电力系统运行状态可视化技术综述
电力系统可视化技术研究
电力系统可视化技术研究摘要：科学计算可视化(VISC-Visualization in Scientific Computing)，又称科学可视化(scientific visualization)是一种能解决因电力系统发展所带来电网数据信息量增大问题的有力手段。
能有效的增强电力系统运行、研究能力。
本文分别从电力系统潮流计算、稳定计算和能量管理系统（EMS）等方面对电力系统可视化技术进行了总结，重点研究了可视化显示和可视化操作的方法及其应用，希望能对以后电力系统可视化技术的研究和可视化分析软件的开发起到一定参考作用。
关键词：电力系统、可视化、等高线、稳定域1、潮流计算潮流计算是电力系统分析计算中最基本、最重要的计算。
其任务是对给定的运行条件确定系统的运行状态。
如网络中的功率分布、母线电压等。
其结果在电网的规划、设计、运行以及继电保护、自动装置的设计与整定中都将频繁用到。
因此，其结果数据显示的高效性及原始数据操作的方便性就显得非常重要。
1.1支路潮流了解电力系统状态的关键是知道当前潮流和各输电线路的载荷。
目前最为常见的描述输电系统潮流的手段是利用单线图。
在输电线路、变压器、发电机、负荷等元件处直接用数字标明通过的功率。
这种方法的优点是简洁明了、结果精确。
在EMS系统中，配合警报系统，可以提醒运行人员某些元件已接近其运行极限。
但对于大型系统而言，其数据量大，显示不够生动，而且重点不突出。
1.1.1箭头相比于纯数据文件和单线图，在每条线路上叠加一个小箭头的做法更为有效。
文献[7]就介绍了这种方法。
箭头方向表明实时潮流方向，箭头大小表明功率大小。
这样，即使在大系统中也可以快速地获得全部潮流信息，而且重点突出。
如今，大部分潮流信息都是通过计算机显示的，如果潮流是动态的动画就更完美了。
文献[10]提出：通过使用位图能够轻松的实现动画显示，即使是大型系统，也能流畅的运行，从而使系统“活起来”。
用户“看一眼” 就可以清楚的了解到系统中实时的潮流状态。
电力系统运行状态可视化技术综述
电力系统运行状态可视化技术综述摘要：电力行业为我国经济发展做出了重要的贡献，同时随着信息技术不断发展，电气自动化技术取得了快速发展，有效保障了供电网络的供电性和可靠性。
但是随着电力系统的规模越来越大，电力需要可视化技术来实时掌握电力系统的运行状态，从更好控制电力系统运行的稳定性。
因此本文在此基础上重点谈论了电力系统运行状态可视化技术，从而更好促进电力系统的发展。
关键词：电力行业；电气工程及自动化技术；电力系统；运行状态；可视化技术背景电力行业随着经济地发展，已经发展很成熟了，现在中电承接的项目遍及世界上60多个国家和地区，极大地宣传中国形象和中国实力，配网运行中常见的故障与维护方法研究作为电网重要的工作。
同时随着经济的发展，各行各业对电力的需求越来越大，导致电力行业的规模越来越大，这样配网中出现的故障的概率大大提高，如何来掌握电力系统的状态的难度越来越大，因此发展可视化技术势在必行，同时随着信息技术不断发展，促进了电气工程以及自动化技术快速发展，各个可视化技术不断应用于电网系统，加大提高了电力企业对于电力网络的控制能力，这样就能够及时发现和解除电力系统存在的安全隐患，从而极大提高了电网系统的稳定性以及可靠性，提高了企业的自动化程度，同时减少了企业的运营成本，保证了企业的经济效益。
2.可视化技术在电力系统的应用场景2.1电厂运行状态可视化可视化技术其中一个重要应用的场合就是发电厂。
这些年风力发电取得了很大的发展，在风力发电过程中需要对于风力发电各个环节的监控，从而确保每一个环节都能够顺利进行。
风力发电设备包括主发电机、叶片、自动迎风转向装置、叶片控制、监控和保护系统以及安装。
实现风力发电的自动化的过程就要求风电装置能够当地风力条件自动调整设备的姿态，从而得到发电效率最高，同时还能够对于发电设备进行监控。
另一方面，火电发电是人们最早使用的发电方式。
一般的火电发电系统是相互独立的，需要建设设备运动系统、数据监控系统、信息监控系统、设备管理系统、故障管理系统和二次电力保护系统。
电力系统运行状态可视化技术综述
２ ２运行安全状态显示。运行状态显示包括输电元件状态、 发电机状 科技技术。通过可视化技术可以将各种各样的数据售息 转换成一目了然 态、 系统整体安全状态的显示。 早期的安全分析显示是利用多窗口技术将 的图像’ ｊ 不但能够方便 ＾ 们的工作， 提高效率ｌ 还 能够保证 读取数据信 利用颜色变化标出越限量以提 息的准确率。 可以说 视化技术是—种非常 进的工具型技术。 从当前的 分析结果以文本形式显示于新的窗口中， 故显示容量十 利搬落 研红 来看， 未来的利 教 术将会应用到更加复杂的工程彭［ 据通 醒运行 ＾员注意。该方法不直观 且由于以文本方式显示， 有人提出了较为先进的安全分析结果可视化方法。 具体做 ０ 过可视化技术将这些复 杂 嬲莉载 赇 单易懂的图 像就可以 极大的方 分有限。 对安全分析所得到的节点与线 便研究 ＾ 员开展更多的科研活动提高科研水平与工程设计效率。而在电 用节点数据和线路数据可视化显示手段， 以反映故障的严重『 生 和元件的脆弱陛。 力系统运行状态中的可视化技术应用＇ 贝 ０ 主要是针对电力系统运行状态中 路安全指标进行显示， ２ ３运ｆ 谳 显示。运行变量的趋势分６ Ｆ 分重冕 早期的数据趋势 所涉及的各种信息数据而进行的图像转换。 显示只是针对某—特定变量。 除对某个变量的变化趋势感兴趣外， 调度 人 １可视性技术应用的必要性 以期对系统的安全程度有更清晰的认识。 目前我国的电力技术水平得到了快速提升， 极大的促进了我国电力 员更 系统整体的变化趋势， 得到系统当前的可反 事业的发展。 但与此同时厂些 新的问题也随之产生。 主要表现在原有的电 利用已有系统安全分析方法对系统进行综合分析， ０ 定指 将该信息反映在事先已训练好的自组织映 力设备和运行管理技术 已经远远不能满足现代电力技术发展应用的需 映系统运行水平的 射图上＇ 其位置就对应了当前系统的安全水平。 利用—些预钡 ４ 数据 口 负荷 要。就以可视化技术而言， 以往的 Ｅ ＭＳ 数据显示技术就已经略显落后厦 可确定未来的系统运行状况发展趋势， 根据系统当前运行点及其移 需ｌ 硼贫２ 多新的先进的可视 陛技术来适应现代电力系统的发展。其主要 预测Ｔ 动方向， 调度员可较清晰地掌握系统的运行趋觐 从而及时采取措施以维 原因可以总结为以下 几 点： １ ． １临近运行极限。 为了能够最大程度的提高电力系统运行的经挤效 护系统的安全稳定运行。 当然， 谚 的有效ｌ 生陂大程度地佑濑 于安全： 分 益， 一般都会使电力系统的运行状态临近稳定极 限值， 以便最大程度的利 析 的准确性 。 ３可视化技 术的发展趋势 用电力资源提高设备运行效率。特别是在资金相对较为短缺的地区这 种 目 煎 电力系统运行状态的可视化技术已经发展了仅 ２ ０ 年 汉 运行状态会更加明显 。而这种长期高负荷运转的电力系统状态极易出现 故障问题 当电力系统运行发生异常现象时夏 求电力运行人员能够根据 得的成就依然非常有限， 并没有真正实现更力 １ １ 深入的研究， 在对可视化技 诠 面的分析 。相 寸 于电力系统运行的其他技 可视化技术所显示的图像， 在第一时间迅速做出正确判断和处理， 以免发 术的应用分析中也没有 彳 术来讲同 纣 支 术的研究发展较为缓慢。笔者认为， 在珠来的可视化技术 生严重的事故问题。 １ ２系统规模不断扩大。现如今电力运行系统已经逐渐实现商业化， 发展中需要着重对以下几 问题进行深 ＾ 研究。 ３ ． １ 颜色运用。颜色是可视化研究中的—个重要方面 在可视化研究 为了能够获取更大的经济效益 很多地区都在不断的扩大电网覆盖范围， 中占有重要地位。我们应该积极制定出针对电力系统运行状态可视化这 改进电力系统运行技术增 大电力输送的运输功率这 样以来 会使得电 力系统运行状态控制的范围越来越 系统中的各种设备和子系统也越来 特定问题颜色显示的统—规范， 并配合培训推广， 以期发挥颜色的应用 越复杂， 系统 的控制难度逐渐增尢 急需更加先进的控制技术， 而可视化技 潜力。 ３ ． ２ ３ Ｄ显示应用。 ３ Ｄ显示是可视化研究中—个十分重要的方面 术就是其中重要的—项。 Ｄ显示应用研究还停 留在浅层 １ ３数据信息种类逐渐繁多。在现有的电力系统运行状态管理控制 在电力系统中的应用并不商劢 。现有的 ３ ３ Ｄ显示应用潜力还没有得到充分发挥。 中， 常常使用 Ｅ ＭＳ 等高级应用软件来进行电力自动化控制和管理。随着 次 ３ ３交互手段。 ＾ 、 —机交互手殴方面， 现在的砌究还只限于键盘和鼠 Ｅ Ｍ Ｓ的应用范围越来越广， 其在运行 中 来越多渤据信 息 量日 趋增大。 尤其是在电 力市场化的发展下还 坳 口 了 多 标 新技术使 喽嘴 手套、 视觉追踪和语音技术等） 的应用还未被涉及。 ３ ４综合运用。可视化研究是典型的多学科交叉问题 仅从计算机显 种经济数据。电力运行 人员在 Ｅ ｌ 常工作中若要对这些数据都— 一ｊ 蒸 彳 亍 查 看 然 是一项非常繁重的 任务也 不利于工作效率的提升， 因此需要更先 示的角度进行研究不可能从根本上解决问题。借鉴认知理论和人—机系 进的可视化技＝ 枵 醇 挟这一问题。 统工程学使 ｎ 人的因素分析堤 十分必要的。 此夕 卜计算胡 更 ｆ 牛 成本的降低， 为数据的多屏幕显示提供了物质基础， 该方面的相关问题研究还需要进一 ２可视 化技术综 述
电力运行状态的实时动态可视化技术应用
电力运行状态的实时动态可视化技术应用随着社会经济与现代科技的不断发展，电力自动化技术也随之发展起来，并且越来越现代化，系统也越来越繁杂。
为了可以在当前状态下更好的管理其运行，就需要应用一种比较简单的方式进行其运行状态的表达，这样就有利于专业人员在短时间内就掌握系统的运行状态与现状，并且及时作出调度。
想要实现此目的，就需要将可视化技术应用在电力系统之中。
下文主要就是针对电力运行可视化技术进行了简单的分析与研究。
标签：电力系统;运行状态;可视化技术;发展引言当前可视化技术随着现代科技的发展，逐渐形成了新的技术。
当代人们可以通过此技术将各种信息数据转化为清晰形象的图像进行表达，这样不仅可以提升人们工作的有效性，还可以进一步为信息的准确性提供保障。
因此，可视化技术属于先进的工具技术。
从目前的发展趋势可以看出，未来的技术将会有越来越复杂的数据，而通过可视化技术就可以将数据转化为图像，更加通俗易懂，也可以为专业人员提供更多的便利，以此来提升其科研效率。
在电力运行状态下可视化技术的应用，主要就是将运行之中的信息进行图像转化。
一、应用可视化技术的必要性当前我国电力技术已经获得了较大的发展，这在很大程度上促进了我国电力领域的进一步发展。
但是同时也随之产生了一系列新的问题。
原有的设备与技术已经无法满足现代电力的发展。
单从可视化技术来看，以往的数据显示技术就已经比较滞后了，需要要就更多先进的技术来适应其发展。
（一）临近运行的极限为了可以最大限度的使得电力系统的经济效益发挥出来，一般在进行电力系统运行之时都会使得其状态达到极限点，以此来使得电力资源得以充分发挥，进一步提升设备的效率。
尤其是在资金短缺的区域，此类运行方式会更加明显。
而这种长期达到极限的运行状态会导致电力系统发生故障，当系统出现异常问题之时，就需要专业技术人员借助可视化技术图像作出及时的判断与分析，并且进行及时的解决，以免导致更多的问题发生。
（二）系统规模的不断扩展当前电力运行系统已经慢慢商业化了，为了使得经济效益最大程度的发挥出来，获得更多的经济收入，大多地区都在慢慢扩展其覆盖范围，改进技术，增大功率，这样的发展趋势之下，电网系统规模越来越大，系统之中的设备以及其之下的系统也随之复杂化，系统的控制难度使得可视化技术成为必需。
电力系统调度运行的可视化功能分析
电力系统调度运行的可视化功能分析在电力系统中主要是通过动态图像和直观的图表等来对电力网络中各项指标进行展示，从而实现可视化技术。
而互联网电力系统的可视化作为互联网与可视化技术的产物，可以把互联网中的技术很好地应用于电力系统的可视化中，从而起到提高可视化效果的目的。
标签：电力系统；调度运行；可视化功能一、电力可视化系统概述（一）特征分析首先，它具有实时性以及在线功能。
由于图形中的数据信息是实时化的，能够展示数据结构。
而且，它能体现追踪性，改变电网在运行期间的状态，特别是动态化的电网负荷、电网在运行期间的基本状况。
最后体现良好的预防与预警功能，利用系统中的图形以及色彩对电网在运行期间存在的安全问题进行提示，然后根据预警信息进行检测等方式。
（二）应用目的因为电力系统实现的可视化系统能够对系统中的数据进行采集，能够分析基础形式，所以系统应具备开放性的接口形式。
这不仅能够保证电力系统的对接形式，还能对其他产生的数据源进行分析。
调度人员在关注信息期间，在界面上能够利用多种功能来实现，在可视化技术和数据平台分析下实现数据的挖掘处理。
（三）预警功能如果电网在运行期间出现超限情况，系统就会在线进行预警行为，将得到的可视化信息在决策基础上来实现。
在可视化信息分析形式下，它不仅能对全局、细节信息进行展示，将电网在运行期间的状态展示给调度人员，还能帮助调度人员在一些问题环节进行调整、控制。
二、调度可视化技术功能的应用（一）互联网可视化功能的实现首先，对计算机互联网结果数据进行后处理。
主要是把可视化与计算过程分开，在脱机的情况下，完成对计算测量数据以及结果数据的可视化。
其次，对计算结果数据采用实时处理和显示。
在科学计算时，也要实现对结果数据和测量数据的可视化。
最后，对计算结果数据进行及时的交互处理和实时的绘制。
（二）电网智能在调度系统中的可视化应用电网智能调度系统具有电网智能监视、电网安全分析、辅助决策和操作安全校核等诸多功能。
电网运行状态可视化综述
第31卷 第10期 计算机辅助设计与图形学学报Vol.31 No.10 2019年10月Journal of Computer-Aided Design & Computer GraphicsOct. 2019收稿日期: 2019-07-08; 修回日期: 2019-08-16. 基金项目: 国家自然科学基金(61772456); 国家重点研发计划专项(2018YFB0904503); 南方电网公司科技项目(ZBKJXM20180046). 肖 勇(1979—), 男, 博士, 教授级高级工程师, 主要研究方向为用电、计量; 费治军(1996—), 男, 学士, 主要研究方向为可视化; 郑楷洪(1991—), 男, 硕士, 主要研究方向为用电、计量; 张天野(1994—), 女, 博士研究生, 主要研究方向为可视化、可视分析; 钱 斌(1989—), 男, 硕士, 工程师, 主要研究方向为用电、计量; 郑文庭(1974—), 男, 博士, 副教授, 硕士生导师, 论文通讯作者, 主要研究方向为计算机图形学、虚拟现实.电网运行状态可视化综述肖 勇1), 费治军2), 郑楷洪1), 张天野2), 钱 斌1) , 郑文庭2)*1)(南方电网科学研究院 广州 510663) 2)(浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 杭州 310058) wtzheng@摘 要: 电网运行状态包括电网在发电、输电、配电、用电这一完整过程中各个阶段的状态. 面向电网运行状态分析的可视化方法, 通过将专家经验融入数据分析过程, 能有效地解决传统自动化方法的弊端, 已被广泛应用于电网运行状态分析. 文中介绍了电网数据可视化常用的3类数据, 即图数据、时空图数据和多维数据, 以及这些数据面向的4种可视化任务, 即检测与辨认、相关性分析、态势感知预测. 文中从数据和任务2个角度, 回顾、总结了已有的可视化方法在解决电网实际应用问题中所起的作用, 并分析了节点链接图、平行坐标图等多种可视化方法在不同电网运行状态分析任务中的利弊. 研究分析表明, 电网运行状态可视化仍面临着难以处理海量数据、实时流数据, 并且缺乏完整、全面分析工具等诸多问题.关键词: 电网; 异常检测; 相关性分析; 态势感知中图法分类号: TP391.7 DOI: 10.3724/SP.J.1089.2019.17989A Survey of Power Grid Operation State VisualizationXiao Yong 1), Fei Zhijun 2), Zheng Kaihong 1), Zhang Tianye 2), Qian Bin 1), and Zheng Wenting 2)*1) (Electric Power Research Institute, China South Power Grid, Guangzhou 510663) 2)(State Key Laboratory of CAD&CG , Zhejiang University, Hangzhou 310058)Abstract: Power grid operation state refers to the complete process of power generation, transmission, distribu-tion and consumption. Visualization approaches used to analyze power gird operation state perform better than traditional methods by combining human knowledge into the data analysis process and therefore, are widely used for power grid operation state analysis. In this paper, we introduce the three most commonly used data types in power grid data visualization and the four visualization tasks. We survey and summarize the existing visualization works that are used to solve power grid problems. The advantages and disadvantages of these methods are ex-plained from two perspectives: data and task. However, there still exist multiple challenges in this research do-main, such as dealing with large-scale data and stream data as well as the lack of comprehensive analysis tools.Key words: power grid; anomaly detection; correlation analysis; situation-awareness 电网是一个将电力从供应方传送到用户的连通网络, 通常由发电、输电、配电和用电4个阶段组成[1]. 其中, 网络的节点表示发电、配电设备和用电用户, 节点的连接关系则表示输电线路. 电网第10期肖勇, 等: 电网运行状态可视化综述1751运行状态包括电网中各元件与各个组成部分在上述各个阶段的不同状态, 分析人员需要对网内各元件稳定性与安全性做出准确判断, 从而管理并优化各个阶段的电网配置. 电网运行状态分析帮助分析人员深入理解不同条件下电网运行的规律, 是进行电网规划和电力设计的基础, 能够保证电网的稳定可靠与运行安全[2].由于电网的复杂性与动态性, 其运行状态容易受到电力系统多种内外部条件的共同影响. 因此, 分析人员往往需要综合海量、异构、多维并且具有复杂时空关系的数据, 对电网状态做出准确判断. 常用的数据包括仿真数据和实测数据2种类型. 其中, 仿真数据基于真实电网提出假设, 并通过仿真计算验证得到的结果, 常常用于暂态稳定分析、配置设定和拓扑结构分析等问题; 实测数据是网内传感器的采集数据, 通常用于故障诊断、供给与消耗分析等问题. 目前, 电网分析人员已提出了多种无监督或监督的自动化方法来解决上述问题, 例如, 聚类[3]、神经网络[4]和迁移学习[5]等. 然而, 尽管自动化方法在不断被优化, 计算机性能也逐步提升, 电网数据的分析过程却仍依赖于专家经验与知识. 使用自动化方法进行分析容易产生错误结论, 因此分析过程需要有人参与; 而人工分析的效率则是分析过程中的最大瓶颈. 目前, 已有电网运行状态分析面临着以下挑战:(1) 数据量大. 随着电网的逐步完善与扩大, 电网运行状态数据量飞速增长, 即使有自动化方法的帮助, 也为分析人员带来了繁重的认知负担.(2) 漏报与误报. 大量的漏报与误报一直是自动化检测方法的弊端, 对高度复杂的电网运行状态数据来说, 人工的漏报误报筛查也日渐困难.(3) 局部分析. 由于数据海量的特点, 人工参与环节往往局限于分析网内的局部结构, 使分析人员很难掌握宏观的运行态势.(4) 反应速度与精度. 电网运行状态发生故障时产生的变化往往为秒级甚至毫秒级, 对调整精度的要求则更为严格, 但受限于人工的分析能力, 精度与速度难以得到保证.因此, 电网运行状态分析人员亟需一种有效的手段来增强人工的分析与处理能力. 数据可视化则恰好提供了这方面的帮助, 它对数据进行可视表达, 并通过图形化的交互界面增强人的认知, 使分析人员能够高效地识别、理解重要信息[6-8]. 目前, 许多工作已将数据可视化引入到电网运行状态分析中, 并提出了多种可视化设计, 开发了诸多的交互式可视分析工具, 有效地改善了电网运行状态的传统分析模式.本文首先介绍电网数据可视化需要处理的数据与任务, 并从这2个角度对已有的研究成果进行汇总和梳理, 最后, 对电网数据可视化的发展趋势进行了展望.1 数据与任务本节总结了电网数据可视化中常用的数据类型与面向的任务, 表1根据数据与任务2个维度对已有工作进行了分类.表1电网数据与任务分类任务图数据时空数据多维数据检测与辨认文献[4,9-15]文献[11,16-19] 文献[20-23]相关性分析文献[9,24-25]文献[10,16,26] 文献[9,21,24,27]预测文献[18,28] 文献[17,29-31] 文献[21,32]态势感知文献[9,15,21,33]1.1数据电网数据按性质可以分为仿真数据与实测数据2类. 本文按照数据属性对电网数据进一步分类, 根据电网数据所具有的不同属性, 可以将其分为图数据、时空数据和多维数据3类.1.1.1 图数据电网可以被抽象为一个网络结构(,)G V E; 其中, V表示电网中的负荷、发电机、母线等节点, E表示连接各类节点的输电线路. 抽象出的网络结构G就是典型的图数据, 代表了电网的拓扑结构和连接关系. 目前对电网图数据的研究主要围绕两大核心内容: 拓扑结构的分析和图中附带属性信息的分析; 附带属性信息指节点或边上的监视物理量的值. 例如, 节点的电压值与输电线路上的功率流动.1.1.2 时空数据电网时空数据包括通过网内传感器或监控系统实时采集的实测数据, 或由仿真程序模拟的电网在一定时间内的运行状态. 电网时空数据中包含了监视点的物理位置及该监视点上监视物理量在一段时间内的变化情况, 因此具有时间和空间2个维度的信息.1.1.3 多维数据电网多维数据指电网中节点上的监视物理量数目极多这一特性. 大多数统计分析只关注2~3个1752 计算机辅助设计与图形学学报第31卷物理量, 简单的折线图、散点图和盒形图等可视化图表就可以实现分析目标; 但全面的电网运行状态分析往往需要结合多个物理量的变化.1.2任务电网数据的可视化任务主要包括4种: 检测与辨认、相关性分析、态势感知、预测. 这些任务分别对应着不同的电网实际应用问题.1.2.1 检测与辨认检测与辨认任务的目标通常为检测电网中的异常运行状态, 如电网故障检测. 与只展示检测结果的自动化方法不同, 可视化任务中的检测与辨认为用户提供展示故障相关信息的图形化界面, 支持故障的起因分析与影响分析.1.2.2 相关性分析电网运行状态易受到气象、环境等方面的影响, 而电网运行状态的变化也会相应地影响电力分配与规划. 将多源的信息有机地组织并分析其中的相关性, 可以让分析人员对电网的运行状态有更清晰的认知.1.2.3 预测预测主要包括对电网运行状态以及对电网元件上监视物理量值的预测, 往往根据过去一段时间的监测值预测未来某个时间点的值.1.2.4 态势感知电网分析首先需要分析人员掌握宏观的电网运行态势, 例如, 电网的整体稳定性; 再由整到分, 聚焦于局部个别重要原件来解决发现的问题.根据以上4种任务, 本文对各任务所用的可视化方法进行了总结归纳, 表2统计了相关研究的数量.表2电网运行状态可视化方法统计任务统计图表节点-链接图网络/矩阵图平行坐标散点图地图热力图基于图元雷达图行汇总检测与辨认25 13 3 0 21 9 13 10 8 102 相关性分析13 3 5 5 22 10 9 2 1 70 态势感知7 4 2 0 13 8 0 0 2 36 预测 3 2 3 2 3 3 5 8 0 29 列汇总48 22 13 7 59 30 27 20 11 02 检测与辨认检测与辨认指的是电网异常检测. 电网异常涵盖范围较广, 例如, 电压电流等电气量异常、跳闸等异常保护措施、线路过载、装置异常、控制回路断路/短路等[34]. 严重的故障会引起大规模停电事故, 从而产生巨大的经济损失. 检测与辨认不同类型的电网异常是诊断故障原因、判断故障影响、并采取对应修复措施的基础. 基于可视化方法的电网异常检测与辨认主要通过对电网各元件及其运行状态进行可视化表达, 使分析人员在正常状态的上下文中快速定位到异常状态. 2.1图数据电网图数据中的异常检测主要包括对电网的节点与线路上的电气量检测. 通过比较这些元件的现有值与告警值, 对可能造成的故障进行预警.电路单线图[29]是分析人员了解电网线路结构的基础方法, 也是异常检测的基本手段. 如图1a 所示, 电路单线图使用预先规定的图形与符号对电网中不同类别的元件进行编码, 以正交的单线图进行连接, 并将各元件的重要电气量以数值形式直接标注在图中. 分析人员根据经验比对单线图中元件的标注数值与告警值, 判断出异常元件. 然而, 单线图难以将元件与地理位置相对应. 因a. 电路单线图b. 基于地图的线路图c. 节点-链接图图1 基于电网拓扑结构的异常状态监测与可视化表达第10期肖勇, 等: 电网运行状态可视化综述1753此, 许多研究提出基于地图绘制电网中的节点与线路关系. 例如, 图1b将电网线路图叠加在美国东北部高压输电线的地图上, 将边际电价使用热力图显示在图上, 并用饼图编码负荷状况. 因为美国电价会根据用电负荷和电力传输网络的物理传输限制约束而变化, 并且很多地区价格的巨大变动只是因为少数几条线路的堵塞[29]. 使用这种可视化方法可以观察到负荷、地区、线路以及价格变动的综合信息, 对可能到来的价格飙升做早期预警. 然而, 当电网规模增加与结构复杂化时, 地图上容易产生严重的遮挡与交叉, 影响分析人员观察.Wong等[20]使用节点链接图, 仅保留了电网的拓扑结构信息, 并通过节点链接图的布局优化来解决地图上的遮挡问题. 如图1c所示, 将所有电网总线和线路的风险等级信息映射为红色(违规)、灰色(警报)和绿色(安全), 只显示地图的海岸线轮廓, 并且对地图进行网格的划分. 分析人员只需对网格内颜色分布进行规则上的判断: 红色、粉色越多, 电网就越不稳定; 绿色越多, 系统越稳定. 此外, Overbye等[16]在节点链接图的基础上增加了对节点与边的图元设计, 使用饼图等图元编码节点的多个电气量, 并对线路的宽度进行编码表达功率流向与大小, 通过图元的大小与颜色等高亮异常的线路负载. 但对用户来说, 使用基本方法得到的数据分布情况复杂, 很难在大量数据中感知异常. 因此, Weber等[9]提出了使用距离加权的算法来计算等值线. 同时使用插值法[28]计算出非节点的电压值, 就可以将离散的节点转化成连续的电压分布线. 这项技术不仅用在电网异常检测中, 也用于电价/负载的分布[35]和功率传输分布系数(power transfer distribution factors, PTDF)[36]等特征值的预测中.节点链接图这种可视化形式能有效地帮助研究人员分析电网中的电力传输或是故障传播过程, 但是图可视化的方法并不局限于节点链接图, 更多相关方法可参考文献[36-38]. 但在大多数情况下, 作为分析对象的电网规模较大, 通常包含几千甚至上万节点[11]. 在可视化大规模图结构时, 传统的节点链接图由于节点数量过多, 不仅容易产生视觉混乱, 还会影响可视化的渲染效率. 图简化技术[39]则能通过对节点/边进行分组、压缩等方式有效地减小图的规模, 从而实现更快速、清晰的可视化效果. 此外, 已有的大图可视化[40]方法与交互也可帮助实现更有效的大规模电网图数据可视化. 2.2 时空数据时空数据可视化中的检测与辨认任务通常是来辨认时空数据中是否出现了异常. 对于时空数据的检测来说, 在空间维度上的检测主要是在地图上对检测点的物理位置进行分析, 在时间维度上的检测是根据数据的时序性进行分析.基于地理信息位置的分析是将监测点对应的物理位置与监测点在电网拓扑结构中的位置进行对应, 在地图上显示出异常的监测数据或者趋势. 在图数据中基于地图的相关可视化方法的基础上, 研究者们对空间上的数据进行了探索性空间分析, 识别出数据的空间模式, 并对现有的空间数据推断出空间结果, 对某一空间模式的实现检测是否可行, 从而进行应急分析[41].在时间维度上, 基础的可视化方法通常使用统计图表[37], 如折线图与柱状图. 通过对统计图表的不同时间周期中对比发现异常数据. 如图2a 显示了用电数据在周数据中检测到的异常, 绿线和蓝线分别是2011年和2012年的数据, 用于用电量的估计预测. 数据中存在异常时, 会使用红色的星号标注出来, 研究人员可以快速地定位到异常出现的时间点. 但是, 使用统计图表对统计人员来说并不够直观, 查找异常数据时效率也很低. 矩阵图[42]和热力图[43]使用起来更加直观, 能够有效地提高统计人员的效率. 如图2b所示, 将每周的数据使用热力图的方式展现出来, 并在热图中标注出异常值. 这样, 研究人员可以直观地感受到不同周的纵向数据总结与各个周中的同一天的横向数据总结.图2 电网时序数据的异常检测与可视化表示2.3 多维数据许多统计分析只涉及2个变量: 自变量和因变1754 计算机辅助设计与图形学学报第31卷量. 使用二维散点图、二元柱状图、盒形图等图表可以很容易地可视化这些数据. 对于三变量数据, 也可以用三维散点图或用颜色编码的第3个变量的二维散点图来可视化. 然而, 许多数据集涉及大量变量, 使得直接可视化更加困难. 所以, 对多维数据进行检测与辨认的常用方法是降维, 即通过线性或非线性变换将多维数据投影或嵌入低维空间(通常为二维或三维), 并在低维空间中仍保持数据在原始多维空间中的关系或特征. 因此, 在低维空间中与大部分数据距离较远的数据点往往被认为是异常点. Wong等[20]通过多维尺度分析方法, 将多维电网运行数据投影至二维平面, 并使用k-means方法对数据点进行聚类, 从而找到了离大部分数据分布较远的异常点, 如图3所示.图3 使用多维尺度分析方法检测异常点3 相关性分析电网中的数据与多个领域的数据都有着联系, 如水力发电的发电数据/气象数据以及经济市场数据. 相关性分析任务是对电网内部不同的数据或者是对电网与其他领域的数据进行关联程度的分析, 借此分析它们对电网影响并进行预测.3.1 图数据在图数据的可视化分析上, 研究人员进行了很多尝试. 很多可视化图表在进行相关性分析时表现并不好, 如雷达图[24]和等值线. 雷达图相邻节点的关系表达的并不是相邻节点代表的特性的相关性, 使用雷达图更多的是使用其对称性. 如果雷达图表现的不对称, 说明数据之中有问题, 所以使用雷达图用于表达相关关系并不准确. 等值线图失效的根本原因是它们不是编码数据关系的可靠表示. 在电力系统中, 电压只存在于母线上. 但是在等高线图中, 母线之间没有电压存在的点也是有一个推测的电压值, 从而会误导用户.因此, 电网图数据相关性分析往往基于第 2.1节提到的基础图数据可视化方法, 在其上附加一个维度来表示数据之间的相关性. 此外, 还可通过交互式可视化方法确定图结构中不同元素之间的隐藏关系[25]. 考虑相关性分析往往涉及随时间变化的电网图结构, 动画、时间线等动态图可视化方法[44-46]也可用于电网图数据可视化.3.2 时空数据对时空数据的进行可视化分析中, 在空间维度进行相关性分析的文献较少, 在时间维度的相关性分析有统计图表与散点图.Overbye等[16]使用折线图与电路图对负载与电源电压之间在时序上的相关性进行分析. 使用这种基本的统计图表通常对数据在某个维度上的表现进行了预选的计算, 之后再通过图表揭示计算后数据的信息.3.3 多维数据电网分析人员往往倾向于挑选个别重要的数据属性进行分析, 因此对多维属性数据进行可视化呈现和相关性分析的研究目前较少. 对多维数据进行处理转化为低维数据的处理方法可以有多维数据的切片和平行坐标, 对应的可视化图为散点矩阵与平行坐标图以及安德鲁曲线.散点矩阵[42]是利用在低维子空间查看多维数据切片来进行多维数据的展示. 如图4a所示, 每个散点矩阵中的点由不同的变电站进行颜色编码. 这种矩阵图可以很容易地在变量对之间找到关系. 散点图矩阵只显示二元关系. 然而, 还有其他方法可以将所有变量都显示在一起, 从而允许操作员研究变量之间更高的维度关系. 最直接的多元图是平行坐标图[21,47]. 在平行坐标图中, 坐标轴都是水平放置的, 而不是使用正交轴. 每个观测结果在图中表示为一系列相连的线段. 图4b使用平行坐标显示了按变电站分组的多维观察结果. 图中的水平方向表示坐标轴, 垂直方向表示数据. 每组测量由5个变量的测量组成, 每个测量值表示为相应直线穿过每个坐标轴的高度. 由于这5个变量的范围大不相同, 所以该图是用标准化值绘制的, 其中每个变量都被标准化为测回中数和单位方差. 图中彩色表示了不同的变电站分组, 通过平行坐标图可以比较出不同变电站分组在不同测量指标之间的差别.另一种类似的多维数据可视化类型是安德鲁曲线[47]. 这个图将每个观测值表示为[0,1]上的一个光滑函数. 每个函数都是傅里叶级数, 系数等于相关观测值. 在图4c中, 这个系列有5项: 一个常第10期肖 勇, 等: 电网运行状态可视化综述 1755量, 2个周期为1和1/2的正弦项, 以及2个类似的余弦项. 分析变电站组在不同时刻下的差异表现,可以得出变电站组间的显著不同并分析组间区分变量的方法.图4 多维数据相关性分析与可视化表示4 预 测电网实时运行时产生的数据可反映电网当前运行状态与未来的发展趋势. 随着电网规模的不断增大, 电网采集信息的途径越来越多, 获得数据的类型和规模也不断增加. 根据数据的时序规律或发展趋势对未来时间内的数据走向做出预测, 是电网数据分析中非常重要的课题.4.1 图数据图数据中的预测是从节点和线路的附属信息中根据已有的数据空间分布预测将来的分布. 等值线是图数据预测中非常有效的方法[21].等值线是在地图上绘制的连接等高点的线, 用来表示空间分布的连续数据. 但是, 电力系统数据并不是空间连续的. 因此, 要对电力系统数据使用等值线, 必须将虚拟值分配给整个区域. 在多个层次的有效数据点之间, 使用色彩的渐变来表示特征值的变化程度, 可以表征出特征值的变化趋势, 如图5a 所示.4.2 时空数据时空数据的重要特点是包含了时间信息, 时空数据的预测主要是依据某段时间内数据的规律来对未来一段时间数据的发展进行合理趋势预测.电网数据可视化预测的基本方法有依据灰度[17]与颜色编码[30]趋势进行预测. 以电压为例, 文献[17]使用线段的灰度来表示电压的大小; 同样, 文献[31]使用点的灰度来表示电压的大小, 通过线段或点灰度的变化就可以发现电压变化的趋势, 如图5b 所示.除了基础的编码信息, 研究者还通过折线图与柱状图对时序数据进行可视化, 方便观察人员进行预测. 对于时间属性的动态变化, 可以使用基图5 电网运行状态预测于动画的动态可视化. 适当地使用动态可视化有助于用户以可视化方法了解系统的状态与趋势. 随着电网容量、负载和其他条件的随时变化, 供电的实际成本波动很大[10].4.3 多维数据通过计算原始数据可得出多维数据, 很多在图数据与时空数据使用的可视化方法在多维数据的可视化中也可以看到. 对多维数据的可视化主要在辨认多维数据某一维度的状态和评判要求, 并预测某一个维度的发展趋势. Handschin 等[27]使用矩阵图可视化展示了对电网稳定性的预测值.5 态势感知态势感知是依据大量数据来显示整体状态与未来趋势. 而传统的文本形式无法将这些巨量的数据快速直观地表现出来, 所以为了描述整个系统, 需要使用可视化方法对节点和线路信息进行展示.在某一时刻、某一个维度的空间中, 对态势对象做系统的截图, 是态势表现图. 针对态势表现图的可视化是之前各个数据可视化方法的综合. 对态势表现图在某一个维度上投影后, 可以按照二维或者三维态势表现图的可视化方法进行显示[42].。
浅析电力运行状态的实时动态可视化技术应用
浅析电力运行状态的实时动态可视化技术应用摘要：伴随着电网规模的扩大与电力系统的复杂化，传统人工调度形式已经无法满足电力系统运行要求，难以提高系统运行效率与运行安全。
对此，应用实时动态可视化技术有效解决了这一问题，节约了较多人力、物力投入，为调度人员监督与管理系统提供了简单、高效的运用方法。
鉴于此，文章着重对电力运行状态的实时动态可视化技术展开分析。
关键词：电力运行；实时动态可视化技术；应用分析实时动态可视化技术可以清晰、直观的将电力运行状态信息呈现在调度人员面前，便于调度人员掌握电力运行状态、性能、可能存在的隐患问题，通过可视化技术进行信息搜集、监督、综合评价、诊断从而避免事故发生。
可视化技术应用在电力运行中有助于提高系统运行稳定性、安全性，并且减少企业成本投入，具有十分重要的价值意义。
一、电力运行与实时动态可视化技术概述电力系统结构内部组成复杂，为确保系统正常运行通常需要工作人员实时监督系统运行状态。
但是，因为电力系统各构件之间连接复杂、运行要求不同，要求工作人员监督设置之间的连接形式和设备之间的影响关系，工作任务繁重且容易出现偏差。
而实时动态可视化技术的出现改变了这一状态，为电力运行监督控制创造了便利条件，其中分为静态、动态、系统构件可视化。
结合电力运行状态标准依据，可视化技术可以分为图形显示方案分类与可视化定于域维数方案分类。
首先，可视化图形显示方案分类，划分为SVG图像显示与非公开位图显示方法。
现阶段，非公开位图显示方法得到了推广应用，实现了从二维转为三维可视化图像。
但是这种方法交互操作模式繁琐。
而SVG主要是利用XNIT技术分析二维图形语言，可以很好的处理矢量图形信息、文本、图像，控制程度较高。
但是，该方法无法对三维图像信息有效处理。
其次，可视化定于域维数方案划分。
按照该方法能够把电力系统划分成二维与三维可视化，二维是利用图表、箭头、等高线等进行数据处理。
三维则是通过柱状图标记电力运行状态信息，根据幕墙与数据关联性展开系统数据处理。
电力信息系统运维中可视化技术的应用分析
电力信息系统运维中可视化技术的应用分析现代高端信息技术为电力信息系统的运行提供了全新的条件，可视化技术作为一种先进的现代科技，近年来被应用于电力信息运维系统中，可视化技术以其独特的可视化功能，为系统运维创造了更加便利的条件。
文章首先介绍了可视化技术的特点与结构，然后分析了可视化技术在电力信息系统运维中的应用。
标签：电力信息系统；运维；可视化技术；应用Abstract：Modern high-end information technology provides a new condition for the operation of electric power information system. As an advanced modern science and technology，visualization technology has been applied in electric power information operation and maintenance system in recent years. Visualization technology with its unique visual function. For the system operation and maintenance to create more convenient conditions. This paper first introduces the characteristics and structure of visualization technology，and then analyzes the application of visualization technology in the operation and maintenance of electric power information system.Keywords：power information system；operation and maintenance；visualization technology；application可视化技术应用于电力系统，为电力信息系统的运维提供了独特服务，能够实现动态的、适时地跟踪，从而为系统的运维创造条件，让系统运维更加基础化、简单化，提高系统运维效率，将可视化技术应用于电力信息系统能够提高其工作效率与运行效益。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
电力系统运行状态可视化技术综述
摘要：电力系统随着地区性能源结构不平衡和市场化的出现，数据激增，运行
逐渐趋于极限。
而传统的ENS显示方式不再能满足用户的需求。
因此如何合理的
结合系统分析技术，构建计算机数据处理应用运行状态的可视化平台是现在最需
要解决的事情。
本文认为在可视化技术和数据显示等方面的应用，还能更进一步
深入，而且应当合理的加强数据与显示，以及颜色与3D方面的研究。
关键词：电力系统；运行；可视化技术
引言
可视化技术又称为科学计算可视化。
可视化技术是20世纪后期随着计算机技术的进步而产生的一门新技术。
它的主要功能是把复杂的数据转化为图形或图像，使人们能够直观的感受和理解数据的内容和含义。
它普遍应用在分析科学和工程
方面的数据，从而在一定的程度上提高工程的效率。
而电力系统可视化技术是将
系统的运行状态可以以图像的方式显示出来，从而使工作人员可以有针对性的对
系统采取控制措施。
但是随着电力系统的发展，不断有新的情况出来。
例如，临
近运行极限数据越来越多。
因为上述的问题，所以原有的ENS的数据显示方式已
经不能够满足实际的需求。
因此本文将简单的叙述电力系统可视化的发展历程和
研究过程，希望能为该研究进一步发展提供借鉴。
一、各种不同的电力系统可视化方式
（一）网络结构的显示方式
数据显示是实现可视化的功能。
而电力系统应用数据很多，大体上可以分为
三种。
一是网络结构，我国的网络结构显示方式是采取线段组成的单线图显示的。
这种显示方式使显示的图形较为规整，它可以清楚的让操作者将节点数据和线路
数据标明到适当的位置。
但是这种显示方式的缺点却是直观性比较差[1]。
因为单线图容易让人理解混乱，因此工作者提出了一个点线图的应用。
这种
显示方式相较于单线图来说更容易让人记忆。
而且图形显示方式可以简化显示出
物体的形状，也可以复杂显示事物的细节。
但是双方在颜色的显示上，单线图要
比多线图要好。
而且多线图在地图上显示密集的街道时，容易出现偏差[2]。
而另一种显示方式是几何图形的显示方式。
虽然这种方法很直观，能使人清
晰的看到数据方面的统计。
但是这种显示方式，只能应用在一般的教学和演示上，而在大规模的系统显示中不怎么好用。
这三种显示方式各有长短，因此工作者将
这三种显示方式结合了起来，采取多窗口分级显示，虽然可以有效的解决大规模
的显示问题。
但是因为这种方法管理模式过于繁杂，而且这种交叠的方式，在窗
口重合的部分无法查看。
因为这方面的工作量较大，需要调度员对全局的把握和
局部细节的了解，因此这种应用也并不成功。
基于以上的尝试，研究者提出了多屏显示的方案。
这种显示方式可以有效弥
补上面显示方面的问题。
而且使用者使用时，可以根据自己的需求，进行主屏幕
和子屏幕之间的观察。
（二）线路数据的显示方式
线路数据的显示一般来说比较容易。
研究者将线路数据显示与水流情况进行
结合。
将输电线路上的潮流用叠加箭头显示，而潮流走向与箭头方向对应，潮流
数量与箭头大小对应。
而在线路上，可以应用两个矩形来描述潮流的显示方式。
用反映百分率的饼图，来显示线路的负载率。
但是线路中的，有功率和无功率的
显示，因为技术有限，只能采取单独的显示。
这几种几何图形显示较为简单，但
是他能够直观的对线路数据进行显示。
（三）节点线段
节点数据的显示比较困难，它相对来说比较离散，现实世界没有相对的概念
来进行对照。
一般情况下，节点数据采取文本表格的数据显示方式。
而另一种方
式是采取柱状图的显示方式。
对于电压的显示的方式，研究者还发明了颜色分析技术。
他们利用色彩的明
度和饱和度，对节点电压进行研究，证明了这种方法的有效性
一些研究者为了更加有效的对节点线路进行显示，提出了等位线的计算方法。
而这种方法的在大规模的电压显示上效果显著。
这种方法的提出，给研究者指明
了一个探索的方向[3]。
（三）运行安全状态显示
输电元件、系统整体安全状态显示，发电机状态统称为运行状态显示。
运行
状态显示一般分为，文本显示和图形显示。
在实际的操作中，在系统单线图中，
运用亮度的高低对节点、功率、线路的断开，混运行进行区别。
在这种显示基础上，还分别拟定了，任务自适应的可视化显示方案，以及对人工智能方案的利用。
总之电力系统安全是一个复杂的问题，涉及的问题较多，在适合的时机，应该采
用三维3D显示[4]。
（四）运行趋势显示
对一时间段趋势性进行变量的分析，在实际显示中尤为复杂。
早先的趋势变
量显示图，只是单一的针对，某个节点的电压进行显示。
这种方法，一般多用于
多变量的显示。
另一种方法是将系统的预测信息，反映到自组织的映射图上，从
而给操作员一种直观的感受。
这种方法有效的提高了分析的准确性。
二、电力系统的发展趋势
（一）在颜色上的应用
电力系统研究只有十多年的研究历史，它的发展比较缓慢，因此在未来的发
展中，不论是可视化数据显示，还是数据显示，都要做好长远的打算在如今的电力研究中，虽然颜色得到的了应用，但是还处于一个初级层面，
没有具体的统一规范。
因为颜色在电力上的应用与日常生活中的不一样，一些工
作人员，会无法对其颜色的变化进行分辨。
如果只是靠主观上的判断，很容易出
现错误。
因此需要对颜色进行统一，从而充分的利用颜色的价值。
3D显示应用在实际的实验中，起到了很好的效果，它有语言和数据所代替不
了的效果。
但是现在的实验中，对3D利用不是很成功。
因为3D显示在其他应用中，得到了很好的效果，所以电力系统对于3维系统显示需要大力的进行加强。
三、结束语
因为地区能源结构不平衡，新技术不断的实现，原有的EMS数据显示方式已
经不能满足用户的需求。
如今不论是电力显示系统，还是数据显示都应该加强研
究力度，尽量去追求简单整洁的操作页面，将性能不断的强化，使其专业化。
参考文献：
[1]刘战.电力系统继电保护技术发展综述[J].科技创新与应用，2016（20）：216-216.
[2]杨飞虎，史友仁.电力系统运行可靠性评估研究综述[J].内江科技，2016，37（10）：117-118.
[3]严会君，黄煜铭，张雄伟.断路器在线监测与故障诊断技术综述[J].价值工程，2016（35）.
[4]李雪，张安安，敬佳佳，etal.海上平台电力系统研究综述[J].电网与清洁能源，2016，32（2）.。