（电力系统及其自动化专业论文）基于gis电网运行数据可视化的方法与研究.pdf

浙江大学硕士学位论文基于g i s 电网运行数据可视化的方法与研究 a b s t r a c t i h ee l e c t i l ep o w e rs y s t e mi sav e r yc o m p l i c a t e dn o n - l i n e a rn e t w o r ks y s t e m b e c a u s eo ft h ei n f l u e n c et h a ti ti n v o l v e sal o to fe q u i p m e n t sw h i c ha r ed i s t r i b u t e di n v f l l i o u sp l a c e sa n dt h ep r o c e s s e ss u c ha sp r o d u c i n g ，t r a n s p o r t a t i o n ，d i s t r i b u t i n g ，a n d c o n s u m i n go fp o w e re n e r g y ，c h a n g e sd y n a m i c a l l y ，t h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ti sa i n e v i t a b l et r e n dt ot h er u n n i n g ，m a n a g e m e n t ，c o n t r o lo fe l e c t r i cp o w e r l a t e l ya l o n g w i t l lt h ep o w e rn e t w o r ke x p l a n s i o n t h ei m p r o v i n go fs a f er u n n i n gc f i t e d o na n dt h e s o t h v a r e a n d h a r d w a r e d e v e l o p m e n t ，p o w e rn e t w o r ki n f o r m a t i o ni sa u g m e n t i n g r a p i d l y i tp o p so u tt h er e l a t i v el a g g i n ga n dl o c a l i z a t i o nt h a tt h ep r e s e n ti n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts o f f w a r e so ne l e c t r i cp o w e rs y s t e md e a lw i t l ll o t so fi n f o r m a t i o n “h o w t os o l v ei t b e c o m e so n eo fi m p o r t a n tp r o b l e m sd u r i n gt h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t p r o c e s s t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h i sp r o b l e m i nv i r t u eo fv i s u a l i z a t i o nl a t e l y ，i te x p a t i a t e s t h a tt h ev i s u a l i z a t i o n 仃e a t sw i t hp o w e rs y s t e mr u n n i n gd a t a si n t u i t i v e l y a tt h es a l t l e t i m eb a s e do ng e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，d i g i t a lt e r r a l nm o d e l sa n d 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 h i sp a p e rc o m p i n e sd a t ao r g a n i z i n gs t r u c t u r e ， s p a c eo b j c o tm a n a g e m e n ta n da n a l y z i n ga b i l i t yo fg i s ，i n c l u d i n gd a t ap r o c e s s i n ga n d h e r m e n e u t i cf u n c t i o no fv i s c ，i tb r i n g sf o r t ht oar e c e n ta p p r o a c ha b o u tr e s o l v i n gt h e i l l o g i c a l i t yb e t w e e nag r e a td e a lo f p o w e rn e t w o r ki n f o r m a t i o na n dn ow a y st oe x p l a i n t h e s ei n f o r m a t i o n t h i sa p p r o a c hl i g h t e n st h eb u r d e no fo p e m t e dp e r s o n n e lw h e nm e y a r et a k i n gc h a r g eo fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n ge l e c t r i cp o w e rs y s t e m t h em e t h o d ， w h i c hr e a l i z e ss c i e n t i f i cm a n a g e m e n ta n dc o m p o s i t i v ea n a l y s i s ，b r i n g sab r a n - n e w w a ya n dp a r e m t h i sp a p e r ，a tf i r s t ，i n t r o d u c e sa p p l i c a b l ea c t u a l i t ya n ds c a r c i t ya b o u tt h ep r e s e n t i n f 0 1 t n a t i o nm a n a g e m e n to fp o w e rn e t w o r k a n da n a l y s e sr e s e a r c b _ f u ld i r e c t i o no f p o w e rn e t w o r ki n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o n s e c o n d l yi tp r e s e n t st h ev i s c ss c i e n t i f i c n o t i o no rm e a n i n g ，a n db r i n g sf o r w a r dt h ev i s u a l i z a t i o nc o m m o np r o c e s sa n d r e s e a r c h f u lc o n t e n t t l l i r d l vt h et e x td i s c u s s e st h ed i g i t a lt e r r a i nm o d e l st h a ti so n eo f b a s i cd a t am o d e l sa b o n th o wt oc o n s t r u c tt h ev i s u a l i z a t i o n a tl a s tc o n i o i n t i n g 血e c o n t o u r sv i s u a l i z a t e dt e c h n o l o g ya n dt h ec r e a t i o no ft h et r i a n g u l a t u e di r r e g u l a r n e t w o r k ，t h ep a p a e rp r e s e n t st h ei m p l e m e n t a lm e t h o do fv o l t a g e sc o n t o u r v i s u a l i z a t i o ni ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，w h i c hb a s e do nt h et r i a n g u l a t u e di r r e g u l a r n e t w o r k a n de m p h a s i z e st h en o n u n i f o r mr a t i o n a lb s p l i n e t 1 1 i se x p e r i m e n t w h i c h i sm a d eo n3 8n o d e ss y s t e mi nz h e j i a n gp o w e rn e t w o r k ，p r o v e st h a tt h ec o n t o u r v i s u a l i z a t i o nc r e a t e s af i r e n e wg r a p h i c sc o n c e p t i o nf o rt h er u n n i n g ，c o n t r o l l i n ga m d m a n a g e m e n ti ne l e c t r i cp o w e rn e t w o r k k e yw o r d s ：g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，d i g i t a lt e r r a i nm o d e l s ，v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i c c o m p u t i n g ，t r i a n g u l a t u e dl r r e g u l a rn e t w o r k , r u n n i n gd a t a , n o n u n i f o r mb a t i o n a lb s p l i n e ， c o n t o u rv i s u a l i z a t i o n i i 浙江大学硕士学位论文基于g i s 电网运行数据可视化的方法与研究 1 - 1 前言 第一章绪论 电网是国家基础设施最重要的组成部分之一，因此如何提高电网的安全性和 经济性是电力供电企业、相关科学研究院研究人员历来关注的焦点。近年来，随 着电网电压等级的提高、工业和民用负荷快速上升、电网及用电设施大幅度增加、 电网变更频繁、电力企业商业化运营模式和方式的逐步实施，使得各项研究工作 又面临着新的挑战。 电网本身就是一个地域特性明显、结构复杂、运行工况复杂的非线性系统， 商业化运营更是无论在广度还是在深度上加强了系统的复杂性，这使得系统监视 和控制的任务变得异常困难。多年来，电力工作者设计和开发出以电子计算机为 核心的各种应用系统以提高电网运行的自动化、信息化水平，成功提高了电网的 生产效率，亦取得了较大的经济效益。 然而，随着电网运行要求的不断提高，数据采集、通讯方式的不断完备，电 网需采集信息量与可采集信息量也迅速增加。这些采集数据不断增加，激化了电 网运行人员信息处理能力和实时信息大海量的矛盾。因此，解决这一矛盾成为当 代电网信息化进程的重要一步。 1 2 电力系统信息化的应用现状 信息技术在电力工业的应用始于6 0 年代初，从生产过程自动化起步，首先 应用在发电厂和变电站的自动控制。到8 0 年代，电力系统信息技术的应用开始 进入专项业务应用阶段，在电网调度自动化、电力负荷预测、计算机辅助设计和 计算机仿真系统等方面取得了巨大的成就。进入9 0 年代后，信息技术应用逐渐 呈现综合化、集成化的趋势，并从操作层向管理层延伸。 虽然我国电力行业的信息化工作发展迅速，但与实际的需求相比，依然存在 着不小的差距，总体来说，有以下三点。 第一，各种应用软件缺乏统一规范，即使在专项业务中也没有能够形成软件 的概念性框架。没有统一规范的应用软件给相互间的通讯和数据共享都带来了很 大的额外负担，成为信息技术综合化应用的最大限制。 第二，在功能方面重查询而轻分析，没有能够充分挖掘属性数据、环境数据 浙江大学硕士学位论文基于g i s 电网运行数据可视化的方法与研究 和电力监测数据的应用潜力。 第三，在人机交互上缺乏有效的互动机制。灵活互动的交互机制可以大大地 提高用户的工作效率，使用户可以更方便地得到分析结果。 这些不足在我国的电力行业应用软件中具有相当的普遍性，而在电网的监控 和管理软件体现得尤为突出。 1 3 电网信息可视化解决方案 9 0 年代初，在寻找能够有效地分析和利用电力系统运行数据，解决信息量 庞大与运行人员处理信息能力有限矛盾的过程中，电力研究工作者发现：可视化 方法，因为其直观的表现手段和强大的数据内部特征洞察能力，在电力系统中应 用前景广泛；而地理信息系统技术，以地理场景作为信息载体、以地理要素作为 数据组织基础，成为可视化技术应用的最佳平台。 1 3 1 科学计算可视化技术及其在电力系统中的应用现状 科学计算可视化( 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 ，v i s c ) 是当前计算机 学科的一个重要研究方向，它研究如何把科学数据，无论是通过计算还是从测量 获得的数值或图像，转换成可视的、能帮助人类理解信息的计算方法。 文献 1 介绍了科学计算可视化的技术和应用状况，并结合电力系统中信息 与数据的特点，提出了可视化技术在电力系统研究中应用的方式和设想。文献 2 6 是国内有关可视化技术在电力系统中具体应用的文章，分别将可视化技 术用于电网操作模拟、配电网的操作票智能生成和配电网的线损计算与管理。实 际上，这些类似的系统还有很多，可视化技术已在我国的电力信息化方面获得了 广泛的应用。但是，通过这些应用系统的实现，也可以发现目前国内的可视化技 术应用大部分局限在实现界面的可视化和通过元件的图形化建模实现可视化操 作。 文献 7 1 9 是国外目前发表的关于科学计算可视化技术在电力系统分析 中应用的比较有代表性的文章。其中6 篇文章是基于电力系统的地理位置接线图 采用可视化技术的，目的都是为了更有效、全面、直观地表示系统的当前状态。 文献 7 1 和采用不同颜色绘制的点表示节点的当前电压值，采用不同宽度的线段 标识线路的潮流，文中关于颜色值与变量数值( 如电压) 之间映射关系的讨论具有 很好的参考意义，同时文中采用的对可视化效果的测试方法也值得借鉴；文献 8 和 1 8 中将电力系统中节点电压的分布看成在整个系统覆盖区域内是连续的，区 域内任意一点电压的数值，根据其离各实际节点位置的距离及对应节点的电压 浙江大学硕士学位论文 基于g i s 电网运行数据可视化的方法与研究 值，采用一定的算法计算，并采用连续变化的颜色值绘制，其结果是整个系统区 域被表示为一幅彩色的等高面图形，使得用户可以对全系统范围内的电压分布一 目了然。文献 9 则重点在于系统动态过程的可视化表示，文中将电力系统的动 态过程类比于一力学系统，如传输线犹如弹簧，发电机犹如被弹簧约束的质点， 发电机和负荷向系统注入的电流好比作用在质点上的作用力，节点电压( 包括发 电机内电势) 的幅值和相角则好比该力学系统中各质点位置相对于原点的距离和 角度。该力学系统在突然出现的外力的作用下，各质点的运动轨迹就代表电力系 统在此扰动下的动态行为。文献 9 由于将系统运行的各主要特征量( 电压、相角 及线路潮流等) 表示在同一画面内，可以较全面地表示电力系统动态过程，其不 足之处是对未经训练的用户而言，采用力学系统类比电力系统的方式并不直观。 相比之下，文献 8 提供的方法更为直观，但由于其实现原理和方法上的问题， 显示效率太低，仅能用于显示潮流结果。通过对其提供的示例程序及对系统进行 测试表明，在一中等规模的电力系统中，计算并显示一幅带等高面效果的系统潮 流图的时间约为2 3 s ，远远不能满足系统动态过程显示的要求。 l3 ，2 地理信息系统及其在电力系统中的应用现状 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是一种决策支持系统， 它具有其他信息系统的各种特点。地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于 其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置及与该位置有关的地物属性信 息成为信息检索的重要部分。在地理信息系统中，现实世界被表达成一系列的地 理要素和地理现象，这些地理特征至少由空间位置参考信息和非位置信息两个组 成部分。以地学要素作为信息组织基础，拥有强大的空间对象管理和分析功能， 成为g i s 的最大特征，同时也决定了g i s 的应用场合和应用前景。随着g i s 及其 相关技术如数据采集、图形采集、空间数据库和计算机图形学等技术的发展，g i s 应用系统的研发和建设成本不断下降，g i s 开始在电力系统中获得越来越广泛的 应用。在第二章2 3 节具体介绍了地理信息系统在电力系统中的应用。 1 3 3 电网信息管理的可视化解决方案 借助于g i s 系统以地理要素为基础的数据组织结构、强大的空间对象管理和 分析功能，加上科学可视化技术高效的数据处理和解释功能，为成功解决大量输 电网信息与缺乏有效地解释这些数据的手段之间的矛盾提供了一条崭新的途径， 减轻了电网运行人员监视和控制的负担。 1 - 4 本文的主要工作与组织结构 本论文首先分析了地理信息系统在电力系统信息化管理中的应用，介绍了当 浙江大学硕士学位论文基于g i s 电列运行数据可视化的方法与研究 前可视化技术中出现的一些新情况、新手段和新方法，然后对构建电力系统运行 数据可视化的基本数据模型数字高程模型进行了讨论，最后提出了基于不规 则三角网的电力系统节点电压等高线可视化的具体实现方法。 本文各章内容安排如下： 第一章绪论介绍电网信息化管理的趋势和电网信息可视化方案，分析了以 g i s 平台为基础的可视化解决方案的研究方向，然后概要介绍了本文所做的主要 工作与组织结构。 第二章介绍了地理信息系统和数字电力系统一些基本概念，分析了地理信息 系统在目前电力系统信息化管理中的应用。 第三章介绍了科学计算可视化的科学概念和涵义外延，提出了可视化的一般 过程和研究内容，并重点介绍了当前可视化技术中出现的一些新情况、新手段和 新方法。 第四章全面讨论了电力系统运行数据的基本模型数字高程模型的概念、 主要表示模型和在实际中的具体应用，着重分析了数字高程模型规则格网模型和 不规则三角网模型之间的异同点与相互转换。 第五章结合可视化等值线技术和数字高程模型中不规则三角网模型的生成 方法，提出了基于不规则三角网的电力系统节点电压等高线可视化的具体实现方 法，重点介绍了不规则三角网的生成方法和非均匀有理样条b 样条曲线插值方 法，并在浙江省3 8 个节点系统进行了简要的模拟，验证了等高线方法为电网管 理、运行、控制和分析提供了一个直观、形象的图象。 第六章总结了本论文的工作，并提出了下一步的研究方向。 4 浙江大学硕士学位论文 基于g i s 电网运行数据可视化的方法与研究 第二章电力系统地理信息化管理 2 1 地理信息系统概述 地理信息系统( 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 ，g i s ) 是2 0 世纪6 0 年代随 着以计算机为核心的信息处理系统技术发展而出现的- - f l 综合信息技术，是以采 集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面( 包括大气层在内) 与空间和地 理分布有关的数据的信息系统，它由计算机系统、地理数据和用户组成，通过对 地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息图表，从 而为人们对地理空间信息的处理、分析和运用提供帮助和服务。一个g i s 软件系 统具备数据输入、数据编辑、数据存贮与管理、空间查询与空间分析、可视化表 达与输出等五项基本功能。 近年来地理信息系统技术发展迅速，其主要动力来自日益广泛的应用领域对 地理信息系统不断提高的要求：另一方面，计算机科学的飞速发展为地理信息系 统提供了先进的工具和手段。当前地理信息系统研究的几个热点问题是： 2 1 1g i s 中面向对象( o b j e c to r i e n t e d ) 技术研究 面向对象技术为人们直接描述物理世界提供了一条适合于人类思维模式的 方法。面向对象的g i s ，已成为g i s 的发展方向。面向对象的g i s 较之传统g i s 有下列优点：( 1 ) 所有的地物以对象形式封装；( 2 ) 以对象为基础，消除了分层的 概念；( 3 ) 面向对象的分类结构和组装结构使g i s 可以直接定义和处理复杂的地 物类型；( 4 ) 根据面向对象后编译的思想，用户可以在现有抽象数据类型和空间 操作箱上定义自己所需的数据类型和空间操作方法，增强系统的开发性和可扩充 性；( 5 ) 基于i c o n 的面向对象的用户界面，便于用户操作和使用。 2 1 2 时空系统( s p a t i o t e m p o r a ls y s t e m ) 传统的地理信息系统只考虑地物的空间特性，忽略了其时间特性。在许多应 用领域中，如环境监测、地震救援、天气预报、电力系统等，空间对象是随时间 变化的，而这种动态变化的规律在求解过程中起着十分重要的作用。近年来，对 g i s 中时态特性的研究变得十分活跃，即所谓“时空系统”。根据处理时间和 有效时间的划分，可以把时空系统分为四类： 静态时空系统( s t a t i cs ts y s t e m ) ； 历史时态系统( h i s t o r i c a ls ts y s t e m ) 浙江大学硕士学位论文基于g i s 电网运行数据可视化的方法与研究 _回溯时态系统( r o l l b a c ks ts y s t e m ) ： 一双时态系统( b it e m p o r a ls ts y s t e m ) 。 2 1 3 地理信息建模系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nm o d e l i n gs y s t e m ) 传统g i s 的空间分析功能对于大多数的应用问题是远远不够的，因为这些领 域都有自己独特的专用模型。目前虽然大多g i s 通过提供二次开发工具和环境来 解决这一问题，如a r c i n f o 提供的进行二次开发的宏语言a m l ，但是二次开发 工具的一个主要问题是它对于普通用户而言过于困难，并且g i s 成功应用于专门 领域的关键在于支持建立该领域特有的空间分析模型。g i s 应当支持面向用户的 空间分析模型的定义、生成和检验的环境，支持与用户交互式的基于g i s 的分析、 建模和决策，这种g i s 系统称为地理信息建模系统。g i m s 是目前g i s 研究的热 点问题之一。g i m s 结合主要有两种途径：( 1 ) 耦合式；( 2 ) 嵌入式。这两种方式 总体上对用户定义自己的专用模型的支持程度还是不够的。目前，g i m s 离支持 实现数据集定义、模型定义、模型生成和模型检验的全过程仍有相当大的差距。 2 1 4 三维g i s 的研究 三维g i s 是许多应用领域对g i s 的基本要求，其主要研究方向包括： ( 1 ) 三维数据结构的研究，主要包括数据的有效存储、数据状态的表示和数 据的可视化； ( 2 ) 三维数据的生成和管理； ( 3 ) 地理数据的三维显示，主要包括三维数据的操作，表面处理，栅格图像、 全息图像显示，层次处理等。 2 2 数字地球和数字电力系统 2 2 1 数字地球的概念 人类社会正在从以物质为核心的时代向着以信息为核心的时代发展。现代信 息技术的发展正深刻地影响着科学技术、经济建设、国防军事和人们日常工作、 生活的各个方面。美国副总统戈尔于1 9 9 8 年1 月3 1 日提出了“数字地球( d i g i t a le a r t h ) ”的概念。它是信息高速公路、国家信息基础设施和空间数据基 础设施概念和技术在更全面、更深刻层次上的发展，也是全球经济一体化、高技 术化、信息化过程中出现的新的思想观念和科学技术动向。数字地球概念的提出 很快引起了许多国家的政界、学术界及产业界的强烈反响和高度重视，也将成为 我国发展信息产业的切入点和机遇。这一观念及其相关科学技术的发展和运用， 6 浙江大学硕士学位论文基于g i s 电网运行数据可视化的方法与研究 将促使人们更深刻地认识人类赖以生存的星球，有助于解决许多迫切的社会经 济问题。 戈尔认为，数字地球是一种能嵌入巨量的地理信息、对我们星球所做的多分 辨率、三维的描述方式。“数字地球”就是应用遥感( r e m o t es e n s i n g ，r s ) 、数 据收集系统( d a t ac o l l e c t e ds y s t e m ，d c s ) 、全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ，g p s ) 、地理信息系统( 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 ，g i s ) 、网络和 多媒体技术、现代通信等高科技手段，收集从地下莫霍面到高空电离层的，覆盖 于地球表面的、全方位的、支持多分辨三维显示的海量地理信息，并使用基于地 理数学模型的高级决策系统，对这些数据进行分析、运算、过滤、重组，以达到 对全球地理及相关人文、社会现象的模拟和仿真，最终实现对人类与地球环境之 间关系的一种精确的、定量的、数字化的描述和表达。 从另一个角度看，“数字地球”也是一个以地球空间信息为基础( 框架) ，嵌 入( 融合) 地球上各种数字信息的系统平台，它将数据的采集、存贮、处理、传输、 通信等融为一体，通过地球数据的信息化手段，最大限度地利用地球信息，处理 和分析整体的地球科学问题，为全球资源、社会生产、环境保护与利用以至教育 提供先进的工具。 随着“数字地球”的概念及其内涵逐步明晰，越来越多的政府机关和行业部 门开始关注这一2 1 世纪信息产业发展的切入点。数字城市、数字铁路、数字矿 区等概念和应用相继出现，运用“数字地球”的概念和技术对传统的信息管理方 式进行变革成为又一次信息革命的基本特征。 虽然与“数字地球”相关的基础理论、高技术开发和应用领域十分广泛，还 需要逐步认识、不断发展，需要全世界几十年的共同努力，但目前许多相关技术 和基础工作已经大体具备或f 在开发。人们认为，构建数字地球所需要的技术和 能力主要包括： 1 统一的数字地球框架和空问数据基础设施。巨量的基础空间数据和表述 地球的空间与非空间数据，首先需要有一个全球统一的基准坐标系，例如w g s 2 8 4 坐标系。为了在统一的基准坐标系中建立数字地球的框架，可以采用全球 定位系统( g p s ) 技术，以提供0 0 1 ”( 相当于1m 的空问分辨率) 或高于0 0 1 精度的空间数据控制基础，并且宜于采用经纬度来表示数字地球表面的目 标。 2 多分辨率对地观测与数字地球覆盖。利用多分辨率、多光谱段的空间对 地观测( 主要是卫星遥感) 技术，动态地获取和处理地球表层的自然形态和人工 7 浙江大学硕士学位论文 基于g i s 电网运行数据可视化的方法与研究 景观数据及其变化。 3 宽带高速网络。数字地球应在因特网上运行。由于数据量巨大，这个网 络应是功能强、效率高的宽带高速网。三维因特网地理信息系统( i n t e r n e twe b g i s ) 技术将起着重要作用。 4 对地球系统的进一步认识。数字地球实现的一项重要基础任务是加深对 地球系统本身的认识，涉及的内容十分广泛，如地球系统的结构、地球系统的起 源和进化、地球系统中的能源、地球化学、大气及太阳系中的地球等。 5 虚拟现实技术。需要发展对整个地球进行无缝拼接，从全球到局部的任 意漫游和放大，构造三维虚拟现实。 可见，在实现“数字地球”这一历史使命的过程中，需要有现代空间信息科 学技术的支撑，其中，三维地理信息系统的研究有重要的意义。 2 2 2 数字电力系统的概念 清华大学卢强院士在“数字电力系统( d p s ) ”一文中写道：“在这里我将提 出数字电力系统( d i g i t a lp o w e rs y s t e m ) 的概念。首先让我们给数字电力系统 一个定义：它是某一实际运行的电力系统的物理结构、物理特性、技术性能、经 济管理、环保指标、人员状况、科教活动等数字地、形象地、实时地描述与再现。” 3 1 。文中，卢强院士描述的数字电力系统( d p s ) 的内容如下： 一电力系统的物理结构( 也即真实结构) ，各组成部件( 单元) 及整体的物理 性能、运行方式和运营策略、管理模式、人员信息等； 电力系统的各个元件、各个网络、各个节点的实时状态变量( s t a t e v a r i a b l e s ) ； _ 各种自动控制装置的动作特性： _ 影响电力系统安全的特殊自然环境； _ 发电厂、变电所的主要设备的健康状态； 经济结构、市场信息、科技管理阶层、技术人员管理信息； _ 环保指标和环保设备投入及运行情况； _ 电力系统的各个环节的实时效率： _ 其它重要的信息，比如人才的信息、科教活动的信息； 浙江大学硕士学位论文基于g 1 s 电网运行数据可视化的方法与研究 由上所述，卢强院士提出的数字电力系统的主要内容集中于电力系统物理结 构中各组成部件及整体的物理性能、运行方式和运营策略、管理模式、人员信息 等各类信息的数字表达及关联展示，这与“数字地球”强调地理信息比较起来， 两者重点是有所不同的。 2 3 地理信息系统在电力系统中的应用 随着国民经济的飞速发展，电力用户对电力的各种需求在不断地提高，城乡 电网也因此进行了大规模的扩张和改进，以往那种主要靠图纸和配电人员的工作 经验对配电线路进行管理和维护的方法，不仅显得落后，还影响了工作效率。地 理信息系统随着计算机技术的迅速发展，为电力建设和管理高效化、自动化、科 学化提供了一种可能，并且在电力系统输、配电线路的设备管理中，需要处理大 量的数据和图纸，这些数据和图纸又与地理位置密切相关，因此可以利用计算机 技术，以地理信息系统为基础，结合电力部门的具体情况研制和开发出输、配电 线路地理信息管理系统。 2 3 1 电力g i s 的一般设计思路 利用g i s 建立电力g i s 管理系统就是充分利用g i s 对地理坐标和空间位置的表 示能力及空间分析能力，将电力输、配电线路的资料及其相关的地理信息以各种 专题形式进行管理、使用，为管理部门提供更加丰富、直观的信息资料和决策依 据。 2 3 2 电力g i s 系统设计原则 ( 1 ) 规范化；分类、代码及地图绘制应严格遵循现有国家标准和行业标准。 ( 2 ) 先进性和普及性；软硬件的配置应具有通用性，可适当超前；系统功能 的设计统筹考虑，有高起点；系统的各级用户界面方便友好，使用图形和汉字， 易于操作和学习。 ( 3 ) 开放性；系统对其他多种应用软件应具有良好的数据接口，利于数据更 新，用户可根据自己的实际需要不断进行扩充，同时系统还应具备良好的升级换 代能力。 2 3 3 电力g i s 的功能设计 电力地理信息管理系统是一个把地理信息与输、配电线路及其设备相结合的 信息管理系统。地理信息主要包含道路、桥梁、河流、建筑物、山地、植被等信 息。电力设备主要包括架空线、电缆线、电杆、开关类( 如负荷开关、隔离开关、 浙江大学硕士学位论文基于g i s 电网运行数据可视化的方法与研究 熔断器、闸刀等) 、配变、箱变、变电所、开闭所、箱变、变、配电所、开闭所 和变电所的内部设备等。电力地理信息管理系统的功能设计主要考虑与以下几方 面结合： ( 1 ) 与s c a d a 实时信息耦合，实现用数字化模拟图版替代传统的手工模拟图 版；对电网的实时运行方式提出优化运行方案和事故情况下的网络重构方案；为 s c a d a 系统提供控制、管理、决策支持：引入实时信息，让电网设备的运行维护 从静态管理转变为动态管理。 ( 2 ) 依据历史数据进行电网现状进行负荷预测，对潜在负荷进行分布统计， 从而描绘出不同地区的负荷预测曲线。 ( 3 ) 线路设计功能中要对设计一施工一运行的不同状态进行描述，实现了智 能化的计算机辅助设计和施工图制作。 ( 4 ) 分路、分区统计计算线损。 ( 5 ) 要为以后的数据更新提供良好的接口，并保证了系统中各种功能的正常 使用。 浙江大学硕士学位论文 基于g i s 电网运行数据可视化的方法与研究 第三章可视化技术及其相关理论 3 1 可视化的科学概念 “v i s u a l i z a t i o n ”一词，来自英文的“v i s u a l ”，原意是视觉的、形象的， 中文译成“图示化”可能更为贴切。事实上，将任何抽象的事务、过程变成图形 图像的表示都可以称为可视化。与计算机有关的如可视化界面( w i n d o w s ) ，可视 化编程( v i s u a lc 抖) 等。但作为学科术语，“可视化”一词正式出现于1 9 8 7 年 2 月美国国家科学基金会( n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ，n s f ) 召开的一个专 题研讨会上。研讨会后发表的正式报告给出了科学计算可视化的定义、覆盖的领 域以及近期和长期研究的方向。 v i s c 报告认为：“可视化是一种上特殊的计算方法，它把数学符号转换为 几何图象或图形，使研究者能够观察它们的模拟和计算过程，并进行交互控制， 科学计算可视化为人们提供了一种发现不可见信息的方法，丰富了科学发现的过 程，给予人类深刻与意想不到的洞察力，从而使科学家们的研究方式发生了根本 的变化”。 可视化技术由来己久，早在2 0 世纪初期，人们已经将图表和统计等原始的 可视化技术应用于科学数据分析当中。随着人类社会的飞速发展，人们在科学研 究和生产实践中，越来越多地获得大量科学数据。计算机的诞生和普及应用，使 得人类社会进入了一个信息时代，它给人类社会提供了全新的科学计算和数据获 取手段，使人类社会进入了一个“数据的海洋”，而人们进行科学研究的目的不 仅仅是为了获取数据，而是要通过分析数据去探索自然规律。传统的纸、笔可视 化技术与数据分析手段的低效性，己严重制约着科学技术的进步。随着计算机软、 硬件性能的不断提高和计算机图形学的蓬勃发展，促使人们将这一新技术应用于 科学数据的可视化中。 现在，可视化不仅指计算结果的可视化，还指计算过程的可视化；不仅包括 科学计算可视化即数据可视化，还引深为信息的可视化。 3 2 科学计算可视化的意义 早期，由于计算机软、硬件技术水平的限制，科学计算只能以批处理方式进 行，而不能进行交互处理，对于大量的输出数据，只能用人工方式处理，或者用 绘图仪输出二维图形。这种处理方式不仅效率低下，而且丢失了大量信息。而近 年来，随着计算机应用的普及和科学技术的迅速发展，来自超级计算机、卫星遥 浙江大学硕士学位论文基于g i s 电网运行数据可视化的方法与研究 感、c t 、天气预报以及地震勘测等领域的数据量越来越大，但由于没有有效的处 理和观察理解手段，科学家们和工程师们惊呼“我们可以做的仅仅是将数据收集 和存放起来”。再者，随着科学的发展，对传统的实验设备和实验精度的要求也 越来越高，这直接导致了传统实验方法的实验费用的持续增长。另一方面，由于 计算机技术的高速发展，使得计算成本不断下降，计算精度和速度不断提高。这 使得对复杂问题的数值模拟成为一种更直接、更有效的方法。而三维大规模数值 模拟可产生上百兆、上千兆的大量数据，我们已无法用传统的方法来理解大量科 学数据中包含的复杂现象和规律。因此，科学计算可视化技术已经成为科学研究 中的必不可少的手段。它是科学工作者以及工程技术人员洞察数据内含信息，确 定内在关系与规律的有效方法，使科学家和工程师以直观形象的方式揭示理解抽 象科学数据中包含的客观规律，从而摆脱直接面对大量无法理解的抽象数据的被 动局面。 实现科学计算可视化技术的意义重大，具体来讲有以下几点： ( 1 ) 大大地加深了人类对数据的理解和利用，使人们观察到在传统的科学 计算或工程设计中难以观察到的现象和规律。帮助人们分析揭示复杂数据之间的 内在联系，或者以可视化的方式来理解那些不可视的数据，以及把握处理过程中 的数据变化动态地显示出来。 ( 2 ) 大大加快数据的处理速度，使目前每日每时都在产生的庞大数据得到 有效的利用。 ( 3 ) 实现人与人和人与机之间的图像通讯，而不是目前的文字或数字通讯， 从而使人们观察到传统方法难以观察到的现象和规律。 ( 4 ) 使科学家不仅被动地得到计算结果，而且知道在计算过程中发生了什 么现象，并可改变参数，观察其影响，对计算过程实现引导和控制。 ( 5 ) 可提供在计算机辅助下的可视化技术手段，从而为在网络分布环境下 的计算机辅助协同设计打下了基础。 总之，科学计算可视化技术的发展将使科学研究工具和环境进一步现代化， 从而使科学研究的面貌发生根本性的变化，具有极为重要的意义。 3 3 科学计算可视化的过程和研究内容 在科学研究领域，研究的主要目的是理解自然的本质。科学家要达到这个目 的，要经过从观察自然现象到模拟自然想象并分析模拟结果的过程。在分析实验 1 2 浙江大学硕士学位论文基于g i s 电网运行数据可视他的方法与研究 结果的过程中，可视化是一个十分重要的辅助手段。可视化的过程一般分以下四 个步骤： ( 1 ) 过滤：对原始数据进行预处理，可以转换数据形式、滤掉噪声、抽取 感兴趣的数据等； ( 2 ) 映射：将过滤得到的数据映射为几何元素，常见的几何元素有：点、 线、面图元、三维体图元和更高维的特征图标等； ( 3 ) 绘制：几何元素绘制，得到结果图像； ( 4 ) 反馈：显示图像，并分析得到的可视结果； 可视化的上述四个步骤是一个周而复始的循环迭代的过程。由于研究人员并 不知道原始数据集中那些部分对分析更重要，得靠实践探索，因此整个分析过程 是一个反复求精的过程。 3 4 科学计算可视化处理的数据 科学计算可视化技术处理的对象是科学数据，这些科学数据的来源是多种多 样的，数据中包含的科学规律和现象有很多。这些科学数据都是离散的采样数据， 它们有很多属性，主要有：来源、维数、定义域的维数、组织形式、时间特性及 数据量等等。其中数据的时间特性表示数据是否与时间相关，是否表示随时间变 化的物理现象；数据的维数表示标量数据、向量数据及高维的张量数据等；数据 定义域的维数分为一维、二维、三维数据等；数据的组织形式分为有网格数据和 无网格散乱数据，有网格数据的组织形式也不一样，图3 - 1 给出了一些二维网格 的组织形式。 雕熙 ( a ) c a r t e s i a n( b ) r e g u l a r ( c ) r e c t i l i n e a r ( e ) b l o c ks t r u c t u r e d s t m c t u e r d ( g ) s c a t l e r e d 图3 - 1 数据场网格分类 浙江大学硕士学位论文 基于g i s 电网运行数据可视化的方法与研究 3 5 科学计算可视化的方法 3 5 1 二维平面数据场的可视化方法 二维数据场是科学计算可视化处理的最简单的一类数据场，二维数据场是在 某一平面上的一些离散数据，可看成定义在某一平面上的一维标量函数 f = f ( x ，y ) 。二维数据场可视化的方法主要有颜色映射法、等值线、立体图法和 层次分割法等。 3 5 1 1 颜色映射方法 可视化系统中，常用颜色表示数据场中数据值的大小，即在数据与颜色之间 建立一个映射关系，把不同的数据映射为不同的颜色。在绘制图形时，根据场中 的数据确定点或图元的颜色，从而以颜色来反映数据场中的数据及其变化。 3 5 1 2 等值线方法 所谓等值线是由所有这样的点，y 1 ) 定义，其中f ( x l ，m ) = 曩( f 为一给定 值) ，将这些点按一定顺序连接组成了函数f ( x ，y ) 的值为f 的等值线。常见的等 值线如等高线、等温线，是以一定的高度、温度作为度量的。等值线的抽取算法 可分为两类：网格序列法和网格无关法。网格序列法的基本思想是按网格单元的 排列顺序，逐个处理每一个单元，寻找每一单元内相应的等值线段。处理完所有 单元后，自然就生成了该网格中的等值线分布。网格无关法则通过给定等值线的 起始点，利用起始点附近的局部几何性质，计算等值线的下一点；然后利用计算 出的新点，重复计算下一点，直至达到边界区域或回到原始起始点。网格序列法 按网格排列顺序逐个处理单元，这种遍历的方法效率不高。网格无关法则是针对 这一情况提出的一种高效的算法。 3 5 1 3 立体图法和层次分割法 立体图法就是以一个立体图形来显示平面数据场，因为将平面数据场的数据 转换为高度，从整体上可以看成三维图形。使用立体图方法显示，可以用多种方 法拟合数据场，如：三角面片、曲面逼近等，曲面逼近会产生更好的效果。但由 于数据场的密度较大，完全可以使用三角面片模型来显示整个数据场。在显示中， 可以采用法向量插值来消除m a c h 效应，使用多光源来增强立