电力系统三维可视化技术及应用

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1、肖晓卿电力系统三维可视化技术及应用主要内容0、引言1、三维可视化方法2、软件设计与实现3、实时应用0.引言三维可视化技术充分利用了空间的第3个维度,相对传统二维显示方式具备更强的信息表达能力,能更高效、直观地表达电网中的大量数据,便于调度员迅速了解当前系统中存在的问题及其严重程度,并使调度员对电网运行有整体的把握,引起了学者和工业界的广泛关注,成为新一代电网能量管理系统(EMS)的重要特征之一。电力系统可视化研究多以电力网络为基础。例如:用饼图和动画箭头表示线路潮流;用柱图和饼图表示节点电压;用圆

2、柱表示发电机出力;用等值线图或曲面图表示空间分布;用三维图展示故障分析结果以及稳定域可视化。1、三维可视化方法1.1表达方式电力系统运行中的常见数据一般可归结为节点型和线路型2大类,例如母线电压和线路潮流。针对节点型数据,直观做法是利用空间的第3个维度,在节点所在位置用三维圆柱表达,圆柱高度表示数据的相对大小。在圆柱上加以修饰还能表示更多信息,如用圆环标记上下限值位置以及用不同颜色标识当前值、安全状态和裕度。针对线路型数据,本文采用三维管道图和三维箭头图两种表达方式。三维管道图用沿线路分布的圆柱管

3、道表示数据,管道半径代表数据的相对大小,当数据有向时用箭头标出方向。三维箭头图在线路上用三角箭头表示有向的线路型数据,箭头大小代表数据的相对大小,并具有流动的动画效果。1、三维可视化方法电力系统实时运行中的监控数据很多,需要对其分类,再根据不同类别的特点,选择合适的表达方式,即进行可视化主题设计。EMS中常用的可视化主题如表1所示。1、三维可视化方法1.2基本算法1.2.1空间插值算法及改进在三维曲面图中,关键的一步是选择合适的空间插值算法,将定义在离散点上的数据扩展到整个平面。例如图1所示情况,

4、在平面上已经定义了v1～v4这4点数据,p是平面中的任意一点,空间插值算法的任务就是计算出p点的虚拟数值vp。1、三维可视化方法最常见的空间插值算法是距离平方反比算法[6],其算式为:式中:N为已知数据点个数;dpi为数据点i到p的距离。实际中,一般要对二维网格上的各点进行插值,计算量很大。文献[6]（Individualwelfaremaximizationinelectricitymarketsincludingconsumerandfulltransmissionsystemmodeling

5、[D].）对空间插值算法提出2点优化。1、三维可视化方法首先,在式(1)中仅考虑离p较近数据点的影响,即式中:dinf为预设的影响距离,每个数据点只影响距离小于dinf的区域。其次,利用整数坐标正方形网格的对称性,将距离的计算次数减少到原来的1/8。但经过上述改进后,算法尚有不足之处:①无法计算所有数据点影响区域外的待插值点;②计算结果在影响区域边界处不连续;③仅在一个数据点影响区域内的插值点取值与该数据点相同。1、三维可视化方法以上不足影响了插值后图形的视觉效果。以下进一步提出了新的快速插值算法

6、,新算式为:式中:C为平滑常数,可调节插值结果在影响区域边界处过渡的平滑程度。理论上,已知N个数据点在M×M的网格上插值,原始算法(式(1))的乘除法计算量与NM2成正比,而当dinf根据经验设置为(S为插值区域面积)时,文献[6]及本文改进算法的乘除法计算量都只与M2成正比,计算量大大减少。1、三维可视化方法本文的新算法保持了计算快速的特点,并且通过引入虚拟的平均点(v∞)和权重修正项(1/d2inf)解决了文献[6]中算法的不足:①在所有数据点影响区域外,插值结果vp=v∞;②在第i点影响区域

7、边界处,vi的权重系数1/d2pi-1/d2inf=0,保证了结果的连续性;③仅在一个数据点影响区域内时,插值结果为该点数值与v∞的加权平均,变化连续。此外,在浮点坐标矩形网格下将数据点位置近似到网格点,也能利用对称性在1/4圆上完成整个影响区域中的距离计算,从而可再将计算量减少3/4。通过插值算法的改进,三维曲面图显示的实时性和实用性得到了很大改善。1、三维可视化方法1.2.2色彩表映射色彩的运用是可视化表达中的重要内容,需要设计将不同数值映射为不同颜色的色彩映射方案。良好的色彩映射方案应该满足

8、:①颜色的变化范围宽,数值区分度好;②符合人们的直观视觉习惯,易于理解记忆。用红绿蓝(RGB)分量表示色彩,则色彩映射方案可以表示为函数向量f(v)=[fR(v),fG(v),fB(v)]。其中:v为待映射数值,通常取实际数据归一化到[0,1]区间的结果;fR,fG,fB∈[0,1]分别为与v对应的色彩分量。经过比较试验,采用MATLAB软件中称为“jet”的色彩映射方案(见图2)最适宜。该方案常在气温分布图中使用,本文称之为温度色彩映射方案。1、三维可视化方法从工程应用的需求出发