基于大屏可視化技術在電網系統中的運行研究

陳行濱， 張羽楠， 陳然， 黃芳芳， 陳強

(1. 國網福建省電力有限公司， 福建， 福州 350000；2. 國網福建省電力有限公司莆田供電公司， 福建， 莆田 351100；3. 國網福建省電力有限公司信息通信分公司， 福建， 福州 350000；4. 國網信通億力科技有限責任公司， 福建， 福州 350003)

0 引言

電力運行管理是電力管理的關鍵組成部分，隨著電力系統規模的擴大，信息采集、數據運算的工作量也逐漸增大，針對這些海量枯燥的數據，數據可視化技術借助圖形將信息展示得既清晰又有效，具有良好的實際應用效果，而單一獨立的視圖很難呈現全面信息，將多個屬性放在同一窗口呈現，可以顯著提高工作人員的整體認知，進而提高工作效率，于是可視化大屏應運而生。本文著力設計電力可視化大屏展示方案，力求為提升信息數據的精細化管理水平提供技術手段。

1 總體概述

1.1 電力系統管理現狀

電力企業引入的信息化管理軟件有：一類是行業外公司開發的面向信息流的管理軟件，與電力行業自身特點結合不夠緊密；一類是行業內人員自主開發的軟件，滿足實際需求但擴展性不足，難以大規模推廣；還有一類是國外采購軟件，雖然短期內覺得功能強大，但擴充困難，很難完全滿足需求。電力系統龐大又復雜，對于電網規劃設計、調度調控、實際運行等方面，清晰直觀的可視化技術顯得尤為重要。

1.2 大屏可視化研究現狀

電力系統海量的數據信息結構復雜，可視化視圖的設計難點不僅僅是獨立圖表的設計，還有有限窗口內如何展示數據之間深層次的關聯關系，基于此，如何將來自多個信息接口的繁瑣數據通過可視化模塊轉化為容易理解，主題清晰的可視化大屏成為研究側重點，一個良好的大屏應具備數據展示形式豐富、數據分析維度全面、多源頭數據接入存儲、數據更新實時、產品流程清晰、簡單易用的特點，以此減少用戶學習成本，提升用戶感知。

1.3 系統設計原則

設計電力系統的可視化大屏管理系統時，應著重注意以下原則。

(1) 時效性：無論是統計分析還是預警運算，如果要確保準確性，首先需要依賴最新數據，因此需確保各個信息接口實時接入，保證數據展示實時有效。

(2) 易擴展：大屏管控系統的目的是集成多個接口的數據，因為在設計時需要考慮擴展性，便于新增接口以最小代價最快接入[1]。

(3) 實用性：針對電力系統的運行管理特點，設計實用的系統功能，挖掘不同角色使用者的關注點，確保提供的數據實用且可靠。

(4) 易維護：任何系統設計過程中都要考慮后期維護成本，盡量避免后期需要投入大量人力物力進行維護。

(5) 安全性：電力運營數據設計電網公司人財物等多種敏感信息，除了考慮系統的應用安全之外還需考慮數據安全，賬密、權限劃分嚴密，并提供備份及恢復功能。

2 電力可視化大屏應用需求分析

2.1 可視化大屏功能

隨著電力業務的發展，單一靜態的可視化大屏不能滿足系統運行管理需求，因此在設計時將可視化大屏的應用劃分如下。

(1) 實時大屏：統計指標設計多個可視化視圖，但數據更新間隔不固定，因此做實時展示大屏，實現實時展示的效果。

(2) 大屏輪播：由于展示空間有限，多個可視化大屏會產生輪流播放的需求，由使用者自行設定輪播的大屏以及輪播間隔。

2.2 多數據源接入

由于電力系統的原始數據存儲形式多種多樣，包括靜態文件，也包括多種數據庫。因此，系統設計時需要考慮多種數據源的連接方法。

(1) 數據源配置界面：為用戶提供選擇數據源界面，為開發人員提供API接口。

(2) 實時更新數據表：由于數據庫中的數據存在不停更新的可能，為用戶提供服務生成實時更新數據表，支持可配置數據指標。

(3) 靜態文件：支持多種靜態類型的文件上傳與保存。

3 關鍵指標及分析算法

3.1 關鍵指標

電力數據的可視化管理其實就是利用人體的視覺感知能力結合圖形圖像、動畫技術、色彩對比等技術手段來實現對電力的生產、銷售、調度、運維等信息的直觀表達，是一種科學管理的方法，也是提高生產效率、決策效率的管理手段[2]。如何確定要展示的關鍵指標的系統功能能否全面實現的關鍵，按照時間頻度可以劃分為實時、按月、按季度、按年(包括半年)等幾大類，為滿足監測需求，也會按照多種維度進行分解與拆分，本文著重介紹其中的幾個關鍵指標。

(1) 變壓器可用系數：報告期內變壓器可用小時數與日歷時間的比值。

變壓器可用系數=

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(2) 調度發受電力：發電電力(發電機極端發電電力)與受電電力(通過聯絡線交換的電力)的和，包括廠用電和網損。

(3) 負荷率：平均統調用電負荷與最高統調用電負荷的占比，可以反映出負荷的波動程度。

(4) 用電量：電力企業經營區域內全部用戶耗用的電量總和，可以反映出區域用電狀況。

(5) 平均供電半徑(km)：報告期末某一電壓等級變電站供電半徑的均值。

(2)

3.2 分析方法

針對電力公司的主營業務、資源狀態、外界因素等不同指標一般會采用不同的分析方法，既包括定量分析也包括定性分析，也能綜合兩者，以此判斷潛在風險或異常情況。分析方法包括求最大最小值、同比、環比、求和、求平均、回歸分析、時序分析等，計算式如下。

(3) 同比分析：(本期值-去年同期值)/去年同期值×100%。

(4) 環比分析：(本期值-上期值)/上期值×100%。

(5) 回歸分析：通過對解釋變量與被解釋變量數據進行統計，確定兩者間函數關系后預測未來數據，簡單來說就是根據解釋變量的已知或者指定值來確定被解釋變量所有可能出現的值的均值。

(6) 時序分析：時間序列數據可以進行類似界面數據的回歸分析，從過去的變化規律推測未來可能的變化，構建一元回歸預測函數Yt=m+nXt。其中，Yt為被解釋變量，Xt為解釋變量年份，m/n為未知參數，估計公式為

(3)

(4)

4 總體設計

4.1 總體技術架構

電力可視化大屏系統在邏輯架構上可以劃分為源系統、數據層、應用層、大屏展示層，具體層次關系如圖1所示。

圖1 電力可視化大屏技術架構

(1) 源系統：集成各類業務的應用系統接口，進行數據提供及業務應用支持。

(2) 數據層：包括數據中心和流程信息庫2大部分，管理結構化、非結構化的海量電力相關數據。對源系統數據進行抽取采集及存儲，校驗數據準確性、合規性。

(3) 應用層：構建監測、分析、協調、展示4大核心[3]。

(4) 展示層：大屏展示平臺，接收實時數據，顯示矢量動態畫面、可進行界面切換、場景切換、大屏輪播。

4.2 系統功能流程

電力可視化大屏展示系統的功能流程是對各個模塊之間交互過程的描述，首先通過多源數據連接獲取初始數據，進行分析處理之后組裝為可視化數據格式，最終經過個性化配置后進行實時及輪播大屏展示。用戶操作流程總結如圖2所示。

圖2 系統功能流程

4.3 數據庫設計

(1) 用戶表：存儲賬密等信息，包括用戶名、密碼、聯系方式、郵箱。

(2) 視圖表：存儲可視化視圖信息，包括視圖名稱、類型、備注、可視化數據、是否實時、關聯用戶。

(3) 靜態文件表：存儲上傳文件相關信息，包括名稱、描述、關聯用戶、數據。

(4) 數據源表：存儲數據源信息，包括連接名稱、類型、地址、端口、用戶、密碼、關聯用戶。

(5) 實時數據表：存儲實時數據相關信息，包括數據表名稱、描述、關聯用戶、實時指標列表、狀態位。

(6) 實時指標：存儲相關的實時指標信息，包括指標名稱、指標描述、關聯用戶、來源數據庫類型、指標詳情。

(7) 大屏表：存儲可視化大屏的相關信息，包括關聯用戶、大屏名稱、訪問鏈接、是否加密、加密密碼、可視化視圖。

(8) 輪播表：存儲輪播機制，包括關聯用戶、名稱、輪播間隔、輪播內容。

5 硬件環境

5.1 服務端

應用服務器：CPU 4核

MEM：16G

操作系統：Linux

中間件：Tomcat

數據庫服務器：CPU 4核

MEM：16G硬盤1T

數據庫：Oracle 11 g、MySQL

5.2 客戶端

CPU 4核 2.5 GHz以上

MEM：8G

磁盤：100G

網卡：1 000M

顯卡：1G獨立顯卡

6 軟件功能詳細設計與實現

6.1 實時大屏

電力系統的數據隨時都在變化，實時大屏主要目的是實現數據的實時更新，用戶操作流程如圖3所示。

圖3 實時大屏用戶操作流程

傳統實時更新是設置查詢間隔定時發送查詢請求，但電力系統的一個實時指標可以出現在多張實時數據表中，如果每個視圖都需要主動查詢實際是一種資源浪費，而且電力數據不斷在更新，時長并不固定。因此本文采用Websocket模式，服務端與客戶端連接成功后，服務端會監聽connection及connect事件，客戶端會監聽到connect事件，斷開時也會同時監聽到disconnect事件，基于這種機制，數據庫數據發生更新后可由服務端主動通知客戶端，確保實時自動更新[4-5]。

6.2 大屏輪播

大屏輪播采用Vue框架及Webpack延遲加載相結合的方式實現，由于包含多個可視化大屏，如果只發送一次請求，可能導致服務器響應慢或加載慢的問題，影響用戶體驗。為減小輪播的首屏時間，將一次請求的內容通過提前設置邏輯分割點來發送單獨模塊的請求。需要展示或即將展示時才發送請求，提升服務器響應速度。延遲加載函數為ConstlazyComponent = () => import(‘screen.vue’)；

輪播實現機制如圖4所示。

圖4 可視化大屏輪播實現

7 測試驗證

本文設計的電力可視化大屏展示在南方某供電局進行了實地部署，并對數據源以及實時指標的增刪改查、靜態文件上傳、可視化視圖生成/保存、視圖類型切換、大屏視圖配置查看、輪播配置、實際輪播效果都進行了功能測試，并觀察占用內存、大屏加載速度等性能測試，結果表明，功能測試以及性能測試均符合原有預期，實現目標需求[6]。

8 總結

本文研究電力系統管理現狀，分析了電力可視化大屏的需求要點，確定相關關鍵指標及分析算法，設計了電力系統可視化大屏展示方案，對實時大屏及輪播機制實現都做了詳細闡述，但在異動預警、多源數據接口規范方面研究不夠深入，待后續進一步探索。