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摘 要:本文采用可视化技术,为调度员提供更加形象和直观的可视化图形,将电网运行枯燥的数据用灵活的、实物化的、动态的方式,借助计算机图形显示技术进行显示,使系统运行人员可以直接得到揭示电网运行趋势和本质的高层次信息,可以及时洞察已存在的异常和潜在的事故隐患,加强对电网宏观信息的把握。
关键词:可视化
中图分类号:TM734 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)02(a)-0102-02
1 引言
隨着“西电东送,全国联网”战略计划的实施,电网规模越来越大,数据越来越多。海量数据存储于数据中心,SCADA、EMS系统提供的是大量详细、批量的电网实时信息,对电网的实时行为进行详细的描述。而传统EMS中的表格,图形表达方式只注重对系统局部信息的描述,无法对系统整体运行状态总体趋势及变化区域进行展示,不能满足调度员对电网的可阅性、提示性和概括性要求。随着可视化技术的迅速发展与成熟,一些国际上领先的电力企业已经开始尝试利用可视化技术帮助企业提升自身的运营效率和管理水平[1]。从目前的研究进展来看,国外在输配电网的三维展示和虚拟现实漫游管理方面的研究已取得一定成果[2-5],国内已开展了电网三维显示方面的研究[6],但还暂时无法延伸到整个城市电网的管理。
构建在SCADA/EMS基础之上的电力系统高层分析为电力调度提供了强大的技术支持[7]。除了如何绘制关注对象的可视属性以外,更重要的问题是如何把这些非空间抽象信息映射为有效的可视化形式[4],充分利用电网软件的分析计算结果,揭示电网的安全运行状况和设备的运行状态,适用于电网运行的各类应用系统,为电力调度、运行、控制、分析等人员提供直观高效的手段,更方便、更直观地了解当前系统的运行状态,以便其采取的运行控制措施更有效、更有针对性,从而极大地提高生产效率、提高电力系统的稳定性。
2 可视化技术的发展
可视化技术是指将抽象的事物或过程变成图形图像的表示方法。“可视化”一词,来源于英文的“visualization”,也可译为“图示化”。可视化发展历程包括:
(1)科学计算可视化(Science computation Visualization);
(2)数据可视化(Data Visualization);
(3)信息可视化(Information Visualization);
(4)知识可视化(Knowledge Visualization)等一系列的分支;
(5)科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing):运用计算机图形学或者一般图形学的原理和方法,将科学与工程计算等产生的大规模数据转换为图形、图像,以直观的形式表示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术。
(6)数据可视化(Data Visualization):不仅包括科学计算数据的可视化,而且包括工程数据和测量数据的可视化。现代的数据可视化技术指的是运用计算机图形学和图像处理技术,将数据换为图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术。
(7)信息可视化(Information Visualization):“使用计算机支持的、交互性的视觉表示法,对抽象数据进行表示,以增强认知。”它是将抽象数据用可视的形式表示出来,以利于分析数据、发现规律(信息)和决策制定。可视化的目的是洞察数据、发现信息、做出决策或解释数据。
(8)知识可视化(Knowledge Visualization):在科学计算可视化、数据可视化、信息可视化基础上发展起来的新兴研究领域,应用视觉表征手段,促进群体知识的传播和创新,研究视觉表征在提高群体之间知识传播和创新的作用。
(9)这里从可视化对象、可视化目的、可视化方式和交互类型四个方面对数据可视化、信息可视化与知识可视化进行比较,如表1所示。
3 基于GIS的全景监视图设计
3.1 实现功能
(1)通过与GIS服务器的网络连接,系统浏览器可以根据具体的经纬度坐标以及放大倍数获得相应的地图背景图片,并将其绘制在背景上。当浏览器进行缩放控制时,浏览器的背景会随着缩放比的不同而显示出不同的精度,浏览器的放大倍数越大,背景显示的细节精度就越高。图1为软件架构图。
(2)全景监视图可以根据背景图片类型的不同,进行不同类型背景的快速切换,例如在当前可视范围内行政图与卫星图背景下可以进行自由的切换显示。
(3)相关的厂站、线路等信息可以通过经纬度信息显示在浏览器中。当浏览器进行缩放时,厂站、线路等的相关位置都会显示在背景上正确的经纬度坐标位置上,并不会发生偏移变化。
(4)在客户端浏览器中,不同的缩放倍数下可以显示不同的定制信息,例如在较高的缩放比下才显示具体的潮流流动信息,而在较小的缩放比下则看不到这些细节信息。
(5)根据经纬度,在画面中准确的绘制出相应的厂站并自动生成潮流线路,并且可以根据经纬度定位不同的厂站以及线路。
3.2 原理及技术
(1)GIS系统中的地理图片信息是将地图看做一个近似的球体,然后根据相应的投影规则生成相应的地理图片。地球上任意一点的经纬度都可以通过相应的投影算法转换为一个平面坐标。在系统中需要根据相应的投影算法将经纬度信息转化为平面坐标,再将平面坐标转化为浏览器客户端的屏幕坐标。
(2)浏览器客户端打开一幅全景地理图,会向GIS服务器发送数据,数据中包含了所需地理背景的左上点坐标的经纬度、当前浏览器的缩放层数、以及所需要的背景样式,比如是卫星图、行政图还是地理图等等。GIS服务端收到数据后会返回给浏览器符合条件的地理图片,浏览器端通过背景绘制引擎将图片绘制在相应的屏幕坐标上。因为GIS服务器端的地理图片是无缝拼接的,因此通过获得一定数量的连续的地理背景图片,就可以在浏览器的背景上绘制出一个完整区域的地理背景。
(3)浏览器客户端在不同的缩放比下会显示不同精度的信息。当浏览器的缩放比发生变化时,不但地理图背景的精细度会发生变化,画面上的厂站以及线路信息等也会发生变化。
虽然厂站的经纬度信息并未发生改变,但是屏幕的画面坐标发生了变化,这时就需要依据新的经纬度以及投影算法计算出新的屏幕坐标,这样无论客户端的缩放比如何变化,厂站线路等都不会发生位置偏差。
(4)浏览器显示的基本图形信息都关联一个显示属性。在不同的缩放比下可以设置该图形是否可见,这样在不同的缩放比下,通过设置显示属性就可以控制不同缩放比下显示的不同内容。
(5)一块地理背景区域往往有大量的厂站,人工手动添加就需要较大的工作量。通过将每一个厂站的经纬度坐标经投影算法转换为相应的屏幕坐标,然后自动在相应的屏幕位置上生成厂站,并自动关联相关的信息。在浏览时,通过输入的经纬度,将其转换为屏幕坐标后,就可以将视角的中心移动到该坐标上,这样就搜索到了指定的厂站。
4 gif动画设计
4.1 实现功能
(1)浏览器对Gif动画的支持并提高程序效率,降低浏览器客户端的负载。
(2)Gif动画根据动态条件的变化而显示不同的内容。
(3)Gif动画可以旋转到任意一个角度来显示。
4.2 原理及技术
系统客户端的画面本身有一个画面刷新周期,一般为几秒钟。而Gif动画本身也有一个每帧的播放时间间隔,一般的间隔时间都为毫秒级。如果按照一般方法将Gif动画直接绘制到浏览器的画面上,会由于Gif的每帧播放间隔时间较短,而将画面的刷新周期改变为毫秒级,这样浏览器就会产生极大的负载。因此需要将画面浏览器的刷新周期和Gif动画的刷新周期分别独立出来,系统为每一个Gif动画都建立一个JPanel层放在浏览器的画布上,这样当Gif动画每帧进行刷新的时候,它的刷新周期只会改变这个JPanel层的刷新,但是不会改变画面浏览器画布的刷新周期了。很多Gif动画图片都是背景透明的,这样JPanel层就会挡住实际的画布背景,系统实时截取JPanel层对应的浏览器画布上相应位置、相应大小的背景,并将其显示在JPanel层上,这样就可以动态的显示出Gif动画,而又不影响整个浏览器的刷新负载。
(1)一幅Gif动画往往并不能满足应用,当实时库中的数据发生变化时,往往需要Gif动画也能根据动态条件实时的发生变化。每一个畫素可以关联多个动态条件属性,每个动态条件属性可以关联一个Gif动画图片,当动态条件发生变化的时候,JPanel层就会绘制不同的Gif动画。
(2)一张Gif动画可能多次使用到,但是有时需要让他在不同的角度下显示,如果一个角度就生出一个Gif动画是不可取的,因此系统要支持Gif动画的任意角度旋转的显示,但是因为有JPanel这一中间绘制层的存在,需要对其进行特殊的处理。JPanel只能为矩形,一幅Gif动画也是矩形,但是其旋转一周的最大面积是一个椭圆形,因此就需要JPanel这个矩形为该椭圆形的外接矩形大小,然后再将Gif动画旋转到指定的角度绘制到Jpanel层上。
5 总结
本文介绍了可视化技术的发展历史,重点介绍了基于GIS的全景监视图设计方式和Gif动画显示电网系统数据方式。该设计采用先进的计算机技术和可视化专业技术,提供了高效、生动的可视化显示手段。
不过电力系统数据可视化展示手段目前尚处在数据的可视化展示阶段,重点在数据的展示,而缺少挖掘数据、规律发现。同时对各种应用的支持不够全面。只有将数据展示与应用综合分析相结合,实现展示手段多样化、数据抽象精细化、数据挖掘实用化,才能使运行人员及时洞察存在的异常和潜在的事故隐患,加强对电网宏观信息的把握,使调度运行从经验型向分析型、智能型发展。
参考文献
[1] Thomas J Overbyc,Jam ic D,ctal Analysis and V isualization of Markger Power in Electric Power Systems[C]. Proceedings of the 32nd Hawaii Intemational Conference on System Sciences,1999.
[2] Overbye T J.Visualizing electric grid for power managenment and marketing[J].Electric & Light Power,2002.
[3] 唐陇军,邱家驹.基于三维地理信息系统的输电线路管理系统[J].电网技术,2003.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词:可视化
中图分类号:TM734 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)02(a)-0102-02
1 引言
隨着“西电东送,全国联网”战略计划的实施,电网规模越来越大,数据越来越多。海量数据存储于数据中心,SCADA、EMS系统提供的是大量详细、批量的电网实时信息,对电网的实时行为进行详细的描述。而传统EMS中的表格,图形表达方式只注重对系统局部信息的描述,无法对系统整体运行状态总体趋势及变化区域进行展示,不能满足调度员对电网的可阅性、提示性和概括性要求。随着可视化技术的迅速发展与成熟,一些国际上领先的电力企业已经开始尝试利用可视化技术帮助企业提升自身的运营效率和管理水平[1]。从目前的研究进展来看,国外在输配电网的三维展示和虚拟现实漫游管理方面的研究已取得一定成果[2-5],国内已开展了电网三维显示方面的研究[6],但还暂时无法延伸到整个城市电网的管理。
构建在SCADA/EMS基础之上的电力系统高层分析为电力调度提供了强大的技术支持[7]。除了如何绘制关注对象的可视属性以外,更重要的问题是如何把这些非空间抽象信息映射为有效的可视化形式[4],充分利用电网软件的分析计算结果,揭示电网的安全运行状况和设备的运行状态,适用于电网运行的各类应用系统,为电力调度、运行、控制、分析等人员提供直观高效的手段,更方便、更直观地了解当前系统的运行状态,以便其采取的运行控制措施更有效、更有针对性,从而极大地提高生产效率、提高电力系统的稳定性。
2 可视化技术的发展
可视化技术是指将抽象的事物或过程变成图形图像的表示方法。“可视化”一词,来源于英文的“visualization”,也可译为“图示化”。可视化发展历程包括:
(1)科学计算可视化(Science computation Visualization);
(2)数据可视化(Data Visualization);
(3)信息可视化(Information Visualization);
(4)知识可视化(Knowledge Visualization)等一系列的分支;
(5)科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing):运用计算机图形学或者一般图形学的原理和方法,将科学与工程计算等产生的大规模数据转换为图形、图像,以直观的形式表示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术。
(6)数据可视化(Data Visualization):不仅包括科学计算数据的可视化,而且包括工程数据和测量数据的可视化。现代的数据可视化技术指的是运用计算机图形学和图像处理技术,将数据换为图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术。
(7)信息可视化(Information Visualization):“使用计算机支持的、交互性的视觉表示法,对抽象数据进行表示,以增强认知。”它是将抽象数据用可视的形式表示出来,以利于分析数据、发现规律(信息)和决策制定。可视化的目的是洞察数据、发现信息、做出决策或解释数据。
(8)知识可视化(Knowledge Visualization):在科学计算可视化、数据可视化、信息可视化基础上发展起来的新兴研究领域,应用视觉表征手段,促进群体知识的传播和创新,研究视觉表征在提高群体之间知识传播和创新的作用。
(9)这里从可视化对象、可视化目的、可视化方式和交互类型四个方面对数据可视化、信息可视化与知识可视化进行比较,如表1所示。
3 基于GIS的全景监视图设计
3.1 实现功能
(1)通过与GIS服务器的网络连接,系统浏览器可以根据具体的经纬度坐标以及放大倍数获得相应的地图背景图片,并将其绘制在背景上。当浏览器进行缩放控制时,浏览器的背景会随着缩放比的不同而显示出不同的精度,浏览器的放大倍数越大,背景显示的细节精度就越高。图1为软件架构图。
(2)全景监视图可以根据背景图片类型的不同,进行不同类型背景的快速切换,例如在当前可视范围内行政图与卫星图背景下可以进行自由的切换显示。
(3)相关的厂站、线路等信息可以通过经纬度信息显示在浏览器中。当浏览器进行缩放时,厂站、线路等的相关位置都会显示在背景上正确的经纬度坐标位置上,并不会发生偏移变化。
(4)在客户端浏览器中,不同的缩放倍数下可以显示不同的定制信息,例如在较高的缩放比下才显示具体的潮流流动信息,而在较小的缩放比下则看不到这些细节信息。
(5)根据经纬度,在画面中准确的绘制出相应的厂站并自动生成潮流线路,并且可以根据经纬度定位不同的厂站以及线路。
3.2 原理及技术
(1)GIS系统中的地理图片信息是将地图看做一个近似的球体,然后根据相应的投影规则生成相应的地理图片。地球上任意一点的经纬度都可以通过相应的投影算法转换为一个平面坐标。在系统中需要根据相应的投影算法将经纬度信息转化为平面坐标,再将平面坐标转化为浏览器客户端的屏幕坐标。
(2)浏览器客户端打开一幅全景地理图,会向GIS服务器发送数据,数据中包含了所需地理背景的左上点坐标的经纬度、当前浏览器的缩放层数、以及所需要的背景样式,比如是卫星图、行政图还是地理图等等。GIS服务端收到数据后会返回给浏览器符合条件的地理图片,浏览器端通过背景绘制引擎将图片绘制在相应的屏幕坐标上。因为GIS服务器端的地理图片是无缝拼接的,因此通过获得一定数量的连续的地理背景图片,就可以在浏览器的背景上绘制出一个完整区域的地理背景。
(3)浏览器客户端在不同的缩放比下会显示不同精度的信息。当浏览器的缩放比发生变化时,不但地理图背景的精细度会发生变化,画面上的厂站以及线路信息等也会发生变化。
虽然厂站的经纬度信息并未发生改变,但是屏幕的画面坐标发生了变化,这时就需要依据新的经纬度以及投影算法计算出新的屏幕坐标,这样无论客户端的缩放比如何变化,厂站线路等都不会发生位置偏差。
(4)浏览器显示的基本图形信息都关联一个显示属性。在不同的缩放比下可以设置该图形是否可见,这样在不同的缩放比下,通过设置显示属性就可以控制不同缩放比下显示的不同内容。
(5)一块地理背景区域往往有大量的厂站,人工手动添加就需要较大的工作量。通过将每一个厂站的经纬度坐标经投影算法转换为相应的屏幕坐标,然后自动在相应的屏幕位置上生成厂站,并自动关联相关的信息。在浏览时,通过输入的经纬度,将其转换为屏幕坐标后,就可以将视角的中心移动到该坐标上,这样就搜索到了指定的厂站。
4 gif动画设计
4.1 实现功能
(1)浏览器对Gif动画的支持并提高程序效率,降低浏览器客户端的负载。
(2)Gif动画根据动态条件的变化而显示不同的内容。
(3)Gif动画可以旋转到任意一个角度来显示。
4.2 原理及技术
系统客户端的画面本身有一个画面刷新周期,一般为几秒钟。而Gif动画本身也有一个每帧的播放时间间隔,一般的间隔时间都为毫秒级。如果按照一般方法将Gif动画直接绘制到浏览器的画面上,会由于Gif的每帧播放间隔时间较短,而将画面的刷新周期改变为毫秒级,这样浏览器就会产生极大的负载。因此需要将画面浏览器的刷新周期和Gif动画的刷新周期分别独立出来,系统为每一个Gif动画都建立一个JPanel层放在浏览器的画布上,这样当Gif动画每帧进行刷新的时候,它的刷新周期只会改变这个JPanel层的刷新,但是不会改变画面浏览器画布的刷新周期了。很多Gif动画图片都是背景透明的,这样JPanel层就会挡住实际的画布背景,系统实时截取JPanel层对应的浏览器画布上相应位置、相应大小的背景,并将其显示在JPanel层上,这样就可以动态的显示出Gif动画,而又不影响整个浏览器的刷新负载。
(1)一幅Gif动画往往并不能满足应用,当实时库中的数据发生变化时,往往需要Gif动画也能根据动态条件实时的发生变化。每一个畫素可以关联多个动态条件属性,每个动态条件属性可以关联一个Gif动画图片,当动态条件发生变化的时候,JPanel层就会绘制不同的Gif动画。
(2)一张Gif动画可能多次使用到,但是有时需要让他在不同的角度下显示,如果一个角度就生出一个Gif动画是不可取的,因此系统要支持Gif动画的任意角度旋转的显示,但是因为有JPanel这一中间绘制层的存在,需要对其进行特殊的处理。JPanel只能为矩形,一幅Gif动画也是矩形,但是其旋转一周的最大面积是一个椭圆形,因此就需要JPanel这个矩形为该椭圆形的外接矩形大小,然后再将Gif动画旋转到指定的角度绘制到Jpanel层上。
5 总结
本文介绍了可视化技术的发展历史,重点介绍了基于GIS的全景监视图设计方式和Gif动画显示电网系统数据方式。该设计采用先进的计算机技术和可视化专业技术,提供了高效、生动的可视化显示手段。
不过电力系统数据可视化展示手段目前尚处在数据的可视化展示阶段,重点在数据的展示,而缺少挖掘数据、规律发现。同时对各种应用的支持不够全面。只有将数据展示与应用综合分析相结合,实现展示手段多样化、数据抽象精细化、数据挖掘实用化,才能使运行人员及时洞察存在的异常和潜在的事故隐患,加强对电网宏观信息的把握,使调度运行从经验型向分析型、智能型发展。
参考文献
[1] Thomas J Overbyc,Jam ic D,ctal Analysis and V isualization of Markger Power in Electric Power Systems[C]. Proceedings of the 32nd Hawaii Intemational Conference on System Sciences,1999.
[2] Overbye T J.Visualizing electric grid for power managenment and marketing[J].Electric & Light Power,2002.
[3] 唐陇军,邱家驹.基于三维地理信息系统的输电线路管理系统[J].电网技术,2003.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文