（电力系统及其自动化专业论文）电力系统安全性分析综合可视化系统.pdf

a b s t r a c t a st h es c a l eo ft h en e t w o r ki se x t e n d i n g ，m o r ea n dm o r ed e v i c e sh a v eb e e nu s e d ， a n dt h ei n f o r m a t i o no fp o w e rs y s t e mc o l l e c t e db yt h ec o l l e c t o r si s g e t t i n gr i c h e r ， w h i c hm a k e st h eo p e r a t o r sh a v et oh a n d l ew i t hm o r ea n dm o r ed a t a s o ，h o wt od e a l w i t ht h ed a t at om a k ei tb eu s e df a s ta n de a s i l yh a sb e e nc o n s i d e r i n gal o tr e c e n t l y t h i sp a p e rd e s i g n sa n dp r o g r a m sav i s u a l i z a t i o ns y s t e mo fp o w e rs y s t e ms e c u r i t y a n a l y s i sb a s e do nt h ev i s u a l i z a t i o ni n s 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 y f i r s t l y , a n a l y z e st h ed e m a n do ft h ev i s u a l i z a t i o ns y s t e mi nd e t a i l ；c o n f i r m st h ef u n c t i o n a l c h a r a c t e r i s t i co ft h ev i s u a l i z a t i o ns y s t e m s e c o n d l y ，d e s i g n st h es t r u c t u r eo ft h e v i s u a l i z a t i o ns y s t e m ，u s i n gp l a t f o r ma n dp l u g i n ss t r u c t u r e ：t h ep l a t f o r mp r o v i d e s f i g u r ea n dd a t as u p p o r t i n gt h ep l u g i n s ；t h ep l u g - - i n sa c c o m p l i s hd i f f e r e n tc o m p u t i n g a n da n a l y z i n gf u n c t i o n s ：t h i r d l y , a c c o m p l i s h e sd a t am a n a g e m e n ta n dp l u g - i n s m a n a g e m e n tf u n c t i o n s ，b a s e do no b j e c to r i e n tt e c h n o l o g ya n dc o mt e c h n o l o g y , a n d d e f i n e st h ei n t e r f a c e sb e t w e e nt h ep l a t f o r ma n dp l u g i n s f o u r t h l y , d e s i g n st h eo v e r a l l s t r u c t u r eo ft h es e c u r i t yr e g i o np l u g - i n f i n a l l y , d e s i g n st h es t r u c t u r eo ft h es e c u r i t y c h e c kp l u g - i n ，p r o p o s e sa ni m p r o v e ds e c u r i t yc h e c km e t h o db a s e do nt h es t e a d y s t a t es t a b i l i t ym a r g i nc o e f f i c i e n t , a n dm a k e st h ec o m p u t i n gs p e e df a s t t h ea d v a n t a g eo ft h i sv i s u a l i z a t i o ns y s t e mi s u s i n gp l a t f o r ma n dp l u g i n s s t r u c t u r et om a k eg r a p hd i s p l a y , d a t am a n a g e m e n t , c o m p u t i n ga n a l y s i sa n dr e s u l t s v i s u a l i z a t i o nw o r k i n gs e p a r a t e l y u s i n gt h i ss t r u c t u r ec a n ，o no n eh a n d ，d i v i d e st h e p r o g r a m m i n gw o r ki n t op i e c e s ；m a k ed i f f e r e n tp l u g - i n sb ep r o g r a m m e da n dt e s t e d a l o n e ，o nt h eo t h e rh a n d ，a v o i dr e p e a t i n gp r o g r a m m i n g ，s ot h a tt h ep u b l i cf u n c t i o nc a n b ea c c o m p l i s h e di nt h ep l a t f o r m c e r t a i n l y , u s i n gt h i ss t r u c t u r ec a na l s op r o v i d ea p o s s i b i l i t yf o rat h i r d p a r t ys o f t w a r et ou s et h ep l a t f o r m a sl o n ga sp r o g r a m m i n ga p l u g - i nc o n f i r m i n gw i t ht h ei n t e r f a c e sb e t w e e nt h ep l a t f o r ma n dp l u g i n s ，t h ep l u g i n c a n u s ea l lt h er e s o u r c e st h ep l a t f o r mp r o v i d e d t h ev i s u a l i z a t i o ns y s t e mh a sb e e na p p l i e da tt i a n j i ne l e c t r i c a lc o n t r o lc e n t e r t h e r e s u l ts h o w st h a tt h ev i s u a l i z a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e dr e a s o n a b l e ，a n dc a ns a t i s f yt h e p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：v i s u a l i z a t i o n ，p l a t f o r m ，p l u g - i n ，s e c u r i t yr e g i o n ，s e c u r i t yc h e c k 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： 签字日期：江刀 年6 月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞盗盘堂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) 学位论文作者签名： 王术够 签字日期：2 卯、p 年f 月弓日 导师签名：且扒 签字日期：汐吖年占月乒日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 长期以来，电力系统的安全与稳定问题一直是研究人员关注的焦点。尤其是 在当今社会，随着人们生活水平的提高和经济的发展，对电能供应的可靠性与安 全性也提出了越来越高的要求。现代电力系统，以超高压、长距离输电、大容量 机组、大范围互联和大容量的区域间交换为显著特征，一方面，电力系统一旦发 生安全稳定事故，波及的范围更加广泛，危害性也越来越严重，不仅会造成巨大 的经济损失，而且会破坏社会稳定，甚至会危及国家安全：另一方面，系统规模 的扩大、新技术和新设备的不断引入，也使得安全稳定问题更加错综复杂。在电 力系统安全稳定性研究方面，虽已取得了诸多成果，但是探索更有效的分析方法， 深入认识电力系统安全稳定问题的本质和机理，以及寻求合适的控制策略以提高 系统的安全稳定性水平，防止出现大范围停电事故，则始终是广大电力科技工作 者的重要任务。 近年来，我国电力系统建设不断发展，电网规模不断扩大，投入使用的电力 设备越来越多，电网结构和运行方式日趋复杂，为保证电力系统能够提供安全、 优质的电能，需要更多高效、稳定、可靠的系统和软件来监控、分析电力系统的 运行。当今电力系统正面临着这样的矛盾：数据的采集能力不断提高，数据量越 来越大，但是缺乏有力的工具对这些数据进行科学深入的研究与分析，从中挖掘 隐藏在数据背后的深层信息。美加“8 1 4 ”大停电事故中，运行人员的长时间无作 为向人们提出了强化电力系统的可观测性，以帮助运行人员准确判断系统安全状 态，从而做出正确的控制决策的要求。 随着计算机软、硬件的迅速发展而产生的科学计算可视化技术，目标正是为 了解决巨量数据处理和信息综合表示等问题。可视化技术融合了图形学、图形处 理、数据管理、计算机网络等相关领域的技术，提供了一种直观、高效、友好和 方便的人机交流手段，在科学和工程领域得到了广泛的应用。电力系统领域也越 来越多的采用了科学计算可视化技术。采用可视化技术来绘制、重现电网图以及 显示计算结果，信息一目了然，方便工作人员直观快捷的执行相关操作。可视化 作为一种能把大量数据转换成直观的图形和图像的手段，已经成了电力系统安全 性分析研究的一个重点。 第一章绪论 1 2 科学计算可视化 近年来，计算机和信息网络技术飞速发展，科学计算可视化技术也随之兴起。 鉴于它信息显示直观的优点，科学计算可视化技术从一出现就受到了工程界和学 术界的广泛关注，各行各业的都兴起了对科学计算可视化的研究。目前，科学计 算可视化技术已经广泛应用于学术界和工业界。 1 2 1 科学计算可视化技术概述 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 ) ，又称可视化技术，是 发达国家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。1 9 8 7 年2 月， 美国国家科学基金会在华盛顿召开了有关科学计算可视化的首次会议，与会者有 来自计算机图形学、图像处理以及从事不同领域科学计算的专家。会议认为将图 形和图像技术应用于科学计算是一个全新的领域【l q j ，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的变化，而这些 都需要借助于计算机图形学及图像处理技术”。会议将这一涉及到多个学科的领 域定名“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 ”，简称“s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n ”，这 标志着科学计算可视化作为一门新兴学科和技术领域的诞生。 可视化的基本含意是将科学计算中产生的大量非直观的、抽象的或者不可见 的数据，借助计算机图形学和图像处理等技术，用几何图形和色彩、纹理、透明 度、对比度及动画技术等手段，以图形图像信息的形式，直观、形象地表达出来， 并进行交互处理。它融合了计算机技术中的多个分支图形学、图像处理、数 据管理、网络技术、人机界面，并和相关的应用科学领域相结合，利用现代计算 机强大的计算和图形处理能力，迅速处理大量数据并以直观的方式而不是以冗长 的数据列表形式表现出来，从而便于深入洞察试验或仿真数据，捕捉它们之间的 内在关系和提高信息的利用效率。作为研究工具，它提供了对数据和模型的操纵 能力，研究者能够方便地调整科学模型和参数，使它们迅速逼近物理真实。可视 化技术的应用从医学图像到遥控图像，从工业检测到文件处理，从毫微米技术到 多媒体数据库，不一而足。可以说，需要人类视觉的场合几乎都需要可视化技术， 它已成为现代科学发现和工程设计以及决策的强有力的工具。 1 2 2 科学计算可视化的国内外应用现状 科学计算可视化的提出引起了学术界与工程界的巨大反响，短短十几年科学 计算的可视化就获得了十分迅速地发展，成为一个非常热门的研究方向。作为计 第一章绪论 算机技术的综合应用，它集合了科学数据与模型的管理与表示、数据处理、科学 过程仿真等功能于一体，是辅助科学研究及工程应用的有力手段，使得人们在科 学研究中能更多专注于创造性的思维活动，进而提高科学研究的效率。 随着科学计算可视化技术的发展，它的应用面不断扩大。科学家们在计算流 体动力学、有限元分析、气象学、海洋学、医学、分子生物学、材料学、环境保 护与非线性科学等领域已经开展了很多研究，并且取得的一定的成果。可视化技 术在这些领域中的应用有着不同的侧重面。有些侧重于数学模型与仿真，有些侧 重于采集数据的处理与表示，有些则兼而有之。这些应用的共同特点是数据量很 大。传统的计算机辅助工具往往只注重某一方面的功能，而不是能够满足科学研 究各方面要求的集成工具，难以适应这些科学领域的发展以及计算机在这些领域 应用水平的提高。可视化技术克服了传统工具的弱点，因而得到了比较快的发展。 近十年来，在美国、德国、日本等发达国家的著名大学、国家实验室及大公 司中，科学计算可视化的研究工作及应用实验十分活跃，其技术水平正在从后处 理向实时跟踪和交互控制发展，并且已经将超级计算机、光纤高速网、高性能图 形工作站及虚拟现实四者结合起来，体现出这一领域技术发展的重要方向。 我国学者自2 0 世纪9 0 年代初开始进行科学计算可视化技术的研究，取得了丰 硕的研究成果。从1 9 9 1 年起，我国将科学计算可视化的研究列为了国家自然科学 基金重点项目，8 6 3 高技术项目及用户委托的应用项目。先后对规则数据场的体 绘制算法、面绘制算法、非规则数据场可视化、散乱数据可视化、科学计算可视 化的并行算法、三维复杂模型的多分辨率的表示等问题进行了研究并将其应用于 气象数据、医学数据及石油勘探数据的可视化。 科学计算可视化技术目前仍然处于发展阶段，但是它的目标和前景都是明确 的。它应该是集科学数据与模型的管理与表示、数据的处理、科学过程的仿真等 功能于一体的科学研究及工程设计用的计算机辅助工具。它除了承担计算与分析 任务外，还要执行数据图形化等其它的信息加工、信息管理的共作，使得人在科 学研究中的脑力劳动强度降低，能够更加关注于创造性的思维活动，提高科学研 究的效率。 1 2 3 科学计算可视化系统的典型构成1 4 】 目前多数科学计算可视化系统是基于数据流模型的系统。系统有多个模块组 成，每一模块接受一定格式的数据输入，对数据加工后以一定格式输出。一个处 理过程也就是数据在模块间传递的过程。模块可以组织成线性连接的，也可以组 织成分支和汇合形式的。一个典型的科学计算可视化系统通常包含这样一些模 块： 第一章绪论 l 、数据输入与输出 这个模块进行可视化系统与外界( 数据采集装置、其他科学可视化系统或计算 机信息系统) 之间的数据交换。它必须支持各种格式的科学数据，有能力对它们 进行转换。 2 、数据存取 这个模块执行数据的保存和读取。它应该支持共享访问和分布存储，以解决 数据共享和大数据量的问题。 3 、数据操作 在这个模块中进行大部分的数据加工。如数据标准化、滤波、平滑、网格定 位、坐标变换、线性变换、几何变换、分段、特征识别、抽取和增强等等。 4 、可视化技术 这个模块实现从科学数据到可视图像的映射，需要应用各种数据表现形式和 绘制方法。这个模块的输出数据形式是图形绘制原语，以支持数据交换和系统移 植。 5 、基本图形系统 此模块执行图形绘制原语，生成屏幕图像。 6 、用户界面 这个模块的主要功能是进行用户与可视化系统的交互，为用户提供操作方便 的友好界面。 7 、命令解释 这个模块对用户的命令进行解释和组织，形成控制数据，对系统中的各个模 块进行控制。 1 3 可视化技术在电力系统中的应用 1 3 1 可视化技术应用于电力系统研究领域的意义 电力系统运行状态可视化( v i s u a l i z a t i o no f p o w e rs y s t e mo p e r a t i n gs t a t e ) 是指 利用可视化技术将系统运行状态以图形或图像方式予以显示，以使系统运行人员 更方便、更直观地了解当前系统的运行状态，以便其采取的运行控制措施更有效、 更有针对性【5 1 。随着经济的发展，对电力的需求越来越大，对电力系统运行安全 性的要求也越来越高，这些都使得对电力系统运行状态可视化研究的要求越来越 迫切，主要体现在以下几点： l 、系统往往运行在稳定极限附近 4 第一章绪论 出于经济性的考虑，目前电力系统一般都运行于稳定极限附近。这就要求系 统运行人员对出现的问题快速反应，否则可能造成严重的经济损失，后果难以想 象。采用可视化技术可以将各种信息直观的进行表达，有利于运行人员了解电力 系统当前的运行状况，快速应对系统运行过程中出现的问题。 2 、系统运行数据量庞大 随着电力建设的不断完善，数据的采集能力不断提高，数据量越来越大，加 之各种e m s 高级应用软件的不断完善，各种分析计算结果源源不断的产生，运行 调度人员要处理的数据规模日益庞大。采用可视化技术，可以提炼系统运行的关 键信息，把运行调度人员从海量的数据中解放出来，有利于提高工作效率。 3 、系统规模庞大，运行方式众多 随着我国电力系统建设的不断发展，电网规模不断扩大，投入使用的电力设 备越来越多，电网结构和运行方式日趋复杂，为保证电力系统能提供安全、优质 的电能，需要更多高效、稳定、可靠的系统和软件来支持、监控电力系统的运行。 4 、电力规划中可行方案众多 在电力系统规划过程中，需要产生若干可行方案，并从中选出最优方案。一 般情况下，可行方案往往很多，对每一方案都要进行经济性和安全性分析，给出 许多数据供设计者比较，这样就要求处理和表现大量的信息。采用可视化技术， 可以帮助规划人员在众多可行方案中选出最优方案。 综上所述，尽管可视化技术还处于发展中，但许多成功的应用表明，采用可 视化技术提高了信息处理的效率。电力系统作为一个复杂的大系统，利用计算机 进行分析和研究是必不可少的手段，应用可视化技术将有助于电力系统的研究和 发展。 1 3 2 可视化技术在电力系统中的应用 电力科学作为一门工程科学，正面临着这样的问题：电力系统的发展趋势是 电网的大范围互联，而数据采集能力的进步使上传到系统调度控制中心的数据在 数量和类型上变得较以往丰富得多，这既是电力工业发展的必然结果，也是必须 面对与解决的问题。数据量的增加使得运行调度人员需要处理的数据规模日益庞 大。数据量大、复杂性高、变化频繁，数据的这些特点直接影响到软件的数据表 达效率，可能导致信息过载并致使系统处理失当。将图形技术引入到电力系统的 软件开发中，建立和维护电力系统网络拓扑，通过图形界面分析和表达数据，对 解决电网数据信息不断增多，拓扑结构经常变化的问题可以起到很大的作用。 目前，一些基于可视化技术的电力系统软件已经应用于实际工作中。如：美 国o t i 公司的e t a pp o w e r s t a t i o n 、加拿大的p s c a d e m t d c 、n a t i o n a li n s t r u m e n t s 第一章绪论 公司推出的l a b v i e w ，以及美国伊利诺斯大学开发的电力系统可视化仿真软件包 p o w e r w o d d n ”等等。国内在可视化的电力系统软件研究方面同样也有一些成果， 如中国版b p a 电力系统分析程序、南京自动化研究所研制开发的o p e n 2 0 0 0 和东方 电子研制开发的d f l 7 0 0 、d f 8 0 0 3 等，此外还有各种科研院所、企业为了特定的 目的所开发的一些基于图形化界面的应用软件。天津大学在电力系统可视化研究 方面也做了一定的工作，取得了一定的研究成果。如：提出了实用动态安全域可 视化方法以及基于割集功率空间的静态电压稳定域局部可视化方法等。从目前主 要的研究成果看，可视化技术主要被用于显示电网连接关系、系统的运行数据、 高级计算分析软件结果数据以及重要设备运行状态等等。 1 、表示电网连接关系的各种图纸的可视化 电力系统是一个庞大复杂的系统，无论是信息的覆盖面、深度、广度等都是 一般系统无法比拟的。电力系统中的发电机、变压器和输电线路等电力设备众多， 设备之间的连接关系复杂，因而用于反应这些设备之间连接关系的电力系统接线 图众多，如发电厂变电站的主接线圈、发电厂变电站保护接线图以及系统网络 连接关系图等等。图i 一1 是某发电厂的电气主接线图，图中使用不同颜色来表示 不同电压等级的母线。 图】- 1 发电厂电气主接线图 2 、系统实时运行数据可视化 第章绪论 电力系统在运行中产生了大量诸如电压、功率等反映电力系统运行状态的运 行数据，将这些系统运行数据咀图形的方式展现在可视化界面上可阻为运行规划 人员提供直观的判断依据。电力系统运行数据主要分为节点数据和支路数据，其 巾节点数据主要包括节点电压、相角、负荷、节点电价等，支路数据主要包括支 路潮流、支路负载率等。 目前已有很多文献对如何将这些数据通过二维或三维可视化手段表达进行 了研究。对于节点运行数据的可视化方法有柱状图法、等高线法等”聃】。节点电 压拄状图是使用柱状图直接显示节点电压幅值的一种方法。柱状图的底端表示电 压下限，柱状图的顶端表示电压上限( 通常电压下限取o9 ，电压上限取】”。 将节点电压幅值归化( 当前数值额定值) 使用不同填充色表示电压当前值。 这种方法可咀清楚、直观的反映出每个节点电压的越限情况，但是当系统规模很 大时，显示效果般。基于t i n 模型的电力系统节点运行数据等高线可视化方法 很好的克服了这- n 点，能够为电网运行人员提供一个全局、宏观的信息，从而 提高了监控系统对大电网放障的预警能力。电力系统中应用等值线法显示电压 时，首先遇到的一个问题是节点电压数据并不是连续分布的，解决这个问题的 方法是电犍虚拟的数据来扩展二维等值区域，例如可引入附近数据点的加权平均 值。一旦创建好虚拟数据后，就可以用颜色表把数值和颜色联系起来，然后在地 理接线图上进行着色。 图1 2 等高线、线路潮流圆饼及动画箭头显示效果图 第一章绪论 支路潮流数据的显示主要分为对支路有功潮流、无功潮流以及线路负载率的 显示。有功、无功潮流可咀使用沿着线路流动的箭头图来表示：箭头的方向代表 潮流的方向：箭头的太小代表潮流的大小，潮流越大，箭头越大：使用不同颜色 的箭头分别表示有功潮流和无功潮流。线路的负载率可以使用饼图来表示：使用 饼图中扇形区域的大小表示线路负载率的大小扇形区域越大，线路负载率越高。 图1 2 给出了电压等高线和线路潮流饼图及动画箭头显示效果图。 3 、高级计算分析软件分析结果可视化 随着电力系统的发展，各种电力系统分析软件不仅仅局限于提供数据形式的 分析结果，在图形可视化方面也做了许多工作。可视化技术在这一领域的应用可 以使计算结果的表达更加直观、清晰。这类应用按照显示方式不同主要分为两类： 一是，将计算分析结果以可视化的形式显示在电网拓扑图或者地理接线圈上；二 是，将计算结果显示在独立的视窗中。第一种方法可以将分析计算结果与电网拓 扑连接关系图显示在同一张图上，从而方便用户查看，避免切换图形带来的麻烦。 图l 一3 给出了故障分析结果的三维显示效果，图中以故障所引起的母线低电压和 线路过负荷的幅度来表示故障的严重程度_ l 。 图 - 3 基于故障严重性的可视化 但是对于一些高级分析软件，其分析结果不易在电网图上直接进行显示，这 时就需要采用第二种方法，为这些分析结果设计符合自身特点的可视化表达方 第一章绪论 法，井将结果在独立的视窗中进行展示。 4 、重要设各运行状态可视化 对于系统中的重要设备，如发电机和变压器实时监测它们的运行状态十分 重要。这些设备的实时负荷能力以及是否和允许长时间的过载等信息是运行调度 人员所关心的。实现设备运行状态可视化的基本思路是：从实时数据库中提取出 详细的设备运行模型，例如从s c a d a 中提取发电机或变压器的实时电热模 型，从中可以得到诸如变压器温度、损耗和动态负荷等信息，然后将这些信息进 行可视化。 图l - 4 画出了发电机的相量图和运行区域图，随着实时数据的更新，图形也 实时刷新，这样就有了一种动画的效果，发电机运行状态的变化趋势一目了然。 在运行区域图上，还给出了发电机的运行轨迹，带圆圈的十字代表当前的运行点， 从中可以清楚地观察到发电机当前的运行状况和运行位置。 焉黑啜墨墨_ _ _ 畦 同鬲蔷币鬲鬲i i 而面i 再而 p ：厂一m wq = 广m s , t h - ! ! ! ! 竺! 堕! 圈1 4 发电机的相量图和运行区域曲线 借助于c a d ( 计算机辅助设计) 软件，还可构造设备的三维模型，这个三维 模型阻一种标准文件格式从c a d 软件中导出，该文件包含了设备的尺寸、材质 等特性，并且材质特性可以与设备的温度、磁场等信息相联系，通过这个三维模 型可以对设备的分布参数，例如磁场、温度等，进行可视化。图1 5 使用变压器 的三维模型来描述其温度的分布信息。 第章绪论 图】- 5 使用三维模型描述变压嚣的温度分布 可视化技术融合了图形学、图象处理、数据管理、计算机网络和其它相关领 域的技术，可以解决巨量数据的处理和信息的综合表示问题提高信息的利用效 率。体现数据分析的高效性和直观性，因而在电力系统研究领域得到了广泛的应 用。 1 3 3 现有可视化技术存在的主要问题 随着各种分析软件在电力系统中各个领域更深入广泛的应用，用户的需求也 逐步向着更细致、全面的方向发展，不仅要求可靠性，还要求实用性、经济性， 同时系统需要便于维护升级，于是原来开发的许多软件受开发时技术及需求不足 的限制，在后续的软件升级与功能的完善、增补过程中暴露出一些新的问题，主 要表现在阻下几个方面： l 、软件升级维护困难 各类软件受自身特定应用需求的限制，在搭建软件框架时，考虑到技术、时 间等各方面因素的限制，往往只做到符合当时的需求采用了成熟却相对保守的 开发技术。因而随着应用的深入，软件在功能扩展时就受到框架的限制，对软 件的可持续发展造成了很大影响复用性较差，难以与其它软件集成。 2 、软件的数据结构设计不合理 在设计软件数据结构时往往没有对未来的需求进行长远的考虑，仅仅针对当 时的需求设计数据结构，这样给后续程序开发工作带来麻烦。比如：当进行电力 第一章绪论 系统网络拓扑图形显示程序开发时，有两种数据存储方式：一是将图形与拓扑集 为一体，同时建立并存储在同一个数据结构中；二是先建立网络图形，再定义拓 扑关系，将图形数据与拓扑数据分离。显然，第一种方法拓扑关系与图形关系紧 密，虽然拓扑形成迅速，但是拓扑结构相对固定，不易用多个图形表达同一拓扑。 而第二种方法拓扑关系独立，易于实现多图显示。 3 、图形显示功能单一 可视化系统通常应该能够绘制各种各样的图形，包括系统电气地理接线图， 系统一次主接线图，保护配置图，定值配合图，阻抗图( 序网图) 等，而现有软 件往往图形绘制种类单一，显示方式较少。即使能够显示几种不同的图形，图形 之间也通常没有相应的联系，不能满足用户的需求。 4 、数据管理及表达功能不强 首先，数据在归总、分析和分类后，需要软件集成统一管理，但现有软件应 用的专业性强，对数据的取舍不同，存储与管理的方式不一致，使得数据之间缺 乏流通性，无法共享。其次，数据经过分析处理后，需要在图形界面上加以表达， 现有软件通常只能显示图形或固定的重要数据，用户无法自主选择显示内容。 5 、图形编辑功能薄弱 现有不少软件的图形输入途径有限，绘制方式复杂繁琐。与a u t o c a d 等通 用图形软件相比，在功能的完善性与可靠性的处理上，存在不少差距。作为符合 电力系统操作惯例的专业应用软件，图形化界面还需向着更合理，更友好，更人 性化的方向发展。 由此可见，随着需求的发展，应用的深入，基于图形界面的软件系统的规模 将越来越庞大，结构越来越复杂，其功能也要求更为强大丰富，实用有效。应用 面向对象技术，c o m 技术和软件工程思想，解决上述提到的电力系统软件中的 问题是完全可能的。构造实现一个电力系统通用平台，将会为解决目前电力系统 图形软件进一步发展所遇到的问题开辟新的坦途。良好的架构，通用的平台，强 大的复用扩展能力，将对基于图形应用的电力工业软件能力的提高发挥重要的作 用。 1 4 本文所做的主要工作 本文设计了一套适用于电力系统安全性分析的综合可视化系统，并完成了部 分开发工作，在天津电力公司调度通信中心得到应用，主要工作包括： 1 对综合可视化系统的功能需求进行了详细的分析； 2 结合系统的需求分析，设计了电力系统安全性分析综合可视化系统的整体结 第一章绪论 构，即采用平台和插件的两级结构。平台完成图形显示、公用数据管理等功 能，插件则完成计算分析及其相关功能。 3 基于面向对象技术和组件化技术，使用c + + 语言开发平台，实现数据管理和 插件管理功能，并定义平台与插件之间的接口规范。 4 设计割集电压稳定安全域插件的结构，将割集电压稳定安全域分析与薄弱区 域分析和控制策略分析结合起来。 5 设计安全校核插件的结构，提出基于静态稳定储备系数的安全校核方法的改 进算法，大大提高了安全校核的速度。 1 2 第二章综合可视化系统的设计 第二章综合可视化系统的设计 随着计算机软、硬件技术的迅速发展，图形化环境逐渐得到了广泛的应用。 图形化环境解决了巨量数据处理和信息综合表述的问题，提高了信息的利用效 率，体现了数据分析的高效性和直观性，是当前软件开发的一个趋势。原有的电 力系统计算分析软件中，图形平台一般都是为某一个计算软件所设计的，也只能 被指定的计算软件所使用，当需要设计新的计算软件的时候，还必须重新打造与 之配套的图形平台。这样会造成开发周期长，基础模块重复开发等问题，而且也 不符合组件化的发展趋势。 本文设计的电力系统安全性分析综合可视化系统是为电力系统各种安全性 分析计算软件提供数据支持、图形支持和计算结果图形化展示的综合可视化系 统。在可视化系统设计方面，一方面要考虑到多种数据格式的支持，另一方面也 要考虑到各种电力系统安全性分析计算软件的需求，使系统既通用又易于扩展。 本章首先对系统功能进行了详细的需求分析，然后给出系统的设计方案，最后介 绍系统的特点。 2 1 综合可视化系统的设计原则 电力系统安全性分析综合可视化系统可以为多种电力系统安全性分析计算 软件提供数据管理和图形可视化支持，设计时应遵循如下原则： 1 、稳定性 在设计任何一种软件时，稳定性都是一个首先要考虑的因素，本系统也不例 外。系统的稳定运行是保证各种图形显示功能和计算分析功能得以实现的前提。 要保证系统能够稳定运行，就要设计出一个结构简单、清晰的程序框架，从而降 低系统运行时的不稳定因素，提高系统的稳定性。 2 、可扩展性 可扩展性是指开发者可以在不改变原有功能的情况下方便地增加新的功能 或拓展应用范围。本系统应该具有可扩展性，当需要对系统原有功能进行升级或 者增加新的计算功能时，系统可以方便的进行升级。 3 、开放性 开放性是针对用户而言的，用户能够通过平台提供的接口函数，通过二次开 发，灵活地增加新的计算分析及结果显示功能，从而实现对系统的自我升级。 第二章综合可视化系统的设计 4 、独立性 独立性就是减小图形显示模块与计算分析模块的耦合程度，从而使系统具有 更广泛的适用性。根据软件工程理论，耦合是表示模块之间联系的程度。紧密耦 合表示模块之间的互相联系非常强，松散耦合表示模块之间的互相联系比较弱， 非耦合表示模块之间没有联系。实际上，软件系统的模块间联系是很多的，因此， 本文努力建立松散耦合的系统以降低测试和排错的难度。 5 、易操作性 开发本可视化系统的目的之一就是要把电力系统运行规划人员从复杂的操 作中解放出来，让他们能够方便的对系统进行分析。因而，友好的用户界面、方 便的操作窗口是综合可视化系统应该具备的。要满足系统的易操作性，除了提供 友好的操作界面、添加一些常用的快捷方式外，在界面设计时广泛听取意见也是 必不可少的。 2 2 综合可视化系统的功能需求 为了能够设计出功能全面的综合可视化系统，在进行软件开发之前，应当首 先考虑对系统的功能需求。综合可视化系统的主要功能是为电力系统安全性分析 计算软件提供数据支持和图形支持，最终实现计算分析结果的可视化功能。 图2 1 综合可视化系统的功能需求 如图2 1 所示，数据管理功能、图形功能以及插件管理功能作为系统的基本 功能，共同支撑着计算分析及结果可视化功能的实现。其中，图形功能可以分为 基本图形功能和高级图形功能。基本图形功能主要完成基本图形的绘制，其功能 与常用的绘图软件的功能类似。高级图形功能则结合了电力系统自身的特点和电 力系统安全性分析计算的实际需要，实现了一些电网图绘制时需要的专用功能。 1 4 第二章综合可视化系统的设计 下面对每一个功能进行详细介绍。 2 2 1 基本图形绘制功能 基本图形功能是系统中最基本的功能之一。本系统应具备一般图形编辑软件 所具备的基本绘图功能，主要包括： 文件操作：包括实现图形文件的新建、打开和保存操作。 图形操作：同时打开多张图，并能对该图进行修改、保存、打印等操作。 视图操作：支持图形的缩放操作，通过鼠标拖动还可以在全图内进行漫 游。 图元操作：可以对选定的一个或多个图元进行复制、剪切、粘贴、删除 和移动等操作，某些图元可以旋转、镜像、放大和缩小。此外，支持用 户自定义图元的操作。 块操作：通过鼠标拖动可以选定一块区域，称为一个块。能够实现块的 移动、复制、存储和删除等功能。 连接点自动识别：支持图元连接点的自动识别、捕捉功能。对于线路这 样的线形图元，提供绘图时的“正交”模式，以方便用户绘图。 2 2 2 高级图形显示功能 作为电力系统安全性分析的专用可视化系统，本系统除了具备上述基本的图 形功能外，还应充分考虑电力系统的实际生产需求，设计更为方便、丰富的高级 图形显示功能。 1 、设备参数的查询、修改功能 电网图的元件众多、图形复杂，图形上的元件往往与真实的物理设备相对应， 因而提供设备参数查询的功能十分必要。用户在需要的时候可以直接在电网图上 通过鼠标操作完成对设备属性参数值的查询、修改操作。 2 、设备定位功能 用户输入设备标识后，可以在电网图上高亮显示该设备，从而实现设备的快 速定位。 3 、分电压等级着色 在电网图中，使用不同的颜色对电力系统不同电压等级的母线进行着色，可 以使电网图的表达更加直观。用户可以根据母线的不同颜色，快速、准确的判断 母线的电压等级。 4 、局部自动成图 电力系统具有规模庞大、设备众多、接线复杂的特点，这些特点给绘制电力 第二章综合可视化系统的设计 系统接线图带来了很大困难：一方面，系统接线复杂，绘图时可能出现“漏线路” 的情况；另一方面，系统设备众多，绘图时可能出现“丢设备”的情况。为了避免 上述现象，系统应具备局部自动成图功能。 用户绘图前首先加载一套潮流数据，在绘图时首先绘制母线，系统会在设备 列表中搜寻与该母线连接的电气设备，如：发电机、负荷等，并自动绘制在图纸 上。对于电力线路，如果该线路所连接的两端母线都已经绘出，则该电力线路自 动绘出。局部自动成图技术的应用减少了绘图出错的机会，同时大大提高了绘图 速度。 2 2 3 数据管理功能 电力系统作为一个复杂的大系统，描述电力系统的数据众多，如：描述网络 结构和设备状态的基本潮流数据、描述故障信息的故障集数据、描述割集组成信 息的割集数据等等。这些数据中有些数据是所有计算分析软件共用的，有些是特 定的计算软件需要的。对于那些所有计算软件共用的数据，统一由平台进行维护， 如基本潮流数据，而对于某一个计算软件需要的数据，则由该计算插件自行维护， 比如割集信息数据需要由安全域插件自行维护。 平台对于这些数据提供导入、导出、编辑、保存等功能。用户可以直接打开 一套潮流数据，并在数据窗中对该数据进行查询、修改等操作。值得一提的是， 在数据窗中对设备投运状态或线路两侧开关开断状态的修改会同时反映在电网 图上。 此外，电力系统安全性分析软件众多，这些软件所采用的基础潮流数据格式 各异，这一情况在一定程度上给用户的使用造成了麻烦。当用户想要使用不同的 计算分析软件进行分析时，需要首先通过手工方式或者自行编写程序实现潮流数 据格式之间的转换，这样给用户增加了工作量。而且由于各种潮流数据模型之间 的差异，用户在进行数据格式转换前，必须要熟悉各种计算数据所使用的模型， 这又提高了对用户的要求。本系统为了解决这一问题，提供了各种数据格式之间 的相互转换功能。 p t i 公司开发的p s s e 电力系统分析软件在国外得到了广泛的应用，本课题 组也基于p s s e 3 0 数据【1 1 | ，开发了一系列电力系统分析软件，因而对p s s e 数 据格式的兼容是必需的。目前，国内使用的电力系统分析软件中比较具代表性的 要数综合稳定程序( p s a s p ) 了，因而本系统要支持p s a s p 数据的导入、导出 功能。此外，为保障调度中心内部e m s 数据在稳定分析计算中的有效使用，实 现调度中心之间计算用运行数据的交换和共享，国家电网公司推出了采用e 语言 规范生成的e 格式数据。随着e 格式数据的推广应用，e 格式数据的使用将越来 1 6 第二章综合可视化系统的设计 越广泛。因而，综合可视化系统对e 格式数据的支持显得尤为重要。 2 2 4 插件管理功能 本综合可视化系统拟采用插件的形式，将计算分析功能插入平台中。每个计 算分析模块分别进行独立的开发，最终编译成为一个能够插入可视化系统的插件 ( d l l ) 。采用这种结构可以将平台的开发与计算分析算法的开发分开进行，从 而方便程序的调试，同时，有利于实现计算分析功能的升级。可视化系统通过动 态加载这些插件实现动态的添加各种电力系统安全性分析计算功能。 可视化系统需要具备对插件的管理功能，主要包括插件的注册、卸载、升级 等功能。任何一个插件必须通过注册才能在平台上正常使用。用户完成插件注册 后，平台每次启动时插件会随平台一起启动。如果用户不再需要某一插件，可以 通过卸载操作卸载该插件。当对插件进行升级时，用户只需先卸载原插件，然后 再对新插件进行注册即可。 2 2 5 计算分析及结果可视化功能 计算分析及结果可视化显示功能是本系统的重要功能之一，是在图形功能、 数据管理功能以及插件管理功能的基础上实现的。各个计算分析功能独立成一个 个插件，完成各自的分析计算功能。计算分析所获得的结果通过平台在电网图上 或者在独立的可视化窗口中进行可视化表达。用户可以方便的对计算结果进行查 询，从而了解系统的运行情况。 2 3 综合可视化系统的体系结构 由上节中对可视化系统的功能需求分析可知，综合可视化系统应具备图形显 示、数据管理和计算分析及结果可视化等功能。系统采用平台和插件的两级结构， 将图形显示相关功能与具体的计算分析功能分开，分别在平台和插件中实现。用 户通过平台提供的人机界面对插件进行访问。综合可视化系统的结构示意图如图 2 2 所示。 平台作为可视化系统的基础部分，主要完成图形功能、公用数据管理功能以 及对插件的管理功能。其中，图形功能包括基本绘图功能和高级图形显示功能， 用户通过绘图功能可以绘制电网接线图。公用数据管理功能是指对各个计算功能 所公用的数据进行统一维护，这里主要考虑潮流数据。系统平台可以将潮流数据 通过接口规范传递给各个插件，各个插件仅能读取这些数据，不能对其进行修改。 第二章综合可视化系统的设计 插件管理功能完成各个插件的管理功能，保证用户通过平台提供的人机界面可以 访问插件。 图2 2 综合可视化系统结构示意图 每一个计算分析功能封装成一个独立的插件。插件完成计算分析、计算程序 专用数据的管理以及计算分析结果可视化的功能。计算程序专用的数据需要由插 件自行管理，插件根据自身程序需要，可以将这部分数据提供给平台，但是平台 无权对这部分数据进行修改操作。由于各个计算程序分析结果的差异很大，结果 的可视化表达方法各异，因而计算结果的可视化显示功能应由插件自行实现。平 台为计算插件开放一些接口，使得插件可以访问到电网图上的图元，以保证计算 结