CN108829934B - 一种高频电力流数据可视化系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高频电力流数据可视化系统，属于电力系统技术领域；采用内存数据库、关系型数据库管理系统MySQL和文本文件相结合的方式来对实时运行数据进行管理，解决了高频流数据的存储问题；采用面向对象的设计思想对可视化编辑模块进行开发，实现了电力一次接线图和地理接线图的绘制功能；结合SVG技术与Web技术，实现了电力数据的网络可视化功能；采用Open GL技术实现了电力数据三维可视化，并利用改进的插值算法和绘图技术，提高了高频流数据的可视化效率，满足了电力监控的实时性要求。

Description

一种高频电力流数据可视化系统

技术领域

本发明涉及一种高频电力流数据可视化系统，属于电力系统技术领域。

背景技术

电力系统运行状态监控作为电力调度中重要的一环，直接影响到调度的效率和质量，而电力系统可视化技术能够直观地展现系统运行状态。随着电力系统量测系统的不断发展，目前电力系统数据由D-PMU、SCADA、分布式电源、柔性负荷、用电营销系统等多源异构海量动态数据组成，同步数据量大，能够从中提取的信息量多，为电力系统运行状态可视化以及数据分析的实时性要求带来了巨大的挑战，简单的数据文本显示或不加处理的可视化已经不能满足电力行业应用的要求。将高频电力流数据信息以生动直观的形式展示给调度人员，能够有效的帮助调度人员实时掌控电力系统运行状态，从而提高故障分析效率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种能够实时展现系统运行状态，可视化效率高，同时具备网络可视化功能的高频电力流数据可视化系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：它由用户管理模块，数据管理模块，可视化编辑模块以及可视化显示模块四个部分组成；可视化系统从电力系统主站接收实时数据，数据管理模块对数据进行管理，为可视化模块提供可视化数据；可视化编辑模块对可视化模块中的内容进行编辑，决定了可视化模块中的显示内容；所述用户管理模块将用户分为普通用户和管理员两类；数据管理模块分为实时数据管理和历史数据管理；可视化显示模块包括本地可视化和网络可视化；可视化编辑模块，采用面向对象的设计思想对可视化编辑模块进行开发，实现对电力系统单线图和地理接线图背景的编辑与信息添加，在可视化模块中，所有数据的显示都是以单线图或地理接线图为背景，通过该编辑功能改变可视化模块的背景信息。

作为优选，所述用户管理模块采用内存数据库、关系型数据库管理系统 MySQL和文本文件相结合的方式来对数据进行管理，当系统接收到远程发送的实时数据后，首先将数据存放在实时数据库和MySQL中，供可视化程序的数据快速获取，从而提高实时动态可视化的效率，由于内存大小的限制，不能无限期地将所有数据都存入内存中，实时数据库中存放最近一段时间段内的所有数据，而对于具体时间长短可根据具体要求进行动态设置。

作为优选，所述实时数据库采用自定义的存储方式，并以计算机内存作为存储介质来满足系统实时性的要求，历史数据库采用了SQL Server数据库，以磁盘作为存储介质。

作为优选，所述内存数据库，定义为在任意时刻t，均有：

式中：

为时刻t数据库在内存中的数据集；DB为内存数据库；

为时刻t活动的事务集；TS为系统中所有的事务集；

为事务T在时刻t所操作的数据集；T为事务。

本发明采用面向对象的设计思想对可视化编辑模块进行开发，实现了电力一次接线图和地理接线图的绘制功能；结合SVG技术与Web技术，实现了高频电力流数据的网络可视化功能；采用Open GL技术实现了高频电力流数据三维可视化，并利用改进的插值算法和绘图技术，提高了高频电力流数据的可视化效率，满足了电力监控的实时性要求

作为优选，所述面向对象的设计思想对可视化编辑模块进行开发，主要考虑：

采用类来描述使各个图元之间保持独立性以表现电力设备在电力系统中的独立性；在电力系统接线图编辑系统中进行单线图绘制，以实现单个图元的整体绘制和图元信息的添加；图元类与SVG中的<g>元素相对应，实现将绘制图形转换为SVG格式。

作为优选，所述结合SVG技术与Web技术，实现了高频电力流数据的网络可视化功能：

利用Java Script实现了人机交互功能，用户可以直接在SVG渲染的可视化界面上对需要显示的数据进行选择，使电力系统可视化界面只显示用户关心的数据；

利用Ajax技术实现了页面无刷新更新显示数据，提高实时数据显示效率。通过B/S模式实现网络可视化，用户可以通过浏览器页面对电力系统运行状态进行实时监控。

作为优选，所述利用改进的空间插值算法实现了等值色彩图的快速可视化：

所述改进空间插值算法的具体数学描述为：

式中：p为平面中的任意一点；v_p为p点的虚拟数值；d_pi为数据点i到p的距离；d_inf为预设的影响距离，每个数据点只影响距离小于d_inf的区域；v_e为所有已知节点值的平均值，v_i为i点的虚拟数值。

采用改进空间插值算法可以使节点影响区域的边界连续过渡，避免了单个节点影响造成的孤岛效应，并且对于所有节点影响区域外的点都使用平均值，大大减少了计算量。

作为优选，本系统采用LOD的思想提高了等值色彩三维曲面的快速可视化：

所述等值色彩三维曲面的快速可视化基于Open GL利用LOD模型提高显示效率。

所述LOD算法描述如下：

1、根据视距从近到远，分别建立模型Ⅰ、模型Ⅱ…模型N-1、模型N。

2、对这N个模型约定l₁、l₂…l_n-1、l_n等不同视距。

3、如果视点距离小于等于l₁，则调用显示模型Ⅰ；如果视点距离大于l₁小于等于l₂，则调用显示模型Ⅱ……如果视点距离大于l_n-1小于等于l_n，调用显示模型N。

其中：模型Ⅰ、模型Ⅱ…模型N-1、模型N是根据视距变化建立的详细程度由精细到粗糙的模型。

本发明有益效果为：本发明所述的一种高频电力流数据可视化系统，能够实时展现系统运行状态，可视化效率高，同时具备网络可视化功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的的整体结构框图；

图2是本发明中时间驱动模型图；

图3是本发明中数据库的结构图；

图4是本发明中SVG网络与可视化结构图；

图5是本发明中三维可视化示意图；

附图标记说明：

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

参看如图1--图5所示，本具体实施方式的高频电力流数据可视化系统由用户管理模块，数据管理模块，可视化编辑模块以及可视化显示模块四个部分组成。可视化系统从电力系统主站接收实时数据，数据管理模块对数据进行管理，为可视化模块提供可视化数据。可视化编辑模块对可视化模块中的内容进行编辑，决定了可视化模块中的显示内容，提高了系统使用的灵活性。用户管理模块管理用户权限，防止对系统的非法或误操作，提高可视化系统的使用安全性。

其中，用户管理模块将用户分为普通用户和管理员两类。普通用户可以使用该软件进行电力系统的监控，而管理员则除了拥有普通用户具有的权限外，还可以使用可视化编辑模块对接线图或地理接线图进行编辑和修改。用户的用户信息，包括用户名、密码和权限级别存放在SQL Server数据库中，用于登录系统时，读取用户信息，判断用户是否为合法用户，以及确定用户的操作权限；数据管理模块分为实时数据管理和历史数据管理，数据库结构如图3所示，采用内存数据库、关系型数据库管理系统MySQL和文本文件相结合的方式来对数据进行管理。当系统接收到远程发送的实时数据后，首先将数据存放在实时数据库和MySQL中，供可视化程序的数据快速获取，从而提高实时动态可视化的效率。由于内存大小的限制，不能无限期地将所有数据都存入内存中，实时数据库中存放最近一段时间段内的所有数据，而对于具体时间长短可根据具体要求进行动态设置。

另外，可视化显示模块包括本地可视化和网络可视化，主要作用是将电力系统中的实时数据进行图形化显示。本地可视化采用三维显示效果，具有丰富的展示手段，除了潮流箭头与饼状图常用的二维可视化元素外，还具有柱状图和曲面等三维元素，从而使得可视化图形中包含的信息量更大；还可以对电压和频率数据以毫秒级进行实时快速可视化。网络可视化主要以二维的形式，通过网页进行监测，显示频率为秒级。可视化编辑模块，采用面向对象的设计思想对可视化编辑模块进行开发，实现对电力系统单线图和地理接线图背景的编辑与信息添加。在可视化模块中，所有数据的显示都是以单线图或地理接线图为背景，通过该编辑功能可以改变可视化模块的背景信息，增加了系统的灵活性。

本具体实施方式采用XML和Java Script技术实现基于SVG的高频电力流数据动态可视化，其结构图如图4所示。首先，利用Windows操作系统内置的IIS创建web服务器，并创建虚拟目录；其次，创建HTML页面，利用 <embed>标签加载接线图编辑系统生成的SVG文件，然后将HTML页面文件、 SVG文件与操作SVG的Java Script脚本放在相同目录下；最后，所有文件放入web服务器的虚拟目录下，完成页面的发布。

网络可视化在服务器端采用XML保存数据，利用Java Script脚本动态加载XML中数据，并操作SVG中图形动态变化。在SVG文件中只有表示电力系统拓扑结构信息的图元信息，SVG图元的操作全部在Java Script脚本中实现。XML中的数据由服务器定时更新，JavaScript脚本根据从XML数据文件中获取的数据实时更改SVG中可视化元素动态效果。

等值色彩图基于改进空间插值算法。首先按照改进空间插值算法的计算公式计算出各点的插值结果，其次通过色彩映射表计算RGB值，遍历完成所有像素填充，最后将位图信息利用2D纹理贴图方式贴到背景平面完成等值色彩图的绘制。由于采用对整数坐标像素插值，所以采用线性过滤的处理方式，使放大后的背景颜色过渡平滑。

高频电力流数据可视化系统基于Open GL采用LOD模型实现高效的三维可视化。三维可视化建立在二维图形平台基础上，其结构如图5所示。通过场景窗口的显示和隐藏实现二维与三维显示的切换，通过动态销毁和创建三维对象实现在不同三维可视化表达形式之间的切换。模块中的数据接口从现有二维图形平台的动态数据和设备图元中分别获取数值和位置信息，提供给可视化展示对象使用。背景接线图对象负责在三维显示场景中重新绘制二维接线图。

三维视图背景平面网格的划分采用变步长的方式，在保证细节的前提下提高远距离观察的效率。当视点距离背景平面越近时，采用划分步长越小，最终形成的网格越多；当视点距离背景平面中心点越远时，正方形网格划分采用的步长越长，即正方形网格边长越长，形成的三角形网格越少。

本具体实施方式的整个系统基于事件驱动机制，其模型如图2所示，把运行人员的行为作为事件，通过程序输出对应的事件消息，执行不同的界面显示方案，完成一个完整的处理流程。

实施例：

以多时间尺度电压质量可视化为例，展示本发明的可实施性；多时间尺度电压优化考虑包含变压器抽头、静止无功补偿、电容器组、储能装置、分布式电源及新型负荷等多种调节手段，读取相关量测数据，优化时间尺度以提升电压合格率，显示优化前后的电压合格率和节点电压，基于GIS信息定位查看站-线-变的电压跌落状态，快速锁定电压质量问题区域，且自动匹配电压特征，提出综合治理策略，为运行人员提供辅助决策支持

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种高频电力流数据可视化系统，其特征在于：高频电力流数据可视化系统由用户管理模块，数据管理模块，可视化编辑模块以及可视化显示模块四个部分组成；可视化系统从电力系统主站接收实时数据，数据管理模块对数据进行管理，为可视化模块提供可视化数据；可视化编辑模块对可视化模块中的内容进行编辑，决定了可视化模块中的显示内容；所述用户管理模块将用户分为普通用户和管理员两类；数据管理模块分为实时数据管理和历史数据管理；可视化显示模块包括本地可视化和网络可视化；可视化编辑模块，采用面向对象的设计思想对可视化编辑模块进行开发，实现对电力系统单线图和地理接线图背景的编辑与信息添加，在可视化模块中，所有数据的显示都是以单线图或地理接线图为背景，通过该编辑功能改变可视化模块的背景信息；

结合SVG技术与Web技术，实现了高频电力流数据的网络可视化功能；所述结合SVG技术与Web技术，实现了高频电力流数据的网络可视化功能，具体步骤为：

利用Java Script实现了人机交互功能，用户可以直接在SVG渲染的可视化界面上对需要显示的数据进行选择，使电力系统可视化界面只显示用户关心的数据；

利用Ajax技术实现了页面无刷新更新显示数据，提高实时数据显示效率；通过B/S模式实现网络可视化，用户通过浏览器页面对电力系统运行状态进行实时监控。

2.根据权利要求1所述的一种高频电力流数据可视化系统，其特征在于：所述用户管理模块采用内存数据库、关系型数据库管理系统MySQL和文本文件相结合的方式来对数据进行管理，当系统接收到远程发送的实时数据后，首先将数据存放在实时数据库和MySQL中，供可视化程序的数据快速获取，从而提高实时动态可视化的效率，由于内存大小的限制，不能无限期地将所有数据都存入内存中，实时数据库中存放最近一段时间段内的所有数据，而对于具体时间长短可根据具体要求进行动态设置。

3.根据权利要求2所述的一种高频电力流数据可视化系统，其特征在于：实时数据库采用自定义的存储方式，并以计算机内存作为存储介质来满足系统实时性的要求，历史数据库采用了SQL Server数据库，以磁盘作为存储介质。

4.根据权利要求2所述的一种高频电力流数据可视化系统，其特征在于：内存数据库，定义为在任意时刻t，均有：

式中：

为时刻t数据库在内存中的数据集；DB为内存数据库；

为时刻t活动的事务集；TS为系统中所有的事务集；

为事务T在时刻t所操作的数据集；T为事务。

5.根据权利要求1所述的一种高频电力流数据可视化系统，其特征在于：采用面向对象的设计思想对可视化编辑模块进行开发，实现了电力一次接线图和地理接线图的绘制功能；结合SVG技术与Web技术，实现了高频电力流数据的网络可视化功能；采用Open GL技术实现了高频电力流数据三维可视化，并利用改进的插值算法和绘图技术。

6.根据权利要求1所述的一种高频电力流数据可视化系统，其特征在于：所述面向对象的设计思想对可视化编辑模块进行开发，主要考虑：采用类来描述使各个图元之间保持独立性以表现电力设备在电力系统中的独立性；在电力系统接线图编辑系统中进行单线图绘制，以实现单个图元的整体绘制和图元信息的添加；图元类与SVG中的<g>元素相对应，实现将绘制图形转换为SVG格式。

7.根据权利要求5所述的一种高频电力流数据可视化系统，其特征在于：利用改进的空间插值算法实现了等值色彩图的快速可视化：

所述改进空间插值算法的具体数学描述为：

式中：p为平面中的任意一点；v_p为p点的虚拟数值；d_pi为数据点i到p的距离；d_inf为预设的影响距离，每个数据点只影响距离小于d_inf的区域；v_e为所有已知节点值的平均值，v_i为i点的虚拟数值。

8.根据权利要求5所述的一种高频电力流数据可视化系统，其特征在于：采用LOD的思想提高了等值色彩三维曲面的快速可视化：

所述等值色彩三维曲面的快速可视化基于Open GL利用LOD模型提高显示效率；

所述LOD算法描述如下：

(1)、根据视距从近到远，分别建立模型Ⅰ、模型Ⅱ…模型N-1、模型N；

(2)、对这N个模型约定l₁、l₂…l_n-1、l_n不同视距；

(3)、如果视点距离小于等于l₁，则调用显示模型Ⅰ；如果视点距离大于l₁小于等于l₂，则调用显示模型Ⅱ……如果视点距离大于l_n-1小于等于l_n，调用显示模型N；

其中：模型Ⅰ、模型Ⅱ…模型N-1、模型N是根据视距变化建立的详细程度由精细到粗糙的模型。

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