（计算机应用技术专业论文）网络化的实用动态安全域可视化系统.pdf

中文摘要 电力系统的正常运行是人类安全生产生活的重要保证。利用科学计算可视化 将获取的大量电力系统数据及时转化成对运行调度人员进行决策的有用信息，对 电力系统安全保障具有重大意义。网络化科学计算可视化，作为可视化技术和网 络技术相结合的产物，可以共享科学计算结果、提高可视化渲染速度，同时便于 软件升级及维护。本文设计实现的网络化的电力系统实用动态安全域可视化系统 就是其应用的一个典型例子。 网络化的实用动态安全域可视化系统的主要功能是为用户展现实用动态安 全域( p d s r ) ，运行点以及运行点与p d s r 边界的距离关系，为调度人员决策提 供依据。本文通过分析和比较o p e n g l ，v r m l ，x 3 d ，j a v a 3 d 等网络化科学计算 可视化主要方法后，结合系统的实际需求，采用c s 开发模式，o p e n g l 技术进 行开发的。客户端是在w i n d o w s 系统下开发完成的，主要实现绘制三维场景、 与用户进行交互以及显示动画等功能。服务器端是在s o l a r i s 系统下开发，主要 实现数据处理、线程管理、数据管理等功能。本文采用了关键帧技术实现动画显 示，并将p 2 p 技术应用于关键帧的产生。 在本系统设计实现后，用户在客户端成功连接服务器后可以准确、快速地观 察到三维场景，并可通过旋转、缩放等交互方式多角度观察三维场景。此外，系 统的动画生成速度快，并且显示流畅。总之，本系统为运行调度人员的决策提供 了良好的信息基础。 关键词：网络化可视化实用动态安全域三维渲染三维交互p 2 p a b s t i 认c t t h es e c u r i t yo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e mi sv e r yi m p o r t a n tf o rh u m a nb e i n g s l i f e v i s u a l i z a t i o nw h i c hc a nt r a n s f o r mag r e a td e a lo fe l e c t r i c p o w e rd a t at ou s e f u l i n f o r m a t i o ni nt i m ef o rd e c i s i o n m a k i n gc a nb eu s e di ns e c u r i t ya l a r ma n dc o n t r 0 1 n e t w o r k e dv i s u a l i z a t i o n ，a st h ec o n j u n c to fv i s u a l i z a t i o na n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , c a l l s h a r et h el a t e s ts c i e n t i f i cf r u i t , s p e e d u pr e n d e r i n ga n db ec o n v e n i e n tf o ru p g r a d i n go f s o f t w a r e n e t w o r k e dv i s u a l i z a t i o nf o rp r a c t i c a ld y n a m i cs e c u r i t yr e g i o nw h i c ht h e p a p e rd e s i g n e da n di m p l e m e n t e di sat y p i c a le x a m p l eo f i t n e t w o r k e dv i s u a l i z a t i o nf o rp r a c t i c a ld y n a m i cs e c u r i t yr e g i o n ( p d s r ) s h o w s p d s r ，r u n n i n gp o i n ta n dd i s t a n c er e l a t i o nb e t w e e nr u n n i n gp o i n ta n db o u n d a r yo f p d s rf o ru s e r st om a k ed e c i s i o n s a f t e rc o m p a r i n gs o m em e t h o d so fi m p l e m e n t i n g n e t w o r k e dv i s u a l i z a t i o ns u c ha so p e n g l ，v r m l ，x 3 da n dc o m b i n i n gp r a c t i c a l r e q u i r e m e n t ，t h i sp r o j e c ti sd e p l o y e dw i t ho p e n g lu s i n gc s ( c l i e n t s e r v e 0d e s i g n t h ec l i e n ti m p l e m e n t sr e n d i n g ，i n t e r a c t i o nw i t hu s e r sa n dd i s p l a y i n gc a r t o o ni n w i n d o w s t h es e r v e ri m p l e m e n t sc o m p u t i n g ，t h r e a dm a n a g e m e n t ，d a t am a n a g e m e n t a n ds oo ni ns o l a r i s t h ep a p e ru s e sk e y f r a m et e c h n o l o g yt oi m p l e m e n tc a r t o o na n d a p p l i e sp 2 pt e c h n o l o g yt op r o d u c i n gk e y f r a m e a f t e rt h ed e s i g nw a si m p l e m e n t e d u s e r sc a r lo b s e r v et h r e e d i m e n s i o ns c e n e q u i c k l yw h e nt h e yc o n n e c tt h es e r v e rs u c c e s s f u l l y , a n do b s e r v ei tf r o mm u l t i v i e w p o i n t st h r o u g hz o o m i n ga n dr o t a t i n g i na d d i t i o n ，c a r t o o nc a nb ec r e a t e dq u i c k l ya n d b ed i s p l a y e ds m o o t h l y i naw o r d ，t h ep r o j e c tp r o v i d e su s e f u li n f o r m a t i o nf o r d e c i s i o n m a k i n g k e yw o r d s ：n e t w o r k e d ，v i s u a l i z a t i o n ，p r a c t i c a ld y n a m i cs e c u r i t yr e g i o n ， r e n d e r i n g ，i n t e r a c t i o n ，p 2 p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名卑豆 签字日期：2 。7 年6 月l i 21 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗态鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) b o 学位论文作者签名：牟璺导师签名：企忠国。1 j 签字日期：。7 年6 月f 严日 签字同期：口- 7 年6 月d 日 第章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 随着社会的飞速发展，人类已经进入信息时代，进行科学研究的目的不只是 获取数据，更多的是对海量数据分析从而探索其中的规律。传统的纸、笔等可视 化工具已经不能满足科学发展的需求。同时，伴随着计算机的普及应用以及计算 机图形学的蓬勃发展，科学计算可视化技术应运而生。科学计算可视化就是运用 计算机图形学或者一般图形学的原理或方法将科学与工程计算等产生的大量数 据转换成图形、图像，用直观的方法表示出来并进行交互处理的理论、方法和技 术1 1j 。其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，为科研 人员和工程师提供一个探索和研究物理现象的先进工具，以提高科学研究和工程 设计的效率，促进科学和工程技术的发展与应用。科学计算可视化已经被广泛应 用于医学检测、生物分子学、航天工业、电力系统监控等领域中。在计算机网络 技术高速发展的推动下，科学计算可视化的一个重要的发展方向就是网络化的科 学计算可视化。网络化的科学计算可视化通过计算机联网来提高可视化渲染速度 和计算机硬件利用率，打破了单台计算机硬件配置对可视化速度的限制，同时在 便于软件升级以及减少软件维护费用等方面也有着积极的作用。 电力能源是现代社会的主要能源之一。电力系统的正常运行是人类安全生产 生活的重要保证。近几年发生的大型停电事故都给人们带来极大的损失，比如 2 0 0 3 年8 月1 4 日，美加地区发生的停电事故，直接经济损失达6 0 亿美元并造 成居民恐慌，影响了人们正常的工作和生活。几次停电事故给我们的重要启示之 一就是需要把获取的大量电力系统数据及时转化成对运行调度人员进行决策的 有用信息，从而减少停电事故的发生，为用户提供优质、稳定的电力资源。在这 种需求下，科学计算可视化作为一种能把各种繁杂的数据转换成直观的图形和图 像，自然成为电力预警和控制系统的重要内容。电力系统数据的可视化也是科学 计算可视化研究的重要内容之一。 传统的电力系统安全分析方法是“逐点法”，即对事故前的一种给定注入和 既定事故过程进行动态仿真或采用能量函数法等方法判断其稳定性。这种方法的 缺点是无法获得对稳定机理的深刻认识以及系统整体稳定性测度，也不适合概率 安全性分析和调度中的各种最优化的需要，不适用于开放的电力市场模式。电力 系统动态安全域则是采用了和“逐点法”完全不同的“域”的方法对电力系统进 第章绪论 行安全性评估以及监视。动态安全域( d y n a m i cs e c u r i t yr e g i o n 缩写为d s r ) 是 注入功率窄间上的集合，对于域中的任一点，在发生给定事故后均可保证系统的暂 态稳定性i 引。实用动态安全域( p r a c t i c a ld y n a m i cs e c u r i t yr e g i o n 缩写为p d s r ) 是空间上的一个超多面体，由描述各节点注入功率上、下限的垂直于坐标轴的平 面和描述暂态稳定性临界点的超平面围成。动态安全域的方法与“逐点法”相比 较的优越性在于获得电力系统各种必要信息和整体安全稳定性的同时减少了误 判断量，不仅适用于传统的电力系统调度模式还适用于开发的电力市场模式1 3 j 。 天津大学自动化学院余贻鑫院士领导的项目组对电力系统动态安全域作了大量 研究。 注入空间上动态安全域的研究得出的最有利的结论就是其稳定边界的超平 面形式( 由一个或少数几个超平面构成) ，而对于实际生产部门的调度人员而言， 需要看到当前运行条件下的稳定裕度，需要对一段时间内的系统稳定状态做出及 时的判断，这都要求动态安全域能够形象、直观地表达出来。天津大学自动化学 院余贻鑫院士领导的项目组通过借助o p e n g l 绘制三维图形已经实现了 w i n d o w s 平台下的实用动态安全域可视化系统。此系统已经在国家电网河南公司 中推广使用，效果良好。 本文主要内容是实现网络化的实用动态安全域可视化。网络化的可视化可以 通过打破单机限制来提高可视化的速度，提高运行效率。同时，对于动态安全域 可视化概念的推广起了积极的作用。同时，通过本文的研究工作，可以了解如何 实现基于网络的三维可视化技术，为今后的学习和研究工作奠定基础。 1 2 相关技术发展情况 b s ( b r o w s e r s e r v e r ，即浏览器服务器) 和c s ( c l i e n t s e r v e r ，即客户机服 务器) 是当今世界开发模式技术架构的两大主流技术。网络化的科学计算可视化 通常采用b s 或c s 架构。c s 架构通过充分利用客户端和服务器端硬件环境的 优势，将任务合理分配到两端来实现，使的系统通信开销降低，系统数据存储管 理更加透明但是维护和升级成本较大。b s 架构是随着i n t e r n e t 的发展而兴起的， 其用户界面是通过w w w 浏览器来实现，主要的事务逻辑是在服务器端实现，极 少部分的事务逻辑是在客户端实现，这种模式开发的系统便于维护和升级，且成 本较低，但是服务器负荷较重，数据存储管理安全性不够高。进行系统开发时， 需要根据实际情况和需求，选择合适的架构。 由于当今大多数开发语言如v b ，v c ，p b ，c # ，d e l p h i ，j a v a 等都可用于c s 架 2 第章绪论 构的系统开发，所以采用c s 架构开发基于网络的科学计算可视化系统时，通常 只需根据项目具体需要以及个人偏好选择合适的开发语言和工具。三维渲染部分 可以从当今主流的3 d 开发技术o p e n g l 和d i r e c t 3 d 中选择其一进行开发实现。 o p e n g l 作为一个性能卓越的三维图形标准，是一个功能强大，调用方便的底层 3 d 图形库，受到了所有主要操作系统和硬件设备平台的支持，成为实时3 d 图 形的行业标准【5 1 。d i r e c t 3 d 作为d i r e c t x 的组件之一，由微软公司开发，c 抖编 程语言实现，遵守c o m 约定的3 d 图形库，比o p e n g l 支持更多功能，但是不 支持硬件扩展。 采用b s 架构开发基于网络的科学计算可视化系统主要实现方法有虚拟现 实建模语言，x 3 d ，j a v a 3 d 和a c t i v e x 控件方法。虚拟现实建模语言( v r m l ) 作 为当前网络三维数据交换的标准，可以用来建立网络上的三维交互式多媒体。但 是v r m l 是一个封闭的信息表达标准，难以扩展，难以与其它信息相集成，限 制了客户端的交互程度【酬。x 3 d 作为最新的三维图形规范，是下一代，可扩展的， 互联网上的三维图形规范。但是，目前得不到主流浏览器的直接支持，给客户端 进行三维浏览带来了一些不方便1 7 1 。j a v a 3 d 是s u n 公司推出的j a v a 三维应用函 数库，具有平台独立性和良好的网络开发支持，但是主流的浏览器( 如微软的i e 浏览器以及n e t s c a p e 浏览器) 都不能直接支持，需要下载和安装其运行环境j a v a a p p l e t 嵌入在h t m l 文件中。同时由于j a v a 是一种解释性语言，其运行效率较 倒引。a c t i v e x 技术就是采用v c 或v b 开发，调用o p e n g l 或d i r e c t 3 d 函数库 开发出客户端控件，用户访问网页时，自动下载控件，完成安装和注册。a c t i v e x 技术的优势在于其动态交互性以及进行二次开发的简单方便。但是a c t i v e x 技术 在非w i n d o w s 平台下的实现还不够成熟。 本系统要求服务器端在s o l a r i s 系统下实现，客户端在w i n d o w s 系统下实现， 同时对系统的安全性，稳定性以及运行速度要求很高。基于以上几点的考虑，开 发系统时选择了c s 架构，借助o p e n g l 进行三维渲染实现网络化的电力系统实 用动态安全域可视化。 1 3 本文的主要工作 本文主要实现网络化的电力系统实用动态安全域可视化系统。网络化的实用 动态安全域可视化系统旨在实现电力系统动态安全域( p d s r ) 的可视化，以三 维图和二维图的形式向运行调度人员提供有关p d s r 的直观的、丰富的信息，为 调度人员的决策提供参考。此系统就是让用户通过连接服务器从而得到描述 3 第一章绪论 p d s r 的三维场景以及当前运行点相对于p d s r 边界的位置和距离信息。同时， 实现人机交互，让用户能够从各个角度利用缩放、旋转等方式更好地观察p d s r ， 从而对监控的电力市场系统的空间安全域有更好的了解和控制。此外，还提供了 模拟功能，即调度员可以指定个异于当前实际运行点的设想的运行点，或者重 新设定节点的注入功率上下限，然后观察此时的p d s r 。 此系统采用c s 架构。服务器端是在s o l a f i s 系统下用c 语言开发完成，主 要实现身份验证，数据安全，确定基准单位，坐标变换、线程管理等功能。客户 端是在w i n d o w s 系统下通过调用o p e n g l 函数库实现三维显示以及交互。 1 4 本文结构 本文首先在第二章中介绍电力系统动态安全域的相关概念以及在可视化过 程中需解决的主要问题。然后，在第三章中通过分析比较网络化的科学计算可视 化主要实现方法并结合系统实际需求，确定系统实现方法以及系统框架。第四章 介绍网络化的电力系统实用动态安全域可视化系统具体实现方法以及实现效果。 最后，在第五章对本文进行总结与展望。 第_ 章电力系统实用动态安全域及其可视化 第二章电力系统实用动态安全域及其可视化 电力系统动态安全域采用了“域”的方法对电力系统进行安全性评估以及监 视。本章节在介绍了实用动态安全域和网络化科学计算可视化的相关概念后，提 出将动态安全域理论与网络技术相结合，实现网络化的实用动态安全域可视化。 最后介绍了实现可视化需解决的理论问题。 2 1 电力系统实用动态安全域简介 随着社会发展，电力已成为经济发展和人民生活须臾不可缺少的生产资料和 生活资料。电力能源是人类正常工作生活的重要保证，是社会正常运转的基础之 一。自6 0 年代以来发生的几次大停电事故，不仅造成巨大的经济损失，影响人 民正常生活，还会危及公共安全，造成严重的社会损失。因此，保证安全可靠的 电力供应至关重要。目前，中国电力发展已步入了大电网、大机组、高参数、超 高压和自动化、信息化的新阶段，同时我国西电东送工程的迅速推进和三峡电站 的投入运行，使得全国电网区域互联大势所趋，对电力系统的安全性提出了更高 的要求。因此，如何准确快速的进行电力系统的安全分析，特别是动态安全分析， 将是未来电力系统发展所必需且迫切需要解决的问题。 电力系统安全调度的目的，是实现在正常运行情况和偶然事故情况下，都能 安全地连续地向用户供给质量合格的电能。电力系统运行的安全性，通常是指在 突发性故障引起的扰动下，系统保证避免发生广泛波及性供电中断的能力。由于 安全性是对突发事故引起的后果进行分析，涉及到系统事故后的稳定行为和暂态 行为，因此电力系统安全性分析相应地分为静态安全分析和暂态安全分析两个领 域。为了评定系统当前的运行状态在出现事故时是否安全，应进行预想事故评定 ( 或预想事故分析) 。一般是以电力系统实际情况以及调度人员已有的经验和知识 作为基础，确定一组假想事故，即预想事故。原则上，对预想事故集中的每一种 预想事故，都应进行安全评定旧1 。 电力系统的动态安全分析，是根据实时潮流对预想事故后系统的暂态稳定性 进行评定。传统的与暂态稳定相关的动态安全分析方法是针对某一预想事故对事 故前注入功率空间上的点逐个进行暂态稳定仿真计算得出安全或不安全结论，这 种方法称之为“逐点法”，其缺点是无法获得对稳定机理的深刻认识以及系统的 整体稳定性测度，且在线应用时计算负担繁重。而域的方法是同目前广泛使用的 第_ 章电力系统实用动态安全域及其可视化 与逐点法截然不同的全新的方法学。动态安全域( d y n a m i cs e c u r i t yr e g i o n 缩写 为d s r ) 定义在事故前电力系统的注入功率空间上对于域中的任何一个点在发 生给定事故之后均可确保系统的暂态稳定性。在线使用动态安全域时只需针对某 一给定事故判别此时的注入是否位于安全域之内即可确定系统运行点是否是安 全的，进一步还可知道这一点在域中的相对位置。运行人员可以据此位置确定在 保持系统动态安全性的前提下，系统负荷或发电功率在各个方向上还能增长多 少，向哪个方向控制为优。这不仅对于校正性控制，紧急控制和恢复控制的决策 有用，而且可为电力市场的运营提供更完善的可用输电能力的信息。同时，利用 安全域可以比较容易地确定安全域度( 距离边界的远近) ，从而为控制决策提供 帮助。 动态安全域应用于电力系统安全性分析时，是通过分析注入与动态安全域边 界的相对位置，即通过判断注入是否在安全域边界内，从而确定系统是否安全。 大量仿真实验计算表明，电力系统动态安全域边界上的点在一定范围内基本上在 同一个超平面。由于超平面形式的动态安全域边界是工程实用范围内的近似表 示，因此称之为实用的动态安全域( p r a c t i c a ld y n a m i cs e c u r i t yr e g i o n ，缩写为 p d s r ) 。 实用动态安全域是r ”空间上的一个简单超多面体，由描述各节点注入功率 上、下限的垂直于坐标轴的平面和描述暂态稳定性临界点的超平面围成。该超平 面可由公式( 2 - 1 ) 表示： l 口只= 1 ( 2 1 ) t = l 式中，n 是注入节点的维数，a 是超平面方程的系数，p 是节点有功功率注 入。 2 2 网络化科学计算可视化简介 2 2 1 网络化科学计算可视化概述 科学计算是人类科学研究中一个获取信息的有效手段。功能强大的计算机以 及并行计算技术己经广泛应用于医学检测、生物分子学、航天工业、电力系统监 控等领域。随着科学的发展，计算的规模越来越大，计算所得的数据也以惊人的 速度增长。科学计算的迅猛发展带来了对计算结果及其过程进行可视化的巨大需 求。常规的二维图表的方法不仅抽象，容易丢失信息，不能给研究人员以整体、 直观以及形象的概念，非常不利于科学工作者深入的把握物理运动的内在规律。 6 第章电力系统实用动态安全域及其可视化 u 物理模蓉姜茎茎茎茎茎蓁三三三可视化?程 一7 科学计算可视化按其功能可分为三个层次： ( 1 ) 科学计算结果数据的后处理 将计算过程和可视化过程分开，在脱机状态下对计算的结果数据或测量数据 实现可视化，适用于不要求实时地用图形、图像显示数据，因而这一层的可视化 的功能对计算能力的需求是三者中最低的。 ( 2 ) 科学计算结果数据的实时处理及显示 即在进行科学计算的同时，实时地对计算的结果数据或测量数据实现可视 化。 ( 3 ) 科学计算结果数据的实时绘制及交互处理 在这里，绘制指的是由物体的几何模型生成屏幕图像的过程。这一层次的功 能不仅能对数据进行实时处理及显示，而且如有必要，还可以通过交互方式修改 第_ 章电力系统实用动态安全域及其可视化 原始数据、边界条件或其他参数，使计算结果更为满意，实现用户对科学计算过 程的交互控制和引导。很显然，这一层次的功能彳、= 仅要求计算机硬件具有很强的 计算能力，而且要求可视化软件具有很强的交互功能。本文中提到的网络化的电 力系统实用动态安全域可视化系统就是属于这类应用。 随着网络技术的迅速发展，网络的概念己经深入到人类生活与工作中，给人 类带来了很大的便利。基于网络环境的科学计算可视化，作为可视化技术和网络 技术相结合的产物，已经成为了科学计算可视化发展的重要方向n 。在网络上， 人们可以共享科学计算结果、测量数据以及图像图形使得科学成果得到更快更好 的推广。另外，通过计算机联网来提高可视化渲染速度和计算机硬件利用率，打 破了单台计算机硬件配置对可视化速度的限制，同时在便于软件升级以及减少软 件维护费用等方面也有着积极的作用。实现网络环境下的协同工作已经成为了科 学计算可视化发展的一个趋势。本文中提到的网络化的电力系统实用动态安全域 可视化就是其应用的一个典型例子。 2 2 2 基于网络的可视化与p d s r 注入空间上动态安全域的研究得出的最有利的结论就是其稳定边界的超平 面形式( 由一个或少数几个超平面构成) ，这样的结论工程上的实际意义一方面在 于概率安全评估等其他相关计算时间上的大幅度减少，另一方面在于空间平面的 易于表达和显示。而对于实际生产部门的调度人员而言，要利用域的成果指导实 际运行，要看到当前运行条件下的稳定裕度，要对一段时间内的系统稳定状态通 过动画回顾的形式做出及时的判断，这些都要求动态安全域有一个可视的概念。 另一方面，电力系统数据的可视化经过近几年的发展出现了一些新颖的表现 形式，但真正恰当的，有着实际意义和应用价值的可视化形式还远远不够。换句 话说就是电力系统数据的可视化面临着一个缺乏合适内容的局面，一些数据的可 视化牵强附会，没有太多的推广价值。这样一来电力系统数据的可视化就急需要 真正适合可视化的研究成果来充实，来提高其实际应用的意义，而不只是作为一 种增强理解的表现形式。 由此可见，动态安全域和可视化有着惊人的契合点，有了动态安全域的研究 成果，就必然要求其可视化的实现；可视化也急需要动态安全域这样的研究成果 来提高其实际应用的工程意义，真正在生产中发挥它的作用。天津大学余贻鑫院 士领导的项目组已经用o p e n g l 开发，实现了w i n d o w s 平台下的实用动态安全 域可视化系统。此系统是在p d s r 可视化研究理论的基础上在单台计算机上实现 了以三维图，二维图的形式形象地表示了当前运行点和实用动态安全域之间的位 8 第二章电力系统实用动态安全域及其可视化 置关系，为电力系统运行调度人员提供了丰富，直观的信息，便于相关人员做出 正确的决策，从而有效地控制了电力系统安全故障的发生，已经在国家电嘲河南 公司得以应用，效果良好。 网络化的实用动态安全域可视化是将动态安全域可视化理论与网络技术相 结合，使得客户端通过连接服务器从而得到描述p d s r 的三维场景以及当前运行 点相对于p d s r 边界的位置和距离信息。同时，实现人机交互，让用户能够从各 个角度利用缩放、旋转等方式更好地观察p d s r ，从而对监控的电力市场系统的 空间安全域有更好的了解和控制。服务器端则实现身份验证，维护数据安全，多 线程管理等功能。网络化动态安全域可视化的优势大致体现在以下几个方面：将 三维渲染中数据转换，坐标变换等模块在配置更好，运行速度更快的服务器端运 行，打破了单台计算机的限制，提高了三维渲染的速度；通过服务器端的数据管 理和身份验证，加强了数据存储管理，提高了系统的安全性；便于进行软件升级， 减少了软件维护的费用；用户通过网络即可观察到p d s r ，促进了动态安全域概 念的推广。 2 3p d s r 可视化需解决的主要问题 2 3 1 实用动态安全域边界超平面拟合 大量数值仿真计算已表明，电力系统动态安全域边界上的点在一定范围内基 本在一个超平面上，因此采用超平面拟合技术来决定动态安全域的边界。 动态安全域边界超平面的拟合采用最小二乘法，方法如下： 超平面方程采用如下形式 q = 口l 而+ 口2 恐+ + 吒吒= y ( 2 - 2 ) i = l 式中，q ，i = 1 ，2 ，以是待求超平面方程的系数，n 是注入结点的维数，y 是观测 量，取值为l 。 对于搜索到的m 个临界注入点( x ，l ，x 2 ，) ，_ ，= 1 ，2 ，m 将其代入到公式 ( 2 - 2 ) 中，得到误差方程 】，一x a = 占 ( 2 3 ) 式中， 9 第_ 章电力系统实用动态安全域及其可视化 y = 【乃，赐，儿】。- 一- m l 阶观测向量 x = 三三 所，骱常数矩阵c 它的每一行对应着一个临界注入向量， 口= h ，口：，a n 。，l 阶参数向量 f = 【q ，岛，厶】7 聊l 阶误差向量 1 1 4 2 = ( y 一劢) 7 ( y - x a ) r a i n ( 2 4 ) 令1 2 对a 求偏导数，则有 al l ：o ( y r y - 2 y r x a + a r x r x a ) a na q = 一2 y 7 x + 2 a7 x r x = 0 ( 2 5 ) 由公式( 2 5 ) 即可解出参数a 的最小二乘估计量为 = ( 石r x ) 1 x 7 y( 2 6 ) 由上述最4 , - - - 乘法拟合得出的超平面只是动态安全域真实边界的近似表示， 为了表征这种近似的精度，还需要估计各个临界点的拟合误差。在本文中，对于 临界注入点，其拟合误差p 定义如下： 吖2 两d 2 式中， d j = ( 2 7 ) 是临界点一到拟和边界超平面的距离，是一个绝 对数值；_ i l ：代表了临界点_ 模值的大小。 2 3 2 实用动态安全域的降维可视化 实用动态安全域中描述暂态稳定性的临界点的超平面方程如下所示： q p = l ( 2 8 ) i = l 式中，a 是超平面方程的系数，n 是注入节点的维数。由此可见，超平面是 一个n 维的平面，直接进行可视化是不可能的。在实际可视化过程中，需要将高 维的平面有效地转化成为三维的平面。按照通常的处理方法，实现实用动态安全 域的可视化只需在注入功率空间中选择需要观察的三维分别作为x 轴、y 轴、z 1 0 第_ 章电力系统实用动态安全域及其可视化 轴的方向，其他的维按照某个规则常数化处理即可( 一般用相应的当前运行点值 进行常数化) 。然而，对于实际的大系统( 维数往往成百上千) ，如果这样简单的 处理，可视化就失去了实际指导意义。因此，可视化之前首先应该找到能对系统 进行有效降维的方法。 本文采用了区域降维的方法。这种降维方法是在考虑了系统不同区域对系统 暂态稳定性影响的差异后将其划分成四个确定区域的基础上进行的。区域划分的 具体方法可参阅论文 1 2 。鉴于超高压系统的网损可以近似忽略，依据系统有功 功率平衡的原理，系统中仅有n 一1 个独立有功功率变量只( 扛l ，行一1 ) 。整个 电网划分成四个区域：墨，r ，r ，r ，依功率平衡关系可得： 乞+ 气+ 气+ r = 0 ( 2 9 ) 仿照公式( 2 8 ) 期望得到一个区域类超平面方程( 冠为平衡区域) ： 4 气+ 4 & + 4 & = l ( 2 一l o ) 从而使得系统由n 一1 维变成三维。下面给出求取此超平面的平面系数的方法。 假设实际系统中的节点按如下方式分成4 个区域节点集 墨：= 1 ，2 ，啊) 是：= 一+ l ，啊+ 2 ，n 2 恐- 玎2 + l ，n 2 + 2 ，) r ：= 惕+ 1 ，玛+ 2 ，力一1 ) 需要说明的是r 还应包含平衡节点，在求取最时需要计及。各节点的临界注入 功率可由节点所在区域相应的区域临界功率来表示，以区域冠为例， p = c 。，rv f 蜀 ( 2 1 1 ) 且吃= 异 ( 2 一1 2 ) v i e 尼 其中p 是节点i 的临界注入功率，由公式( 2 - 1 1 ) 和公式( 2 - 1 2 ) 可以得到： q = l 对任一f 1 ，2 ，3 ，4 ( 2 1 3 ) v i e & 将公式( 2 - 1 1 ) 带入公式( 2 - 9 ) ，对照公式( 2 1 0 ) 可以得n - 4 = a 1c l + 口2 c ! + + 以，i q 42 + l q + 1 + + 2 q + 2 + + q ( 2 - 1 4 ) 4 = + - q + ，+ + 2 吒+ 2 + 叶q 其中，q ，o 2 ，一，是已知的超平面系数，而g ，g ，g 是各节点对它所在区域 相应的区域临界功率的影响系数，即： e = p r ( j 寻1 ，2 ，) ( 2 1 5 ) k 其中k 表示 墨，足，b ) 中节点i 所属的区域，功率为节点的临界注入功率，于是 可以求得超平面系数4 ，4 ，4 。 第三章网络化的实用动态安全域可视化系统设计 第三章网络化的实用动态安全域可视化系统设计 当前，网络化的科学计算可视化有o p e n g l ，v r m l ，x 3 d ，j a v a 3 d 等多种实 现方法，需要根据具体情况选择合适的方法进行开发。本章分析这几种主要的实 现方法后，结合系统实际需求，选择了合适的开发方法，确定系统实现方案。接 着，介绍了系统的整体框架以及系统客户端和服务器端的实现流程。 3 1 系统实现方案 b s ( b r o w s e r s e r v e r ，即浏览器服务器) 和c s ( c l i e n t s e r v e r ，即客户机 服务器) 是当今世界开发模式技术架构的两大主流技术。网络化的科学计算可视 化通常采用b s 或c s 架构。c s 架构通过充分利用客户端和服务器端硬件环境 的优势，将任务合理分配到两端来实现，使的系统通信开销降低，系统数据存储 管理更加透明但是维护和升级成本较大。b s 架构是随着i n t e m e t 的发展而兴起 的，其用户界面是通过w w w 浏览器来实现，主要的事务逻辑是在服务器端实现， 极少部分的事务逻辑是在客户端实现，这种模式开发的系统便于维护和升级，且 成本较低，但是服务器负荷较重，数据存储管理安全性不够高。进行系统开发时， 需要根据实际情况和需求，选择合适的架构。选用不同的架构进行软件开发，则 相应的三维渲染方法也不同。 目前，网络化的可视化主要有以下几种实现方法： ( 1 ) 三维图形应用程序接口( o p e n g l 或者d i r e c t 3 d ) ( 2 ) 虚拟现实建模语言( 洲l ) ( 3 ) x 3 d ( 4 ) s u n 公司提供的j a v a 3 d 3 1 1 网络化可视化的实现方法 3 1 1 1 三维图形应用程序接口 三维图形应用程序接口负责绘图程序和硬件之间的通讯，用于网络化的科学 计算可视化可以通过以下方式： ( 1 ) 在c s 架构下开发，进行三维渲染时选择合适的图形应用程序接口。 第三章网络化的实用动态安全域可视化系统设计 除了具有c s 架构下的软件开发的普遍优点外，因为二二维图形应用程序接口本身 具有很好的系统平台无关性，所以这种方法对于系统平台要求很低，在u n i x ， s o l a r i s 等系统下进行开发，与其它基于网络可视化方法比较，具有很大的优势。 ( 2 ) 采用a c t i v e 控件的方法，调用三维图形应用程序接口，生成客户端控 件，大多数操作都是在本机上完成，系统运行效率高。将控件嵌入网页中，用户 访问此网页时控件即会自动下载并安装注册，避免了客户端软件的安装和配置， 发挥了、州的简单方便等优点3 1 。但是，a c t i v e x 技术在非w i n d o w s 平台下的 实现还不成熟，从而限制了基于a c t i v e x 控件的应用范围。 目前三维图形领域常见的图形程序接口有微软公司的d i r e c t 3 d 和s g i 公司 的o p e n g l 。o p e n g l 作为一个性能优越的图形应用程序设计界面，是一个功能强 大，调用方便的底层3 d 图形库，受到了主要操作系统和硬件设备平台的支持， 成为实时3 d 图形的行业标准，因此使用o p e n g l 开发的应用程序具有广泛的移 植性。o p e n g l 拥有绘制物体、矩阵变换、光照处理、着色、反走样纹理映射以 及动画等功能。o p e n g l 的特点为应用广泛、跨平台性、高质量和高性能、出色 的编程能力以及网络透明性等特点，因此具备了在未来持续发展的能力6 。 d i r e c t 3 d 作为d i r e c t x 的组件之一，c + + 编程语言实现，遵守c o m 约定的3 d 图 形库，比o p e n g l 支持更多功能，但是不支持硬件扩展，在广泛运用方面稍逊于 o p e n g l 。d i r e c t 3 d 它主要应用于三维游戏的编程。此外，d i r e c t 3 d 对于计算机 的图形显示提出了很高的要求，需要有很好的图形加速功能，而且其运行时，占 用大量的系统资源，也不利于网络传输。 o p e n g l 可作为网络化的科学计算可视化中三维渲染的首选方法之一。基于 o p e n g l 的上述优点，本系统的三维渲染部分采用o p e n g l 技术来实现的。 3 1 1 2 虚拟现实建模语言( v r ，) v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) 是虚拟现实建模语言的缩写形 式，它定义了一种描述互连网上交互式三维多媒体的标准文件格式。v r m l 定 义了三维应用系统中常用的语言描述规范，如层次变换、光源、视点、几何体、 动画、雾、材料特性和纹理映射等，同时v r m l 还定义了一些简单的行为特征 的描述功能。 v r m l 的访问方式是基于客户杌服务器模式的，其中服务器提供v r m l 件 及v r m l 文件引用的其它资源( 图像、视频、音频) ，客户端通过网络将v r m l 文件及其引用的资源下载到本地机，通过本地平台上的v r m l 浏览器交互式的 访问该文件描述的虚拟场景。由于浏览器是本地平台提供的，从而实现了v r m l 第三章网络化的实用动态安全域可视化系统设计 的平台无关性。 v r m l 的缺点主要有：( 1 ) 编程能力：用v r m l 提供的节点、字段、事件 来直接编程，效率比较低；( 2 ) 性能方面：需要等待较长时间下载安装插件，运 行时占用过多的资源；( 3 ) 交互性：需要通过其它编程技术辅助实现交互n 引；( 4 ) 软件实现：由于v r m l 比较庞大，规范中定义的一些特征很少使用。 3 1 1 3x 3 d x 3 d 是针对v r m l 9 7 规范的不足，为解决交互式三维图形技术在网络上的 大规模应用问题而提出的新一代三维图形规范。x 3 d 向后兼容删l 9 7 ，与x m l 集成，采用组件化的设计思想，定义了个小型的运行内核、一组a p i 和多个扩 展集，具有小型化、可扩展、与w e b 上的多种标准互操作和与多种媒体紧密集 成等特性，在分布式虚拟环境、数据库可视化、电子商务、娱乐和教育领域都有 良好的应用前景1 1 8 j 。 但是，x 3 d 目前得不到主流浏览器的直接支持，用户需下载专用的x 3 d 浏 览器且动态交互性一般。 3 1 1 4j a v a 3 d j a v a 3 d 是j a v a 语言在三维图形领域的扩展。它是由s u n 公司在1 9 8 8 年底正 式推出，用于书写带有三维图形的应用程序和a p p l e t 的一组应用程序接v i 。作 为j a v a 语言的扩展，它将j a v a “一次书写，随处运行”优点带给了三维图形程 序，使得j a v a 3 d 运行于多种平台。采用j a v a 3 d 编写的应用程序和a p p l e t 可以 访问所有的j a v a 类，使它易于与i n t e r n e t 集成。 j a v a 3 d 是一个面向对象的a p i 。应用程序把单独的图形元素作为分离的对象 来构造，然后将其连接到一个树型结构( 场景图) 中，从而为描绘和渲染场景提供 了一个灵活和方便的机制。j a v a 3 d 消除了其他的a p i 强加给编程人员的繁琐细 节，允许编程人员更多的考虑形体本身，即考虑场景及其组织，而不是组成它们 的那些基本元素。j a v a 3 d 最突出的优点在于它的代码可以自由传输，传输的不 是图形本身，而是控制三维图形生成的程序，从而解决了网络速度的瓶颈问题1 1 引。 目前，j a v a 3 d 主流的浏览器( 如微软的i e 浏览器以及n e t s c a p e 浏览器) 都 不能直接支持，需要下载和安装其运行环境j a v aa p p l e t 嵌入在h t m l 文件中。 同时由于j a v a 是一种解释性语言，其运行效率较低。 第三章网络化的实用动态安全域可视化系统设计 3 1 2 系统渲染方法的选择 三维图形应用程序接口( o p e n g l 或者d i r e c t 3 d ) 通过在c s 架构下开发或 者a c t i v e x 技术来实现基于网络的可视化。在可视化过程中，除了其本身具有的 平台独立性、网络透明性、动态交互性等优点，还具有系统运行效率高，安全性 能好等相关有点，在非w i n d o w s 平台下开发也有很强的优势，但是系统维护成 本高，升级较麻烦。 v r m l 是目前网上三维数据交换的标准，它的出现使远程虚拟现实成为可能 相对于二维h t m l 语言来说，v r m l 就是三维建模语言将w e b 信息在一个交互 的三维空间表达出来。但是，v r m l 是一个非常封闭的信息表达标准，不但难 以扩展难以与其