董海山, 韓玉鋒, 馮雯雯

(國網(wǎng)泰安供電公司,山東,泰安 271000)

0 引言

高壓輸電網(wǎng)是保證供電安全可靠的一個(gè)重要設(shè)備,受到自然環(huán)境的影響,很容易出現(xiàn)一些事故和問題,往往需要及時(shí)的檢修和保養(yǎng)[1]。在目前的電力系統(tǒng)中,利用供電均衡性分析高壓輸電網(wǎng)是否安全可靠,也是一種比較常見的方法,特別是隨著信息技術(shù)的更新?lián)Q代,逐漸出現(xiàn)不同形式的可視化技術(shù),利用可視化技術(shù)直觀地觀察到高壓輸電網(wǎng)供電均衡性的變化情況,既能保證技術(shù)人員的人身安全,又實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)管[2-5]。

在國內(nèi)外研究中,電氣單線可視化方法比較常見,即從輸電網(wǎng)絡(luò)的布局布線入手進(jìn)行可視化處理,如文獻(xiàn)[6]提到的基于三維激光雷達(dá)的可視化方法,通過三維激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了對輸電網(wǎng)內(nèi)供電數(shù)據(jù)的精確采集,提高了可視化方法的精度,但是在實(shí)際應(yīng)用中,對于一些過載比較大的線路,可視化框架比較脆弱,在可視化界面中供電節(jié)點(diǎn)之間連通性比較差。文獻(xiàn)[7]利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在GPS技術(shù)的支持下對高壓輸電網(wǎng)進(jìn)行定位,為供電均衡性可視化提供準(zhǔn)確的信息,提高了工作效率,但是可視化框架脆弱問題并沒有得到解決。文獻(xiàn)[8]提出了一種圖的可視化方法,作為一個(gè)比較新穎的可視化方法,其整體對數(shù)據(jù)的把控更為準(zhǔn)確,但是并沒有解決可視化連通性差的問題。

因此,本文提出平行視覺框架下的高壓輸電網(wǎng)供電均衡性可視化方法,解決上述存在的問題。

1 平行視覺框架下的高壓輸電網(wǎng)供電均衡性可視化方法設(shè)計(jì)

1.1 建立高壓輸電網(wǎng)供電均衡性可視化對象

在平行視覺框架下,以平行管理的方式將虛擬與現(xiàn)實(shí)連接在一起,借助可視化技術(shù)將現(xiàn)實(shí)中的高壓輸電網(wǎng)供電均衡性虛擬化處理,通過計(jì)算機(jī)展示出來,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的可視化。平行視覺框架如圖1所示。

圖1 平行視覺框架結(jié)構(gòu)示意圖

依據(jù)圖1展示的平行視覺框架,以高壓輸電網(wǎng)真實(shí)的數(shù)據(jù)集作為依據(jù),構(gòu)建出可視化對象。使用CCD圖像傳感器,采集高壓輸電網(wǎng)真實(shí)的供電信息,在獲得真彩圖像后,對圖像進(jìn)行灰度變換,得到圖像的灰度值[9-11]。計(jì)算式如下:

V=0.2989×R+0.587×G+0.114×B

(1)

式(1)中,R、G、B表示真彩圖像中的紅、綠、藍(lán)。圖像經(jīng)過灰度處理后,將最前端灰度跳躍為背景噪聲,在后續(xù)處理前將其濾除掉,得到無噪聲干擾的目標(biāo)圖像[12-14]。將目標(biāo)圖像作為依據(jù),構(gòu)建灰度共生矩陣,用以描述不同狀態(tài)下2個(gè)像素的分布頻率,表示為

(2)

式(2)中,ω表示方向角,l表示不同像素的距離,(x,y)和(x′,y′)表示2個(gè)像素目標(biāo),i和j分別表示2個(gè)像素目標(biāo)的灰度值,Tr和Tc分別表示目標(biāo)圖像的行數(shù)和列數(shù),#表示包含的元素?cái)?shù)[15]。將灰度共生矩陣作為可視化對象,配置地理接線圖,可視化高壓輸電網(wǎng)供電均衡性。

1.2 配置地理接線圖

利用圖像傳感器獲得地理接線圖實(shí)景信息,根據(jù)高壓輸電網(wǎng)設(shè)備間的拓?fù)溥B接關(guān)系,將設(shè)備添加到網(wǎng)格中,網(wǎng)格化處理高壓輸電網(wǎng)地理接線圖。其主要內(nèi)容為離散化處理設(shè)備連續(xù)坐標(biāo),使用離散化坐標(biāo)值代替原有的坐標(biāo)值。離散化處理示意圖如圖2所示。

圖2(a)表示離散處理前設(shè)備的坐標(biāo)位置。圖2(b)表示離散處理后設(shè)備的坐標(biāo)位置。在離散化處理過程中,注意不要出現(xiàn)坐標(biāo)點(diǎn)重疊的情況,當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)坐標(biāo)點(diǎn)被一個(gè)設(shè)備占據(jù)時(shí),將該設(shè)備離散坐標(biāo)點(diǎn)附近的空位置作為坐標(biāo)點(diǎn)。在離散化處理完成后,按照主干線、分支的順序生成線路圖,確定主干線縱坐標(biāo)位置,表示為

(3)

式(3)中,ymax和ymin分別表示饋線上節(jié)點(diǎn)最大縱坐標(biāo)和節(jié)點(diǎn)最小縱坐標(biāo)。在確定主干線縱坐標(biāo)位置后,將各個(gè)節(jié)點(diǎn)映射到y(tǒng)=y0水平線上,沿著潮流方向,確定各個(gè)節(jié)點(diǎn)的橫坐標(biāo),在所有節(jié)點(diǎn)映射完畢后,生成一條水平放置的主干線。

對于不同級別的分支線,按照不同等級,采用不同的配置方式。對于1線分支,在主干線右側(cè)布置首節(jié)點(diǎn),以潮流流動(dòng)的方向?yàn)橹?對于2線分支,分為兩種情況,當(dāng)潮流方向向右時(shí),將首節(jié)點(diǎn)配置在1線分支的左側(cè),如果潮流方向向左,將首節(jié)點(diǎn)配置在1線分支的右側(cè)。2種級別的分支線影響方法與主干線相同。在完成地理接線圖的配置后,對輸電網(wǎng)供電均衡性進(jìn)行可視化處理。

1.3 可視化輸電網(wǎng)供電均衡性

在明確可視化對象,完成地理接線圖的配置后,針對高壓輸電網(wǎng)供電均衡性進(jìn)行可視化。假設(shè)以數(shù)學(xué)函數(shù)g表示供電均衡性,g=1時(shí),表示供電均衡,g=0時(shí),表示供電不均衡?？梢暬幚碇?g將設(shè)置為目標(biāo)函數(shù),將高壓輸電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、輸電網(wǎng)負(fù)載均衡度作為參數(shù),引入目標(biāo)函數(shù)中。其中,輸電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)表示為

(4)

輸電網(wǎng)負(fù)載均衡度表示為

g2=ε·U

(5)

(6)

式(4)～式(6)中,α表示與運(yùn)行狀態(tài)等值的運(yùn)行系數(shù),m表示時(shí)間冪數(shù),εa和εb表示負(fù)載均衡偏差強(qiáng)度,p表示負(fù)載均衡度,U表示負(fù)載均衡強(qiáng)度基值。由此得到表示供電均衡性的目標(biāo)函數(shù)為

g=g1+g2

(7)

將上述中輸電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)和負(fù)載均衡度通過平行視覺框架展示在人機(jī)交互界面上,在技術(shù)操作過程中,可直觀地觀察到高壓輸電網(wǎng)均衡性的變化情況。

至此,平行視覺框架下的高壓輸電網(wǎng)供電均衡性可視化方法設(shè)計(jì)完成。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

在高壓輸電網(wǎng)供電均衡性可視化方法設(shè)計(jì)完成后,為了判斷可視化方法在實(shí)際應(yīng)用中是否能滿足供電均衡性的標(biāo)準(zhǔn)要求。采用IEEE-6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)算例,以3種常見的可視化方法作為對比項(xiàng),結(jié)合設(shè)計(jì)的可視化方法共同研究自身的連通性。實(shí)驗(yàn)中使用的IEEE-6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 IEEE-6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)線路示意圖

圖3中顯示的數(shù)字表示IEEE-6系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的有功出力和帶負(fù)荷能力,以圖3中顯示的系統(tǒng)作為目標(biāo),設(shè)置相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。具體內(nèi)容如表1所示。

表1 IEEE-6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置

在實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置完成后,以節(jié)點(diǎn)加權(quán)值和可視化結(jié)構(gòu)均衡度作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,根據(jù)不同的可視化方法的節(jié)點(diǎn)加權(quán)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果和可視化結(jié)構(gòu)均衡度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可視化方法的連通性。

2.2 可視化結(jié)構(gòu)均衡度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在可視化結(jié)構(gòu)均衡度實(shí)驗(yàn)中,使用不同的可視化方法處理實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo),主要方法有基于三維激光雷達(dá)的可視化方法、基于物聯(lián)網(wǎng)的可視化方法、基于圖的可視化方法以及本文設(shè)計(jì)的可視化方法。由于實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與研究主要目的在于驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的可視化方法的連通性,在實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)處理完成后,輸出本文設(shè)計(jì)的可視化方法的部分可視化結(jié)果。IEEE-6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的平行視覺可視化如圖4所示。

圖4 IEEE-6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的平行視覺可視化

圖4中,本文設(shè)計(jì)的可視化方法在正常情況下可以運(yùn)行,并且線路運(yùn)行良好。以可視化結(jié)果作為依據(jù),計(jì)算各個(gè)可視化方法的結(jié)構(gòu)均衡度,以各個(gè)線路的支路作為計(jì)算目標(biāo)。在計(jì)算前,為了保證不同可視化方法的性能公平性,利用公平函數(shù)表示不同可視化方法間的公平性,公平函數(shù)如式(8)、式(9):

(8)

(9)

式(8)～式(9)中,X表示所有目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的處理量,N表示節(jié)點(diǎn)數(shù)量,w表示節(jié)點(diǎn)編號,Ew表示節(jié)點(diǎn)w的處理量。在保證公平性指數(shù)在0.5以上的前提下,計(jì)算各個(gè)可視化方法的結(jié)構(gòu)均衡度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同可視化方法結(jié)構(gòu)均衡度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5中顯示了不同的可視化方法在完成對目標(biāo)的可視化后,得到的可視化結(jié)構(gòu)均衡度結(jié)果。從圖5可以明顯看出,在4組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,1-2支路的結(jié)構(gòu)均衡度是相近的,其他支路的結(jié)構(gòu)均衡度出現(xiàn)了比較明顯的差異,節(jié)點(diǎn)編號越大,差異越大,說明常見的可視化方法在對目標(biāo)進(jìn)行可視化時(shí)存在節(jié)點(diǎn)超負(fù)荷情況,導(dǎo)致可視化結(jié)構(gòu)不均衡。這種情況極有可能導(dǎo)致供電系統(tǒng)負(fù)載的大范圍變化,影響供電的穩(wěn)定性和安全。只有本文設(shè)計(jì)方法在不同支路保持高水平的結(jié)構(gòu)均衡度,整體可視化更加穩(wěn)定。

2.3 節(jié)點(diǎn)加權(quán)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)采用的IEEE-6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)比較單一,在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)2種節(jié)點(diǎn)規(guī)劃方案:一種是50%以上的節(jié)點(diǎn)度數(shù)小于5,使節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)整體平均節(jié)點(diǎn)度在3.0左右;另一種是50%以上的節(jié)點(diǎn)度大于5,使平均節(jié)點(diǎn)度在7.0左右。在2種不同節(jié)點(diǎn)度分布的條件下,驗(yàn)證各個(gè)可視化方法的節(jié)點(diǎn)加權(quán)值,加權(quán)度越高說明在可視化界面中連通性越好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

分別觀察圖6中2組實(shí)驗(yàn)結(jié)果,通過圖6(a)可知,在方案1實(shí)驗(yàn)條件下,各個(gè)可視化方法的節(jié)點(diǎn)加權(quán)值處于中低水平,其中以基于三維激光雷達(dá)的可視化方法變化最為明顯,在節(jié)點(diǎn)2位置出現(xiàn)了最低值,說明可視化結(jié)果中存在無效節(jié)點(diǎn),嚴(yán)重影響供電均衡性分析;只有本文提出的可視化方法的節(jié)點(diǎn)加權(quán)值始終保持比較高的水平。

在圖6(b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,各個(gè)可視化方法的節(jié)點(diǎn)加權(quán)值均有了明顯的提升,相比之下,常見的可視化方法存在比較大的波動(dòng),在節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)6有明顯的下降,而本文提出的可視化方法并沒有出現(xiàn)這種情況。

3 總結(jié)

本文提出高壓輸電網(wǎng)供電均衡性可視化技術(shù),實(shí)現(xiàn)了輸電網(wǎng)供電均衡性可視化的展示?；谄叫幸曈X框架,應(yīng)用CCD圖像傳感器和可視化技術(shù),按照不同等級采用不同的配置方式,一一配置主干線和分支線級別,結(jié)合地理接線圖與供電均衡性目標(biāo)函數(shù),使其具有非常好的連通性,能夠滿足供電均衡性分析的需求。

但是可視化技術(shù)中包含二維可視化和三維可視化,在實(shí)際操作中,2種可視化形式是不可分割的,在本文中,并沒有從兩者結(jié)合的方向展開深入研究,可視化技術(shù)的潛力沒有得到充分發(fā)揮,在后續(xù)研究中,將從更科學(xué)合理的角度展開深入探討和研究,以完善可視化功能。