基于電網監控的可視化控制系統研究及應用

呂 霏，馬 強，雷 鳴，王銀照，杜鵬程

（國網山東省電力公司，山東 濟南 250001）

基于電網監控的可視化控制系統研究及應用

呂 霏，馬 強，雷 鳴，王銀照，杜鵬程

（國網山東省電力公司，山東 濟南 250001）

為滿足電力調控中心對電網運行信息的展示需求，并解決傳統可視化控制系統在靈活性、交互性、擴展性方面的問題，結合當前最新的可視化控制系統技術，采用一體化控制、高清展示、模塊化控制等技術，提出一種基于電網監控的可視化控制系統架構。該系統為調控人員提供了高分辨率的點對點可視化畫面展示，畫面組合靈活，操作控制便捷，易于擴展維護，系統運行穩定。該系統已在省級調控中心成功應用，其可行性和適用性得到了驗證。

電網監控；可視化控制；電網綜合信息；一體化控制

0 引言

電力系統運行時，對電網進行調度指揮和運行監控，需要接收、存儲、處理、展示大量的電網運行信息。調控運行人員通過可視化大屏幕來獲得各種重要信息，實現調度技術支持系統及不同安全分區的計算機、網絡、視頻等信號的集中顯示，以滿足系統安全穩定運行的要求。

電網信息可視化控制系統經過多年的發展，已經取得了一些成果：實現了詳細的地理潮流圖形、電壓等高線圖形、無功優化模型等的實時展示［1-3］；圖形表現方式有了多元化的發展趨勢，能夠更有效地展示各類信息［4-7］；能夠應用智能輔助決策系統對電網故障進行高精度定位和直觀展示，為故障處置提供高效技術支持［8］；此外，可視化控制系統在特高壓電網、地鐵供電網中也逐漸被廣泛研究與應用［9-11］。目前研究均為關于電網運行信息的圖形可視化展示，缺乏對可視化控制系統的研究。而電網監控信息的可視化展示形式、展示畫面效果的進一步提升，尚需要一個新型的可視化控制系統進行支撐。為使可視化控制系統運行更加穩定、可靠、便捷，對系統的各種高級應用功能提供有力支撐，基于模塊化開發的思想，對可視化控制系統進行研究與設計，有利于可視化展示形式和展示畫面的實現。

1 傳統可視化控制系統架構

傳統可視化控制系統的架構如圖1所示，工作站信號經過級聯控制器，分別傳送至對應處理器上，經處理后送至大屏幕進行展示。

圖1 傳統可視化控制系統架構

這種架構存在以下問題：處理器與屏幕之間一一對應，任一處理器出現故障，都將直接影響對應屏幕的展示效果；可視化控制系統工作站和大屏幕處理器只能傳送低分辨率信號；人機交互功能薄弱，屏幕展示方案固定，操作控制方式單一，不能靈活地按照要求實現個性化定制，如需調整展示方案，需從軟件層面進行二次開發；采用DVI線纜進行信號傳輸，不支持光纖，傳輸距離短，架構難以進行擴容，擴展性較差。

隨著信息技術的不斷發展和用戶需求的不斷提高，該系統在信號清晰度、展示靈活性、系統可擴展性等多個方面已不能完全滿足用戶需求。為了實現可視化展示平臺的高清顯示，以及展示內容的按需組合、靈活操作、模塊化控制和自定義擴展，需要對原有的可視化展示平臺進行升級改造。

2 新型可視化控制系統設計原則

新型可視化控制系統的設計是為了實現信號源統一管控和展示，滿足實用性、可靠性、擴展性、安全性、靈活性的要求。

實用性。系統的建設以實用性為基本原則。系統功能滿足監、控、查、管、用的基本要求，硬件和軟件平臺界面友好、易學易用、使用方便、圖像清晰；采用統一的系統標準和通信協議，使整個系統中各個子系統間能互聯互控，充分發揮整個系統的功能。

可靠性。系統運行穩定可靠，關鍵部件需雙重化配置，重要數據及時備份，如有異常情況發生，可做到及時有效地恢復。為了保證系統的完整性、正確性和可恢復性，系統的不穩定因素要從硬件、軟件系統協同運行中給予充分的防止。

擴展性。擴展性原則主要體現在系統橫向和縱向的擴展能力上。系統在橫向擴展方面，在滿足當前展示需求的基礎上可方便的擴展容量，實現更大容量的可視化控制系統。在縱向擴展方面，系統具有良好的兼容性和通用的軟硬件接口，用戶可在其基礎上進行二次功能開發。

安全性。系統在前期設計過程中充分考慮安全要求。保證對全部數據信息的安全性管理和應用，確保整個系統數據充分安全，并對關鍵數據實施特殊保護。數據傳輸網絡的建設需符合國家電網公司“安全分區、網絡專用、橫向隔離、縱向認證”等相關規定。

靈活性。用戶可以根據具體的可視化展示需求，對不同的信號源進行靈活接入。根據信號傳輸實際距離的不同，采用SDI、雙絞線或光纖方式進行信號傳輸，保證系統信號源采集的多樣化，實現對信號源的多模式應用管理。

3 新型可視化控制系統架構

系統架構如圖2所示，分為前端采集層、中心處理層、后端顯示層。

圖2 系統架構

3.1 前端采集層

前端采集層主要完成電網各種數據的繪制與渲染，將數據轉換為展示信號，支持高分辨率信號輸出，可以實現數據展示畫面的點對點顯示。

前端采集層由6臺高性能工作站組成，對電網各類數據信息分別進行處理，其中4臺工作站均可輸出16路高分辨率信號，另外2臺工作站可輸出16路低分辨率信號。工作站選用8核2.9GHz CPU兩塊，64 GB內存，240 GB固態硬盤，2 TB企業級7200SATA3硬盤，保證了流暢的圖形輸出，并且具有低噪音，散熱效果好的特點。

3.2 中心處理層

中心處理層完成展示信息到可視化大屏幕的處理和分配，處理器采用一主一備模式。主控大屏幕處理器實現所有高分辨率信號及低分辨率信號接入，具備信號管理及觸控控制功能，可接入20路高分辨率信號和60路低分辨率信號源，支持連續不間斷運行，如遇故障，可立即啟用備用處理器，24 h內實現系統恢復。級聯控制器通過光纖直連主、備控制器，實現輸入信號的復用。傳輸線中傳輸距離長的一律采用光纖方式，傳輸距離短的用DVI線纜保證專業接線上柜。

中心處理層的主控處理器采用FPGA硬件架構、標準化機箱設計、Crosspoint總線技術、刀片式板卡設計，實現了高清信號的無縫切換。

FPGA硬件架構。信號處理設備采用全硬件FPGA架構，內部自建核心運算機制，圖像處理性能優異。無內嵌操作系統，啟動速度快（約5 s），避免了工控機式設備的死機、硬件沖突、藍屏、計算機病毒等缺陷。平均無故障工作時間大于30 000 h，穩定性高，能夠適應調控中心等部門對系統性能日益嚴格的要求。

標準化機箱設計。設備箱體尺寸采用符合ANST/EIA RS-310-C/D標準的機箱設計，安裝簡便，結構穩定。標準的機架式設計使得布線更加便捷、美觀，標準的工業化尺寸更加便于大規模設備的安裝和部署。

Crosspoint總線技術。主板采用巨量數據交換芯片技術和高速寬帶總線，徹底根除了總線帶寬低下引起的拼接系統顯示卡頓且不穩定等問題。多屏處理器采用Crosspoint全交叉調度架構高速數據傳輸技術，底層數據傳輸由數據調度芯片控制，每路信號獨享專用通道進行傳輸，保證了所有信號圖像的完全實時顯示，信號顯示速度達到60幀/s。

刀片式板卡設計。輸入采集卡、輸出卡、切換卡、控制卡、風扇、電源等主要模塊均為插卡式設計。使用和維護方便，輸入、輸出板卡支持工作狀態下熱插拔，無需重啟或刷新設備，不會對其他信號顯示造成影響，不會造成設備的工作狀態異常，真正實現板卡的“即時在線切換”。

無縫切換。數字視頻綜合平臺基于FPGA純硬件架構和Crosspoint總線處理技術，并基于芯片性能對硬件代碼進行了進一步優化，使得芯片能夠發揮到最優性能，避免了信號切換時的黑場現象，實現對高清可視化信號真正意義上的無縫切換。

3.3 后端顯示層

后端顯示層將經過處理器分配的信號顯示到可視化大屏幕上。可視化大屏幕由9×3塊Barco屏幕拼接而成，單屏分辨率1440×1080，如圖3所示。多路高清信號拼接成與大屏幕分辨率一致的輸出畫面，且各畫面之間可以根據需要通過無線移動控制終端進行切換。

圖3 后端顯示大屏幕示意

4 系統實現

按照上述設計原則和系統架構，在電力調控中心建立了基于電網監控的可視化控制系統，并投入使用。

新的基于電網監控的可視化控制系統采用移動終端式人機交互平臺。配合無線路由器、交換機、集中控制服務器實現系統的集中控制。可視化展示程序部署到可視化工作站上，通過可視化控制系統展示在大屏幕上，實現集調度、監控、多維分析、運行指標、參觀匯報等為一體的信息可視化展示，實現展示內容模塊化、高清化，大屏幕控制智能化、移動化。

人機交互平臺基于系統雙向控制、多點觸控等技術，從統籌、指揮、管理的角度出發，根據電網調控人員的需要，實現了靈活顯示，便捷觸控，快速調用，拓撲生成，中控管理等功能。

靈活顯示。各信號畫面可在屏幕上進行任意疊加、縮放、漫游、分割。根據屏幕規模及顯示需求，調控人員可對信號窗口進行自定義布局規劃，達到多樣化的展示布局，如圖4所示。

圖4 自定義展示布局

便捷觸控。系統可通過移動終端實現所有控制功能，包括信號窗口開關、縮放、移動等，支持多點觸控，操作簡易便捷。如圖5所示，在兩個信號選擇區內選擇信號源，并通過觸屏拖拽的方式移動到展示效果區，此時大屏幕上的展示畫面會發生對應的變化。

圖5 便捷觸控效果示意圖

快速調用。系統支持用戶將多個信號窗口保存為自定義顯示方案，如圖6所示。調控人員可通過移動終端實現對自定義顯示方案的快速調用，并通過視頻源檢索功能，對全部信號源進行預覽、管理和調用。

圖6 快速調用預案

拓撲生成。可視化控制系統可以根據實際的硬件設備連接鏈路，直接在相應的軟件界面端生成相應的拓撲結構，對相應的圖標進行點擊操作，可以直接在設備管理界面進行相應的管理操作。相應的設備拓撲結構如圖7所示。

圖7 設備拓撲結構

中控管理。可視化系統軟件配合相應的前端中控模塊硬件，可以統一管理視頻信號設備、音頻設備、顯示設備、門禁、燈光、窗簾等所有支持設備。支持串口、紅外、網絡等多種控制方式。

新型可視化控制系統實現了上述多種功能，從系統架構上解決了傳統可視化控制系統展示方案固化、操作控制繁瑣、系統調用緩慢、擴展性差等問題，為可視化畫面展示方案的進一步優化、展示效果的進一步提升提供了技術支撐。

5 結語

以調控中心對電網信息的展示需求為導向，結合當前最新的可視化系統控制技術，將各種重要的信息在可視化大屏幕上清晰直觀快速地進行展示，為調控人員的決策與工作提供真實可信的數據指導，使調控人員在很大程度上降低了誤判斷、誤操作、誤下令的可能性。提出的基于電網監控的可視化控制系統實現了模塊化的展示方案，實現各個展示模塊的自由移動、放縮等操作，實現模塊在大屏幕上的任意拼接，根據展示需求，快速、靈活地配置展示方案。系統具有實用性、可靠性、擴展性、安全性、靈活性的特點，畫面組合靈活，操作控制方便，系統運行穩定。

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Research and App lication of Visualization Control System B ased on Power Grid M onitoring System

LV Fei，MA Qiang，LEIMing，WANG Yinzhao，DU Pengcheng
（State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

In order to meet the demand of displaying the operation information of the power network for the electrical power control center and to solve the problem of the traditional visualized control system in its flexibility，interactivity and scalability，a new scheme of the visualization control system based on the power grid monitoring which combines the latest visualized control system technology，integrated control，high-definition display and modular control technology is proposed.This new system provides a high resolution，point to point visualization screen for the control personnel.It has several desired features such as flexible screen combination，friendly user interface，easy extensibility and high system stability.The system has been successfully applied in the provincial control center，and its feasibility and applicability are verified.

power grid monitoring；visualization control system；power grid comprehensive information；integrated control

TM734

：A

：1007－9904（2017）08－0023－05

2017-02-12

呂 霏（1987），男，工程師，從事電力系統運行與調度等工作。