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)計與實現(xiàn)軟件設(shè)計與實現(xiàn) 3、 實時應(yīng)用實時應(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 個維度,相對傳統(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)中存在的問題及其嚴(yán)重程度,并使調(diào)度員對電網(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:用餅圖和動畫箭頭表示線路潮流 ;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)行中的常見數(shù)據(jù)一般可歸結(jié)為節(jié)點(diǎn)型和線路型2 大類,例如母線電壓和線路潮流。 針對節(jié)點(diǎn)型數(shù)據(jù),直觀做法是利用空間的第3個維度,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)識當(dāng)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(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)的相對大小,當(dāng)數(shù)據(jù)有向時用箭頭標(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(yùn)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(diǎn),選擇合適的表達(dá)方式,即進(jìn)行可視化主題設(shè)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(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)個數(shù); dpi 為數(shù)據(jù)點(diǎn)i 到p 的距離。實際中,一般要對二維網(wǎng)格上的各點(diǎn)進(jìn)行插值,計算量很大。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(jìn)后,算法尚有不足之處: 無法計算所有數(shù)據(jù)點(diǎn)影響區(qū)域外的待插值點(diǎn); 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(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)域邊界處過渡的平滑程度。理論上,已知n 個數(shù)據(jù)點(diǎn)在m m 的網(wǎng)格上插值,原始算法(式(1) ) 的乘除法計算量與n m2 成正比,而當(dāng)dinf 根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置為 ( s 為插值區(qū)域面積)

6、時,文獻(xiàn) 6 及本文改進(jìn)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(diǎn),并且通過引入虛擬的平均點(diǎn) ( v ) 和權(quán)重修正項(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; 僅在一個數(shù)據(jù)點(diǎn)影響區(qū)域內(nèi)時,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(jìn),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(yùn)用是可視化表達(dá)中的重要內(nèi)容,需要設(shè)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(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(yīng)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(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(shè)計其他色彩映射方案。2、 軟件設(shè)計與實現(xiàn)軟件設(shè)計與實現(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,設(shè)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(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的三維可視化表達(dá)。2. 1 技術(shù)路線技術(shù)路線計算機(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; 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(shè)計與

10、系統(tǒng)集成可視化的模塊設(shè)計與系統(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 二維圖形平臺基礎(chǔ)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(shè)計與實現(xiàn)軟件設(shè)計與實現(xiàn)顯示場景對應(yīng)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(fù)責(zé)維護(hù)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(biāo)操作調(diào)整場景的姿態(tài)。三維對象對應(yīng)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(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)計與實現(xiàn)軟件設(shè)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(guān)。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(dá)形式之間的切換。模塊中的數(shù)據(jù)接口從現(xiàn)有ems 二維圖形平臺的動態(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象使用。背景接線圖對象負(fù)責(zé)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(hù)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(yīng)用實時應(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(yīng)用系統(tǒng)中,具體見表2 。 3、 實時應(yīng)用實時應(yīng)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(biāo)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(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)過改進(jìn),其計算時間大為減少,從而能夠滿足實時性要求。 3、 實時應(yīng)用實時應(yīng)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(jìn)行測試,結(jié)果如表4 和表5 所示。 3、 實時應(yīng)用實時應(yīng)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(jìn)