（电力系统及其自动化专业论文）输电网信息管理的可视化解决方案.pdf

塑翌奎兰堕主整垡堡奎 a b s t r a c t e l e c t r i cg r i di so n eo ft h em o s ti m p o r t a n td o m a i n si nt h ep o w e rs y s t e m ，s ot h e a u t o m a t i o nl e v e lo fm a n a g e m e n ti nt h ee l e c t r i cg r i dw i l ld e t e r m i n et h ea u t o m a t i o n l e v e to ft h ew h o l ep o w e rs y s t e m w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h em a n a g e m e n tr e q u i r e m e n t s o fe l e c t r i cg r i da n dd e v e l o p m e n to ft e c h n i q u e ，t h eg a pb e t w e e nw h a tt h eo p e r a t o r s o fp o w e rs y s t e m sa r es u p p o s e dt od oa n dw h a tt h e ya r ea b l et oi sb e c o m i n gm o r ea n d t o o l e l a r g e r b e c a u s eo ft h i s h o wt od e c r e a s et h eg a pi s t h ek e yt oi m p r o v et h e a u t o m a t i o nl e v e lo fp o w e rs y s t e m s t h ea t t t h o ro ft h i st h e s i sm a d et h er e s e a r c hi 魏t h i sd o m a i n 。a n dp r o p o s e dt h e e l e c t r i c g r i d i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t o r i e n t e dv i s u a l i z a t i o ns o l u t i o n ( e g i m 0 v s ) f r o mt h eb u s i cp r o p e r t i e so ft h ei n f o r m a t i o ni ne l e c t r i cg r i d , t h ea u t h o rs o u g h t f o rt h e g e n e r a lr e q u i r e m e n t s o fi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ti nt h ee l e c t r i c g r i d i n v e s t i g a t e dt h eb u s i cc h a r a c t e r si nt h em e n t a lp r o c e s so ft h eo p e r a t o r s ，a n da t l a s tf o u n dt h ef o u rg i s t st h a td i s t u r b e dt h eu s a g eo ft h es o f t w a r es y s t e m nt h e i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to ft h ee l e c t r i cg r i d t h ef o u ro n e sa r et h a tt h e ym a yn o t d i s p l a yt h ei n f o r m a t i o ne f f e c t i v e l y ，t h e yh a v en o te n o u g hi n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h e o p e r a t o r sa n dt h es o f t w a r es y s t e m ，t h e ym a yo n l ys u p p o r tt h el o wl e v e lo fi n f o r m a t i o n d i s p l a y ，t h e ya r ea b s e n tf r o mt h eu n i f o r ms t r u c t u r eo fd a t ai n t h es y s t e m a c c o r d i n gt ot h e s ef o u rg i s t s 。t h ea u t h o rp r o p o s e df i v er e l e v a n tm e t h o d s ，a s t h r e e d i m e n s i o 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 ，v i r t u a lr e a l i t y ，v 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 g ，l e v e l so fd e t a i l ，a n dt h eu n i o no ft w o d i m e n s i o ns y s t e m sa n d t h r e e d i m e n s i o no r e s ，w h i o hw e r e i n t e g r a t e d i n t ot h e c o n c e p t u a l f r a m e w o r ko f i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to ft h ee l e c t r i cg r i d a f t e rt h ec o n c e p t u a lf r a m e w o r k ，t h e a u t h o ra b s t r a c t e dt h ec o m m o ne l e m e n t sf r o mt h ec o n s t r u c t i o no fs o f t w a r es y s t e m s b a s e do nt h a tc o n c e p t u a if r a m e w o r k ，a n df o r m e dt h ep r a c t i c a lf r a m e w o r k b yu s i n gt h e t e c h n i q u e o fs o f t w a r e a r c h i t e c t u r e t h e c o n c e p t u a l a n d p r a c t i c a l f r a m e w o r k i n t e r a c t e dw i t he a c ho t h e rt oaw h o l ee g i m 8 v s f o rg i v i n ga ne x a m p l et oe x h i b i tt h eu s a g eo fe g i m o v sa n dw h a ts h o u l db ep a i d a t t e n t i o nt o 。t h ea u t h o ru s e dt h ee g i m o v st oa n a l y z ea n dd e s i g n i n f o r m a t i o n s y s t e m i nt h em a n a g e m e n to ft r a n a m i s s i o n1 i n e s t h ep r o c e s so fs o f t w a r ed e v e l o p m e n tb a s e d o ne g i m o v sw a si n t r o d u c e d a n dt h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h i sp r o c e s sa n dt h e t r a d i t i o n a lo n ew a sc o m p a r e da tt h es a m et i m e 。 a tl a s t ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e ds o m ed i r e c t i o n so fm o r ed e e pr e s e a r c ho f 阱i m o v s k e y w o r d s ：e l e c t r i c g r i d ， i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m ，v i s u a l i z a t i o n ， 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 ，v i r t u a lr e a l i t y ，s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e 2 - 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 引言 输电网是电力系统最重要的组成部分之一，因此如何提高输电网规划、施工、运行和维 护的安全性和经济性是电力企事业单位、相关科研院所研究人员历来关注的焦点。而随着电 网电压等级的提高和规模的扩大，商业化运营的逐步实施，各项研究工作又面临着新的挑战。 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。这种采集数据不断增加的趋势，激化了电网运行人员信息处理能力有限 和实际信息量庞大的矛盾。因此，解决这一矛盾成为当代电网信息化进程的重要课题。 1 2 输电网信息化现状( 文献 1 7 ) 新中国成立以后，随着国民经济的迅速发展，我国的输电网建设事业突飞猛进，与此同 时，电力信息化工作也逐步展开。电力行业是应用信息技术较早的行业之一，信息技术在电 力工业的应用起始于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，成为信息技术综合性应用的最大限制。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，而在输电网的控制和管理软 件体现得尤为突出，本文2 4 将对此作进一步的分析。 1 3 输电网信息管理的可视化解决方案 9 0 年代初，在寻找能够有效地分析和利用电力系统计算数据，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 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 ) ，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、能帮助人类理解的信息。科学计算可视化，把计算机图形学与图像 处理技术应用于各种计算学科，为解决大量科学数据与缺乏有效解释这些数据手段之间的矛 盾提供了一个途径。 6 浙江大学硕士学位论文 文献 9 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 1 1 1 4 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，与这些应用类似的系统还有很多，通过 1 0 年左右时间的努力，可视化技术已经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 1 6 1 8 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应用中的 比较有代表性的文章。3 篇文章都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 1 6 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 1 7 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 1 6 1 7 主要针对系统稳态情况下的潮流分布。文献 1 8 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 1 8 】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 1 7 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。 1 3 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 i 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 ) ，是一种决策支持系统，属 于信息系统的范畴。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。文献 3 0 对目前g i s 在配网自动化中的应用作了比较全面的总结。配电系统因为：设备 繁多，不仅有集中在变电站内的设备，还有大量分布在馈电线路上的设备，如柱上变压器、 开关等；多为辐射型结构，且馈线上又接有多条文路，既有架空线，也有地下电线；设备变 动频繁，操作频率和故障频率也相对较高等原因，设备管理任务十分繁重，且均与地理位置 有关。此外，配电系统的正常运行、计划检修、故障排除、恢复供电以及用户报装、电量计 费、馈电增容、规划设计等，都要用到设备和地理信息。所以，g i s 首先在配电系统取得了 7 激江大学磺士学经论文 十分广泛的应用，并逐渐地成为各种配电自动化软件的基础平台。文献 3 3 3 5 分各专题 讨论了g i s 在动态信惠签壤、配电掰往往撬翻、基于g i s 熬分撰模型建立、可视俄淫度戳及 g i s 与s c a d a 集成等领域的应用。 文献【3 1 【3 2 】睾 对亳鹾竣电翻运嚣帮管理要求提出了以g i s 据为基锻平台豹解决方案。 文献 3 l 】在普遍使用的二雅g i s 平台上引入设备的多媒体属性以帮助管壤设备资辩，而文献 3 2 引入数字高稷模型( d e m ，d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) 创建三维g i s 系统，使用正射影 象终隽d e m 纹理，并在酬主叠热涎流、道藏、毫力线窝耱塔麴矢量模黧使褥系统羹；有立薅 效果。该系统实现了放大、缩小、沿预定线路漫游、绕点飞行等图形观察功能，洪水影响的 淹没分孝斥，和各种资料查询功能。 1 3 3 输电网信息管理的可视化解决方案 措助于g i s 系统毁地理要素为藜础静数据组织结构、强大的空阔对象管理和分辑功能， 自h 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蛾 解释这贱数据的手段之间的矛盾提供了一条崭新的途镪，它既可以减轻电网运行人员监视和 控制魏受接，又大夫提毫了簸电网羧筏帮控鞠豹效率。 1 4 输电网信息可视化的研究展望 基于g i s 平台的科学计算可视化技术显然在现代电力信息化建设申占有十分熏要的地 位，但悬，现有的电力可视化应用系统并没有能够充分挖掘可视化技术的应用潜力，基本都 潦蟹子努嚣霹裁纯毒设备搡终霹援纯。在零l 惩g i s 技术释科学诗舞霹程豫技术謦魏分耩方瑟 存在有报大的可提高的空间，具体来说有以下四个方耐： 构造三维真实感场景 利用三维地理信息系统( 3 d - g i s ，t h c e ed i m e n s i o n - g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o n s y s t e m ) 构造三维真必感场景，以地理骤索作为系统数据秘系统界艇元素的组织基础， 话韵3 d g i s 强大酶三维圈形 l 擎、空间数据库、影象数据库和属性鼗据库，以统一静 方式存储和处理多源、多类型、多格式的数据，最终为输电网信息可视化提供个健壮 躲蒸本乎台。 寻找有效的交互方式 电力辕曦系统结撼复杂、痿惠量庞大，诲多强务需要遥过多角度、多层次豹分聿露孝 能够解决，因此针对电力输电领域分析任务的一般性特征，寻找灵活互动的交瓦方式十 分值得研究。 发现台遥的数据可视化方法 电力输电领域中的状态数据，如线路电压、电流等，因为输电网本身的分数性而具 有离散特性；褥许多许冀数据，如功率数据，又不爨有鹱嚣豁裙理意义，这夔电力输急 领域中专有的数据特征决定了它与流体动力学、医学成像和天体物理等学科中科学计算 可视他技术应塌约本鹱不超，无法直接利髑现有研究藏果获褥系绞嶷层静、整髂豹决繁 信息。困诧，研究针对电力输电领域特有的可视化分析方法就显得十分必要。 挖掘存在于电力输电领域内的分析模型 电力系统运行人员在长年累月的运行过程中积累了丰寓的运行和分析经验，而这些 经验性内容因为很难量化、无法实现软件化，长期以来运行人员只能依靠自己实践做积 累或僚赖入与久之闼豹传承，稳蕉之蠢穰难实疆共攀。针对备稗不同粒薅嚣，耱强凄存 - 8 - 塑翌查兰堡主兰垡堕塞。 在于这些经验之中的共同模式，= - f p a 大大提高这魉经验的戴享度，对于电力企业节约培 训成本，运行人员之l 嘲加强交流都具有踅要意义。 。 建立适用于电力输电领域中的概念体系和实现体系 可视化解决方案巍输电领域中的应用范围十分广泛，为了降低该类应用系统的开发 成本，捷高软件开发瑶囊，有必要建立一个统一静应藤系统概念体系和实现体系。统一 概念体系的建立，可以帮助应用系统开发人员和用户更好地理解系统需求，集中注意力 于每个实际瘦弱系统特鸯弱功能和任务。蕊统一实现抟系始建立，枣剃于擐诞盛弱软僚 开发的质量，也飙结构上帮助开发人员构造具有商可重用住的软件单元。 l 。5 本文酶圭要王佟与组织结构 本文从分析电力输电领域数据特征入手，研究该领域数据分析的般性要求和分析 过程妁基本思维特，蹑，总结出理骞霹程饯应角系统不满惩实骣运行簧求的必个关键性 因素，然后掇出相应的解决方法，并以此为基础构造了面向电力输电领域应用软件系统 的概念体系和实现体系，形成厕向电力输电领域信息管理的可视化解决方案，鼹后以一 个安嚣应臻系绞为键谖疆该攘念体系帮实现髂系静霹嚣蛙帮优越幢。 本文各奄内容安排如下： 第一章奔缮输电两信惠豫戳及哥规豫解决方燕静现获，分橱了鼓g i s 平台为基穑静 可视化解决方案的研究方向，然后概要介绍了本文所做主要工作和行文的组织结构，并 对一些在本文中具有特殊语义或容易混淆的名词 筝了勰释。 第二章分析了输电两信息管理的基本特征和特实现的目标，揭示了电网运行控制人 员分析思维的基本特征，然后以两者为基础结合目前可视化应用软件现状，总结出输电 曛嫠惠管理爵褫佳解捩方法辑嚣骧静酉令主要藩蘧及其存在覆蠢。 第三章针对第二章总结出的四个主要问题，提出了相艘的解决方法，并介绍了隐藏 于这些解决方法之嚣熬技术背袋，蒡蓑套起题、备解决方法鸟愚维 妻程基本特薤之鬻黪 关系作了一是的讨论，撮终形成输电网倍息管理系统开发的概念框架。 第四章酋先介绍了款 牛体系缝橡技术以及在竣电疆穰感管理系统中硬究暾耀款传 体系结构静必要性和可行性，然后在第二、第三章论述的基础上对面向输电领域的可视 化解决方案的实现性麸性问题进行抽象，得到了可视化解决方案的贸现体系。 第五章本章良菜毫延局输奄线路可褫纯应用系统为翻，检验第三牵所提出篱向输毫 领域可视化解决方案概念体系和第四章所提出实现体系的可操作性，同时也讨论了在具 体应髑系统开发中应感该概念体系窝软体体系缝枣窀应该注爨魏趣题。 第六章指出了可视化解决方案进一步研究的方向。 l 。6 一些名谲在本文孛特殊的语义 可视化( v i s u a l i z a t i o n ) 可视纯包插界面爵税佬和数据表现、分析可税忧两个方谣，界面w 视佬就麓通常意 义上的图形用户界面( g u i ，g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) ，而数据袭现、分析可视化 是臻以科学计舞可搅纯技术荛基继、舒对綮具搭任务麴数撂分援投零。本文中，在嚣 特别强调处，“可视他”均指扁者而言。 9 。 浙江大学颈士学位论文 模型 在本文中模型具礴蹲个语义；第一，指采用诗算机图形技术在软 学界面上月以代替 物理世界中其体对象的符号，通常包括二维的代表性符号和通过三雏造型软件幸旬建的实 物仿真：第= ，指用以分析和解决问题的例程，包括数学模型和思维模型。 多细节鼷次( l o d ，l e v e l so fd e t a i i ) l o d 是来源于计算机视觉的概念，本文中l o d 具有两个语义：第一，使用于三维地 形嚣示算法中豹l o d 投零；第二二，是指遥进蓼檀撬燮l o d 思想爨数掇分辑孛瓣多分辨方 法。请参阅本文3 4 节。 平台 在本文中，平台在设计层次上是指针对某一应用领域的软件体系结构( 软件体系结 构，见本文4 1 节) ，两在实现层次上悬指针对菜一具体应用的基础软 牛系统，丽非通 常意义上的操作系统。 需求 需求在本文中有三个语义：第一，燕指对应予高层、概括性的、歆务需求；第二，怒 指对应于软件设计规约的用户需求；第三，是指对应软件具体实现的功能需求。关于三 者谨绷麴定义帮耜互鞠关系请参阕文献【5 9 。 输电网储息化 实际上，辕电曜臻息证毽拯软终、骚停嚣个方莲，荬款徉部势爵努海综含管理性软 件、专项业务应用软件和操作系统基础软件。鉴于本文的研究重点，从第二章开始输电 网信息化被局限在软件方面的专项业务应用软件部分。 信息与数据 通常，信息是指有用的数据，与数据的概念是翕区别的。在本文书，若j # 特剐强调， 数据概念与倍息概念逶爝。 1 0 * 浙江大学硕士学位论文 第2 章输电网信息管理 本章首先明确了输电网信息的貉本特征_ 和输电网信息管理的几个主舞目标，接着介绍了 电网运行分辑人爨思维分攒过程的几个关键步骤及其舄输电网傣息基本特征、主要基标之阉 的关系，以寻找w 以代替或者改善这些步骤的契桩。然后，结台目前可褫纯应用软件现状， 归纳出输电网信息管理可视化解决方法所面临的四个主要问题及其存在的原因。 2 1 输电网俯息管理的目标 输电网信息蛰理应用系统无论采用何种簿决方案，其最终露瓣都是完成输电题信息管璎 的目标，因此对于这些目标清晰的认识是研究输电网倍息管理酋先需要解决的问题，而什么 样的目标才能既能够真正地反映输电网信息管理的实际需求，又具有实现的合理性却在很大 程凌上玻决于赣嘏阙售塞熬特莲。 2 1 1 输电网储息的基本特征 输壤阏信息鹣基本特糕翔蓬t 赫宅霹傣惑管理系统需处理数据蘸本璜满性，试鼋筵这些幸誓 征不但对于在开敷输电网信息管理系统中选撵合理、商效的存储和处理策略十分黉要，更关 键的是它口1 在现有的软硬传技术水乎下对输电嘲信息管理目标的劐定提供摆导的弱对又构 成了约柬。 海量特征 电力输穰系统是一个既大又复杂的系统，一方面其本身就涉及了大量的诸如地理特 征、网架结构、系统内对象的属性等静态信息，另一方面它还无时无刻不在产生能够描 述系统运行状态魏动态楼惠，瑗藏海量楚辕毫网谤息瓣一令基本震靛。 多源、多类型、多格式特征 l 舞予数瓣采集方法帮数据逶谖手笈静迅速发袋，输电嘲信患疆穗毽括鼗馕、蚕形、 i 虱像、音频、视频等各种类型，这些数掘来源多样，格式也不尽相同。因为针对不同的 数据来源，不同的数据类型，或者不同的数据格式，都要采用不同麴存储和处理方式， 因藏多深、多类型、多格式是输电网信惑不可怒酶酌特征。 地理相关特征 输电网圈有的分蠢特性决定了绝大部分的输毫蜡信息郝是地理桶关的，而且这些与 地理相关的储息中有相当一部分与输电网信息管理的空间分析任务相关。因为空间分析 任务冤论在存储还是在处理上郡与其槛爨往务舂蘼不嚣，掰娃输电瓣信怠匏域疆摇关耱 征必须得到重视。 实时特链 电力输电系统是一个实时动态系统，因此很多信息都不可避免地带有时间属性。带 有不同时间戳的信息又常常会使得数据量迅速增加，数据弛理的负担迅速增大。 2 1 2 输电网信息管理的目标 面对输电网海艇豹地理相关数据，能够迅速定位到阔题分掘所需信息终出楣应次蓑，e l i 绥对予一个有经验的屯两运行分析a 贫落是根困难的，因此，帮助分析人贸寻找问题相关数 据，理解其内在含义，建立相应分析模型，最腐得到决策信息是输电网信息管理应用系统最 浙江大学硕士学位论文 根本的目标。而由于输电网信息的实时特征，应用系统还必须使得用户能够“快速地”完成 上述目标。 另外，随着电力商业化运营的逐步实施，电力用户对于了解电力市场运行机制的需求越 来越强烈。由于电力行业本身固有的垄断性，电力市场存在着许多有别于其他市场的特征。 参与其中的各类角色在掌握商业规则的同时还必须理解一些本来局限于电力系统从业人员 内部的概念和术语。因此，应用系统需要采用形象、直观的方式来实现输电网信息化。 总的来说，随着电网规模的不断扩大和电力商业化运营的逐步深入，输电网信息化应用 系统必须以统一的方式，方便、快捷、形象地向用户展现系统状态，帮助用户识别出蕴藏于 那些静态信息和动态信息背后的系统运行模式，从而形成可靠的决策方案。 2 2 电网运行人员分析思维过程及其特征 根据2 1 节所提的输电网信息管理目标，输电网信息管理应用系统应该帮助用户快速、 形象地理解输电网信息，其实质就是应用系统通过计算机软硬件技术来改善传统上由人脑来 完成的思维分析过程，在目前人工智能尚不足以完全取代人脑思维的技术水平下，我们可以 通过研究人脑的思维过程，然后以此为基础开发出可以帮助人脑加速或缩短其部分思维过程 的工具。 详细讨论人类处理和利用数据进行分析的思维过程已经超出本文的研究范围，在此，我 们只是从指导研究输电网信息管理可视化解决方案的角度给出一个简单的分析思维过程描 述，如图2 1 所示。 图2 1 分析的思维过程描述 面对输电网包含大量数据的静态和动态数据集，分析人员根据具体需要解决的问题，首 先“定位”了解和解决该问题所需要的信息( 下文简称为信息感知) ，根据所获得的信息或 者在头脑中构造或者从记忆中调用相应的数据模型( 下文简称为数据建模) ，基于该模型对 问题进行分析( 下文简称为模型分析) ，形成决策，该决策导致了新的数据集，然后又开始 了新的分析思维过程。这种反复迭代的过程，实际上是通过不断检验来校正决策，最终得到 稳定的可行方案。可以看到，在分析思维过程中三个最主要的过程是信息感知，数据建模和 模型分析。 针对输电网信息管理，快速地定位与问题域有关的数据，并了解它与输电网整体系统信 息之间，及其内部各部分信息之间的关系是输电网运行分析人员完成信息感知阶段的关键。 而数据模型阶段的要点在于能够利用分析人员对所分析问题的先验知识迅速识别出蕴藏在 已感知信息中的模式，所以分析思维过程中的数据建模区别于对现实问题进行抽象然后转化 成可求解数学模型的数学建模，而更类似于一种模式识别过程。这也正是为什么越是有经验 的分析人员其分析数据的速度就越快，准确度就越高的原因。模型分析阶段则以数据建模阶 1 2 堂垩查堂堡主兰垡笙：! 兰 段形成的分析模型为基础，其关键之处与信息感知阶段类似，只是关注点集中于分析结果， 两不是信息感知阶段的问蹶域数据集。 数据分析应用软件的任务就是软件化这种原本存穗于分析人员头脑中的思维过程，帮韵 或者代糟用户完成信息感知、数据建模和模烈分析这三个阶段的工作。 2 3 输电网储息的基本特征、管理目标与分析思维过程各阶段的关系 联系输电网傣惑的基本将薤、骛理要括秘分橱愚维过程静务令不同黔墩三者，明臻它镪 之间的矛盾关系，将有助予我们对输电网信息化研究的可行方向和实旌难点有一个高屋建瓴 的认识，如图1 2 。 莲2 2 辍电鹂信恚基本特征、管理嚣标秽势辑愚维遘程各酪敬静关系 在辕邀随菇息豹基本憋链、营理爨拣窝分辑愚维遘狴之弱，饕逮莓褒饕戳下鳃雾莲关系： 各个基本特征为思维过程不同阶段的实施提供了数据纂础，也为采用各种新型的实现输电网 信息管理目标的手段提供了可能。但是与此同时，各个基本特征也对实现输电网信息管理目 标强标构成了约束。 以第1 指示处为例，第1 指示处指出了海量、多源多类型多格式和地理相关三个基本特 篷与绩塞惑知蹬毁豹关系。海量懿数据蕊怠梵各裁具髂鹣癸辑锓务提爨了必要靛分褫基穗， 只有拥有充分的数据，才能使信息感知阶段成为有源之水。多源多类型多格式的数据可以让 分析人员可以从数值、图形、图像、音频和视频等不尉角度来定位和感知与具体任务相关的 数据，可疆大大提褒信息鏊妇遘程弱执行速庭。蔼缝瑷籀关兹数瓣女可璐褥进一多，把各韩 数据放到地理场景中，帮助分析人员用最真实且统一的方式来感知数据。 海囊、多漂多类型多格式、建理撩关魏数攥显然灸镄患惑甄黔段魏安蕤提袋了楚努莪纂 五j i l ，有助于实现以统一、形象的方式反映系统信息的输电网信息管理目标。但是，这些输电 网信息的基本特征却对“快速”帮助分析人员理解输电网静态和动态信息构成了约采，海量、 多潦多粪罄多格式、逢理襁关三方蕊鹣结合健褥信意的楚瑾量虢维台方式增长，对数据的存 储、检索和显示算法都提出了新的要求，另外如何将这姥数据以体化的方式来组织也成为 个重要的问题。 一1 3 浙江大学硕士学位论文 其他指示处描述的输电网信息基本特征、管理目标和分析思维过程各阶段之间的矛盾关 系与第1 指示处基本类似，简述如下： 第2 指示处，描述了多源多类型多格式、地理相关两个特征与数据建模阶段的关系。多 类型的地理相关数据可以帮助分析人员以地理场景为依托建立多种数据模型，因为地理场景 是真实客观存在的模拟，场景中的元素和元素之间的关系具有一定的稳定性，所以以地理场 景为依托的数据模型也相应具有稳定性，而稳定的数据模型对于实现输电网信息管理的目标 至关重要( 详见第1 1 0 4 节) 。另一方面，多源多类型多格式和地理相关两个数据特征同 样存在与第1 指示处类似的数据组织问题，从而影响了输电网信息管理目标的实现。 第3 指示处，描述了地理相关特征与思维过程中模型分析阶段的相互关系。模型阶段的 关键在于寻找良好的分析结果表述方式，以地理相关数据构造的地理场景显然可以为这些表 述方式提供最自然的基础。但是与此同时，地理相关数据也为应用系统的界面显示带来很大 负担，使整个分析的数据流不能流畅进行，最终影响决策过程。 第4 指示处，描述了实时性特征和思维过程各阶段的关系。数据的实时性可以帮助分析 人员快速了解输电网的运行现状，保证应用软件的实时性，但是因为实时性的引入，导致对 分析思维过程各阶段速度要求的提高。 2 4 可视化解决方案所面临的问题及存在原因 针对本文研究工作重点一一输电网信息管理的可视化解决方案，以第1 9 节论述的输电 网信息基本特征、管理目标和分析思维过程之间的关系为指导，作者调查了目前国内外输电 领域可视化应用系统的现状，总结出输电领域信息管理可视化解决方案所面临的四个方面的 问题。 这四个方面既是现场实际需求与目前已有应用系统功能之间最突出的四个矛盾，也是可 视化技术在电力输电网信息管理中最有应用潜力的四个落实点。 2 4 1 数据表现形式匮乏 受计算机硬件水平和数据采集手段的限制，同时也受数值计算在电力系统分析中主导地 位的影响，很多输电网信息管理应用软件仍直接使用数值形式来表现数据，借助可视化方法 来帮助交互，而没有能够利用可视化方法来表现数值信息本身。 所以，如何把这些数量庞大的数值数据转换成用户易于理解的图形数据；如何把数值与 图形、图像、视频和音频数据相结合来帮助分析人员缩短数据分析过程是目前可视化应用系 统急需解决的问题。 2 4 2 可交互性差 科学计算可视化技术本身以及它所依赖的计算机图形学和图形加速等软硬件技术的发 展，把电力系统可视化技术的应用分为数据表现和数据分析两个阶段。 数据表现是可视化技术的基本应用阶段。研究人员把电网的地理单线接线图或电气单线 接线图作为位置参考基准，将母线、变压器、发电机等电力系统元件实行图形化建模后放到 接线图中，然后以此作为整个系统的界面基础，借助电力元件的图形化管理完成数据库操作 和电力系统分析计算。这类软件的普遍特点是借助后台计算，在界面上尽可能地利用各种可 视化效果( 如母线电压柱状图，节点功率饼图，颜色深浅表示的线路功率，箭头方向表示线 路功率流向等) 表现最大量的系统运行信息，以帮助分析人员快速把握系统当前的运行状态。 可视化的数据表现加快了分析人员在数据分析过程中的信息收集速度，从而加速了整个数据 1 4 浙江大学硕士学位论文 分析的思维过程。 数据分析，是在数据表现的基础上针对电力系统某个问题域的高级可视化方法。数据分 析的目的在于通过可视化手段深入洞察试验或计算数据的内在关系，它缩短了数据建模的思 维过程，因而大大提高了数据分析的速度。另外，因为这种技术在设计时以许多为实践所验 证的历史经验为参照，其分析准确度也得到很大提高。数据分析速度和准确度的提高，无论 对电力系统的日常运行还是紧急控制都具有重要的意义。例如，通过对母线电压进行插值， 在整个地理接线图中绘制电压等高线图，可以成功解决一些配网操作、系统监控、紧急控制 和电力系统规划的问题。 实际应用中，目前的可视化应用软件大多还是停留在数据表现阶段，基于可视化技术的 数据分析则相对使用较少。而通过交互式分析，提供对数据和模型的操纵能力以便能够从多 角度帮助用户逼近物理真实，却是可视化技术真正的应用潜力所在。 2 4 3 信息表现和分析的粒度过细 如何在单一电气接线图上或地理接线图上显示最大可能的信息量是电力系统可视化应 用系统研究人员关注的问题，他们采用各种手段在接线图中标注各母线的电压、各输电线路 的功率以及各种元件的状态信息。这种标注的信息虽然精确，但面对这些“精确”信息的分 析人员却很难迅速了解系统的整体运行状态，因为大量的细节信息掩盖了隐藏在它们背后的 全局模式。 另一方面，对于分析人员来说，这些细节信息并不都是必要的。对系统整体运行状态的 了解是通过观察到的系统全局特征并对照存储在大脑中的各种系统运行模式匹配得到的，增 加细节信息妨碍了这种匹配过程。 另外，随着系统规模的扩大，尤其在电力市场机制引入之后，电力系统应用软件所涉及 到的节点和线路的数量都迅速增长，远远超过了计算机屏幕尺寸增加的速度，所以要想在同 一接线图上显示所有的细节信息在实现上也是不可能的。所以，希望在同一接线图中尽可能 地表现信息并不像预想的那样有效提高数据分析水平。 2 4 4 数据组织结构不统一 电力系统应用软件的数据组织包括两个方面：内部数据组织和界面元素组织。软件的内 部数据组织负责管理软件中包含的各种类型的数据，维护这些数据之间的相互关系，并保证 采用高效的算法方便快捷地存取这些数据。界面元素组织是指用户界面上各种类型信息的组 织关系。如何使得这些元素以自然、有序的方式面对分析人员，是界面元素组织设计者需要 关注的问题。因为一些历史原因，可视化软件系统在数据组织的两个方面都没有能够形成规 范，且这两方面本身也不是十分协调。 日i 目1 1 j 界面组织1 f - 、y ”耧：”。 ；混杂模型 。- 酥面组织2 卜、 ：、 喃而蛔t 目r i 图23 混杂数据模型 冈 _ h h 浙江大学硕士学位论文 没有良好设计的内部数据组织，使得一些看起来相当简单但是需要涉及到众多类型数据 的分析变得十分困难。例如，要分析某一段线路的跨越情况，它需要一些相关地形数据、地 物数据和线路数据综合分析，这在传统的电力系统应用软件中实现起来就很有难度。 在界面元素组织方面，常见的电力系统可视化软件往往基于地理接线图( 遵循大致的地 理方位) 或正交电路接线图来组织界面元素，但是无论那种接线方式都存在节点安排自由度 大、元件顺序无统一规范的问题。因此，分析人员往往会为同一问题的不同界面元素组织方 式建立不同的数据模型，而这些模型，因为界面组织的随意性，与实际情况没有鲜明的对照 关系，所以在分析时很有可能就导致混杂模型问题( 如图2 3 ，以三数据集为例) 。混杂数 据模型，使得分析人员概念模糊，分析条理混乱，是导致分析人员判断失误的主要原因之一。 - 1 6 - 浙江大学硕士学位论文 第3 章可视化解决方案的概念体系 本章以输电网信息管理的主要目标为指导，针对第二章总结出的输电网可视化应用系统 存在韵鹦个主要翘题提出了媚应豹鳃决方法，弱酎也夯镪了隐藏在这些鳞决方法之意的技术 背景。这些解决方法相互络合，形成了一套完整的面向输电网倍息管理的可视化解决方案， 成为输电网信息管理应用系统开发的概念性框架。 3 1 三维地理信息系统一一统一的数据组织基础 从第2 ，4 4 节的分毒厅辩跌看出，统一的数据组织方式( 包攒券嚣元素组织和内部数据缀 织) 是输电网信惠管理的熬础，而三维g i s ( 3 d - g i s ，t h r e ed i m e n s i o ng e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 借助于数字离程模型( d e m ，d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) ，在创建可 疆纯真实场景鞋巅予塌户毅够壹理壤解空闯数据静因辩，逮为寂雳系绞数据撵筷了一令统一 的组织基础。 3 。l 。l 三维遮囊嫠患系统技寒篱奔 世界原本是处在三维空间中的，_ = 维g i s 将现实世界简化为平面上二维投影的概念模型 注定了它提描述三维空间现象上的光能为力，随着大规模地形驻示算法、窆闻数据痒警理鬃 统、离散空间分析箨法等实现3 d - g i s 的关键技术的突破性进展，3 d - g i s 技术逐渐完善而进 入应用阶段。通过其强大的空间查询与分析功能，3 d g i s 为用户提供了觅广泛的辅助决策 绩息。 与二维g i s 棚比，三维g i s 用x 、y 、z 来表述空间对象，对客观世界的表达能给人以鼹 其实豹感受，它以立体造型技术来展现地理空闼现象，不仅毙够表达空闻瓣象闻的平面关系， 丽虽能穗述和表遮它们之间的垂向关系，还髂对空间对象进行箕特有的三维空间分析和操作 功能。而与c a d 及各种科学计算可视化软件相比，它具旨独特的管理复杂空间对象的能力及 窆闻分掇豹能力。兰维空阕数撂痒燕三维g i s 这些独特凌毙静蘩稿，盘怒三维g i s 静核心。 当然，与功能增强相对应，三维g i s 的理论研究和系统建设工作与二维g i s 相比也熙加复杂。 3 。l 。2 三维遮毽繁患系统懿基本凌戆 总的来说，3 d g i s 除了具备传统二维g i s 的传统功能以外，还具有如下的基本