则可通过设置图件的状态：”开合状 态= 合”使该图件正确展示业务对象的状态。图模的解析处理( 状态分析、绘制 方法分析及管理) 构成图模处理系统。 插件：对业务对象的一个处理可以通过定义一个功能模块来完成，该功能模 块就是插件。i e s 的人机界面框架支持以插件方式扩展系统功能。例如，可以通 过编写插件完成电力开关遥控操作功能。插件方式使系统功能扩展变得灵活方 便。人机界面框架在启动时将根据配置项中记录的信息加载各个插件。 3 1 3 系统的开发步骤 整个系统的开发使用面向对象机制，通过定义不同模块和插件来完成所需的 各项功能。开发过程可分为下述7 个步骤： 1 确定业务系统的对象描述形式和资源标识符的格式 2 确定需要在图形中展示的业务对象列表 9 山东大学硕士学位论文 3 定义各业务对象的图模( s g l 开发的主要工作) ，主要包括定义图模需 要支持的状态组、状态值以及对应于各状态组合的绘制方法 4 开发业务信息设置插件( 该插件完成在实例化图模成为图件之后，在图 件上设置相关的业务信息该插件将集成到图形绘制工具中) 5 开发业务信息展示、业务对象操控功能所需插件( 如从图形中读取各个 图件的业务信息、从业务服务获取数据并将信息置入到相关图件的插件、 与业务对象相关的控制功能插件) 6 运行并测试系统 7 如果需要人机界面的风格有所改变，实现自定义界面外观功能 3 1 4 源码结构 各个模块的源码分别放置在相应的目录，共由5 个部分组成，具体代码分布 情况如下所示： 鬈8 2 。? 氓蕞。”? 7 “一”雠氐喽懒馏4 彬一”。嬲”礴j 墨馘”一一一2 冬 j - ，： 一一 。一j 。，? ? 浚 s r c p u b 公共库 g t c o m m o n g t e n v s g l ，c g s c g s _ g d i ，c g s c g s _ g l ，g d s g d s s r c s g ls g l 代码g d s g d s m a n a g e r ，g d s g t s t o r a g e f i l e ， g d s g t s t o r e s q l ，g d s g t s t o r e o r a c l e g d s g d s p r o x y 舯+ 。h m i c o m m o n ，c o m m w i d g e t ，g t a d d o n s r c h m i i - i m i 框架 g t p a c k a g e ，m a i n s r c h m i a d d o n h m 插件d a t a s e r v i c e ，a d d o n s o p t i o n d l g s ，a d d o n s h m i s r c d r a w d r a w 插件d r a w c o m m o n ，d r a w m a i n 3 1 5 系统模块框架 图形化人机界面的电力运行状态监控系统主要分为两个部分：图形( 业务展 示模型) 建立( 或者叫做绘图应用) 系统( 简称为d r a w ) 和图形展示人机会话应用 平台( 各类人员使用的操作界面，称为h m i 或m m i 界面) 。d r a w 和h m i 的运 行模式和侧重点是有区别的：d r a w 主要目的是建立各种展示用的图形( 可以与 1 0 山东大学硕士学位论文 业务建模逻辑相结合完成系统过程模型的建立) ，一般离线使用；h m i 则利用已 经建立的图形，将业务模型的属性数据展示出来，并在其上完成各类业务操作。 i e s u g p 为开发者提供的是完整可用的编辑工具和人机界面环境( 公共部分) 。对 于不同的应用系统，可以根据业务需要再开发与业务相适应的专属插件。这部分 插件与公共部分配合，一同完成系统图形绘制( 业务信息的绑定) 、系统运行监 控，具体系统框架如图3 1 所示。人机操作界面下的父类窗口，即公共图形窗口 g r a p h w n d ，标准图形层s g l 为其提供各种图形模块的实现，具体的实现方式包 括o p e n g l 和g d i 两种，g d s 模块主要提供图形数据的存储和处理等相关功能， 可以使用基于o r a c l e 或者s q l s e r v e r 等数据库或本地存储文件的方式实现。 一一一- 溜的。= ! 一； l il i 崔刍亳刍邝宫 衣壤文傅 辫幕统汩c 堇毒佬幕链 图3 t 系统的模块图 系统主要通过两种方式来实现可视化图形的展示，一是离线的数据定义编 辑，二是通过接收e m s 数据，实时的对电力系统的运行状态进行展示，在实际 开发过程中，本文通过电力系统仿真数据来模拟e m s 系统数据，并结合离线定 i i f 东大学硕+ 学位论文 义的各种数据线路来完成系统的测试。 各个模块的主要内容如下所示： 致褥嘤? 一j 焚堕姑濒一”“一 h m i f g t e n v g t e o m m o n g t a d d o n h m i g o n l r n o n g t p a c k a g e s 9 1 e x e 人机界面框架主程序 l i b 环境库操作对象类库 l i b i e s u g p 公共类型库 l i b 插件管理对象类库 h b 人机界面框架公共类库 c x e 资源打包文件 l i b s g l 实现库 c g s _ g d i l i b c g s l i b g d s l i b g t s q l s e r v e r s t o r el i b g t o r a c l e s t o r e l i b $ t f i l e s t o r e l i b c g s 的g d i 实现 c g s 的o p e n o l 实现 图形数据库处理模块 图形数据库的s q ls e r v e r 实现 图形数据库的o r a c l e 实现，要求安装o r a c l e 客户端 图形数据库的本地文件实现 本文的主要工作是对标准图形层s g l 模块的开发，由于本系统采用的是基 于面向对象方法开发流程，对于上层业务定义的具体实现和定义过程，s g l 图 形层与之没有太多关联或者耦合，因此本文在此不做详细介绍。 3 2 标准图形层s g l 功能模块的实现 s g l ( 标准图形层) 是i e s 可视化系统图形界面显示的底层实现，它主要工作 是定义各业务对象的图模，即：定义图模需要支持的状态组和各状态值( 简称t r e a t ) 和定义对应于各状态组合的绘制方法( 简称d r a w ) 。下面以线段、矩形、椭圆、 多边形的实现简单介绍s g l 实现流程。 d r a w o 叫e c t o r t l w 沁c t a n o i oo r e w l l n o tt o r | w e l l i p s eo c q w l p o t y o o n 1 0 4 3 4 i 气 t o l a d p o s i t e r l t n o o b j e c t 一， t o o l r e c t e n g l et o o n n et o o l p o j y o o n t l - , o , n 4 一 l 图3 2s g l 实现类图 1 2 山东大学硕士学位论文 d r a w a r e a ：用来填充主程序在宙体上可用区域的用户控件。主要提供图形 绘制对象的绘图区域、处理交互( 例如传递鼠标或键盘命令) ；g r a p 虹c s l i s t ：表示 图形对象的列表。只要用来保存图形绘制对象，包括图形对象的a m 吖u 对。通 过使用d r a w o b j e c