CN108805361A - 一种融合城市用电和分布式发电的可视化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种融合城市用电和分布式发电的可视化方法，其步骤包括：a.获取城市用电和分布式发电的电力数据并进行预处理;b.对于提取后的城市用电数据对其中的供电线路进行布局优化，生成规则化的线路示意图。其中布局算法采用多标准约束的优化方法;c.对于提取后的分布式发电数据对其中的分布式电源位置进行布局优化，生成规则化的分布式电源分布示意图。其中布局算法采用多标准约束的优化方法;d.在得到b步骤中的电力线路优化布局结构和c步骤中分布式发电电源优化布局结构之后，对城市用电和分布式发电进行融合可视化。
Description
技术领域
本发明涉及可视化方法领域，具体是一种融合城市用电和分布式发电的可视化方法。
背景技术
分布式发电能利用可再生能源 ,减少环境污染 ,弥补集中发电和远距离输电的不足, 为边远地区提供电 力及实现冷、热 、电联产, 这是电力系统的发展方向 。除大型风电场和潮汐电站直接并入主电网运行外 ,大部分分布式发电都直接与地区电网相连 ,换句话说,地区电网包含各种分布式发电，城市用电与分布式发电紧密相关。传统的电力数据可视化方法主要采用散点图、热力图、折线图等多视图来展示城市用电和分布式发电数据，但对于现在的城市用电和分布式发电的融合可视化，现有技术存在以下不足：
1.缺少统一的融合视图对电力数据进行展示：传统的电力数据可视化方法需要结合多种视图对城市电力数据和分布式发电数据进行展示，这使得观察员需要集中精力在多个视图中查看多维电力数据，从而很难快速的掌握整体供电态势。
2.缺少对分布式发电的电力数据的良好展示：分布式发电电源往往需要向配电网中输送多余的电力，这与配电网中用电趋势相反，传统的电力数据主要采用热力图对一个区域进行总体态势的展示，而热力图只是电力数据的线性叠加，所以很容易忽略对于局部分布式发电数据的展示。
3.缺少规则化的布局结构，交互性差：传统的电力数据可视化方法中对供电线路和用户的地理位置的描述都是基于真实的地理坐标，绘制出来的线路和用户点很容易相互交错和重叠，不便于观察总体信息，同时对于需要进一步查看详细信息的交互操作也没有办法很好的进行。
发明内容 为了克服上述现有技术的不足，本文提供一种融合城市用电和分布式发电的可视化方法，所解决的问题是：能够在一张可视化视图中生成便于交互的规则化的融合城市用电和分布式发电数据的可视化示意图。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种融合城市用电和分布式发电的可视化方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.获取城市用电和分布式发电的电力数据并进行预处理；
b.对于城市用电数据，对其中的供电线路数据进行布局优化，生成规则化的线路示意图，其中布局优化时算法采用多标准约束的优化方法；
c.对于分布式发电数据，对其中的分布式电源位置进行布局优化，生成规则化的分布式电源分布示意图，其中布局优化算法采用多标准约束的优化方法；
d.在得到b步骤中的电力线路优化布局结构和c步骤中分布式发电电源优化布局结构之后，对城市用电和分布式发电进行融合可视化。
所述的一种融合城市用电和分布式发电的可视化方法，其特征在于：步骤a中获取城市用电数据具体为：变电站的名称、编号、额定容量、实际容量以及经纬度坐标，供电线路的所属变电站编号、所有线路的名称、编号、起始点编号、所有节点的编号和经纬度坐标、额定电流和实际电流，用电用户的用户名称、用户编号、额定容量、实际用电量、所属供电线路编号以及经纬度坐标。
所述的一种融合城市用电和分布式发电的可视化方法，其特征在于：步骤a中获取的分布式发电数据具体为：分布式发电电源的发电类型、并网容量、实际发电量，经纬度坐标、用户编号。
所述的一种融合城市用电和分布式发电的可视化方法，其特征在于：步骤a中预处理操作具体为：对于城市用电数据，根据供电线路数据中的线路所属变电站编号将离散的供电线路基于变电站分类，并根据线路起始点编号将离散线路集合成完整的供电线路集合；对于分布式发电数据，根据分布式发电数据中的用户编号和城市用电数据中的用电用户数据中的供电线路编号，得到分布式电源与用户以及供电线路三者之间的关系。
所述的一种融合城市用电和分布式发电的可视化方法，其特征在于：步骤b具体为：
b1、对每条线路的原始坐标进行映射，映射成屏幕像素坐标，记录每条线路中节点的相邻节点；
b2、最小化如公式（1）所示的以每条线路的节点为变量的能量方程，将每条线路的节点经过旋转、缩放、移动到给定大小的屏幕内：
E=Em+wl*El+wg*Eg （1），
公式（1）中，Em代表规则化每条供电线路的线路长度，线路长度指的是相邻两个线路节点之间的长度，每条线路统一长度，避免过长的供电线路；El代表规则化每条线路交叉点延伸出去的线路之间的角度，根据延伸线路的数量均分角度，从而避免交点处的线路过于混乱；Eg代表规则化供电线路节点的坐标，让其尽量靠近原坐标，避免示意图位置过于偏离原位置；Wl、Wg代表权重；
b3、最小化公式（1）后得到优化后的节点坐标，将优化后的节点与之前记录的每个节点的相邻节点相连，得到优化后的线路布局。
所述的一种融合城市用电和分布式发电的可视化方法，其特征在于：步骤c具体为：
c1、对每个分布式发电电源的原始坐标进行转换，映射成屏幕像素点坐标，根据分布式电源与供电线路节点的距离记录其附属的线路节点的位置，同时以一定大小的圆代表分布式电源；
c2、最小化如公式（2）所示的以每个分布式电源节点为变量的能量方程：
F=wp*Fp+wq*Fq+ws*Fs （2），
其中Fp代表优选的位置方向，虽然分布式电源可以放置在所属线路周围的任意位置，但是用户可能更倾向于选则某一个位置方向进行观测，Fq代表分布式发电节点是否有遮挡，遮挡会显著降低可读性，所以应尽量避免，Fs代表聚集性，属于同一个线路节点的分布式电源尽量聚集在一起，以方便观测，wp、wq、ws为权重；
c3、最小化公式（2）后得到优化后的分布式电源坐标，将其绘制到优化后的线路布局中得到初步融合的示意图。
所述的一种融合城市用电和分布式发电的可视化方法，其特征在于：步骤d具体为：得到优化后的供电线路布局与分布式电源布局之后，分别对两者的电力数据进行可视化编码，对于城市用电中的变电站，根据其实际负荷信息对其进行可视化编码，对于城市用电中的供电线路，根据其实际负荷信息对线路进行可视化编码，对于分布式发电数据，根据其实际发电量和并网容量容量以及与根据用户编号获得的用电用户之间的关系对其进行可视化编码，从而得到城市用电和分布式发电融合展示示意图。
与现有技术相比，本发明的有益效果是将多维电力数据基于地理位置集中规则化的显示在一张图上，并采用多种可视化编码方式，最终生成融合城市用电数据和分布式发电数据的可视化示意图。用户通过预览该示意图能够快速的获知某一区域的城市用电和分布式发电的态势，规则化的布局也方便用户进行各种交互操作。
附图说明
图1是依据本发明实施例的融合城市用电和分布式发电的可视化方法的流程图。
具体实施方式
参照图1，本发明实施例的方法按照以下步骤操作：
a.获取电力信息的数据并进行预处理；
b.对供电线路布局的优化生成城市用电示意图；
c.对分布式电源位置进行布局优化，生成分布式发电分布示意图；
d.对城市用电和分布式发电进行融合可视化。
对于a步骤，本发明对电力信息数据进行预处理，具体细节为：对于获得到的城市用电数据，根据供电线路数据中的线路所属变电站编号将离散的供电线路基于变电站分类，并根据线路起始点编号将离散线路集合成完整的供电线路集合；对于获得到的分布式发电数据，根据分布式发电数据中分布式电源的用户编号和城市用电数据中用电用户数据中的供电线路编号，得到分布式电源与用户以及供电线路三者之间的关系。这些信息可用于b步骤以及c步骤中的布局优化。
对于b步骤，本发明根据供电线路原始坐标按照多标准约束的方法对线路布局优化，生成便于观测的供电线路布局展示图。具体细节为：首先利用墨卡投影将线路经纬度点投影成相应的屏幕的像素坐标点，然后最小化如下以转换后的线路坐标点为变量的能量方程，将供电线路优化后的展示图合理的布置在给定的屏幕范围内：
E=Em+wl*El+wg*Eg，
其中，Em代表规则化每条供电线路的线路均等化，线路长度指的是规则化后相邻两个线路节点之间的长度，可以保证每条线路中的线段采用统一长度，避免过长的供电线路。El代表规则化后每条线路交叉点相邻线路之间的角度的均等化，根据相邻线路的数量均分角度，保证线路朝着不同的方向延伸，同时彼此之间尽量分开，避免线路交叉的地方过于混乱。Eg代表规则化后的供电线路节点的坐标与原始坐标的差值，让变换后的节点尽量靠近原坐标，避免示意图位置过于偏离原位置。经过多次试验分析统计，选取Wl=5,Wg=0.05对于大多数布局可以得到比较好的优化效果，实际使用时，用户也可以根据实际需要微调权重。该能量函数可以用爬山算法优化。
对于c步骤，本发明根据分布式发电电源的位置信息按照多标准约束的方法对电源分布进行优化，生成规则化的分布式发电分布示意图。具体细节为：首先利用墨卡投影将分布式发电电源经纬度点投影成相应的屏幕的像素坐标点，然后最小化如下以转换后的分布式发电电源坐标为变量的能量方程，将分布式发电优化后的分布示意图合理的布置在给定的屏幕范围内：
F=wp*Fp+wq*Fq+ws*Fs，
其中Fp代表优选的位置方向，虽然分布式电源可以放置在所属线路周围的任意位置，但是用户可能更倾向于选则某一个位置方向进行观测，所以我们优先的将分布式电源节点放置在用户想要观测的方向，其中可供选择的方向分为：东，西，北，南，东北，东南，西南，西北，Fq代表分布式发电节点是否有遮挡，遮挡会显著降低可读性，所以应尽量避免，Fs代表聚集性，我们希望属于同一个线路节点的分布式电源能够在示意图上尽量聚集在一起，以方便观测。经过多次试验分析统计，选取权重wp=1、wq=10、ws=1对大多数合成可以得到比较好的结果，实际使用时，用户也可以根据需要微调权重。该能量函数可用爬山算法优化。
对于d步骤，本发明根据b和c步骤得到的优化后的供电线路布局图和分布式发电电源分布图来对整个电力系统的城市用电和分布式发电进行融合可视化。具体细节为：对于城市用电中的变电站，用圆表示，根据其实际负荷和额定负荷的占比对圆圈进行颜色映射，颜色越深代表负荷越重，根据其额定负荷大小用圆圈大小来映射。对于供电线路，根据供电线路的额定电流和实际电流分别对供电线路的负荷和容量信息用颜色和线段粗细来编码。对于分布式发电电源采用水球图表示，水球图中图形表示发电类型，常见的有光伏发电、风力发电等；水球的当前容量表示分布式发电量与用户用电量占比，如果是100%说明有节余电量，此时将水球与所属供电线路节点相连，颜色用绿色表示此时是向电网输送电力；如果低于100%说明分布式发电量不够用户自给自足，此时供电线路节点与水球相连，同时用与供电线路相同的颜色代表该用户还需要供电线路供电。
由以上实施例可以看出，本发明通过多标准约束的优化技术将输入的供电线路和分布式发电电源优化成可供用户方便观测的布局优美的电力线路示意图和分布式电源分布图，然后根据分布式发电与城市用电的关系对两者在供电线路图上进行电力信息可视化，最终生成城市用电和分布式发电融合展示示意图。 用户通过浏览该示意图，可以快速获知城市用电和分布式发电的总体电力态势。
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 (7)
1.一种融合城市用电和分布式发电的可视化方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.获取城市用电和分布式发电的电力数据并进行预处理；
b.对于处理后的城市用电数据，对其中的供电线路数据进行布局优化，生成规则化的线路示意图，其中布局优化时算法采用多标准约束的优化方法；
c.对于处理后的分布式发电数据，对其中的分布式电源位置进行布局优化，生成规则化的分布式电源分布示意图，其中布局优化算法采用多标准约束的优化方法；
d.在得到b步骤中的供电线路优化布局结构和c步骤中分布式电源优化布局结构之后，对城市用电和分布式发电进行融合可视化。
2.根据权利要求1所述的一种融合城市用电和分布式发电的可视化方法，其特征在于：步骤a中获取城市用电数据具体为：变电站的名称、编号、额定容量、实际容量以及经纬度坐标；供电线路的所属变电站编号、所有线路的名称、编号、起始点编号、所有节点的编号和经纬度坐标、额定电流和实际电流；用电用户的用户名称、用户编号、额定容量、实际用电量、所属供电线路编号以及经纬度坐标。
3.根据权利要求1所述的一种融合城市用电和分布式发电的可视化方法，其特征在于：步骤a中获取的分布式发电数据具体为：分布式发电电源的发电类型、并网容量、实际发电量，经纬度坐标、用户编号。
4.根据权利要求1所述的一种融合城市用电和分布式发电的可视化方法，其特征在于：步骤a中预处理操作具体为：对于城市用电数据，根据供电线路数据中的线路所属变电站编号将离散的供电线路基于变电站分类，并根据线路起始点编号将离散线路集合成完整的供电线路集合；对于分布式发电数据，根据分布式发电数据中的用户编号和城市用电数据中的用电用户数据中的供电线路编号，得到分布式电源与用户以及供电线路三者之间的关系。
5.根据权利要求1所述的一种融合城市用电和分布式发电的可视化方法，其特征在于：步骤b具体为：
b1、对每条线路的原始坐标进行映射，映射成屏幕像素坐标，记录每条线路中节点的相邻节点；
b2、最小化如公式（1）所示的以每条线路的节点为变量的能量方程，将每条线路的节点经过旋转、缩放、移动到给定大小的屏幕内：
E=Em+wl*El+wg*Eg （1），
公式（1）中，Em代表规则化每条供电线路的线路长度，线路长度指的是相邻两个线路节点之间的长度，每条线路统一长度，避免过长的供电线路；El代表规则化每条线路交叉点延伸出去的线路之间的角度，根据延伸线路的数量均分角度，从而避免交点处的线路过于混乱；Eg代表规则化供电线路节点的坐标，让其尽量靠近原坐标，避免示意图位置过于偏离原位置；Wl、Wg代表权重；
b3、最小化公式（1）后得到优化后的节点坐标，将优化后的节点与之前记录的每个节点的相邻节点相连，得到优化后的线路布局。
6.根据权利要求1所述的一种融合城市用电和分布式发电的可视化方法，其特征在于：步骤c具体为：
c1、对每个分布式发电电源的原始坐标进行转换，映射成屏幕像素点坐标，根据分布式电源与供电线路节点的距离记录其附属的线路节点的位置，同时以一定大小的圆代表分布式电源；
c2、最小化如公式（2）所示的以每个分布式电源节点为变量的能量方程：
F=wp*Fp+wq*Fq+ws*Fs （2），
其中Fp代表优选的位置方向，虽然分布式电源可以放置在所属线路周围的任意位置，但是用户可能更倾向于选则某一个位置方向进行观测，Fq代表分布式发电节点是否有遮挡，遮挡会显著降低可读性，所以应尽量避免，Fs代表聚集性，属于同一个线路节点的分布式电源尽量聚集在一起，以方便观测，wp、wq、ws为权重；
c3、最小化公式（2）后得到优化后的分布式电源坐标，将其绘制到优化后的线路布局中得到初步融合的示意图。
7.根据权利要求1所述的一种融合城市用电和分布式发电的可视化方法，其特征在于：步骤d具体为：得到优化后的供电线路布局与分布式电源布局之后，分别对两者的电力数据进行可视化编码，对于城市用电中的变电站，根据其实际负荷信息对其进行可视化编码，对于城市用电中的供电线路，根据其实际负荷信息对线路进行可视化编码，对于分布式发电数据，根据其实际发电量和并网容量容量以及与根据用户编号获得的用电用户之间的关系对其进行可视化编码，从而得到城市用电和分布式发电融合展示示意图。
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