CN102439527B - 用于对系统中的传输流进行可视化的方法、操作员终端以及监督控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于将系统中的传输流可视化在操作员终端的显示单元上的方法。所述方法包括以下步骤：检索所述传输流的起点和终点；生成图像，其中，从起点到终点的几何线(50)图解地表示了所述传输流，以及其中，所述传输流的方向由在传输流的起点和终点之间的几何线的连续增加的不透明度图解地表示；以及在显示单元上输出图像。
Description
技术领域
本发明总体涉及对诸如发电、输电和/或配电系统的系统或过程进行监督和监视的领域，本发明具体涉及用于这种监督的图形工具。更具体地，本发明涉及对系统中的传输流(例如电力网中的电力流)的可视化。
背景技术
对系统(以下以电力网作为示例)的监督和监视对于确保电力网的正确工作以及使得能够采取正确的动作而言是非常重要的。重要的是这种电力网的操作员能够快速地了解网络的状态，特别是能够检测到任何故障状态并且对所述故障状态快速地采取动作。
在操作员的任务中，他或她由监督控制系统支持，监督控制系统在现有技术中也作为术语SCADA(监督控制和数据采集)系统已知。这样的监督控制系统经由系统接口单元与电力网交互。该单元可以例如从电力网获得测量值以及执行对电力网的控制动作。监督控制系统包括：对从系统接口单元来的以及到系统接口单元去的信息进行处理的处理装置；对测量值以及从对测量值的处理中所生成的数据进行存储的数据存储装置，所述数据诸如警报和统计计算结果等；为至少一个操作员终端的形式的人机接口；以及用于从系统接口单元的信号传输和到系统接口单元的信号传输的、以及用于在处理装置、数据存储装置和人机接口之间的数据传输的通信装置。操作员终端包括示出了电力网的不同部分和数据的一个或者几个显示单元。对于大电力网来讲，不可避免的是：有巨大数量的数据可用于显示并需要操作员对其进行监视。应该以尽可能最好地方式将可视信息或数据呈现给操作员，以提供尽可能最好的概览。
对电力网的操作员重要的一种信息是电力网的输电或配电线上的实际电力流。由此，可以将电力流分为：有功或有效功率流，其单位为VA(伏安，Volta-Ampere)；和无功功率流，其单位为VAR(无功伏安，Volt-Ampere-Reactive)。
对有效和有功功率流的直观可视化已被证明是困难的。目前，仅有非常简单的可视化方法是可用作对电力网的操作员的支持的，这些方法通常包括使用具有不同形状的箭头。在图1中，示出了一种这样的用于显示电力流的手段，该手段是根据可从因特网下载的下述报告而已知的：Thomas.J.Overbye等人，Effective Power System Control Center Visualization.Power Systems Engineering Research Center；Final Report，PSERCDocument 08-12，May 2008。活动箭头40展示了具有有效功率的传输流。活动的箭头沿着所显示出的电力线移动，而箭头的尺寸指示了传输流的数量。例如当这些箭头40呈现在覆盖有数以百计的电力线的电力网络的概览图中时，对于操作员来说这些箭头40在视觉上会是烦扰的。箭头会使概览图变得杂乱，而在大箭头的下面会难以看到细节。如果这些箭头又结合有示出了在同一时刻具有无功功率的传输流的箭头，那么可视表示会覆盖具有不同尺寸的两种箭头朝向相对方向移动的动画。这种图形表示的不可抵挡的或者甚至是使人愤怒的效果是容易想象的。
当数以百计的活动箭头开始引起操作员对每条单独电力线的注意的时候，这种方法在视觉效果上较差地按比例放大，而操作员会在细节中迷失。此外，箭头头部引起了显示设备上严重的杂乱。
发明内容
鉴于上述内容，本发明的总体目的是提供用于便利诸如电力网的系统的操作员的监督任务的装置和方法。
本发明的具体目的是：通过改进对系统中的传输流进行可视化的方式来提供用于便利可视监督的装置和方法，系统中的传输流诸如电力网的输电以及配电线中的电力流。
其中，这些目的是由独立权利要求要求保护的方法、操作员终端和监督控制系统来实现的。在从属权利要求中要求保护了本发明的实施方式。
根据本发明，提供了一种用于将系统中的传输流可视化在操作员终端的显示单元上的方法。所述方法包括以下步骤：检索传输流的起点和终点；生成图像，其中，从起点到终点的几何线图解地表示了传输流，以及其中，传输流的方向由在该传输流的起点和终点之间的几何线的连续增加的不透明度图解地表示；以及在显示单元上输出图像。借助于本发明，可以在不使用与线叠加并且甚至占据了比线宽更宽的空间的箭头的情况下图解地表示出具有有效功率的传输流。由此，消除了或者至少减少了杂乱的问题。此外，不透明度的变化也降低了杂乱，这是因为表示传输线的几何线在任何情况下都呈现在图像中。动画是不需要的。因此，本发明提供了更加可缩放的方案，使得可以在同一时刻示出数以百计的或者甚至数以千计的传输线(例如电力线)，而不会通过动画和/或具有不同形状和尺寸的箭头给操作员的眼睛带来压力。
根据本发明的实施例，所述方法还包括以下步骤：检索传输流在系统中是有功的那段时间的长度；以及生成具有随着时间长度的增加而沿着传输流的方向增加的不透明度水平的图像。考虑到了传输流的时间方面并且对其进行了图解表示是新的功能，该功能向操作员给出了有价值的信息。例如，如果系统是电网，传输流是有效功率流，那么向操作员给出了关于有效功率流是否良好地建立在了电力线上的信息。当时间长度超过了预定的限制时，不透明度水平达到其最大值。
在本发明的另一个实施例中，重复地执行所述检索时间长度的步骤以及所述生成图像的步骤，由此连续地用最新的发展来更新图像并且将传输流的最近的状态提供给操作员。
在本发明的又一个实施例中，所述方法包括以下步骤：检索传输流的容量值；以及生成几何线的宽度与该容量值对应的图像。
在本发明的再一个实施例中，所述方法包括以下步骤：检索传输线的载荷百分比值；以及生成具有以下几何线的图像，所述几何线由其间具有第一宽度的一对内线和其间具有第二宽度的一对外线图解地表示。第一宽度是对应于载荷百分比值来被确定和映射的，而第二宽度是相对于容量值来被确定和映射的。由此，提供了非常直观的图像，由此操作员能够很快地看到负载百分比值是否正在达到系统的最大容量。然后如果需要，他或她可以快速地采取行动。
在本发明的又一个实施例中，所述方法包括进一步的步骤：通过将至少一个箭头嵌入到几何线中来生成图像，其中，箭头从传输流的终点指向起点，由此指示了传输流的方向。在一些应用中，这会是传输流的有价值和有帮助的另外的信息。
本方法可应用于许多领域：系统可以包括电力网，传输流则可以包括电力网的电力线的有效功率流；或者系统可以包括水净化和分配系统，传输流则可以包括水流；或者系统可以包括油气生产和分配系统，传输流则可以包括油和/或气流。由此提供了可广泛应用于各个领域中的方法。
根据本发明，提供了执行发明方法步骤的操作员终端和监督控制系统。
根据以下详细的描述和附图，本发明的进一步的特征和优点将会变得清楚。
附图说明
图1示出了现有技术可视化方法。
图2示出了根据本发明的实施例的监督控制系统。
图3示出了根据本发明的实施例的用于监督控制系统中的操作员终端。
图4示出了根据本发明的实施例的可视表示的示例。
图5示出了根据本发明的实施例的可视表示的另一个示例。
图6示出了包括在根据本发明的方法中的步骤的流程图。
具体实施方式
图2示意性地示出了根据本发明的监督控制系统10。监督控制系统10可以例如是用于对系统或者系统的一部分进行控制的基于对象的计算机化系统。
要被监督的系统21可以是包括了要被可视地表示的传输流的任何系统。系统可以例如包括电力网21，该电力网21包括有发电系统、输电系统和/或配电系统。会从本发明中获益的、要被监督的系统的进一步示例包括水净化和分配系统、油气生产和分配系统、其他的石化、化学、制药或食品加工系统，以及纸浆和纸张生产系统。
以下，以电力网示例本发明，可以通过操作员终端监督和监视该电力网。操作员终端与用于处理对过程的监视和控制的控制服务器进行通信。
在图2中，监督控制系统10被示出为包括有连接到第一通信总线B1的两个操作员终端12和14。然而，监督控制系统10可以包括任何数目的操作员终端。监督控制系统10可以包括第二通信总线B2，而在第一通信总线B1和第二通信总线B2之间连接有：第一服务器16，提供对电力网21的控制；第二服务器17，提供对电力网21的监视；以及数据库18。在数据库18中可以存储相关的数据，诸如与对电力网21的控制、对电力网21的监视有关的数据、表示电力网21的配置的数据等。在本申请中，以系统数据来表示所有这样的数据。
可以将第一服务器16认为是控制系统的一部分，并可以将第二服务器17认为是监视系统的一部分。
作为电力网21的一部分并且提供对电力网21的控制和提供电力网21中的测量值的许多系统接口单元20、22、24、26连接到第二通信总线B2。虽然任何数目是可能的，但是在图2中，四个这样的系统接口单元20、22、24和26被示出为连接到电力网21。在这里，将电力网21示出为还包括电力线28。电力网21还包括有未在图2中示出的另外的部分，诸如发电装置。应该理解，这些系统接口单元20、22、24和26中的一些可以被设置成仅用于控制目的，一些可以被设置成仅用于测量目的，而一些可以被设置成用于控制目的和测量目的二者。因此，这种系统接口单元20、22、24和26涉及对电力网21进行控制和/或对电力网21的属性进行测量。
系统接口单元20、22、24和26可以包括致力于对电力网21的例如电流和/或电压进行测量的元件，用于对诸如电流互感器和电压互感器的功率测量元件进行测量的元件，以及致力于控制操作的元件，所述致力于控制操作的元件诸如断路器、继电器、功率半导体开关以及抽头变换器。仅有几种不同的可能类型的元件中的少数可以设置在电力网21的系统接口单元20、22、24、26中。
第一服务器16经由系统接口单元20、22、24、26中的一些接收在电力网21中做出的测量值，并且基于这些测量值经由系统接口单元20、22、24、26中的其他单元对电力网21进行控制。第一服务器16还将历史过程控制数据存储在数据库18中。
第二服务器17经由系统接口单元20、22、24、26接收测量值以及与系统接口单元20、22、24、26的操作有关的状态数据，并且第二服务器17可以生成可以经由操作员终端12和14而被呈现给用户的警报和事件数据。第二服务器17还可以关闭电力网21的一部分或者整个电力网21。警报和事件数据也可以存储在数据库18中。
在图2的示例中，所谓的网络管理器(Network Manager)系统在监督控制系统10上运行，该网络管理器系统是由ABB开发的并且可从ABB获得。该网络管理器系统属于SCADA(监督控制与数据采集)系统组，并且特别意在用于对电力网络或气系统的监督和控制。
监督控制系统10中的操作员终端12和14各自提供到网络管理器系统的用户接口。以下，基于图3所示的操作员终端12的示例来解释这种操作员终端的细节。操作员终端12包括用户输入单元32、显示单元34、控制单元30以及接口36，所述接口36用于经由第一总线B1与监督控制系统10进行通信。
如上所述，操作员终端12为监督控制系统10的操作员提供了图形用户接口。控制单元30可以是包括有相关程序存储器的处理器，所述程序存储器包括有用于执行本发明的功能的程序代码。具体地，控制单元30包括用于执行根据本发明的方法的装置，诸如程序代码。
用户输入单元32是操作员终端12的用户可以通过其录入数据的单元，例如键盘、小键盘或者鼠标。用户输入单元32还可以与显示单元34相结合从而形成触摸屏。
操作员终端12还可以包括其他的用户接口，诸如扬声器或者送话器，从而以与通过显示器和键盘不同的方式将数据呈现给操作员终端12的一个或者更多个用户以及接收去往或来自操作员终端12的一个或者更多个用户的数据。监督控制系统10中的操作员终端12、14仅是可以实现本发明的计算机的一个示例。
控制单元30从监督控制系统10的数据库18取出或检索出与电力网21的不同电力线28上的具有有效和无功功率的传输流有关的测量值和计算数据。控制单元30还将数据变换为图形信息并且在显示单元34上输出图形信息，从而将电力网21内的电力流的情况可视地呈现给操作员。
根据本发明，提供了比已知方法更直观的图形表示。简要地，方案在视觉上更加精细，且该表示对于操作员是清楚和清晰的。在以下的示例中，使用地图作为用于电力网21的被显示的电力线28的定位的背景信息。然而，本发明同样可应用于单线图，单线图是在电气工程中对系统的标准图示。
可以被图解地呈现出的电力流和/或相应电力线28的不同特性的示例包括：
1)电力线的容量，通常以千伏(kV)为单位测量；
2)当前或实际载荷，通常也以千伏(kV)为单位、以容量的百分比给出；
3)传输流的有效功率的方向，以伏安(VA)为单位给出；以及
4)传输流的无功功率的方向，以乏(VAR)为单位给出。
根据本发明，将这些特性通过视觉特征进行映射。在图4中示出了这种映射的实施例的示例。
在根据图4的本发明的实施例中，所使用的可视特征如下。
所显示的电力线的纹理：
——绘制即图形表示出电力线50，其中，内线54具有在58处指示的宽度，而外线56具有在52处指示的宽度。外线56的宽度52是相对于电力线50的容量(kV)来被确定和映射的。
——内线54的宽度58指示了电力线50的传输载荷百分比。传输载荷与容量成比例。在该示例中，瞬时载荷大约是电力线50的容量的33％。即示出载荷的宽度58是示出电力线50的容量的宽度52的三分之一。这给操作员提供了非常图示性和直观的可视表示，操作员能够容易地看到瞬时载荷是否或什么时候接近电力线50的容量的上限。
利用内线54和外线56的表示还可以被描述为通过同轴线的纵切面。两条线54和56则表现为这里选择作为隐喻以用于表示当前载荷和仍然可用的容量两个管，其中，仍然可用的容量等于外宽度52和内宽度58之间的差。
——相对于无功功率(VAR)的数量将纹理映射为在电力线50内的小的嵌入箭头60，该箭头60可以被示出为看起来是逆着由(以下所描述的)不透明度所指示的有效功率(VA)的方向而“行”。不具有无功功率的电力线也不具有纹理。然而，要注意的是：即使是在有无功功率的情况下，取决于例如是否有需要对无功功率进行监督，还可以略去无功功率的示出。
在图4和图5中，电力线50和70分别叠加在地图62上。电力线50和70由几何线表示，所述几何线与电力线50和70实际上如何(例如在两个发电站之间)被布置相对应。
电力线的不透明度
——不透明度是相对于传输流的有效功率来被映射的，使得在传输流的起点72处，例如会是在发电站处(参见图5，第一发电站，Marcella)，电力线70看起来是部分透明的。在传输流的终点74处(参见图5，第二发电站，Troy)，电力线70看起来是没有透明度的实色的。优选地，该映射并不根据用户控制的抽象层次(abstraction level)而改变。
——不透明区域起始的点可以与时间有关。大多数部分都是透明的电力线70(即其中不透明区域在接近于终点74处起始)指示出传输流仅有功了一小会。如图5所描绘的大约在从起点72至终点74的一半上是透明的电力线70意味着传输流在超过一定的时间限制(例如超过十分钟)的时间上是有功的，其中时间限制可以是用户定义的。从距离电力线70的起点一定距离处到终点74的更加不透明的电力线70有功了另一段持续时间。为了使传输流的方向容易察觉，不透明水平不能从起点到终点一直是恒定的。换句话说，不透明水平不能是贯穿整个传输线恒定的，这是因为否则不能确定传输流方向。
借助于本发明，经由所显示的电力线的不透明度来对具有有效功率的传输流的指示是显示多个电力线上的传输流的非常静态和在视觉上可放大的方式。由此，不再需要如在已知方法中所提供的从视力上使人愤怒的动画；具体地，可以除去先前所使用的箭头。
使用了如上所述的纹理和不透明度，而不是如现有技术那样使用箭头的尺寸来指示传输流的数量。
图6示出了根据本发明的方法的步骤。方法80提供了用于使系统21中的传输流可视化的方法。可视化结果显示在操作员终端12和14的显示单元34上。
方法80包括第一步：检索81传输流的起点72和终点74。如果要被监督的系统包括电力网，那么起点72和终点74可以例如包括不同的发电站，电力线28、50、70布置在这些不同的发电站之间。如果要被监督的系统是油气生产和分配系统，那么起点可以是石油钻塔而终点可以是炼油厂，或者起点可以是炼油厂而终点可以是端用户。简而言之，起点和终点表示其间存在某种传输流的点。
方法80包括第二步：生成82图像，其中，从起点到终点的几何线图解地表示传输流。几何线可以对应于传输流在起点和终点之间的真实行进。例如，在系统是电力网的情况下，几何线可以如上所述地表示电力线，并且几何线可以对应于电力线实际上是如何(例如在两个发电站之间)延伸的。传输流的方向是由传输流的起点和终点之间的几何线的增加的不透明度(优选地是连续增加的不透明度)来图解地表示的。即，在起点处传输流看起来是部分透明的，而在终点处传输流看起来是完全不透明的。由此，操作员容易确定传输流的方向。
方法80包括第三步：在显示单元34上输出83所生成的图像。这可以以任何传统的方式来实现。
方法80还可以包括另外的步骤。在实施例中，方法80包括下述步骤：检索84在系统21中传输流是有功的那段时间的长度的步骤；以及，生成85具有随着时间长度的增加而沿着传输流的方向增加的不透明度水平的图像的步骤。要将“不透明度水平”理解为几何线的不透明的量，即感兴趣的是几何线的不透明度部分的起点。即时间过去越久，几何线的更大部分是不透明的。当时间长度超过预定的限制时，不透明度水平会达到其最大值。已经在一段持续时间例如10分钟上是有功的电力线可以具有在介于起点和终点的中间处起始的不透明区域。
检索时间长度的步骤和生成图像的步骤可以重复地执行，例如每分钟执行一次或者每隔一分钟执行一次。
在另一个实施例中，方法80包括：检索传输流的容量值的步骤，以及生成几何线的宽度与容量值相对应的图像的步骤。在传输流是电力流的情况下，可以例如以kV为单位表示容量；在传输流是油流或气流的情况下，可以例如以升/秒(litres/s)为单位表示容量等。
在又一个实施例中，方法80还包括：检索传输线的载荷百分比值的步骤；以及，生成具有如下几何线的图像的步骤，所述几何线由其间具有第一宽度58的一对内线54和其间具有第二宽度52的一对外线56图解地表示。第一宽度58是对应于载荷百分比值来被确定和映射的，而第二宽度52是相对于容量值来被确定和映射的。
在本发明的再一个实施例中，方法80包括进一步的步骤：通过将至少一个箭头嵌入到几何线中来生成图像，其中，箭头从传输流的终点指向起点，由此指示了传输流的方向。当系统是电力网时，这是最直观的。在系统是例如油分配系统的情况下，具有从起点指向终点的箭头会是更直观的。
对于系统是电力网的情况下，可以总结如下几点：以对操作员直观可了解的方式图解地呈现出了具有有效功率以及无功功率的传输流。用来表示具有有效功率和无功功率的传输流的可视特征(即不透明度和箭头纹理)彼此清楚地不同，使得这些可视特征不会对操作员对电力线的视觉印象造成冲突。而是这些可视特征是清楚地可区分的。
所提出的方案涵盖了将电力线中的几个重要的参数直观地映射到电力线的图形表示的静态可视特征。由此，允许对电力线和/或相应的电力流的不同特性进行同时的图形表示。
此外，表示可以包括时间方面，即当操作员正在看电力网的电力线时，他可以看到传输朝着当前所示出的方向流动了大概多久。该方案可以应用到地图以及单线图。
本发明还提供了监督控制系统10的操作员终端12、14，这些操作员终端12、14包括用户输入单元32、显示单元34以及控制单元30。控制单元30包括用于执行如上所述的方法80的步骤的装置31，诸如软件、硬件或者其任何组合。控制单元30尤其包括用于生成所期望的图像的装置。
本发明还提供了用于对诸如以上所示例的电力网的系统21进行监督的监督控制系统10。系统21包括系统接口单元20、22、24、26，而系统接口单元20、22、24、26又包括用于从系统21获取测量值以及对系统21执行控制动作的装置。监督控制系统10还包括：处理装置16、17，用于对从系统接口单元20、22、24、26接收到的信号或者外发到系统接口单元20、22、24、26的信号进行处理；数据存储装置18，用于对测量值和由处理装置16、17从对测量值的处理中生成的数据进行存储；以及如上所述的操作员终端12、14。由此，处理装置16、17：检索和处理诸如传输流在系统21中是有功的那段时间的长度的数据；检索传输流的容量值并对该值进行处理以使几何线的宽度与容量值相对应；检索传输线的载荷百分比值，并对该数据进行处理使得与几何线相关联的不同宽度与值和总容量值相对应等。
Claims (9)
1.一种用于将包括电力网在内的系统中的传输流可视化在操作员终端（12，14）的显示单元（34）上的方法（80），所述方法（80）包括以下步骤：
-检索（81）所述传输流的起点和终点；
-检索所述传输流在所述系统中是有功的那段时间的长度；
-生成（82）具有叠加在背景上的几何线的图像，其中，从所述起点到所述终点的几何线表示了电力线并且还图解地表示了所述传输流，其中，所述传输流的方向由在所述传输流的所述起点和所述终点之间的所述几何线的连续增加的不透明度图解地表示，所述连续增加的不透明度具有在所述线上从距离所述终点一定距离处起始的、随着时间长度的增加而沿着所述传输流的所述方向增加的不透明度水平；以及
-在所述显示单元（34）上输出（83）所述图像。
2.根据权利要求1所述的方法（80），其中，当所述时间长度超过了预定的限制时，所述不透明度水平达到其最大值。
3.根据权利要求1或2所述的方法（80），其中，重复地执行所述检索所述时间长度的步骤以及所述生成所述图像的步骤。
4.根据权利要求1或2所述的方法（80），包括进一步的步骤：
-检索所述传输流的容量值；
-生成所述几何线的宽度与所述容量值对应的所述图像。
5.根据权利要求4所述的方法（80），包括进一步的步骤：
-检索所述传输线的载荷百分比值；以及
-生成具有如下所述几何线的所述图像，所述几何线由其间具有第一宽度（58）的一对内线（54）和其间具有第二宽度（52）的一对外线（56）图解地表示，其中，对应于所述载荷百分比值来确定和映射所述第一宽度（58），以及其中，相对于所述容量值来确定和映射所述第二宽度（52）。
6.根据权利要求1或2所述的方法（80），包括进一步的步骤：
-通过将至少一个箭头嵌入到所述几何线中来生成所述图像，其中，所述箭头从所述传输流的所述终点指向所述起点，由此指示了所述传输流的方向。
7.根据权利要求1或2所述的方法（80），其中，所述传输流包括所述电力网的电力线的有效功率流。
8.一种监督控制系统的操作员终端（12、14），所述操作员终端（12、14）包括用户输入单元（32）、显示单元（34）以及控制单元（30），其中，所述控制单元（30）包括：
用于检索所述传输流的起点和终点的装置（31）；
用于检索所述传输流在所述系统中是有功的那段时间的长度的装置（31）；
用于生成具有叠加在背景上的几何线的图像的装置（31），其中，从所述起点到所述终点的几何线表示了电力线并且还图解地表示了所述传输流，其中，所述传输流的方向由在所述传输流的所述起点和所述终点之间的所述几何线的连续增加的不透明度图解地表示，所述连续增加的不透明度具有在所述线上从距离所述终点一定距离处起始的、随着时间长度的增加而沿着所述传输流的所述方向增加的不透明度水平；以及
用于在所述显示单元上输出所述图像的装置（31）。
9.一种用于对包括电力网在内的系统进行监督的监督控制系统（10），所述监督控制系统（10）包括系统接口单元（20、22、24、26），所述系统接口单元（20、22、24、26）包括用于从所监督的系统获取测量值以及对所监督的系统执行控制动作的装置，所述监督控制系统（10）包括：处理装置（16，17），用于对从所述系统接口单元（20、22、24、26）接收到的信号或者外发到所述系统接口单元（20、22、24、26）的信号进行处理；数据存储装置（18），用于对所述测量值和由所述处理装置（16、17）从对所述测量值的处理中生成的数据进行存储；以及如权利要求8所述的操作员终端（12、14）。
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