電力系統(tǒng)三維可視化技術及應用

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、 軟件設計與實現(xiàn)軟件設計與實現(xiàn) 3、 實時應用實時應用0.引言引言 三維可視化技術充分利用了空間的第3 個維度,相對傳統(tǒng)二維顯示方式具備更強的信息表達能力,能更高效、直觀地表達電網(wǎng)中的大量數(shù)據(jù),便于調(diào)度員迅速了解當前系統(tǒng)中存在的問題及其嚴重程度,并使調(diào)度員對電網(wǎng)運行有整體的把握,引起了學者和工業(yè)界的廣泛關注,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)絡為基礎 。例如:用餅圖和動畫箭頭表示線路潮流 ;用柱圖和餅圖表示節(jié)點電壓 ;用圓柱表示發(fā)電機出力 ;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 表達方式表達方式 電力系統(tǒng)運行中的常見數(shù)據(jù)一般可歸結(jié)為節(jié)點型和線路型2 大類,例如母線電壓和線路潮流。 針對節(jié)點型數(shù)據(jù),直觀做法是利用空間的第3個維度,在節(jié)點所在位置用三維圓柱表達,圓柱高度表示數(shù)據(jù)的相對大小。在圓柱上加以修飾還能表示更多信息,如用圓環(huán)標記上下限值位置以及用不同顏色標識當前值、安全狀態(tài)和裕度。 針對線路型數(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)的相對大小,當數(shù)據(jù)有向時用箭頭標出方向。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)的相對大小,并具有流動的動畫效果。1、 三維可視化三維可視化方法 電力系統(tǒng)實時運行中的監(jiān)控數(shù)據(jù)很多,需要對其分類,再根據(jù)不同類別的特點,選擇合適的表達方式,即進行可視化主題設計。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在三維曲面圖中,關鍵的一步是選擇合適的空間插值算法,將定義在離散點上的數(shù)據(jù)擴展到整個平面。例如圖1 所示情況,在平面上已經(jīng)定義了v1 v4 這4 點數(shù)據(jù), p 是平面中的任意一點,空間插值算法的任務就是計算出p 點的虛擬數(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)點個數(shù); dpi 為數(shù)據(jù)點i 到p 的距離。實際中,一般要對二維網(wǎng)格上的各點進行插值,計算量很大。文獻6（ individual welfare maximization in elect ricity market s including consumer and full t ransmission systemmodeling d . ）對空間插值算法提出2 點優(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)點的影響,即 式中: dinf 為預設的影響距離,每個數(shù)據(jù)點只影響距離小于di

5、nf 的區(qū)域。其次,利用整數(shù)坐標正方形網(wǎng)格的對稱性,將距離的計算次數(shù)減少到原來的1/ 8 。但經(jīng)過上述改進后,算法尚有不足之處: 無法計算所有數(shù)據(jù)點影響區(qū)域外的待插值點; 計算結(jié)果在影響區(qū)域邊界處不連續(xù); 僅在一個數(shù)據(jù)點影響區(qū)域內(nèi)的插值點取值與該數(shù)據(jù)點相同。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效果。以下進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)域邊界處過渡的平滑程度。理論上,已知n 個數(shù)據(jù)點在m m 的網(wǎng)格上插值,原始算法(式(1) ) 的乘除法計算量與n m2 成正比,而當dinf 根據(jù)經(jīng)驗設置為 ( s 為插值區(qū)域面積)

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

7、算,從而可再將計算量減少3/ 4 。通過插值算法的改進,三維曲面圖顯示的實時性和實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用是可視化表達中的重要內(nèi)容,需要設計將不同數(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習慣,易于理解記憶。 用紅綠藍(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 對應的色彩分量。經(jīng)過比較試驗, 采用ma tlab 軟件中稱為“jet”的色彩映射方案(見圖2) 最適宜。該方案常在氣溫分布圖中使用,本文稱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)物理量的實際值,也可依據(jù)實際值與限值的接近程度。除溫度色彩外,還可以設計其他色彩映射方案。2、 軟件設計與實現(xiàn)軟件設計與實現(xiàn)從軟件復用性角度出發(fā),基于

9、現(xiàn)有ems的二維圖形平臺,設計并實現(xiàn)了電力系統(tǒng)三維可視化模塊。利用二維圖形平臺中的電網(wǎng)接線圖以及數(shù)據(jù)和位置信息,對電力系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進行實時的三維可視化表達。2. 1 技術路線技術路線計算機領域有多種成熟的三維圖形顯示技術可供選擇。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; 可輸出為標準的三維圖形格式(vrml/ x3d) 后再顯示; 可直接用三維圖形接口(如j ava3d、direct3d 和opengl) 編程。為克服已有技術的不足,電力系統(tǒng)三維可視化技術的選擇需考慮如下因素: 能應用于多種操作系統(tǒng)平臺; 易與現(xiàn)有ems 二維圖形平臺結(jié)合; 顯示速度快。2. 2 可視化的模塊設計與

10、系統(tǒng)集成可視化的模塊設計與系統(tǒng)集成遵循模塊化、可復用和面向?qū)ο蟮脑O計原則,圖3 給出三維可視化模塊的基本結(jié)構。該模塊直接建立在現(xiàn)有ems 二維圖形平臺基礎上,與ems 緊密集成,分為三維顯示場景和三維對象2 部分功能。2、 軟件設計與實現(xiàn)軟件設計與實現(xiàn)顯示場景對應最終在屏幕上的顯示區(qū)域,可包含若干三維對象。該部分負責維護內(nèi)部三維對象列表和整個場景的姿態(tài)信息,創(chuàng)建和顯示三維對象,并且根據(jù)用戶鼠標操作調(diào)整場景的姿態(tài)。三維對象對應需要顯示在屏幕上的一個或一組三維圖形,包括簡單的幾何圖形、用做背景的電網(wǎng)接線圖,以及對應特定可視化表達的圖形,如柱狀圖中的一組圓柱。它根據(jù)從二維圖形平臺中獲取的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中

11、生成三維圖形,并負責具體繪圖。2、 軟件設計與實現(xiàn)軟件設計與實現(xiàn)三維可視化模塊嵌入并集成在現(xiàn)有ems 二維圖形平臺中,保證模塊內(nèi)部實現(xiàn)與具體數(shù)據(jù)源無關。模塊通過場景窗口的顯示和隱藏實現(xiàn)二維與三維顯示的切換,通過動態(tài)銷毀和創(chuàng)建三維對象實現(xiàn)在不同三維可視化表達形式之間的切換。模塊中的數(shù)據(jù)接口從現(xiàn)有ems 二維圖形平臺的動態(tài)數(shù)據(jù)和設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象使用。背景接線圖對象負責在三維顯示場景中重新繪制二維接線圖。如圖4 所示,二維圖形平臺的動態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)值可以來自由數(shù)據(jù)收集程序維護的可視化實時庫,也可以通過數(shù)據(jù)接口獲取不同廠家ems 中的實時數(shù)據(jù),實現(xiàn)與控制中心ems 的

12、數(shù)據(jù)集成。 3、 實時應用實時應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)的不同實時應用系統(tǒng)中,具體見表2 。 3、 實時應用實時應用3. 1性能測試性能測試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幺值實際數(shù)據(jù)共69 組,檢驗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)格上測試,式(3) 中的dinf 根據(jù)經(jīng)驗設置為s/ n ( s 為插值區(qū)域面積, n 為數(shù)據(jù)組數(shù)) ,c 設置為5/ dinf 。從表3 中看到,空間插值算法經(jīng)過改進,其計算時間大為減少,從而能夠滿足實時性要求。 3、 實時應用實時應用3. 2. 2 可視化顯示性能 三維圖形的生成和繪制過程也較耗時。在現(xiàn)場用不同規(guī)模的實際電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的顯示性能進行測試,結(jié)果如表4 和表5 所示。 3、 實時應用實時應用 表4 和表5 中,畫面生成耗時指從二維圖形平臺獲取數(shù)據(jù)、進