電力系統(tǒng)三維可視化技術(shù)及應(yīng)用

1、主要內(nèi)容主要內(nèi)容0、 引言引言1、 三維可視化三維可視化方法2、 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3、 實(shí)時(shí)應(yīng)用實(shí)時(shí)應(yīng)用0.引言引言 三維可視化技術(shù)充分利用了空間的第3 個(gè)維度,相對(duì)傳統(tǒng)二維顯示方式具備更強(qiáng)的信息表達(dá)能力,能更高效、直觀地表達(dá)電網(wǎng)中的大量數(shù)據(jù),便于調(diào)度員迅速了解當(dāng)前系統(tǒng)中存在的問(wèn)題及其嚴(yán)重程度,并使調(diào)度員對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行有整體的把握,引起了學(xué)者和工業(yè)界的廣泛關(guān)注,成為新一代電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)( ems) 的重要特征之一。 電力系統(tǒng)可視化研究多以電力網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ) 。例如:用餅圖和動(dòng)畫(huà)箭頭表示線路潮流 ;用柱圖和餅圖表示節(jié)點(diǎn)電壓 ;用圓柱表示發(fā)電機(jī)出力 ;用等值線圖或曲面圖表示空間分布 ;用三

2、維圖展示故障分析結(jié)果以及穩(wěn)定域可視化 。1、 三維可視化三維可視化方法 1. 1 表達(dá)方式表達(dá)方式 電力系統(tǒng)運(yùn)行中的常見(jiàn)數(shù)據(jù)一般可歸結(jié)為節(jié)點(diǎn)型和線路型2 大類(lèi),例如母線電壓和線路潮流。 針對(duì)節(jié)點(diǎn)型數(shù)據(jù),直觀做法是利用空間的第3個(gè)維度,在節(jié)點(diǎn)所在位置用三維圓柱表達(dá),圓柱高度表示數(shù)據(jù)的相對(duì)大小。在圓柱上加以修飾還能表示更多信息,如用圓環(huán)標(biāo)記上下限值位置以及用不同顏色標(biāo)識(shí)當(dāng)前值、安全狀態(tài)和裕度。 針對(duì)線路型數(shù)據(jù),本文采用三維管道圖和三維箭頭圖兩種表達(dá)方式。三維管道圖用沿線路分布的圓柱管道表示數(shù)據(jù),管道半徑代表數(shù)據(jù)的相對(duì)大小,當(dāng)數(shù)據(jù)有向時(shí)用箭頭標(biāo)出方向。三維箭頭圖在線路上用三角箭頭表示有向的線路型數(shù)據(jù)

3、,箭頭大小代表數(shù)據(jù)的相對(duì)大小,并具有流動(dòng)的動(dòng)畫(huà)效果。1、 三維可視化三維可視化方法 電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行中的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)很多,需要對(duì)其分類(lèi),再根據(jù)不同類(lèi)別的特點(diǎn),選擇合適的表達(dá)方式,即進(jìn)行可視化主題設(shè)計(jì)。ems 中常用的可視化主題如表1 所示。1、 三維可視化三維可視化方法 1. 2 基本算法基本算法 1. 2. 1 空間插值算法及改進(jìn)在三維曲面圖中,關(guān)鍵的一步是選擇合適的空間插值算法,將定義在離散點(diǎn)上的數(shù)據(jù)擴(kuò)展到整個(gè)平面。例如圖1 所示情況,在平面上已經(jīng)定義了v1 v4 這4 點(diǎn)數(shù)據(jù), p 是平面中的任意一點(diǎn),空間插值算法的任務(wù)就是計(jì)算出p 點(diǎn)的虛擬數(shù)值v p 。1、 三維可視化三維可視化方法 最常

4、見(jiàn)的空間插值算法是距離平方反比算法6 ,其算式為: 式中: n 為已知數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù); dpi 為數(shù)據(jù)點(diǎn)i 到p 的距離。實(shí)際中,一般要對(duì)二維網(wǎng)格上的各點(diǎn)進(jìn)行插值,計(jì)算量很大。文獻(xiàn)6（ individual welfare maximization in elect ricity market s including consumer and full t ransmission systemmodeling d . ）對(duì)空間插值算法提出2 點(diǎn)優(yōu)化。1、 三維可視化三維可視化方法 首先,在式(1) 中僅考慮離p 較近數(shù)據(jù)點(diǎn)的影響,即 式中: dinf 為預(yù)設(shè)的影響距離,每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)只影響距離小于di

5、nf 的區(qū)域。其次,利用整數(shù)坐標(biāo)正方形網(wǎng)格的對(duì)稱(chēng)性,將距離的計(jì)算次數(shù)減少到原來(lái)的1/ 8 。但經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)后,算法尚有不足之處: 無(wú)法計(jì)算所有數(shù)據(jù)點(diǎn)影響區(qū)域外的待插值點(diǎn); 計(jì)算結(jié)果在影響區(qū)域邊界處不連續(xù); 僅在一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)影響區(qū)域內(nèi)的插值點(diǎn)取值與該數(shù)據(jù)點(diǎn)相同。1、 三維可視化三維可視化方法以上不足影響了插值后圖形的視覺(jué)效果。以下進(jìn)一步提出了新的快速插值算法,新算式為:式中: c 為平滑常數(shù),可調(diào)節(jié)插值結(jié)果在影響區(qū)域邊界處過(guò)渡的平滑程度。理論上,已知n 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)在m m 的網(wǎng)格上插值,原始算法(式(1) ) 的乘除法計(jì)算量與n m2 成正比,而當(dāng)dinf 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置為 ( s 為插值區(qū)域面積)

6、時(shí),文獻(xiàn) 6 及本文改進(jìn)算法的乘除法計(jì)算量都只與m2 成正比,計(jì)算量大大減少。1、 三維可視化三維可視化方法 本文的新算法保持了計(jì)算快速的特點(diǎn),并且通過(guò)引入虛擬的平均點(diǎn) ( v ) 和權(quán)重修正項(xiàng)(1/ d2inf ) 解決了文獻(xiàn) 6 中算法的不足: 在所有數(shù)據(jù)點(diǎn)影響區(qū)域外,插值結(jié)果vp = v ; 在第i 點(diǎn)影響區(qū)域邊界處, vi 的權(quán)重系數(shù) 1/ d2pi - 1/ d2inf = 0 , 保證了結(jié)果的連續(xù)性; 僅在一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)影響區(qū)域內(nèi)時(shí),插值結(jié)果為該點(diǎn)數(shù)值與v 的加權(quán)平均,變化連續(xù)。此外,在浮點(diǎn)坐標(biāo)矩形網(wǎng)格下將數(shù)據(jù)點(diǎn)位置近似到網(wǎng)格點(diǎn),也能利用對(duì)稱(chēng)性在1/ 4 圓上完成整個(gè)影響區(qū)域中的距離計(jì)

7、算,從而可再將計(jì)算量減少3/ 4 。通過(guò)插值算法的改進(jìn),三維曲面圖顯示的實(shí)時(shí)性和實(shí)用性得到了很大改善。1、 三維可視化三維可視化方法1.2. 2 色彩表映射色彩的運(yùn)用是可視化表達(dá)中的重要內(nèi)容,需要設(shè)計(jì)將不同數(shù)值映射為不同顏色的色彩映射方案。良好的色彩映射方案應(yīng)該滿足: 顏色的變化范圍寬,數(shù)值區(qū)分度好; 符合人們的直觀視覺(jué)習(xí)慣,易于理解記憶。 用紅綠藍(lán)(rgb) 分量表示色彩,則色彩映射方案可以表示為函數(shù)向量f ( v) = f r ( v) , f g ( v) ,f b ( v) 。其中: v 為待映射數(shù)值,通常取實(shí)際數(shù)據(jù)歸一化到 0 ,1 區(qū)間的結(jié)果; f r , f g , f b 0

8、,1 分別為與v 對(duì)應(yīng)的色彩分量。經(jīng)過(guò)比較試驗(yàn), 采用ma tlab 軟件中稱(chēng)為“jet”的色彩映射方案(見(jiàn)圖2) 最適宜。該方案常在氣溫分布圖中使用,本文稱(chēng)之為溫度色彩映射方案。1、 三維可視化三維可視化方法從工程應(yīng)用的需求出發(fā),溫度色彩映射還衍生出若干變種。例如:將色彩表反向,紅色表示小數(shù)值,藍(lán)色表示大數(shù)值; 將兩端邊界處的顏色變化由漸變改為突變,以突出顯示越限數(shù)據(jù),體現(xiàn)安全狀態(tài)的轉(zhuǎn)移;將顏色離散化,實(shí)現(xiàn)等值線圖的顯示效果。此外,著色既可依據(jù)物理量的實(shí)際值,也可依據(jù)實(shí)際值與限值的接近程度。除溫度色彩外,還可以設(shè)計(jì)其他色彩映射方案。2、 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)從軟件復(fù)用性角度出發(fā),基于

9、現(xiàn)有ems的二維圖形平臺(tái),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)三維可視化模塊。利用二維圖形平臺(tái)中的電網(wǎng)接線圖以及數(shù)據(jù)和位置信息,對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的三維可視化表達(dá)。2. 1 技術(shù)路線技術(shù)路線計(jì)算機(jī)領(lǐng)域有多種成熟的三維圖形顯示技術(shù)可供選擇。例如:可利用地理信息系統(tǒng)等成熟軟件中的三維顯示功能; 可輸出為標(biāo)準(zhǔn)的三維圖形格式(vrml/ x3d) 后再顯示; 可直接用三維圖形接口(如j ava3d、direct3d 和opengl) 編程。為克服已有技術(shù)的不足,電力系統(tǒng)三維可視化技術(shù)的選擇需考慮如下因素: 能應(yīng)用于多種操作系統(tǒng)平臺(tái); 易與現(xiàn)有ems 二維圖形平臺(tái)結(jié)合; 顯示速度快。2. 2 可視化的模塊設(shè)計(jì)與

10、系統(tǒng)集成可視化的模塊設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成遵循模塊化、可復(fù)用和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)原則,圖3 給出三維可視化模塊的基本結(jié)構(gòu)。該模塊直接建立在現(xiàn)有ems 二維圖形平臺(tái)基礎(chǔ)上,與ems 緊密集成,分為三維顯示場(chǎng)景和三維對(duì)象2 部分功能。2、 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)顯示場(chǎng)景對(duì)應(yīng)最終在屏幕上的顯示區(qū)域,可包含若干三維對(duì)象。該部分負(fù)責(zé)維護(hù)內(nèi)部三維對(duì)象列表和整個(gè)場(chǎng)景的姿態(tài)信息,創(chuàng)建和顯示三維對(duì)象,并且根據(jù)用戶鼠標(biāo)操作調(diào)整場(chǎng)景的姿態(tài)。三維對(duì)象對(duì)應(yīng)需要顯示在屏幕上的一個(gè)或一組三維圖形,包括簡(jiǎn)單的幾何圖形、用做背景的電網(wǎng)接線圖,以及對(duì)應(yīng)特定可視化表達(dá)的圖形,如柱狀圖中的一組圓柱。它根據(jù)從二維圖形平臺(tái)中獲取的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中

11、生成三維圖形,并負(fù)責(zé)具體繪圖。2、 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)三維可視化模塊嵌入并集成在現(xiàn)有ems 二維圖形平臺(tái)中,保證模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)與具體數(shù)據(jù)源無(wú)關(guān)。模塊通過(guò)場(chǎng)景窗口的顯示和隱藏實(shí)現(xiàn)二維與三維顯示的切換,通過(guò)動(dòng)態(tài)銷(xiāo)毀和創(chuàng)建三維對(duì)象實(shí)現(xiàn)在不同三維可視化表達(dá)形式之間的切換。模塊中的數(shù)據(jù)接口從現(xiàn)有ems 二維圖形平臺(tái)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和設(shè)備圖元中分別獲取數(shù)值和位置信息,提供給可視化展示對(duì)象使用。背景接線圖對(duì)象負(fù)責(zé)在三維顯示場(chǎng)景中重新繪制二維接線圖。如圖4 所示,二維圖形平臺(tái)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)值可以來(lái)自由數(shù)據(jù)收集程序維護(hù)的可視化實(shí)時(shí)庫(kù),也可以通過(guò)數(shù)據(jù)接口獲取不同廠家ems 中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)與控制中心ems 的

12、數(shù)據(jù)集成。 3、 實(shí)時(shí)應(yīng)用實(shí)時(shí)應(yīng)用所提出的電力系統(tǒng)三維可視化軟件系統(tǒng)采用c + + / qt編程,已集成于包括國(guó)調(diào)、華北網(wǎng)調(diào)和江西省調(diào)等多家控制中心在內(nèi)的不同實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)中,具體見(jiàn)表2 。 3、 實(shí)時(shí)應(yīng)用實(shí)時(shí)應(yīng)用3. 1性能測(cè)試性能測(cè)試3. 1. 1 空間插值算法性能采用某省網(wǎng)主要廠站母線電壓標(biāo)幺值實(shí)際數(shù)據(jù)共69 組,檢驗(yàn)空間插值算法的速度性能。使用3 種空間插值算法,在800 800 規(guī)模的矩形網(wǎng)格上測(cè)試,式(3) 中的dinf 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置為s/ n ( s 為插值區(qū)域面積, n 為數(shù)據(jù)組數(shù)) ,c 設(shè)置為5/ dinf 。從表3 中看到,空間插值算法經(jīng)過(guò)改進(jìn),其計(jì)算時(shí)間大為減少,從而能夠滿足實(shí)時(shí)性要求。 3、 實(shí)時(shí)應(yīng)用實(shí)時(shí)應(yīng)用3. 2. 2 可視化顯示性能 三維圖形的生成和繪制過(guò)程也較耗時(shí)。在現(xiàn)場(chǎng)用不同規(guī)模的實(shí)際電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)的顯示性能進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如表4 和表5 所示。 3、 實(shí)時(shí)應(yīng)用實(shí)時(shí)應(yīng)用 表4 和表5 中,畫(huà)面生成耗時(shí)指從二維圖形平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)、進(jìn)