电力系统动态过程的可视化方法研究

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（VisualizationinScientificComputing，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技术的目的是将计算中所示的信息，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（scientificvisualization）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（Virtual Reality，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中经常出现可视化一词，但大多数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，更有实际上强调的是采用可视化的开发工具，如微软公司的VisualC+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，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。 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。 生成各线路位置在所有节点组位置己知后，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。 3电力系统特征量的可视化表示方法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V，并设系统任意一点p到节点i之间的距离为‘，则点p的特征量计算式为特征量类型）；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，考虑到当山大到一定程度时，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df）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所示采用上述方法得到的6几系统初始潮流的电压分布图如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。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~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：将系统覆盖的全部区域在XY平面上均分为NXN个方格；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；根据NXN的方格形成三角型阵列；调用OpenGL图形系统的三角型阵列着色功能进行着色计算工作量较小，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3050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。 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NXN个方格的各顶点Z值后，既可以绘制如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真和监视程序。（编辑陈定保）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。本文算法己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柝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和分别是某一扰动下所模拟的6机系统在5s和50s时的电压分布图。0s时的分布图示于为5s时系统的节点电压相角分布图。 t=5s时的电压分布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、