鐘準昆

摘 要：在大數(shù)據(jù)的時代背景下，電力大數(shù)據(jù)及其系統(tǒng)面臨前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。為使電力大數(shù)據(jù)能夠更好的滿足資產管理、生產營銷等系統(tǒng)的需求，文章介紹了電力大數(shù)據(jù)的概念和特征，詳細的闡述并分析了可視化系統(tǒng)開發(fā)關鍵技術以及其應用，展望了可視化技術的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：電力大數(shù)據(jù)；可視化；可視化系統(tǒng)；關鍵技術；技術研究；趨勢

中圖分類號：TM743 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）30-0062-02

1 引 言

智能電網(wǎng)技術高度融合了傳統(tǒng)的電力技術和信息、控制、自動化等技術，通過對發(fā)送、輸送、配置、使用以及調試、營銷等很多環(huán)節(jié)收集大量的數(shù)據(jù)信息，對信息進行分析、挖掘，最終能夠掌握并控制各個環(huán)節(jié)決策并優(yōu)化，實現(xiàn)電力企業(yè)生產效率的提高、電網(wǎng)運行達到較高的穩(wěn)定性、滿足電力客戶的用電需求。

智能電網(wǎng)都在不斷進步、規(guī)模也逐漸擴大，多種智能電表、信息系統(tǒng)以及傳感器等異構分布式數(shù)據(jù)源連續(xù)的產生大量數(shù)據(jù)信息，所以被稱作是電力大數(shù)據(jù)。

電力大數(shù)據(jù)可以說是電網(wǎng)職能的主要支撐體系，所以在眾多工作內容中，對數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、處理、挖掘是工作的重點內容。

2 電力大數(shù)據(jù)概念以及特征

電力大數(shù)據(jù)主要是指智能電網(wǎng)在發(fā)電、配電、輸電、營銷以及管理等環(huán)節(jié)的海量數(shù)據(jù)。

按照電網(wǎng)企業(yè)的主營業(yè)務將數(shù)據(jù)大致可分為電網(wǎng)運行和設備監(jiān)測數(shù)據(jù)、電力企業(yè)銷售數(shù)據(jù)、及電力企業(yè)管理數(shù)據(jù)三類。

隨著智能化設備的廣泛應用，大數(shù)據(jù)的來源包括安裝于家家戶戶的智能電表、數(shù)以萬計的發(fā)電機、變壓器、開關設備、架空線路、高壓電纜等設備中獲取的高速增長的監(jiān)測數(shù)據(jù)，光伏和風電功率預測所需的大量的歷史運行數(shù)據(jù)、氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

電力大數(shù)據(jù)是建設性能穩(wěn)定、安全可靠、高效運作、節(jié)能電網(wǎng)的重要保障。

為了能夠分析電力大數(shù)據(jù)，使得智能電網(wǎng)的管理水平得到提高，需要建立更加科學的數(shù)據(jù)智能系統(tǒng)。

電力大數(shù)據(jù)有很多特征，比如體量大、多類型、速度快等：

①體量大：電力大數(shù)據(jù)所收集的數(shù)據(jù)規(guī)?？梢赃_到PB數(shù)量級別。

②類型多：不僅可以得到傳統(tǒng)的結構化數(shù)據(jù)，而且還可以在營銷系統(tǒng)、生產管理等方面產生大量的非結構以及半結構數(shù)據(jù)。

③速度快：電力大數(shù)據(jù)無論采集還是處理都有著極快的特點。

此外電力大數(shù)據(jù)可以通過和其他行業(yè)的行業(yè)數(shù)據(jù)進行交換實現(xiàn)數(shù)據(jù)深度挖掘與分析。

3 基于電力大數(shù)據(jù)的可視化以及在電力系統(tǒng)中的 應用

電力系統(tǒng)工作人員為了能夠使得系統(tǒng)運行穩(wěn)定、高效、經濟，就必須對每個環(huán)節(jié)的設備和工作狀態(tài)進行隨時的監(jiān)測。但是，電網(wǎng)內大量設備都互聯(lián)，監(jiān)測設備的連接方式、設備之間的相互影響是一項艱巨的任務，電力系統(tǒng)運行狀態(tài)可視化系統(tǒng)可以在其生成的圖像中展示大量信息，方便操作人員準確快速理解，實時監(jiān)控所有設備狀態(tài)，并完成可靠操作，電力系統(tǒng)運行狀態(tài)可視化操作系統(tǒng)可以為工作人員的工作帶來很大的便利，是一種高效的方案。

智能電網(wǎng)中數(shù)據(jù)量最大的應屬于電網(wǎng)運行和設備監(jiān)測數(shù)據(jù)。電網(wǎng)運行和設備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括電網(wǎng)運行關鍵指標、電網(wǎng)潮流、試驗數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)遙信、缺陷記錄、供電場所視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)等。提取系統(tǒng)的主參數(shù)及配網(wǎng)終端數(shù)據(jù)，能夠構建一個全景的電網(wǎng)絡信息拓撲圖像，并在圖中采取可視化技術手段將相關豐富信息的集中展示。

在此全景的電網(wǎng)拓撲圖中能夠實現(xiàn)如下幾類問題的在線分析：重要設備健康狀況的在線監(jiān)測與分析，專線用戶的用電行為特征分析與預測；對電能質量進行在線評價與分析等。

到目前為止，電力系統(tǒng)可視化研究主要包括三個方面，分別是靜態(tài)數(shù)據(jù)的可視化研究、動態(tài)數(shù)據(jù)可視化研究、電力系統(tǒng)元件。

運行狀態(tài)可視化技術實現(xiàn)的關鍵是各參數(shù)指標的關聯(lián)規(guī)則，以及各狀態(tài)量的關聯(lián)度及其權重。目前，各種適用于大數(shù)據(jù)分析的深度關聯(lián)規(guī)則有：基于粒計算的關聯(lián)規(guī)則挖掘算法、基于壓縮矩陣的Apriori算法、基于云計算平臺Hadoop的快速關聯(lián)規(guī)則增量更新算法（C-FUP）等。

4 可視化系統(tǒng)開發(fā)的步驟

在開發(fā)這個系統(tǒng)的時候使用面向對象機制，定義不同的模塊和插件達到各種功能實現(xiàn)的目的。可以分為七個步驟：

①對資源標識符的格式以及業(yè)務系統(tǒng)的對象相關描述進行確定；

②所涉及的圖形里面的業(yè)務對象列表進行確定；

③定義SGL開發(fā)圖模，當然也包含了圖模所設計的支持狀態(tài)組以及狀態(tài)值等內容；

④業(yè)務信息設置插件的開發(fā)；

⑤在圖形里面讀取所有圖件相關的業(yè)務信息，并將從業(yè)務服務所獲得的數(shù)據(jù)設置到對應的圖件插件中以及業(yè)務對象所關聯(lián)的控制功能插件里面；

⑥系統(tǒng)的運行與檢測；

⑦自定義人機界面風格。

5 電力大數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的關鍵技術

可視化系統(tǒng)在完成SGL的模塊設計后，可以協(xié)同其他模塊及可視化關鍵技術實現(xiàn)各種展示。下面主要詳述電力大數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)開發(fā)的關鍵技術，主要包含云計算技術、區(qū)域點密度可視化技術、等高繪制技術、電網(wǎng)潮流和GIS可視化技術、歷史流展示技術等。

5.1 云計算技術

隨著云計算技術的不斷深化發(fā)展，云計算的數(shù)據(jù)存儲、分析、處理等方面的技術和理論研究為大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展奠定了堅實的基礎。因為大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量和分布式的特點，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理技術難以勝任。

云計算的核心思路是分布式文件系統(tǒng)（distributed file system，DFS）和MapReduce技術，DFS有著高容錯性的特點，并且是為部署在價格低廉的硬件上而設計的，而且它為應用程序提供高吞吐量的數(shù)據(jù)訪問，適合那些有著超大數(shù)據(jù)集（large data set）的程序。以分布式文件處理技術為基礎，去掉了關系型數(shù)據(jù)庫的關系型特性，數(shù)據(jù)存儲被簡化且更加靈活，使PB、ZB級的數(shù)據(jù)存儲成為可能。

另外，該框架中還包含商業(yè)智能應用、傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)倉庫、大數(shù)據(jù)訪問框架、大數(shù)據(jù)調度框架、網(wǎng)絡層、操作系統(tǒng)、服務器、備份和恢復、數(shù)據(jù)管理等模塊。

MapReduce是用來進行并行處理和生成大數(shù)據(jù)集的并行編程模型。Hadoop包含了MapReduce的開源實現(xiàn)，是引起關注的大數(shù)據(jù)處理技術之一。Mahout是基于MapReduce的并行數(shù)據(jù)挖掘項目，對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘算法，性能大幅提升。

5.2 區(qū)域密度可視化技術

區(qū)域密度可視化技術是把每一個區(qū)域用點密度來展示，這種方法的優(yōu)勢就是很直觀，目前常用于表示區(qū)域用電負荷密度。

點密度圖要求必須生成一定的隨機點，如果隨機點在對應的區(qū)域里面輸出這個點，如果不在區(qū)域中，還需要再一次生成隨機點然后再進行判斷，持續(xù)進行此步驟一直到滿足點數(shù)要求。在實現(xiàn)區(qū)域負荷密度可視化的時候，實際情況的地理邊界線可以粗略的認為是多個點相互連接而成的不規(guī)則的多邊形，所以才通過判斷點在多邊形內還是外的算法實現(xiàn)這一過程。

算法流程：

①首先需要讀取所給的多邊形的區(qū)域邊界條件；

②查找這個多變性里面定點的最大、最小坐標數(shù)值，以期得到粗略的范圍；

③生產這個粗略范圍的隨機點；

④判斷點在區(qū)域內部還是外部；

⑤如果在內部，那么就繼續(xù)繪制；

⑥如果在區(qū)域外部那么就要再次生成就重復（3）然后繼續(xù)操作，否則就退出結束。

5.3 等高線繪制方法

等高線是地面上高程相同的各相鄰點所連接成的封閉曲線垂直投影到平面上的圖形.構造節(jié)點運行的等高線不僅能反映節(jié)點的運行的當前狀態(tài)，還能對節(jié)點運行的將來狀態(tài)做出預測.等高繪制方法在可視化應用中比較普遍，特點就是有著很強的數(shù)據(jù)連續(xù)性。等高線圖例，如圖1所示。

繪制過程如下：

①首先需要構造三角網(wǎng)格；

②內插數(shù)據(jù)等值點；

③搜索并追蹤等值點；

④曲線擬合，填充色塊兒。

5.4 電網(wǎng)潮流和GIS可視化技術

利用箭頭方向、箭頭大小表示線路潮流方向和大小，在原有的電網(wǎng)單線圖，依據(jù)潮流大小用箭頭和數(shù)值直觀反映線路上的功率值。利用GIS可視化把電網(wǎng)的可視化和地理信息系統(tǒng)結合起來，基于已有的GIS系統(tǒng)三維地理信息系統(tǒng)的可視化研究，運用包圍盒算法、求交算法等三維場景拾取算法，包含物體三維展示、虛擬現(xiàn)實等技術提供一個可視化的三維地理信息系統(tǒng)，為輸配電網(wǎng)管理者提供一個縮微化模型，從而為輸配電網(wǎng)的管理、基建、維修、擴建和決策等提供地理信息。

5.5 歷史流展示技術

歷史流展示技術體現(xiàn)在對電網(wǎng)歷史數(shù)據(jù)的管理與展示上。在電力系統(tǒng)中，深層次的應用分析往往以歷史數(shù)據(jù)為基礎。對生產現(xiàn)場的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、電網(wǎng)的規(guī)劃數(shù)據(jù)和負荷預測數(shù)據(jù)，通過歷史流展示技術，可以繪制出數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢并預測出未來的數(shù)據(jù)走勢；通過歷史流回放展示技術，可以模擬歷史重大事件發(fā)生、演變，挖掘歷史事件潛在的知識與規(guī)律。

6 電力行業(yè)可視化智能系統(tǒng)未來趨勢分析

電力行業(yè)可視化是基于大數(shù)據(jù)分析挖掘理念和可視化展現(xiàn)技術手段，未來“智能系統(tǒng)”將繼續(xù)在線檢測、視頻監(jiān)控、應急指揮、智能查詢等展示模式功能上持續(xù)擴展完善，同時可視化展示電網(wǎng)及相關設施總體運行情況，突出顯示異常信息；實現(xiàn)智能電網(wǎng)場景、設備的三維虛擬仿真等；實現(xiàn)電網(wǎng)運行仿真功能，為互動體驗、方式預想及事件重演提供支持。

6.1 應急指揮模式

基于WebGis，快速調用調度各子系統(tǒng)實時、歷史數(shù)據(jù)，以大數(shù)據(jù)挖掘分析為手段，實現(xiàn)電力應急狀態(tài)下從現(xiàn)場狀況捕獲、應急處置方案形成到快速響應、現(xiàn)場時效處置、資源的協(xié)助和調動一體化的應急指揮可視化平臺，納入VAS的數(shù)據(jù)通過本模式任意切換。

6.2 運行監(jiān)控模式

不但對運行各設備運行參數(shù)以及終端用電量參數(shù)等經過系統(tǒng)ETL模塊進行處理的數(shù)據(jù)進行檢測，結合高分GIS，以多種圖表、多維度、多方式的展示出來，而且對非電網(wǎng)而影響到電網(wǎng)運行的實時信息進行監(jiān)測，包括氣象信息、衛(wèi)星云圖、雷電檢測等功能，并提供系統(tǒng)告警、影響范圍和程度分析及輔助應急處理功能，支持系統(tǒng)分級分類梳理展示。

6.3 快速仿真和建模

有針對性的開發(fā)和應用快速仿真模型，市場售電數(shù)據(jù)、法律法規(guī)、風險分析和控制都應被納入系統(tǒng)模型并量化系統(tǒng)的安全性和可靠性，提供快于實時的超前仿真，該功能首先利用高性能量測和通信系統(tǒng)得到拓撲、潮流、電壓、頻率、設備實時模型等信息，然后據(jù)此進行狀態(tài)估計和在線分析，最后確定當前系統(tǒng)及設備運行狀態(tài)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性。

6.4 自定義模式

自定義模式滿足各類綜合疊加性或各類非標準場景模式下的展示需求，根據(jù)實際要求，自定義數(shù)據(jù)源、顯示方式、顯示位置等內容，采用拖拽操作，簡單易用，同時支持應急指揮的快速響應與故障隱患的排除處理。

7 結 語

基于電力大數(shù)據(jù)的可視化技術近年來雖然不斷取得新的成果，但是將數(shù)據(jù)繪制成高精度、高分辨率圖片的業(yè)務模型、智能算法和交互式圖形處理工具開發(fā)的研究還有很長的路要走，與此同時許多應用不能夠得到全方位的支持。所以在以后的研究中更應該致力于數(shù)據(jù)圖形展示、挖掘等綜合應用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)多樣、精細、全面發(fā)展。

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