CN102346915B - 电压等高曲面图形快速生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压等高曲面图形快速生成方法，涉及电力系统数据结果可视化技术领域，包括以下步骤：A：确定电压等高曲面原始网格每位网格的权重向量；B：对所述原始网格进行归类得到多个环色带格子组；C：根据所得环色带格子组对网格进行合并，得到多个渲染用格子组；D：利用所述各环色带格子组所对应的值组成矩阵实现网格的插值计算，并进行颜色值映射；E：获取渲染用格子组的颜色映射值，并对所述渲染用格子组对应的矩形格子组进行渲染。本发明能够显著提高绘制电压等高曲面图过程中图片生成的速度，同时也保证了图形的质量。

Description

电压等高曲面图形快速生成方法

技术领域

本发明涉及电力系统数据结果可视化技术领域，尤其涉及一种电压等高曲面图形快速生成方法。

背景技术

随着电力系统规模的不断扩大、量测技术的进一步应用、分析控制手段的日益复杂，给电网调度带来新的挑战。在电网实际运行调度中，调度员需要对大量数据进行人工分析和处理，可视化是目前从人机界面角度帮助调度员，实现对电网的及时有效监控的最直接和有效的技术方法。

电力调度运行人员每时每刻要面对成百上千的节点数据，仅仅依靠表格和文字来显示已经不能满足要求。随着计算机可视化化技术的发展，基于地理信息的电压等高曲面图逐渐得到电力工作者的重视。电压等高曲面图将电力系统中节点电压的分布看成在整个系统覆盖区域是连续的，并采用色彩映射等方式来表达电压数值的大小。心理学实验显示：彩色的电压等高曲面图比起传统的数字显示方式更能引起人眼的注意，更能直观表达电网的整体电压水平，能帮助调度员及时的发现电压越限的节点或区域。

电压等高曲面图的原理是通过一定的插值方法将地理分布的离散数据点扩展到整个绘制平面上。目前常见的电压等高曲面插值方法分为两种：1.基于不规则三角网的方法；2.基于规则格网的方法。

基于不规则三角网的方法生成的曲面难以避免出现棱角尖锐，等高线间过渡不够平滑等等问题，效果不如规则格网法。

基于规则格网的方法将绘图屏幕划分为M×N的均匀网格，每个网格的数值大小取决于周围邻近数据点的数值，一般距离越近的数据点影响权重越大。这种方法虽然绘制的图像比较精美，但其插值和图像生成的过程速度较慢。不能满足电网调度的实际应用中绘制电压等高曲面图的处理速度要求。

中国专利CN101950429A公开了一种电压等高曲面插值和图形生成的方法及装置，它通过对网格进行合并，减少了需要插值和绘制的网格数目，提高了图形显示的速度，但这仍然不能满足电网调度的实际应用中绘制电压等高曲面图的处理速度要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种电压等高曲面图形快速生成方法，其能够显著提高绘制电压等高曲面图过程中图片生成的速度，同时也保证了图形的质量。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种电压等高曲面图形快速生成方法，包括以下步骤：

A：确定电压等高曲面原始网格每位网格的权重向量；

B：对所述原始网格进行归类得到多个环色带格子组；

C：根据所得环色带格子组对网格进行合并，得到多个渲染用格子组；

D：利用所述各环色带格子组所对应的值组成矩阵T实现网格的插值计算，并进行颜色值映射；

E：获取渲染用格子组的颜色映射值，并对所述渲染用格子组对应的矩形格子组进行渲染。

优选地，所述步骤B，进一步包括：

B1：当网格与所有节点的欧氏距离d_pi＞d_inf，其权重向量的每个元素均为1/N，对此类网格归类建立环色带格子组T₀；

B2：沿预定的路径从左上方网格开始搜索节点i影响范围内的未分类网格，i为自然数；

B3：对于所得未分类的网格j建立新的环色带格子组T_j，并继续以节点i为中心，沿预定的路径搜索未归类网格，使与网格j的权重关系满足预设条件的网格归入所述环色带格子组T_j，使不满足预设条件的网格存入缓冲区，其中j的初始值为1，j为自然数；

B4：检测所述缓冲区中的未归类网格，并执行步骤B3建立新的环色带格子组T_j+1，直至所述缓冲区内的网格全部归类，执行步骤B3，令j＝j+1；

B5：取未搜索边界上的未归类网格，执行步骤B3，直到节点i影响的范围内的所有网格归类完毕；

B6：以其他节点为中心，重复上述操作，直至将所有网格归类，得到环色带格子组。

优选地，所述步骤B2，所述沿预定的路径从左上方网格开始搜索节点i影响范围内的未分类网格包括：沿连续地遍历所有网格的不重复路径，从左上方网格开始搜索节点i影响范围内的未分类网格。

优选地，所述沿连续地遍历所有网格的不重复路径，从左上方网格开始搜索节点i影响范围内的未分类网格包括：以节点i为中心，从靠近节点i的一层网格中的左上方网格开始，依次按右、下、左、上的直线方向，顺时针进行搜索；完成后从外部新一层网格的左上方网格继续进行上述搜索，直到搜索完毕。

优选地，所述方法还包括：搜索过程中若某直线方向上没有网格满足所述预设条件或者超出搜索边界，则停止该方向的搜索的步骤。当直线方向的搜索都停止时，该格子组归类完毕。

优选地，所述步骤B3中，预设条件包括：与网格j的权重向量距离乘以c小于δ，且权重向量中第i个分量值最大。

优选地，所述步骤C，包括：采用矩形逼近不规则圆的方法，由外向内分别对各环色带格子组进行网格合并。

优选地，所述步骤B还包括：标记不受节点影响的网格的步骤。

(三)有益效果

本发明基于规则格网的传统空间插值方法，采用网格归类-分层合并的一次性预处理方法，本发明在大幅度提高电压等高曲面图生成速度的同时，亦保证了图像的质量。

附图说明

图1为本发明实施方式中所述电压等高曲面图形快速生成方法的流程图；

图2为本发明实施方式中所述顺时针搜索方法的示意图；

图3为本发明实施方式中所述矩形逼近不规则圆的方法的示意图；

图4为本发明实施方式中所述6节点系统的结构示意图；

图5为采用本发明中所述三种方法(传统方法、中国专利CN101950429A公开的合并网格方法，以及本发明所述方法)在不同网格规模下显示的图像效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明所述电压等高曲面图形快速生成方法，包括以下步骤：

A：确定电压等高曲面原始网格每位网格的权重向量；

B：对所述原始网格进行归类得到多个环色带格子组；

本步骤可首先标记不受节点影响的网格。

本步骤可通过以下步骤实现：

B1：当网格与所有节点的欧氏距离d_pi＞d_inf，其权重向量的每个元素均为1/N，对此类网格归类建立环色带格子组T₀；

B2：沿预定的路径从左上方网格开始搜索节点i影响范围内的未分类网格；

本步骤中，所述沿预定的路径从左上方网格开始搜索节点i影响范围内的未分类网格，包括：沿连续地遍历所有网格的不重复路径，从左上方网格开始搜索节点i影响范围内的未分类网格。

例如：以节点i为中心，从靠近节点i的一层网格中的左上方网格开始，依次按右、下、左、上的直线方向，顺时针进行搜索；完成后从外部新一层网格的左上方网格继续进行上述搜索，直到搜索完毕。

如图2所示，从左上方网格开始顺时针并在网格内沿直线方向1、2、3、4进行搜索，完成后从外部新一层网格的左上方网格开始顺时针并在网格内沿直线方向1、2、3、4进行搜索。

搜索过程中若某直线方向上没有网格满足所述预设条件或者超出搜索边界，如图2中的网格m，则停止该方向的搜索。当直线方向的搜索都停止时，该格子组归类完毕。

B3：对于所得未分类的网格j建立新的环色带格子组T_j，并继续以节点i为中心，沿预定的路径搜索未归类网格，使与网格j的权重关系满足预设条件的网格归入所述环色带格子组T_j，使不满足预设条件的网格存入缓冲区，其中j的初始值为1；

本步骤中，所述预设条件包括：与网格j的权重向量距离乘以c小于δ，且权重向量中第i个分量值最大。

B4：检测所述缓冲区中的未归类网格，并执行步骤B3建立新的环色带格子组T_j+1，直至所述缓冲区内的网格全部归类，执行步骤B3，令j＝j+1；

B5：取未搜索边界上的未归类网格，执行步骤B3，直到节点i影响的范围内的所有网格归类完毕；

B6：以其他节点为中心，重复上述操作，直至将所有网格归类，得到环色带格子组。

C：根据所得环色带格子组对网格进行合并，得到多个渲染用格子组；

本步骤中，可采用矩形逼近不规则圆的方法，由外向内分别对各环色带格子组进行网格合并。参见图3。

D：利用所述各环色带格子组所对应的值组成矩阵T实现网格的插值计算，并进行颜色值映射；

E：获取渲染用格子组的颜色映射值，并对所述渲染用格子组对应的矩形格子组进行渲染。

下面采用简单6节点系统作为示例，分别取不对网格进行合并的传统方法、中国专利CN101950429A所述网格合并方法，和本发明提出方法，并对此三种方法所产生的效果进行比较。

如图4所示。原来6个节点较为均匀的分布于二维平面上，为了更概括实际情况，将bus6调整，移近bus3。

权重向量的计算采用下面的插值计算公式：

$v_p=\frac{{\mathrm{Cv}}_{\&infin;}+\underset{\underset{d_{\mathrm{pi}}<d_{\inf }}{i=1}}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}[\frac{1}{{d^2}_{\mathrm{pi}}}-\frac{1}{{d^2}_{\inf }}]v_i}{C+\underset{\underset{d_{\mathrm{pi}}<d_{\inf }}{i=1}}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}[\frac{1}{{d^2}_{\mathrm{pi}}}-\frac{1}{{d^2}_{\inf }}]}$

式中，

C为平滑常数，通过C调节插值结果在影响区域边界过渡的平滑程度。

色彩映射采用陈佳，孙宏斌，汤磊，等在《电力系统控制中心三维可视化技术及其实时应用》(电力系统自动化.2008(06)：20-24)介绍的方案。阈值δ方面根据经验选取0.0013，计算速度得到保证的同时，图像质量亦满足工程实用要求。

为了测试新方法对图像计算效率的提高，选择初始矩形网格分别为400×400、800×800、1600×1600三种不同规模。

表格1为不同网格规模下，三种方法在插值和图形生成方面的耗时对比；

表格2为三种方法在插值时需要处理的矩形数目对比；

表格3是三种方法在图形生成时需要处理的矩形数目对比。

表1

其中，测试环境：FUJITSU S6520笔记本。CPU主频：2.66GHz，内存：2GB。所有的程序均用JAVA实现，图形显示采用JAVA的Jgraph工具包。

表2

其中，测试环境同表1。

表3

其中，测试环境同表1。

从表格1可以看到，本发明提出的改进方法在插值和图形生成的速度上均有大幅度提高，并且随着规模的增加优势更加明显。

从表格2可以看到，在插值时需要处理的N维向量数目上，本发明所述方法具有突出优势。每减少一个向量，插值时就减少N维向量点乘N维向量的一次计算。而且随着网格规模的增加，本发明的优势更加明显，需要处理的向量点乘次数的差别也越来越大，甚至达到了数量级的差别。

从表格3可以看到，在图形生成时需要处理的矩形数目上，本发明提出的方法远优于传统方法和网和合并方法。这是因为插值用环色带格子组T合并情况达到一定程度后，形成了大圆弧甚至圆环，使得接下来的分层合并发挥作用，渲染用矩形格子组G的数目得以大幅减少(为合并情况是小圆弧时的2～3分之一)。

虽然在方法思想上，将插值和图形生成分离为两个不同的格子组T和G。实际上不用重新计算每个格子组G的颜色映射值，因为每个格子组G建立时都带有标记，记录所属的环色带。相较传统方法和网和合并方法，实现时只需进行传值，就能替代N维向量点乘N维向量的重复计算，提高了速度减少了耗时。

另外，本发明提出的方法在计算速度得到大幅度提高的同时也保证了图像的质量。

图5为本发明中提及到的三种方法在不同网格规模下显示的图像效果，可以看到使用此三种方法得到的图像质量没有太大区别。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种电压等高曲面图形快速生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

A：确定电压等高曲面原始网格每位网格的权重向量；

B：对所述原始网格进行归类得到多个环色带格子组；

C：根据所得环色带格子组对网格进行合并，得到多个渲染用格子组；

D：利用所述各环色带格子组所对应的值组成矩阵实现网格的插值计算，并进行颜色值映射；

E：获取渲染用格子组的颜色映射值，并对所述渲染用格子组对应的矩形格子组进行渲染；

其中，所述步骤B，进一步包括：

B1：当网格与所有节点的欧氏距离d_pi＞d_inf，d_inf为预设距离阈值，其权重向量的每个分量均为1/N，N为所述权重向量的维数，对此类网格归类建立环色带格子组T₀，

B2：沿预定的路径从左上方网格开始搜索节点i影响范围内的未分类网格，

B3：对于所得未分类的网格j建立新的环色带格子组T_j，并继续以节点i为中心，沿预定的路径搜索未归类网格，使与网格j的权重关系满足预设条件的网格归入所述环色带格子组T_j，使不满足预设条件的网格存入缓冲区，

B4：检测所述缓冲区中的未归类网格，并执行步骤B3建立新的环色带格子组T_j，且令j＝j+1，直至所述缓冲区内的网格全部归类，

B5：取未搜索边界上的未归类网格，执行步骤B3，直到节点i影响的范围内的所有网格归类完毕，

B6：以其他节点为中心，重复上述操作，直至将所有网格归类，得到环色带格子组，

所述步骤B2，所述沿预定的路径从左上方网格开始搜索节点i影响范围内的未分类网格，包括：沿连续地遍历所有网格的不重复路径，从左上方网格开始搜索节点i影响范围内的未分类网格，

所述步骤B3中，预设条件包括：与网格j的权重向量距离乘以c小于δ，且权重向量中第i个分量值最大，c为常数，δ为预设阈值。

2.如权利要求1所述的电压等高曲面图形快速生成方法，其特征在于，所述沿连续地遍历所有网格的不重复路径，从左上方网格开始搜索节点i影响范围内的未分类网格包括：以节点i为中心，从靠近节点i的一层网格中的左上方网格开始，依次按右、下、左、上的直线方向，顺时针进行搜索；完成后从外部新一层网格的左上方网格继续进行上述搜索，直到搜索完毕。

3.如权利要求2所述的电压等高曲面图形快速生成方法，其特征在于，还包括：搜索过程中若某直线方向上没有网格满足所述预设条件或者超出搜索边界，则停止该方向的搜索的步骤。

4.如权利要求1所述的电压等高曲面图形快速生成方法，其特征在于，所述步骤C，包括：采用矩形逼近不规则圆的方法，由外向内分别对各环色带格子组进行网格合并。

5.如权利要求1所述的电压等高曲面图形快速生成方法，其特征在于，所述步骤B还包括：在步骤B1之前，标记不受节点影响的网格的步骤。

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