CN108802540B - 适用于配电网同步相量实时状态监测的可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于配电网同步相量实时状态监测的可视化方法，包括：实时获取配电网同步相量量测信息，并针对所述量测信息绘制微型趋势图；提取当前时刻下同步相量截面数据，实时获取与该截面数据相对应的非电量信息；针对同步相量截面数据中的频率数据进行空间插值处理，绘制频率等高线图层；针对同步相量截面数据中的电压有效值数据绘制电压有效值圆图元，针对同步相量截面数据中的电压相角数据绘制旋转相量图元，基于旋转相量图元及电压有效值圆图元绘制同步电压相量图层；针对实时获取的非电量信息绘制非电量信息图层；将频率等高线图层、同步电压相量图层、非电量信息图层及微型趋势图在地理信息系统中叠加；通过人机交互响应方式实现微型趋势图的显示与多分屏展示。

Description

适用于配电网同步相量实时状态监测的可视化方法

技术领域

本发明涉及电力系统状态监测技术领域，特别是涉及适用于配电网同步相量实时状态监测的可视化方法。

背景技术

状态监测是复杂电网智能、安全、高效运行的保障，依靠分布于电力系统中的二次量测设备采样收集监测信息，获得当前系统的实时潮流，能真实、有效地辨识系统的实时状态。在配电网侧，分布式可再生资源大量渗透接入，加之储能、电动汽车、小型燃气轮机等技术的发展，使得多种能源在配电网侧汇集，传统“源-网-荷”结构的单向送电模式正在发生改变，产生双向潮流、间歇波动等新问题，使配电网形成一个多维、非线性、随机的复杂系统。配电网同步相量量测装置的出现将电力系统动态监测延伸至低压电网，装置部署在低压用户侧高速率采集各节点及线路的同步相角及主要电网状态量，并通过卫星授时附上统一时标，其记录的高精度数据准确反映了系统实际运行中监测变量的变化轨迹，为采用基于数据驱动的方式掌握配电网动态行为提供了支撑。

随着配电网同步量测装置的需求不断增大，预计未来将有上万台设备布局在全国的配电网中实时量测，装置提供的高精度、高密度数据的规模越来越大。将海量采集信息直接罗列显示，调度人员很难从中提取到有用信息准确判断监测系统的实时状态，导致大量数据得不到有效利用造成信息浪费。近年来发生的几次大停电事故中，均存在对电网内发电负荷平衡情况认知不足，缺乏对故障初期电网运行状态的分析，不能及时采取调整策略继而使事件波及全网的问题，因此状态监视、态势把握就显得尤为重要。如何全面高效的展现监测信息，选择有效的可视化策略进行平台展示，从而使调度人员更加清晰、直观的掌握电网的运行行为，具有很强的实际意义。

电力系统可视化是辅助电网状态感知的重要手段，对电网的控制、运行、调度与保护都有着重要的意义。目前电力系统可视化的研究主要集中于能量管理系统(EnergyManagement System，EMS)，还没有针对配网同步相量特点设计的可视化方法。EMS系统数据采集的频率较低，不包含统一的时标，配网同步量测技术将稳态分析拓展到动态分析过程，较高的测量频率使数据量远大于秒级数据的EMS系统，且数据采集种类与应用场景不同。结合配电网的应用背景，综合处理大规模系统状态数据与地理位置、设备布局等非电量信息进而直观反映复杂配电网的运行特征与运行环境，设计高效直观的同步相量实时状态监测可视化方法亟待解决。

综上所述，现有技术中对于针对配网同步相量特点设计的可视化的问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了适用于配电网同步相量实时状态监测的可视化方法，本发明的可视化方法实现了配电网同步相量多角度、多信息、多分屏的呈现，辅助调度人员全面综合监测配电网运行状态效果。

适用于配电网同步相量实时状态监测的可视化方法，包括：

实时获取配电网同步相量量测信息，并针对所述量测信息绘制微型趋势图；

针对获取的配电网同步相量量测信息对照同步时标与当前世界标准时间提取当前时刻下同步相量截面数据，数据类型包括频率、电压有效值及电压相角；

针对所提取的当前时刻下同步相量截面数据，实时获取与该截面数据相对应的非电量信息；

针对同步相量截面数据中的频率数据进行空间插值处理，绘制频率等高线图层；

针对同步相量截面数据中的电压相角数据绘制旋转相量图元，针对同步相量截面数据中的电压有效值数据绘制电压有效值圆图元，基于旋转相量图元及电压有效值圆图元绘制同步电压相量图层；

针对实时获取的非电量信息绘制非电量信息图层；

将频率等高线图层、同步电压相量图层、非电量信息图层及微型趋势图在地理信息系统中叠加；

通过人机交互响应方式实现微型趋势图的显示与多分屏展示。

进一步优选的技术方案，在获取配电网同步相量量测信息时，利用分布在低压电网中的配网同步量测装置通过GPS对时实时同步获取监测电网处的频率、电压有效值与电压相角，所述量测信息附带卫星授时的同步时标，根据设定的可视化时间跨度Δt与当前世界标准时间 t_UTC，获取同步时标t位于t_UTC-Δt～t_UTC间N个配网同步量测装置的量测数据集合

进一步优选的技术方案，针对所述量测数据集合所附带的同步时标S_t与t_UTC，获取不同同步量测设备在同一时间点下的同步相量截面数据。即由

中提取t_UTC时刻下来自 N个配网同步量测装置的频率截面数据D_f、同步电压有效值截面数据D_U、同步电压相角截面数据

进一步优选的技术方案，还包括：获取当前世界标准时间t_UTC下的非电量信息，并与所属的同步量测装置整合，非电量信息包括地理位置、网络拓扑、设备信息、环境信息。

进一步优选的技术方案，根据频率、电压有效值、电压相角的数据集合

与其同步时标S_t的时序关系在二维平面上绘制微型趋势图，图元包括五个元素：监测变量类型、实时数值、额定线、变化趋势线及实时数据点。

进一步优选的技术方案，频率等高线图层的绘制时，所需要的步骤为：

由于配网同步量测装置在电网中的布点本身不是空间连续的，装置量测的频率数据也具有离散性。利用空间插值算法将离散的频率信息拓展为广域全局下的曲面频率数据，一个局部区域电网下的频率变化存在空间关联，因此空间插值算法选择局部内插法，估计未知点时只使用邻近监测点的频率截面数据，由D_f中未量测位置Z(x_z，y_z)附近各离散量测点(x_i， y_i)(i＝j...m,,m<N)下的频率截面数据f_i，估计Z点的频率：

其中，λ_i为各已知量测点处测量值的权重；

将曲面频率数据与预设数据区段匹配，实际运行中的系统频率大小集中在频率下限f_min与频率上限f_max之间，以间隔Δf分解成多个区段，在考虑到超出频率高低限值的数据后，区段总数P可表示为：

定义区段色彩数组C＝{C₁,C₂…C_P}，其中C₁与C_P分别代表频率量测数据低于f_min与超出f_max时对应的色彩，频率量测数据f_i对应填充色彩C_h，h与f_i的对应关系可表示为：

利用各区段对应颜色填充图层，完成频率等高线图层的绘制。

进一步优选的技术方案，绘制旋转相量图元时，根据

下编号i(i＝1,2...N)同步量测装置下的电压相角截面数据

在其所处地理位置坐标{x_i，y_i}上分别绘制旋转相量图元。旋转相量图元的动态变化除了能表示相角信息外，还可反应频率量测数据与工频的关系。图元包括相量线段长度与水平方向夹角两种元素：

相量线段长度L由低压配网额定电压Ur换算获得：

L＝bU_r

其中，b为“额定电压—长度”换算比。

相量与水平方向夹角为该点同步电压相量的相角

进一步优选的技术方案，绘制电压有效值圆图元时，根据D_U下编号i(i＝1,2...N)同步量测装置下的电压有效值截面数据U_i，在其所处地理位置坐标{x_i，y_i}上分别绘制电压有效值圆图元，圆的半径R在L的基础上确定为：

R＝(U_i-U_r)ΔL+L

其中，ΔL为“量测电压—长度”换算比，ΔL<b。

进一步优选的技术方案，将旋转相量图元与电压有效值圆图元叠加，旋转相量起点与电压有效值圆圆心重合，绘制同步电压相量图层，由电压有效值圆的半径R与相量线段长度L 的关系可知，圆的覆盖范围与相量末端的关系可以表示电压量测值U_i与额定电压U_r的大小关系：圆的覆盖范围超出相量末端，即R>L则U_i>U_r；圆的覆盖范围小于相量末端，即R<L则U_i<U_r。

进一步优选的技术方案，根据网络拓扑、设备信息、环境信息分别绘制非电量信息图层，包括三种元素：利用网络拓扑信息绘制地理位置点线图，在设备信息图层中记录了配网同步量测装置所在的具体街道、设备工况、联系方式，环境图层中则包括当前世界标准时间、天气环境。

进一步优选的技术方案，在GIS系统中叠加频率等高线图层、同步电压相量图层与非电量信息图层，为避免等高线图的色彩遮盖底层地图，将其半透明化处理。

进一步优选的技术方案，通过人机交互响应方式实现微型趋势图的显示时：

利用GIS的缩放等级驱动微型趋势图的显示：获取当前GIS的缩放等级为K，微型趋势图的呈现阈值为K_set，制定策略在K>K_set时呈现微型趋势图，在该策略下，仅显示局部区域的微型趋势图，在观察基于GIS的多图层显示监测配网同步相量实时状态时，放大局部区域便可驱动呈现微型趋势图。在对局部区域放大、拖移后还可生成新的监视视窗，多个视窗在屏幕中并行呈现不同区域电网下同步量测数据的变化趋势，实现多个局部区域电网的同时细致观察。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明根据配电网同步相量的数据特点，设计了频率等高线图层、同步电压相量图层、非电量信息图层与微型趋势图在GIS中叠加显示，并充分利用GIS的缩放、拖移、定位等交互式操作实现对量测信息的细致观察，多信息、多角度、多分屏地高效呈现被监测配网下各量测量的实际状态与变化规律。具体效果如下：

1)在当前尚未存在适用于配电网同步相量有效呈现方法的背景下，本发明提出的可视化视图具有极高的实际应用价值。本发明在设计图元时充分考虑了配电网同步相量的数据特点，调度人员能轻易掌握各视图所反映的量测数据的状态特征。在考虑到配电网在有大规模量测装置接入带来海量实测数据后，极容易存在图元难以实时绘制与显示重叠杂乱的问题，本发明设计的图元简洁直观，在大量呈现时仍能维持视图美观；图元容易绘制，在面对高速率实时数据流时仍能高效制作，充分保证状态监视的时效性。并且将可视化视图配置在GIS系统中呈现，基于GIS的缩放、拖移、定位等功能，所有可视化视图均能随动变化，满足调度人员存在对不同区域下电网状态细致观察的需求。

2)与传统相量图中采用旋转相量的线段长度代表电压有效值相比，本发明所提出的电压有效值圆更能有效体现电压有效值的变化。相比单个线段，实心圆的视觉占比更大，圆的大小抖动比相量长度变化在视觉上更为突出，因此在电压有效值变化时，实心圆的大小改变使调度人员更能快速察觉这一变化。而在电压有效值发生连续变化时，实心圆也能随之剧烈抖动，能较好反映监测点电压的平稳性；

3)本发明提出的同步电压相量图层中，相量的旋转方向可以表征该地区频率与工频的大小关系，正方向旋转说明相角随时间不断增大，即频率高于工频50Hz，反方向旋转则说明低于工频；量测点频率与工频的偏移程度则由相量的旋转速度表征，在接近工频时相量指针可以保持几乎静止不动；旋转相量末端与电压有效值圆的间的相对位置则体现了实测配网电压有效值与额定电压的关系，圆覆盖范围小于该相量末端时，表明量测电压低于配网额定电压。并且本发明的同步电压相量图元简单清晰，容易绘制。

4)本发明采用的频率等高线图层凸显了广域全局同步量测的特点。虽然配网同步量测装置布点本身不是空间连续的，但一个区域电网下的量测数据往往存在空间关联，频率等高线图层将频率量测数据连点成线，连线成面，利用空间插值计算将离散信息拓展到广域全局，突出了系统整体的频率变化特性。频率等高线图层的动态变化还能使调度人员不仅观察到频率升降事件的发生位置，而且容易掌握事件的发展方向与波及范围。

5)本发明在考虑到基于GIS的多图层显示仅能对一个时间截面下各个布点的量测数据横向对比后，引入微型趋势图来反映量测数据在长时间段内的变化。微型趋势图精简了常规趋势图的坐标说明、标注等元素，并只在GIS放大到一定等级时出现。即使在有大量配网同步量测装置接入的场景下，该图元清晰简单、局部呈现的特点仍能保证视图不会因过多图元同时呈现而造成视觉混乱。

6)本发明构建了多图层、多角度、多分屏的配电网同步相量实时状态监测综合可视化方法。多图层显示使调度人员一次观察便同时捕捉多项量测信息，并可以对比同一量测量的区域差异。多角度显示则辅助调度人员在横向观察一个时间截面下多种状态图层的同时，纵向掌握实测轨迹的变化趋势，多方位了解数据规律。多分屏则是在实际应用中会对多个局部区域同时监视，以相同的方式并行呈现多个区域视图在不同的屏幕上，方便调度人员一览式的了解系统运行情况。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明设计的微型趋势图；

图3是本发明设计的同步电压相量图元；

图4是本发明设计的基于GIS的配电网同步相量多状态图层显示；

图5是本发明设计的在GIS放大局部区域时呈现微型趋势图；

图6是本发明设计的多分屏同步显示。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的目的是解决配网同步相量数据难以有效呈现的问题，提出了适用于配电网同步相量实时状态监测的可视化方法，多信息、多角度、多分屏地高效监测配网下各量测量的实际状态与变化规律。该方法在获取实时同步相量量测信息、非电量信息后，绘制频率等高线图层、同步电压相量图层、非电量信息图层与微型趋势图在地理信息系统(Geographic Information System，GIS)中叠加显示。可视化图层能根据GIS的缩放、拖移、定位等交互式操作随动变化，并利用GIS的缩放能力驱动呈现微型趋势图。本发明所设计的图元直观清晰、容易绘制，在面对大规模配网同步量测装置接入后带来的海量实测数据时仍能高效制作，既保证了配网状态监视的时效性，又避免大量图元同时呈现造成视觉混乱，具有极高的实际应用价值。

本申请的一种典型的实施方式中，下面将按照步骤详细介绍：

步骤1)：实时获取配电网同步相量量测信息。配网同步量测装置分布在低压电网中，通过GPS对时测量同一时刻下配电网的主要参数，并将测量信息上传、存储至主站实时数据库中。电网量测参数包括频率f、电压有效值U与电压相角

并附带卫星授时的同步时标t。根据设定的可视化时间跨度Δt与当前世界标准时间t_UTC，获取配网同步量测装置集合S_i下编号为i的设备中同步时标t位于t_UTC-Δt～t_UTC间的量测数据集合

S_i为设备集合，i为第i台设备；

S_i＝{i|1<i<N,i属于整数}

S_t＝{t|t_UTC-Δt<t≤t_UTC}

S_f＝{f(i,t)|i∈S_i,t∈S_t}

S_U＝{U(i,t)|i∈S_i,t∈S_t}

如表1所示，获取了2018/05/27-14:50:42.2～2018/05/27-15:51:42.2间60秒跨度下来自8 台装置的量测数据集合，数据上传间隔为100ms，因数据规模较大，这里仅列出部分数据。

表1

步骤2)：实时提取同步相量截面数据。截面数据指不同同步量测设备在同一时间点下的同步相量数据。同步相量附有的高精度时标保证了截面数据能准确放映当前系统的实时状态，由

中提取同步时标t等于t_UTC下来自N个配网同步量测装置的频率截面数据D_f、同步电压有效值截面数据D_U、同步电压相角截面数据

在获取当前世界标准时间为2018/05/27-15:51:42.2后，由表1提取位于该时刻下8台装置的频率、电压有效值、电压相角截面数据如表2、3、4所示。

表2

t<sub>UTC</sub>

f<sub>1</sub>(Hz)

f<sub>2</sub>(Hz)

f<sub>3</sub>(Hz)

f<sub>i</sub>(Hz)

f<sub>7</sub>(Hz)

f<sub>8</sub>(Hz)

2018/05/27-15:51:42.2

50.0255

49.9638

49.9537

…

50.0212

49.9843

表3

t<sub>UTC</sub>

U<sub>1</sub>(V)

U<sub>2</sub>(V)

U<sub>3</sub>(V)

U<sub>i</sub>(V)

U<sub>7</sub>(V)

U<sub>8</sub>(V)

2018/05/27-15:51:42.2

224.83

223.27

226.91

…

220.35

221.93

表4

步骤3)：获取当前世界标准时间t_UTC下同步量测装置所处环境下的非电量信息，并与所属的同步量测装置整合，非电量信息包括：

a)地理位置：配网同步量测装置的经纬度坐标(x_i，y_i)(i＝1,2...N)；

b)网络拓扑:配网同步量测装置间的线路连接{(x_j，y_j)}(j＝1,2...N)；

c)设备信息：配网同步量测装置所在的具体街道、设备工况、联系方式等；

d)环境信息：同步时标，风向、降水、气温等天气信息。

在获取当前时刻下①号同步量测装置的实时非电量信息后，整合如表5所示。

表5

步骤4)：根据步骤(1)中频率、电压有效值、电压相角的数据集合

与其同步时标S_t的时序关系在二维平面上绘制微型趋势图。图元包括以下五个元素：

a)监测变量类型：位于图元正上方，标记图元描述的监测变量类型，有频率(Frequency)、电压有效值(Voltage)、电压相角(Phase)三种选择；

b)实时数值：位于图元右上方，以数字形式标记监测变量的实时量测数据；

c)额定线：位于图元正中间，以蓝色虚线标记监测变量的额定值，对于三种监测变量分别为额定频率(50Hz)、额定电压(配电网下220V、10kV)、电压相角(0°)；

d)变化趋势线：图元核心元素，以红色曲线呈现，标记监测变量在时间跨度Δt下的变化；

e)实时数据点：位于变化趋势线末端，以圆点形式标记最新数据位置，反映图元的数据更新方向。

调度人员在观察一个长时间段内量测数据的运行变化的同时，又能对比当前量测数据与额定值间的关系。与常规趋势图相比，微型趋势图精简了坐标说明、标注等元素，结构简单，体积小巧，方便绘制，保证在有大量该图元同时显示时仍能维持视图整洁。

如图2所示为根据表1中①号同步量测装置的微型趋势图，观察可知，正上方的监测变量名称为“Frequence”表示该图形描述的监测变量类型为配网频率，右上方的数字标注为 50.0255Hz表示当前装置所监测电网下的频率实时量测数值，蓝色虚线代表频率的额定值，红色曲线代表频率的变化趋势，红色曲线末端的圆点代表视图的更新方向。圆点位于蓝色虚线的上方，说明量测频率目前高于工频50Hz。红色曲线展示了在2018/05/27-14:50:42.2～ 2018/05/27-15:51:42.2时间段内的频率变化，呈现了先下降后上升的变化趋势，下限数值一度达到49.98Hz，并有继续上升的趋势。

步骤5)：由于配网同步量测装置在电网中分散配置，装置量测的频率数据也具有离散性。利用空间插值算法将离散的频率信息拓展为广域全局下的曲面频率数据。一个局部区域电网下的频率变化存在空间关联，未知点周围局部区域电网下的频率量测数据具有相似性，而距离越远的布点对该点的影响越小。因此空间插值算法选择局部内插法，估计未知点时只使用邻近监测点的频率截面数据。由D_f中未量测位置Z(x_z，y_z)附近各离散量测点(x_i， y_i)(i＝j...m,m<N)下的频率截面数据f_i，估计Z点的频率：

其中，λ_i为各已知量测点处测量值的权重，可采用距离倒数插值、克里金插值等方法确定。

步骤6)：将步骤(5)中的曲面频率数据与预设数据区段匹配，实际运行中的系统频率大小集中在频率下限f_min与频率上限f_max之间，以间隔Δf分解成多个区段。在考虑到超出频率高低限值的数据后，区段总数P可表示为：

定义区段色彩数组C＝{C₁,C₂…C_P}，其中C₁与C_P分别代表频率量测数据低于f_min与超出f_max时对应的色彩。频率量测数据f_i对应填充色彩C_h，h与f_i的对应关系可表示为：

利用各区段对应颜色填充图层，完成频率等高线图层的绘制。频率等高线的动态变化使用户不仅能观察到频率升降事件的发生位置，而且看到事件的发展方向与波及范围。

如图4中的频率等高新图层所示，选取f_min、f_max为49.95Hz与50.05Hz，对此0.1Hz的跨度设置Δf＝0.02划分为7个区段，以16进制形式设置区段色彩数组为{#0E6251,#0101C1, #0284FC,#4AFEA6,#FDF100,#FE0001,1B2631}。采用距离倒数插值局部内插后，每个量测点都以相同的颜色向外辐射一定范围，通过将该色彩与上方的颜色区段匹配，可以获知各量测点下的实时频率信息，如①、⑦侧区域电网的频率位于50Hz附近。

步骤7)：根据

下编号i(i＝1,2...N)同步量测装置的电压相角截面数据

在其所处地理位置坐标{x_i，y_i}上分别绘制旋转相量图元。图元包括以下两种元素：

a)相量线段长度L由低压配网额定电压Ur换算获得：

L＝bU_r

其中，b为额定电压与长度的换算比；

b)相量与水平方向夹角为该点同步电压相量的相角

同步相量的相角可用公式表示为：

其中,f₀为额定频率，

为初始相角，进一步求导有：

因此相角的变化能够说明频率量测数据与额定频率间的关系，进一步反映到旋转相量图元上有以下关系：

·相量旋转方向能表示频率量测数据f_i与额定频率f₀的大小关系。正方向旋转说明相角量测数据

随时间不断增大，即f_i>f₀，反方向旋转则说明f_i<f₀；

·相量的旋转速度能表示频率量测数据f_i相对额定频率f₀的偏移程度。相量静止不动说明f_i≈f₀。

根据表4中③号同步量测装置的相角数据绘制如图3所示的黑色箭头，③号装置部署配网的额定电压U_r＝220V，设置换算比b＝5.5，有L＝40px，旋转角度为36°，符合表4中的电压相角数据。在动态视图中可观察到箭头沿反方向旋转说明频率低于工频，符合表4中的频率量测数据。

步骤8)：根据D_U下编号i(i＝1,2...N)同步量测装置的电压有效值截面数据U_i，在其所处地理位置坐标{x_i，y_i}上分别绘制电压有效值圆图元。为了利用电压有效值圆与旋转相量长度的对比能反映电压量测值U_i与额定电压U_r的大小关系，圆的半径R在L的基础上确定为：

R＝(U_i-U_r)ΔL+L

其中，ΔL为“量测电压—长度”换算比。在设定时应保证ΔL<b，避免电压有效值跌至0 时出现R<0的情况。ΔL设置的越大，在量测电压发生变化时，电压有效值圆的大小改变越明显。

在电压有效值U_i发生连续变化时，圆的半价R也随之改变，因此电压有效值圆的抖动能够反映电压的平稳性。与传统相量图采用旋转相量的线段长度代表电压有效值相比，实心圆的视觉占比远大于单个线段，圆的大小抖动比相量长度变化在视觉上更为突出，因此更容易使调度人员发现电压有效值的变化。

根据表3中③号同步量测装置的电压有效值为226.91V，绘制如图3所示的蓝色实心圆，设置ΔL＝1.5，则圆的半径为50.3px。

步骤9)：将步骤(7)的旋转相量图元与步骤(8)的电压有效值圆图元叠加，旋转相量起点与电压有效值圆圆心重合，绘制同步电压相量图层。由步骤8)中电压有效值圆的半径R 与相量线段长度L的关系可知，圆的覆盖范围与相量末端的关系可以表示电压量测值U_i与额定电压U_r的大小关系：

·圆的覆盖范围超出相量末端，即R>L则U_i>U_r；

·圆的覆盖范围小于相量末端，即R<L则U_i<U_r。

本发明设计的同步电压相量图元简单清晰，仅仅依靠实心圆与旋转相量两种元素便可反映多种电网运行状态信息，在有大量配网同步量测装置接入时仍能高效绘制。

图3所示的电压有效值圆覆盖范围大于相量末端，表明③号装置监测电网的电压高于配网额定电压，由表3知当前③号装置的量测电压有效值为226.91V，大于额定电压220V，符合该图元的呈现情况。

步骤10)：根据步骤(3)中的网络拓扑、设备信息、环境信息分别绘制非电量信息图层，包括三种元素：

a)利用网络拓扑信息{(x_i，y_i),(x_j，y_j)}绘制地理位置点线图，线路中产生流动的效果代表功率方向，并用颜色区分各条线路；

b)在设备信息图层中记录了配网同步量测装置所在的具体街道、设备工况、联系方式等，方便维修故障设备；

c)环境图层中则包括当前世界标准时间、天气环境。环境条件会影响配网运行状态，如风力与光照波动配网分布式发电量，降雨量、气温影响配网负荷量，恶劣天气容易导致配网短期停电等，多种气象图层有相似性，同时显示容易导致视图混杂，因此应保持显示互锁。

步骤11)：在GIS系统中叠加频率等高线图层、同步电压相量图层与非电量信息图层进而构建基于GIS的配电网同步相量多状态图层视图。多图层的呈现方式使调度人员一次观察便同时捕捉到多项量测信息，并可以横向对比同一量测量的区域差异。为避免等高线图的色彩遮盖底层地图，将其半透明化处理。各图层下图元的位置应符合实际配网同步量测装置的地理位置坐标。除此之外，多状态图层视图还提供了以下工具：

a)缩放与比例尺：配电网同步量测装置布局灵活，在一个小区域里会有大量布点，GIS细致的缩放能力可以涵盖到街、市、省、国四个层次，所有图层均可根据GIS的缩放、拖移等随动变化，实现对一个区域下同步量测信息的细致观察；

b)同步时标：配网同步相量数据均附有卫星授时时标，可视化视图呈现了同一时标下的截面信息，因此显示同步时标可以辅助调度人员了解当前视图所对应的时刻；

c)手动刷新：在可视化视图出现卡顿、崩溃等错误时，手动重新载入页面；

d)颜色匹配：用于匹配频率等高线图下的填充颜色与频率范围；

e)地理图层：展示量测点所在实际位置与周围地理环境，可选择加载街道地图与卫星地图等

如图4所示的基于GIS的配电网同步相量多状态图层显示，由右上方时标可知当前视图显示的是“2018/05/27-15:51:42.2”下的电网状态。

在频率等高线图层中，将各量测点附近着色与颜色区段匹配可以使调度人员了解各监视电网下的实时频率状态，如①、⑦侧的区域电网频率位于50Hz附近，②、③、⑥、⑧附近的电网当前频率位于49.95～49.97Hz，而④、⑤附近电网的频率介于49.97～49.99Hz。

而观察每个量测点处的同步电压相量图元则可以进一步获知实时电压状态，除③处实测电压有效值高于额定电压外，其余监测点均低于额定电压，其中⑦处电压有效值最接近220V。观察旋转相量的旋转方向与速度可感知频率的偏移程度，①、④、⑦相量正方向旋转说明这些量测点处电网频率均高于工频50Hz，其中⑦处相量旋转最快说明该地区频率偏移程度最大。对比相量旋转角度可以发现②、③的相角差一直维持在55°左右，说明两地有非常稳定的功率流动。

上述由各图层反映的实时量测数据状态与表2～4中数据均一致

步骤12)：利用GIS的缩放等级驱动微型趋势图的显示。相比同步电压相量图元，微型趋势图的面积是其10倍，全部同时显示容易发生图形重叠引起视图混乱。获取当前GIS的缩放等级为K，微型趋势图的呈现阈值为K_set，制定策略在K>K_set时呈现微型趋势图。在该策略下，只显示局部区域的微型趋势图。调度人员在观察基于GIS的多图层显示监测配网同步相量实时状态时，仅需放大局部区域便可驱动呈现微型趋势图，从而纵向掌握实测轨迹的变化趋势，多角度了解数据规律。

如图5所示，设置微型趋势图的呈现阈值为6级，在对一个局部区域放大到7级后，呈现出该区域下5台装置的量测数据趋势图。可以看出一个区域电网下频率量测数据的变化具有相似性，①、②号装置所监测电网的频率在一段平稳变化后出现了下降趋势，③号装置的频率量测数据在上升后趋于水平，④、⑤号装置的频率量测数据则在下降后趋于水平。从图 5中还可以观察局部区域的实时状态信息，如④、⑤号装置处监测电网的电压基本等于额定电压，实时量测频率为49.97Hz。

步骤13)：微型趋势图的显示只能针对局部区域，在实际应用中存在调度人员对多个局部区域同时监视的场景，因此视图支持多分屏呈现实现对多个地区的同时查看。调度人员只需对局部区域放大、拖移后生成新的监视视窗，多个视窗在屏幕中并行呈现不同区域电网下同步量测数据的变化趋势，实现多个局部区域电网的同时细致观察。图6是对五个区域进行局部放大后多分屏呈现的效果图，因为缩放等级的差异导致每个视图中可观察设备的数量不同，调度人员可根据需要任意选择观察区域与监视范围，具有良好的人机交互性能。

步骤14)：由步骤(1)重新获取数据，循环执行本流程，实现可视化视图实时动态刷新，保证配电网同步相量状态监测的时效性。

本申请的适用于配电网同步相量实时状态监测的可视化方法，在实时获取同步相量量测信息、非电量信息后，绘制频率等高线图层、同步电压相量图层、非电量信息图层在地理信息系统(Geographic Information System，GIS)中叠加显示。可视化图层能根据GIS的缩放、拖移等交互式操作随动变化，并利用GIS的缩放能力驱动呈现微型趋势图，一览式高效监测各量测量的实际状态与变化规律。视图实时更新形成动画效果，进而反映频率时空变化与偏移程度、电压有效值平稳性与偏移程度等多种信息。本发明所设计的图元直观清晰、简洁有效，在面对大规模配网同步量测装置接入后带来的海量实测数据时仍能高效绘制，既保证了配网状态监视的时效性，又避免大量图元同时呈现造成视觉混乱。特别是在当前尚未存在适应于配电网同步相量有效呈现方法的背景下，本发明提出的可视化方法具有极高的实际应用价值。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.适用于配电网同步相量实时状态监测的可视化方法，其特征是，包括：

实时获取配电网同步相量量测信息，并针对所述量测信息绘制微型趋势图；

针对获取的配电网同步相量量测信息对照同步时标与当前世界标准时间提取当前时刻下同步相量截面数据，数据类型包括频率、电压有效值及电压相角；

针对所提取的当前时刻下同步相量截面数据，实时获取与该截面数据相对应的非电量信息；

针对同步相量截面数据中的频率数据进行空间插值处理，绘制频率等高线图层；

针对同步相量截面数据中的电压相角数据绘制旋转相量图元，针对同步相量截面数据中的电压有效值数据绘制电压有效值圆图元，基于旋转相量图元及电压有效值圆图元绘制同步电压相量图层；

针对实时获取的非电量信息绘制非电量信息图层；

将频率等高线图层、同步电压相量图层、非电量信息图层及微型趋势图在地理信息系统中叠加；

通过人机交互响应方式实现微型趋势图的显示与多分屏展示。

2.如权利要求1所述的适用于配电网同步相量实时状态监测的可视化方法，其特征是，在获取配电网同步相量量测信息时，利用分布在低压电网中配网同步量测装置通过GPS对时实时同步获取监测电网处的频率、电压有效值、电压相角，所述量测信息附带卫星授时的同步时标，根据设定的可视化时间跨度△t与当前世界标准时间tUTC，获取同步时标t位于tUTC-△t～tUTC间N个配网同步量测装置的量测数据集合

所述量测数据集合各元素的取值范围为：

S_t＝{t|t_UTC-Δt<t≤t_UTC}；

S_f＝{f(i,t)|i∈S_i,t∈S_t}；

S_u＝{U(i,t)|i∈S_i,t∈S_t}；

所述S_i为设备集合，i为第i台设备，S_i＝{i|1<i<N,i属于整数}。

3.如权利要求2所述的适用于配电网同步相量实时状态监测的可视化方法，其特征是，针对所述量测数据集合所附带的同步时标S_t与t_UTC，获取不同同步量测设备在同一时间点下的同步相量截面数据，即由

中提取t_UTC时刻下来自N个配网同步量测装置的频率截面数据D_f、同步电压有效值截面数据D_U、同步电压相角截面数据

4.如权利要求1所述的适用于配电网同步相量实时状态监测的可视化方法，其特征是，还包括：获取当前世界标准时间t_UTC下的非电量信息，并与所属的同步量测装置整合，非电量信息包括地理位置、网络拓扑、设备信息、环境信息。

5.如权利要求3所述的适用于配电网同步相量实时状态监测的可视化方法，其特征是，根据频率、电压有效值、电压相角的数据集合

与其同步时标S_t的时序关系在二维平面上绘制微型趋势图，图元包括五个元素：监测变量类型、实时数值、额定线、变化趋势线及实时数据点。

6.如权利要求1所述的适用于配电网同步相量实时状态监测的可视化方法，其特征是，频率等高线图层的绘制时，所需要的步骤为：

由于配网同步量测装置在电网中分散配置，装置量测的频率数据也具有离散性，利用空间插值算法将离散的频率信息拓展为广域全局下的曲面频率数据，一个局部区域电网下的频率变化存在空间关联，因此空间插值算法选择局部内插法，估计未知点时只使用邻近监测点的频率截面数据，由D_f中未量测位置Z(x_z，y_z)附近各离散量测点(x_i，y_i)下的频率截面数据f_i，i＝j...m,m<N，估计Z点的频率：

其中，λ_i为各已知量测点处测量值的权重；

所述D_f表示来自N个配网同步量测装置的频率截面数据；

将曲面频率数据与预设数据区段匹配，实际运行中的系统频率大小集中在频率下限f_min与频率上限f_max之间，以间隔△f分解成多个区段，在考虑到超出频率高低限值的数据后，区段总数P可表示为：

定义区段色彩数组C＝{C₁,C₂…C_P}，其中C₁与C_P分别代表频率量测数据低于f_min与超出f_max时对应的色彩，频率量测数据f_i对应填充色彩C_h，h与f_i的对应关系可表示为：

利用各区段对应颜色填充图层，完成频率等高线图层的绘制。

7.如权利要求3所述的适用于配电网同步相量实时状态监测的可视化方法，其特征是，绘制旋转相量图元时：根据

下编号i同步量测装置下的电压相角截面数据

在其所处的地理位置坐标{x_i，y_i}上分别绘制旋转相量图元，旋转相量图元的动态变化除了能表示相角信息外，还可反应频率量测数据与工频的关系，图元包括相量线段长度与水平方向夹角两种元素：

相量线段长度L由低压配网额定电压Ur换算获得：

L＝bU_r

其中，b为额定电压与长度的换算比；

相量与水平方向夹角为该点同步电压相量的相角

8.如权利要求3所述的适用于配电网同步相量实时状态监测的可视化方法，其特征是，绘制电压有效值圆图元时，根据D_U下编号i同步量测装置下的电压有效值截面数据U_i，i＝1,2...N，在其所处地理位置坐标{x_i，y_i}上分别绘制电压有效值圆图元，圆的半径R在L的基础上确定为：

R＝(U_i-U_r)ΔL+L

其中，△L为量测电压与长度的换算比，△L<b。

9.如权利要求1所述的适用于配电网同步相量实时状态监测的可视化方法，其特征是，将旋转相量图元与电压有效值圆图元叠加，旋转相量起点与电压有效值圆圆心重合，绘制同步电压相量图层，由电压有效值圆的半径R与相量线段长度L的关系可知，圆的覆盖范围与相量末端的关系可以表示电压量测值U_i与额定电压U_r的大小关系：圆的覆盖范围超出相量末端，即R>L则U_i>U_r；圆的覆盖范围小于相量末端，即R<L则U_i<U_r。

10.如权利要求4所述的适用于配电网同步相量实时状态监测的可视化方法，其特征是，根据的网络拓扑、设备信息、环境信息分别绘制非电量信息图层，包括三种元素：利用网络拓扑信息{(x_i，y_i),(x_j，y_j)}绘制地理位置点线图，在设备信息图层中记录了配网同步量测装置所在的具体街道、设备工况、联系方式，环境图层中则包括当前世界标准时间、天气环境；

在GIS系统中叠加频率等高线图层、同步电压相量图层与非电量信息图层，为避免等高线图的色彩遮盖底层地图，将其半透明化处理；

通过人机交互响应方式实现微型趋势图的显示时：

利用GIS的缩放等级驱动微型趋势图的显示：获取当前GIS的缩放等级为K，微型趋势图的呈现阈值为K_set，制定策略在K>K_set时呈现微型趋势图，在该策略下，仅显示局部区域的微型趋势图，在观察基于GIS的多图层显示监测配网同步相量实时状态时，放大局部区域便可驱动呈现微型趋势图，在对局部区域放大、拖移后还可生成新的监视视窗，多个视窗在屏幕中并行呈现不同区域电网下同步量测数据的变化趋势，实现多个局部区域电网的同时细致观察。

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