CN105548756B - 电网多状态变量的三维动态显示方法 - Google Patents

Abstract

一种电网多状态变量的三维动态显示方法，所述方法首先以电网所在地理位置的经度、维度和信号采集时间为坐标轴建立三维直角坐标系，然后利用电网相量测量单元实时采集的电网中每个测点的监测数据，在坐标系中绘制分别与各测点相对应的多个带有轴向缺口的变径柱状曲面，柱状曲面中心轴线上各点的经维度为对应测点的经维度，柱状曲面被时刻为的平面所截，得到的圆弧线的半径和弧心角度分别与对应测点的两个状态变量在时刻的数值成正比。本发明将直角坐标系和多个极坐标系重叠使用，既能显示电网中各PMU测点的地理位置信息，又能显示各测点处两类不同状态变量随时间连续变化的动态过程，因此能够直观、全面、准确地反映电网的运行状态和变化趋势。

Description

电网多状态变量的三维动态显示方法

技术领域

本发明涉及一种能够同时显示电网中多个测点的多个状态变量的动态变化过程的方法，可实现电网多状态变量的可视化监测，属于电力技术领域。

背景技术

供电电网分布地域广阔，发电机组、变电站、线路等主要设备分散在电网中的不同位置，各主要设备之间往往相距数百甚至上千公里，空间上的巨大距离为实现电网中不同位置节点上状态变量的实时监测带来了极大的困难。

由于通讯网络传输数据量和传输速率的限制，目前电网监控和数据采集系统(SCADA)每1-5秒采集一次整个电网的运行数据，由于SCADA数据采样的间隔时间远大于电网工频信号的周期(20毫秒)，SCADA系统只能实现电网稳定状态时的静态监测。

随着高速光纤通讯技术的发展和在电网中的广泛应用，采用GPS精确时标的电网相量测量单元(PMU)实现了每10毫秒向电网广域测量系统(WAMS)上传一次数据的功能，WAMS的高速数据采集为实现电网动态过程的实时监测提供了保障。目前，WAMS显示数据的方式主要有两种：一种是单一状态变量随时间变化曲线的2维平面显示方式，该显示方式能够快速反映电网中某个测点上单一状态变量的动态变化过程，但是无法显示该测点上其他状态变量及电网中其他位置测点上的状态变量的动态变化过程；另外一种是结合电网接线图，利用柱体高度表示单一状态变量某个时刻值的3维静态显示方式，该显示方式能够同时显示某个时刻电网中其他位置测量点上相同性质的一种状态变量，但是无法显示状态变量的动态连续变化过程。

由于单一状态变量无法准确反映电网动态安全稳定性，同时状态变量的连续显示对于反映电网的动态变化趋势具有重要意义，而目前电网数据采集系统使用的数据显示方式无法反映电网中多状态变量的动态变化过程，因此无法全面、准确地反映电网的运行状态。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种电网多状态变量的三维动态显示方法，以全面、准确地反映电网的运行状态。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种电网多状态变量的三维动态显示方法，所述方法首先以电网所在地理位置的经度、纬度和信号采集时间为坐标轴建立三维直角坐标系，然后利用电网相量测量单元实时采集的电网中每个测点的监测数据，在坐标系中绘制分别与电网中各测点位置相对应的多个带有轴向缺口的变径柱状曲面，柱状曲面中心轴线上各点的经纬度为对应测点的经纬度，柱状曲面被时刻为t′的平面所截，得到的圆弧曲线的半径和弧心角度分别与对应测点处的两个状态变量在t′时刻的数值成正比。

上述电网多状态变量的三维动态显示方法，所述变径柱状曲面的顶端对应当前时刻t，变径柱状曲面的底端对应当前时刻前n秒，即时刻t-n。

上述电网多状态变量的三维动态显示方法，所述三维直角坐标系建立两三个，第一个坐标系利用各测点的有功功率P和功角δ绘制变径柱状曲面，另一第二个坐标系利用各测点的无功功率Q和电压U绘制变径柱状曲面，第三个坐标系利用各测点的电压偏差量ΔU绘制变径柱状曲面。

上述电网多状态变量的三维动态显示方法，在利用各测点的有功功率P和功角δ绘制变径柱状曲面时，如果线路电流超过了设定门槛值，则在线路中间点处以超过设定门槛值的线路电流所对应的长度沿线路方向绘制线段，表示该时刻线路上的过载电流。

本发明将直角坐标系和多个极坐标系重叠使用，既能显示电网中各PMU测点的地理位置信息，又能显示各测点处两类不同状态变量随时间连续变化的动态过程，因此能够直观、全面、准确地反映电网的运行状态和变化趋势。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1是包含简化电网结构图和测点位置信息的电网结构三维坐标原理图；

图2是任一时刻以测点C1为圆心显示有功功率P1和功角δ1的原理图；

图3是超过设定门槛值的线路电流显示原理图；

图4是任一时刻以测点C1为圆心显示电压U1和无功功率Q1的原理图；

图5是任一时刻以测点C1为圆心显示电压偏差量ΔU的原理图；

图6显示电网结构中各测点处有功功率P和功角δ的效果图；

图7显示电网结构中各测点处电压偏差量ΔU的效果图。

文中和图中各符号为：G1和G2为两台发电机，C1和C2为两个PMU测点，L_m1和L_m2为两条线路的中间点。

具体实施方式

本发明克服了现有电网状态变量显示方式存在的不足，提供了一种能够同时显示电网地理位置信息和多个状态变量动态特征的三维数据显示方法。其采取的技术方案如下。

本发明建立了一个反映各PMU测点地理位置和各测点处状态变量随时间变化的三维直角坐标系，竖直坐标轴是时间轴，两个水平坐标轴分别表示各PMU测点地理位置的经度和纬度，在任一水平面上，分别以各PMU测点为圆心，用不同半径和不同张开角度的圆弧线表示该时刻两个不同状态变量的数值，在该三维坐标图中，顶端显示当前时刻t时各PMU测点的地理位置信息和各PMU测点处的状态变量参数的信息，底端显示当前时刻前10秒t-10时各PMU测点的位置信息和各PMU测点处的状态变量参数的信息，将时刻t至时刻t-10之间的监测数据同时显示在坐标系中，就构成一个个中心轴线与时间轴平行的，带有轴向不同弧心角度的变径柱状曲面。将有功功率P和功角δ、无功功率Q和电压U、以及电压偏差量ΔU分别显示在三个不同的三维坐标图中。利用该电网多状态变量的三维动态显示方法可以在一个三维坐标图中同时显示以下信息：各PMU测点的地理位置信息、两类状态变量参数、状态变量随时间连续动态变化特征，因此本方法能够快速直观显示电网多状态变量的动态稳定性。

本发明的工作原理如下：

在以时间为竖直坐标轴绘制三维坐标图时，在任一水平面上，本发明将表示各PMU测点地理位置信息的直角坐标系和以各测点为圆心表示两类不同状态变量的极坐标系重叠使用，实现了在一个水平面上同时表示三个变量的功能，也就实现了利用三维坐标图显示电网多状态变量动态特征的功能。

在表示电网中各PMU测点处有功功率P和功角δ随时间变化的三维动态图中，在任一水平面上，以各PMU测点的地理位置为圆心，将测点处的有功功率P进行标度变换，转换成对应不同长度的半径并绘制彩色的有功圆弧，将功角δ的大小与所绘制有功圆弧的弧心角度相对应，利用该方法实现了有功功率P、功角δ以及测点处地理位置信息的同时显示。

类似地，在表示电网中各PMU测点处电压U和无功功率Q随时间变化的三维动态图中，在任一水平面上，以各PMU测点的地理位置为圆心，将测点处的电压U进行标度变换，转换成对应不同长度的半径并绘制彩色的电压圆弧，将无功功率Q转换成对应一定大小的角度值并与所绘制彩色电压圆弧的弧心角度相对应，利用该方法实现了电压U、无功功率Q以及测点处地理位置信息的同时显示。

在表示电网中各PMU测点处电压偏差量ΔU随时间变化的三维动态图中，在任一水平面上，以各PMU测点的地理位置为圆心，计算各测点处的电压偏差量ΔU＝U-U_N；如果ΔU≥0，将ΔU进行标度变换，转换成对应不同长度的半径并在圆心左侧0°-180°范围内绘制彩色的电压半圆弧；如果ΔU＜0，将ΔU的绝对值进行标度变换，转换成对应不同长度的半径并在圆心右侧180°-360°范围内绘制彩色的电压半圆弧；利用该方法实现了电压偏差量ΔU以及测点处地理位置信息的同时显示。

本发明克服了目前显示方法只能反映一类电网状态变量的单一性和只能显示某一时刻数据的静态性的缺陷。该方法在绘制以时间为竖直坐标轴的三维坐标图时，在任一水平面上将直角坐标系和多个极坐标系重叠使用，既能显示两类状态变量在当前时刻的值又能显示该状态变量在过去10秒内的历史数据；将电网中各PMU测点处的有功功率P和功角δ随时间连续变化的动态过程显示在同一图形中，能够快速直观判断电网的动态功角稳定性；将电网各PMU测点处的电压U和无功功率Q随时间连续变化的动态过程显示在另外一个图形中，能够快速直观判断电网的电压和无功的动态稳定性；将电网各PMU测点处的电压偏差量ΔU随时间连续变化的动态过程显示在第三个图形中，能够快速直观判断电网中的电压振荡的动态特征；利用该方法可以直观显示电网中各PMU测点处多状态变量的连续变化趋势，能够快速直观反映扰动对电网所产生影响的动态过程。

下面结合附图，对本发明进行进一步的详细说明。

图1是包含简化电网结构图和测点位置信息的电网三维坐标原理图，包括一个竖直的时间坐标轴、表示电网地理平面结构和电网中各PMU测点地理位置的XY直角坐标系，在顶部用细实线绘制当前时刻t的简化电网结构图和电网中各PMU测点的位置，例如：两台发电机G1和G2，两个PMU测点C1和C2，两条线路的中间点L_m1和L_m2，线路末端的负荷P,Q；在底部用虚线绘制当前时刻前20秒t-20时刻的简化电网结构图和电网中各PMU测点的位置。

参看图2，为了绘制电网有功功率P和功角δ状态变量的三维动态图，在图1的三维坐标系中，以有功功率P1对应的长度值为半径、以功角δ1为缺口处圆弧对应的弧心角度绘制具有一定缺口的彩色曲线圆弧。具体做法是：1)将测点C1处的有功功率P1进行标度转换，P1*1cm/Pn，其中Pn是电网额定有功功率，该时刻的有功功率P1即被转换为单位为厘米的对应长度值；2)如果测点C1处功角δ1的数值范围是：0°≤δ1≤180°，则功角δ1在图2中对应的角度是：从0°开始顺时针旋转到该角度值的位置；如果功角δ1是负值，即：-180°≤δ1≤0°，则功角δ1对应的角度是：从0°开始逆时针旋转到该角度值的位置；其中，从圆心C1点垂直向下为起始0°的位置。

在绘制电网有功功率P和功角δ状态变量的三维动态图时，如果线路电流超过了设定门槛值，则按图3所示的方式进行显示。在线路中间点L_m1处以超过设定门槛值的线路电流ip1所对应的长度沿线路方向绘制彩色线段，表示该时刻线路上的过载电流。具体做法是：如果线路L1中的电流i1大于线路L1中的设定的门槛值电流in1，则：ip1＝(i1-in1)*10cm/in1，即将超过设定门槛值的线路1中的电流转换为单位为厘米的长度值，并用彩色线段显示；如果线路L1中的电流i1小于线路L1中的设定的门槛值电流in1，则不显示线路1中的该电流。

参看图4，为了绘制另外的电网电压U和无功功率Q状态变量的三维动态图，在图1的三维坐标系中，以电压U1对应的长度值为半径、以无功功率Q1/Qn(其中Qn是电网额定无功功率)对应的弧心角度绘制的一段彩色曲线圆弧。具体做法是：1)将测点C1处的电压U1进行标度转换，U1*1cm/Un，其中Un是电网额定电压，该时刻的电压U1即被转换为单位为厘米的对应长度值；2)将测点C1处的无功功率Q1进行标度转换，Q1*90°/Qn，如果测点C1处的无功功率Q1大于零，则测点C1处无功功率Q1在图4中对应的角度是：从0°开始顺时针旋转到该角度值的位置；如果无功功率Q1是负值，则测点C1处无功功率Q1对应的角度是：从0°开始逆时针旋转到该角度值的位置。

参看图5，为了绘制第三个电网电压偏差量ΔU的三维动态图，在图1的三维坐标系中，以电压偏差量ΔU＝U-U_N的绝对值对应的长度值为半径、根据ΔU的值为正或为负分别在圆心左侧或右侧绘制彩色半圆弧。具体做法是：1)将测点C1处的电压偏差量ΔU1的绝对值进行标度转换，|ΔU1|*1cm/(Un*0.05)，其中Un是电网额定电压，该时刻的电压偏差量ΔU的绝对值|ΔU1|即被转换为单位为厘米的对应长度值；2)如果测点C1处的电压偏差量ΔU1大于零，则在测点C1处左侧0°-180°范围内绘制半径与|ΔU1|相对应的彩色半圆弧；3)如果电压偏差量ΔU1是负值，则在测点C1处右侧180°-360°范围内绘制半径与|ΔU1|相对应的彩色半圆弧。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的核心技术内，所能轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电网多状态变量的三维动态显示方法，其特征是，所述方法首先以电网所在地理位置的经度、纬度和信号采集时间为坐标轴建立三维直角坐标系，然后利用电网相量测量单元实时采集的电网中每个测点的监测数据，在坐标系中绘制分别与各测点相对应的多个带有轴向缺口的变径柱状曲面，柱状曲面中心轴线上各点的经纬度为对应测点的经纬度，柱状曲面被时刻为t′的平面所截，得到的圆弧曲线的半径和弧心角度分别与对应测点的两个状态变量在t′时刻的数值成正比。

2.根据权利要求1所述的一种电网多状态变量的三维动态显示方法，其特征是，所述变径柱状曲面的顶端对应当前时刻t，变径柱状曲面的底端对应当前时刻前n秒，即时刻t-n。

3.根据权利要求1或2所述的一种电网多状态变量的三维动态显示方法，其特征是，所述三维直角坐标系建立三个，第一个坐标系利用各测点的有功功率P和功角δ绘制变径柱状曲面，第二个坐标系将无功功率Q乘以90^。除以额定无功功率Q_N转换为圆弧对应的弧心角度并利用各测点的无功功率Q和电压U绘制变径柱状曲面，第三个坐标系将各测点的电压偏差量ΔU的绝对值转换成对应的圆弧半径并绘制变径柱状曲面。

4.根据权利要求3所述的一种电网多状态变量的三维动态显示方法，其特征是，在利用各测点的有功功率P和功角δ绘制变径柱状曲面时，如果线路电流超过了设定门槛值，则在线路中间点处以超过设定门槛值的线路电流所对应的长度沿线路方向绘制线段，表示该时刻线路上的过载电流。