電力系統(tǒng)三維可視化技術(shù)及應(yīng)用課件

肖曉卿

電力系統(tǒng)三維可視化技術(shù)及應(yīng)用主要內(nèi)容0、引言1、三維可視化方法2、軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3、實(shí)時(shí)應(yīng)用0.引言三維可視化技術(shù)充分利用了空間的第3個(gè)維度,相對(duì)傳統(tǒng)二維顯示方式具備更強(qiáng)的信息表達(dá)能力,能更高效、直觀地表達(dá)電網(wǎng)中的大量數(shù)據(jù),便于調(diào)度員迅速了解當(dāng)前系統(tǒng)中存在的問題及其嚴(yán)重程度,并使調(diào)度員對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行有整體的把握,引起了學(xué)者和工業(yè)界的廣泛關(guān)注,成為新一代電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(EMS)的重要特征之一。電力系統(tǒng)可視化研究多以電力網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)。例如:用餅圖和動(dòng)畫箭頭表示線路潮流;用柱圖和餅圖表示節(jié)點(diǎn)電壓;用圓柱表示發(fā)電機(jī)出力;用等值線圖或曲面圖表示空間分布;用三維圖展示故障分析結(jié)果以及穩(wěn)定域可視化。1、三維可視化方法電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行中的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)很多,需要對(duì)其分類,再根據(jù)不同類別的特點(diǎn),選擇合適的表達(dá)方式,即進(jìn)行可視化主題設(shè)計(jì)。EMS中常用的可視化主題如表1所示。1、三維可視化方法1.2基本算法1.2.1空間插值算法及改進(jìn)在三維曲面圖中,關(guān)鍵的一步是選擇合適的空間插值算法,將定義在離散點(diǎn)上的數(shù)據(jù)擴(kuò)展到整個(gè)平面。例如圖1所示情況,在平面上已經(jīng)定義了v1～v4這4點(diǎn)數(shù)據(jù),p是平面中的任意一點(diǎn),空間插值算法的任務(wù)就是計(jì)算出p點(diǎn)的虛擬數(shù)值vp。1、三維可視化方法最常見的空間插值算法是距離平方反比算法[6],其算式為:式中:N為已知數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù);dpi為數(shù)據(jù)點(diǎn)i到p的距離。實(shí)際中,一般要對(duì)二維網(wǎng)格上的各點(diǎn)進(jìn)行插值,計(jì)算量很大。文獻(xiàn)[6]（Individualwelfaremaximizationinelectricitymarketsincludingconsumerandfulltransmissionsystemmodeling[D].）對(duì)空間插值算法提出2點(diǎn)優(yōu)化。1、三維可視化方法以上不足影響了插值后圖形的視覺效果。以下進(jìn)一步提出了新的快速插值算法,新算式為:式中:C為平滑常數(shù),可調(diào)節(jié)插值結(jié)果在影響區(qū)域邊界處過渡的平滑程度。理論上,已知N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)在M×M的網(wǎng)格上插值,原始算法(式(1))的乘除法計(jì)算量與NM2成正比,而當(dāng)dinf根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置為

(S為插值區(qū)域面積)時(shí),文獻(xiàn)[6]及本文改進(jìn)算法的乘除法計(jì)算量都只與M2成正比,計(jì)算量大大減少。1、三維可視化方法本文的新算法保持了計(jì)算快速的特點(diǎn),并且通過引入虛擬的平均點(diǎn)(v∞)和權(quán)重修正項(xiàng)(1/d2inf)解決了文獻(xiàn)[6]中算法的不足:①在所有數(shù)據(jù)點(diǎn)影響區(qū)域外,插值結(jié)果vp=v∞;②在第i點(diǎn)影響區(qū)域邊界處,vi的權(quán)重系數(shù)1/d2pi-1/d2inf=0,保證了結(jié)果的連續(xù)性;③僅在一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)影響區(qū)域內(nèi)時(shí),插值結(jié)果為該點(diǎn)數(shù)值與v∞的加權(quán)平均,變化連續(xù)。此外,在浮點(diǎn)坐標(biāo)矩形網(wǎng)格下將數(shù)據(jù)點(diǎn)位置近似到網(wǎng)格點(diǎn),也能利用對(duì)稱性在1/4圓上完成整個(gè)影響區(qū)域中的距離計(jì)算,從而可再將計(jì)算量減少3/4。通過插值算法的改進(jìn),三維曲面圖顯示的實(shí)時(shí)性和實(shí)用性得到了很大改善。1、三維可視化方法1.2.2色彩表映射色彩的運(yùn)用是可視化表達(dá)中的重要內(nèi)容,需要設(shè)計(jì)將不同數(shù)值映射為不同顏色的色彩映射方案。良好的色彩映射方案應(yīng)該滿足:①顏色的變化范圍寬,數(shù)值區(qū)分度好;②符合人們的直觀視覺習(xí)慣,易于理解記憶。用紅綠藍(lán)(RGB)分量表示色彩,則色彩映射方案可以表示為函數(shù)向量f(v)=[fR(v),fG(v),fB(v)]。其中:v為待映射數(shù)值,通常取實(shí)際數(shù)據(jù)歸一化到[0,1]區(qū)間的結(jié)果;fR,fG,fB∈[0,1]分別為與v對(duì)應(yīng)的色彩分量。經(jīng)過比較試驗(yàn),采用MATLAB軟件中稱為“jet”的色彩映射方案(見圖2)最適宜。該方案常在氣溫分布圖中使用,本文稱之為溫度色彩映射方案。2、軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

從軟件復(fù)用性角度出發(fā),基于現(xiàn)有EMS的二維圖形平臺(tái),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)三維可視化模塊。利用二維圖形平臺(tái)中的電網(wǎng)接線圖以及數(shù)據(jù)和位置信息,對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的三維可視化表達(dá)。2.1技術(shù)路線計(jì)算機(jī)領(lǐng)域有多種成熟的三維圖形顯示技術(shù)可供選擇。例如:可利用地理信息系統(tǒng)等成熟軟件中的三維顯示功能;可輸出為標(biāo)準(zhǔn)的三維圖形格式(VRML/X3D)后再顯示;可直接用三維圖形接口(如Java3D、Direct3D和OpenGL)編程。為克服已有技術(shù)的不足,電力系統(tǒng)三維可視化技術(shù)的選擇需考慮如下因素:①能應(yīng)用于多種操作系統(tǒng)平臺(tái);②易與現(xiàn)有EMS二維圖形平臺(tái)結(jié)合;③顯示速度快。2.2可視化的模塊設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成遵循模塊化、可復(fù)用和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)原則,圖3給出三維可視化模塊的基本結(jié)構(gòu)。該模塊直接建立在現(xiàn)有EMS二維圖形平臺(tái)基礎(chǔ)上,與EMS緊密集成,分為三維顯示場景和三維對(duì)象2部分功能。2、軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

顯示場景對(duì)應(yīng)最終在屏幕上的顯示區(qū)域,可包含若干三維對(duì)象。該部分負(fù)責(zé)維護(hù)內(nèi)部三維對(duì)象列表和整個(gè)場景的姿態(tài)信息,創(chuàng)建和顯示三維對(duì)象,并且根據(jù)用戶鼠標(biāo)操作調(diào)整場景的姿態(tài)。三維對(duì)象對(duì)應(yīng)需要顯示在屏幕上的一個(gè)或一組三維圖形,包括簡單的幾何圖形、用做背景的電網(wǎng)接線圖,以及對(duì)應(yīng)特定可視化表達(dá)的圖形,如柱狀圖中的一組圓柱。它根據(jù)從二維圖形平臺(tái)中獲取的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中生成三維圖形,并負(fù)責(zé)具體繪圖。2、軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

三維可視化模塊嵌入并集成在現(xiàn)有EMS二維圖形平臺(tái)中,保證模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)與具體數(shù)據(jù)源無關(guān)。模塊通過場景窗口的顯示和隱藏實(shí)現(xiàn)二維與三維顯示的切換,通過動(dòng)態(tài)銷毀和創(chuàng)建三維對(duì)象實(shí)現(xiàn)在不同三維可視化表達(dá)形式之間的切換。模塊中的數(shù)據(jù)接口從現(xiàn)有EMS二維圖形平臺(tái)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和設(shè)備圖元中分別獲取數(shù)值和位置信息,提供給可視化展示對(duì)象使用。背景接線圖對(duì)象負(fù)責(zé)在三維顯示場景中重新繪制二維接線圖。如圖4所示,二維圖形平臺(tái)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)值可以來自由數(shù)據(jù)收集程序維護(hù)的可視化實(shí)時(shí)庫,也可以通過數(shù)據(jù)接口獲取不同廠家EMS中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)與控制中心EMS的數(shù)據(jù)集成。

3、實(shí)時(shí)應(yīng)用

3.1性能測試3.1.1空間插值算法性能采用某省網(wǎng)主要廠站母線電壓標(biāo)幺值實(shí)際數(shù)據(jù)共69組,檢驗(yàn)空間插值算法的速度性能。使用3種空間插值算法,在800×800規(guī)模的矩形網(wǎng)格上測試,式(3)中的dinf根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置為S/N(S為插值區(qū)域面積,N為數(shù)據(jù)組數(shù)),C設(shè)置為5/dαinf。從表3中看到,空間插值算法經(jīng)過改進(jìn),其計(jì)算時(shí)間大為減少,從而能夠滿足實(shí)時(shí)性要求。

3、實(shí)時(shí)應(yīng)用

3.2.2可視化顯示性能三維圖形的生成和繪制過程也較耗時(shí)。在現(xiàn)場用不同規(guī)模的實(shí)際電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)的顯示性能進(jìn)行測試,結(jié)果如表4和表5所示。

3、實(shí)時(shí)應(yīng)用

表4和表5中,畫面生成耗時(shí)指從二維圖形平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)、進(jìn)行必要處理(如過濾異常數(shù)據(jù)、空間插值計(jì)算)、生成Op