电力系统动态过程的可视化方法研究

电力18讯：    摘要：文章的目的是通过对科学计算可视化技术的研究，来实现适用于各种电力系统的动态过程计算、仿真和监视程序的可视化方法。文章首先介绍了科学计算可视化方法的发展过程，研究了该技术应用于电力系统动态过程仿真的现状和前景，以此为基础提出并实现了一种基于三维曲面生成技术和动态着色技术的可视化方法。该方法高效、直观，可以应用于电力系统离线仿真、在线监测及分析等各种场合。 电力系统动态过程 在线监测
1 引言
　　即使对经验丰富的计算人员来说，从电力系统的动态过程的在线监测数据或仿真计算生成的大量中间数据和结果数据中获取对系统动态过程全景的完整了解也并非易事。借助科学计算可视化（Visual－ization in Scientific Computing，ViSC）技术对计算结果进行形象化的描述是一种十分重要的辅助手段。　　
科学计算可视化［1，2］技术的目的是将计算中所产生的数字信息转变成直观的以图形或图像形式表示的信息，使用户对仿真计算的对象有形象而全面的了解，并使用户可以观察到数值模拟和计算的过程，甚至可以在仿真过程中对对象进行交互控制。通常，科学计算可视化也称为科学可视化（scientific vi－sualization）或简称为可视化。在计算机图形学领域，科学计算可视化技术常被归并为虚拟现实（VirtualReality，VR）技术的一部分。
　　近年来，在电力系统仿真、模拟和管理方面的技术文献中经常出现可视化一词，但大多数文献中出现的可视化概念与本文所指的科学计算可视化技术有较大不同。前者常常指的是在图形化操作系统（如MicrosoftWindows）中实现的用户界面可视化，或者使用了曲线图、棒图或圆图等简单的图形工具表示程序的计算或分析结果，更有文献实际上强调的是采用可视化的开发工具，如微软公司的VisualC＋＋和VisualBasic等。
　　文献［3］～［5］是目前发表的关于科学计算可视化技术的比较有代表性的文章。3篇文章都是基于电力系统的地理位置接线图采用可视化技术的，目的都是为了更有效、全面 、直观地表示系统的当前状态。文献［3］采用不同颜色绘制的点表示节点的当前电压值，采用不同宽度的线段标识线路的潮流，文中关于颜色值与变量数值（如电压）之间映射关系的讨论具有很好的参考意义，同时文中采用的对可视化效果的测试方法也值得借鉴；文献［4］虽然研究的是电力市场，但其很大部分工作集中在如何用可视化方法描述系统潮流上 ，文中将电力系统中节点电压的分布看成在整个系统覆盖区域内是连续的，区域内任意一点电压的数值，根据其离各实际节点位置的距离及对应节点的电压值，采用一定的算法计算 ，并采用连续变化的颜色值绘制，其结果是整个系统区域被表示为一幅彩色的等高面图形，使得用户可以对全系统范围内的电压分布一目了然。
　　文献［3］［4］主要针对系统稳态情况下的潮流分布。文献［5］则重点在于系统动态过程的可视化表示，文中将电力系统的动态过程类比于一力学系统，如传输线犹如弹簧,发电机犹如被弹簧约束的质点，发电机和负荷向系统注入的电流好比作用在质点上的作用力 ，节点电压（包括发电机内电势）的幅值和相角则好比该力学系统中各质点位置相对于原点的距离和角度。该力学系统在突然出现的外力的作用下，各质点的运动轨迹就代表电力系统在此扰动下的动态行为。
　　文献［5］由于将系统运行的各主要特征量（电压、相角及线路潮流等）表示在同一画面内，可以较全面地表示电力系统动态过程，其不足之处是对未经训练的用户而言，采用力学系统类比电力系统的方式并不直观。相比之下，文献［4］提供的方法更为直观，但由于其实现原理和方法上的问题，显示效率太低，仅能用于显示潮流结果。通过对其提供的示例程序及对系统进行测试表明，在一中等规模的电力系统中，计算并显示一幅带等高面效果的系统潮流图的时间约为2～3s，远远不能满足系统动态过程显示的要求。
　　本文的研究基于文献［4］的部分研究成果，但在具体实现上采用了新的算法和OpenGL等先进的图形生成技术及动画技术，不仅可以快速、连续地生成系统动态过程中各个时间点的彩色等高图，而且各等高面可以根据用户的要求以三维曲面的形式显示，并允许用户设置曲面的材质和光照属性，为下一步向虚拟现实技术过渡提供了基础。
2 可视化工作前的数据准备
　　除常规的计算数据外，几乎所有的电力系统可视化技术都要求基于系统的地理位置接线图，但此处的地理位置接线图有别于地理信息系统（GIS）等系统中的地理位置图，常常是按系统各节点之间的电气距离绘制的，并且简单得多。
　　由于本文研究工作的使用对象是各种系统动态过程的计算人员，常规的数据准备工作并不包括地理位置接线图的绘制，因此本文提供了一种基于电气距离的、半自动的地理位置接线图绘制方法。具体步骤如下：
　　(1)节点分组　本步的目的是决定哪些节点将被绘制在同一地点。具体地说，凡是由变压器和短线路连接的节点被并为一组。用户可以选择用于决定节点合并的判据，还可在程序根据判据进行分组后进行适当的人工调整。
　　(2)生成节点组位置　当节点组形成后，每个节点组实际上对应的是一地理位置。如果用户希望严格按照各实际地理位置进行绘制，则必须对各节点组位置逐个进行人工指定。但在更多情况下，用户可以只指定部分关键节点组，如系统边缘的各节点组或主要的发电厂所在地，而由程序根据各组之间的电气距离近似地计算出剩余组的位置。
　　(3)生成各线路位置　在所有节点组位置已知后，程序用直线连接各有联系的节点组。需要注意，由于各节点组中可能包括多个节点，组内各节点之间的联系将被忽略，同时组间的连线也是等值之后的结果。
　　(4)用户的调整工作　在整个系统接线图生成完毕后，用户可以进一步调整，包括对节点组位置的调整和线路转折点的加入及调整，目的是使接线图更为合理及美观。
　　一幅按以上步骤形成的某6机系统的地理位置接线图如图1所示。该图是文中其他图例的基础，图中所标注的数据为系统初始潮流分布数据。
　　
3 电力系统特征量的可视化表示方法
　　采用不同的颜色表示电力系统节点特征量的不同数值是最常用的手段，但由于电力系统节点分布的离散性，仅仅对少量离散点的着色无法达到提高全图可视性的要求，同时也使用户难以准确掌握系统各地区的特征量分布规律。本文采用的方法是假设特征量在全系统范围内连续分布，节点处的特征量取其当前运行值，非节点处则根据其与各节点之间的距离按一定算法取值，从而得到全系统的特征量分布图。具体算法如下：
　　设节点i的特征量为vi，并设系统任意一点p到节点i之间的距离为dpi，则点p的特征量计算式为

式中　N为总节点数（或发电机数、负荷数，取决于特征量类型）；a为加权因子指数，改变其大小可以控制节点量对其他节点的影响程度，从提高计算速度的角度考虑，一般可取a为2。
　　式(1)表示系统任一点的特征量数值是以其到各节点距离的－a次方为加权因子的各节点特征量的加权平均和，考虑到当dpi大到一定程度时，其对vi的影响可以忽略不计，因此只需考虑点p周围指定范围内（半径小于dinf）的节点。实际计算中可通过对所有节点的循环实现全图着色，每个节点对着色效果的影响如图2所示。

　　采用上述方法得到的6机系统初始潮流的电压分布图如图3所示。图中采用的是电压值的灰度映射。在计算机屏幕上显示的彩色映射图将更为直观。

4 可视化方法的实现
　　上述可视化方法在具体实现时可采用逐点着色法和三角型分解着色法。文献［4］采用的是前者，着色效果较好，但效率很低，生成一幅图约需5～10s，不能满足动态过程显示的要求。
　　本文算例的具体实现是在OpenGL图形系统的支持下采用三角型分解着色法，其步骤为 ：
　 (1)将系统覆盖的全部区域在XY平面上均分为N×N个方格；
　　(2)按式(1)计算所有交叉点处的特征量值Z，并赋于其颜色映射值；
(3)根据N×N的方格形成三角型阵列；
　　(4)调用OpenGL图形系统的三角型阵列着色功能进行着色。
本方法的优点在于：
　　(1)计算工作量较小，可以满足动态过程显示的要求。本算法的工作量主要取决于参数N，实际应用中N取30～50便可以得到满意的结果。算法的工作量与系统规模(即节点数目)成线性关系。
　　(2)由于采用了OpenGL图形系统功能，不仅图形绘制速度大为提高，而且可以充分利用该系统提供的丰富的三维图形绘制功能。根据上面的算法，在得到N×N个方格的各顶点Z值后，既可以绘制如图3所示的以不同颜色分布表示的特征量等高图，也可以绘制如图4所示的二维曲面图，如果用户需要，还可利用图形系统提供的各种高级功能对该曲面赋以材质 、光照等属性，并可按用户的要求进行任意角度的观察。

5 系统动态过程的可视化
　　系统动态过程可视化的实现，通常有两种方法：一是实时显示每一个输出点的数据,此法适用于各种在线实时监测程序；二是先存储所有的输出数据，然后利用可视化模块进行结果分析。本文算法已在清华大学电机系自行开发的中期稳定计算程序中实现，采用的是第二种方法。因为所仿真过程持续时间一般较长，采用此法便于对计算结果进行详细分析 。　
　 当某一扰动下的系统动态过程计算完毕后，用户可以选择进入可视化模块，采用程序提供的可视化功能对计算结果进行回放，通过等高图上不同区域的颜色或三维曲面的连续变化 ，全面掌握系统在该动态过程中的总体表现。同时用户也可以进行改变显示变量、改变显示方式、调整回放速度和定格到某一指定时刻等操作。
　　
6 结束语
　　本文研究了科学计算可视化技术在电力系统动态过程仿真计算中的应用，提出了一种基于三维曲面绘制技术和动态着色技术的可视化方法，给出了其实现步骤和算例。本方法具有效果直观、速度快等优点，在商用图形系统的支持下，其算法实现相对较简单，可广泛用于各种电力 系统的动态过程计算、仿真和监视程序。


参考文献

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