基于SVG的可視化技術在電力系統中的應用研究

李 響，邢文濤

(1.國網河南省電力公司物資公司， 鄭州 450000；2.國網汝州市供電公司，河南 平頂山 467000)

0 引 言

全國用電需求不斷增加，電力供應要求不斷提高，電力系統需不斷發展適應多樣化的用電需求[1]。在更加復雜的供電背景下，要確保電力系統穩定，需對其進行有效監管，以最快的速度對系統中存在的問題進行全面的了解和反饋，因此可視化技術在電力系統中得到了廣泛應用[2]。在可視化數據的發展初期，其主要是以表格的形式展示數據，而隨著現代信息技術的不斷發展，對于數據的處理能力不斷提高，以圖形、動畫為展示方式的可視化技術逐漸成熟，將其應用到電力系統中，對于不同運行狀態數據的展示具有極高的適配性[3]。就現階段的可視化技術而言，圖形展示對于信息規模大、數據變化頻繁的電網數據進行可視化處理顯得更加實用，在二維甚至是三維的圖形展示中信息的特征可以以更加直觀的方式呈現在監管人員面前，節約中間的分析環節[4]。對于三維可視化技術，其可以更加直觀地展示電力系統更高環節的實際運行狀態。關于可視化的研究，文獻[5]提出了一種以網絡邊界健壯性為研究對象的電力系統可視化處理技術，其充分考慮了電力系統與第三方平臺之間的對接需求，以設備之間的關聯性為強化目標，通過可視化技術分析了網絡邊界的健壯性，以此為基礎判斷出電力系統對應的安全性和穩定性，并將網絡流量和邊界防火墻安全策略進行可視化處理，為內網安全防護列表提供更加直觀的數據支撐，測試結果表明，其可有效提高電力系統在安全管理方面的效益，但在對數據進行處理的過程中，會造成一定數據損失；文獻[6]將三維可視化技術應用到電力系統的監控環節之中，以解決電力監控系統畫面表現能力比較弱的問題。利用三維可視化技術將監控系統采集到的信息以更加立體的形式展現，將多個監控畫面融入到同一個三維環境之中，由此通過一個窗口就可以實現對整個監控范圍內所有信息的準確監管，但其主要是對電力系統表觀情況的監控，對于細節性的數據監管仍需要人工分析。

基于此，該文提出基于可縮放矢量圖形 (scalable vector graphics, SVG)的可視化技術在電力系統中的應用研究。充分利用SVG的可伸縮且不失真的屬性特征，開發以電力系統為核心的可視化實現技術，并構建可視化框架[7]。試驗驗證其在性能方面的穩定性以及在展示效果方面的可靠性。

1 基于SVG技術的電力系統數據可視化研究

1.1 數據預處理

由于電力系統的數據是處于實時變化的狀態中，為此，該文在對其進行視圖化處理之前，需要對采集到的數據進行預處理。按照數據歸一化處理的基本原則，在不降低數據質量等級的基礎上，構建以數據類型為劃分標準的處理方法[8]。假設采集到的電力系統數據為A(s，u，v)，其中，s表示數據在電力系統中的關聯屬性，u表示數據自身的屬性，v表示數據的更新速度，那么此時，在以u為目標的數據分類中，對其進行歸一化處理的方式可以表示為

(1)

式中：A′表示歸一化處理后的電力系統數據;a1、a2、a3分別表示s、u、v指標要素在A中占的權重;δ表示對應的劃分標準參數，δ的取值主要取決于電力系統數據波動的范圍和程度。

以此為基礎，將采集到的數據歸一化處理后，再對其進行整體性地數據轉化，該階段的轉化主要是確保數據可以適應SVG技術的應用[9]。考慮到SVG技術是一種矢量化的處理方法，為了確保轉化后的圖像在放縮處理過程中不會由于圖像失幀而引起電力系統數據丟失，將數據矢量化處理，其處理方式為

f(A)=kA′

(2)

式中：f(·)表示矢量化處理函數;k表示矢量轉換系數。

在利用式(2)對數據進行處理時，需要結合系統數據的變化速度，在用電波峰以及波谷出現的前后，會影響數據的變化幅度，此時需要對矢量轉換系數作出適應性調節，該文設置其閾值為[0.50,0.95]，以此提高矢量化轉換的完整性。

通過這樣的方式，完成數據的矢量化轉換，為后續的可視化處理提供基礎。

1.2 基于SVG的可視化圖像繪制

在上述基礎上，為了提高SVG在電力系統中的通用性，該文對可視化圖像的繪制是直接使用SVG 的自有構件對其進行繪制。為滿足電力系統數據可視化對數據展示的基本要求，對圖形繪制工具進行個性化設計，將iESDrawTool作為繪制圖形的模型，并將上文矢量化處理后的數據在圖形模型的信息保存為XML文件，以此降低后期調用時的計算量。運用C++語言，建立起iESDrawTool與目標可視化矢量圖之間的功能關聯。此時得出的矢量圖為矢量圖元，還需要對圖像的細節進一步作出定義。結合電力系統對可視化應用中的實際需要，將iESDrawTool繪制的矢量圖分為線、站圖元、位圖元三部分。當繪制出參照圖像后，在上文輸出的XML文件中進行分層繪制。此時的繪制主要是避免由于數據變化過于密集引起繪制的圖像出現重合，借助SVG，先將元圖像在不失幀的條件下放大，在此基礎上再進行繪制。需要注意的是，對其進行保存處理時要避免存儲為圖片格式，需以圖形的格式保存至XML文件中。其保存流程如圖1所示。

圖1 可視化處理文件保存流程

按照圖1的方式完成對圖像的保存后，將其備份到電力系統的引擎中，為后續的調用提供基礎。上文也已經提到，電力系統的數據是以動態的形式存在的，因此，在將生成的圖像保存到引擎中時，也建立了相應的動態庫，當需要對可視化圖像中的詳細信息進行分析時，可以根據數據對應的動態庫具體的API參數，在系統的后臺以包裝的形式將圖形發送到系統前端后臺服務。需要注意的是，由于現階段電力系統聯合管理機制逐漸發展，在圖形生成引擎實現的過程中，需要充分考慮到可視化圖形的跨平臺應用需求，為此，可以使用C++、QT對動態庫進行編程，使得SVG圖形生成引擎保存的圖形在縮放比例、縮放策略、過濾條件、格式上均滿足應用需求。

2 試驗測試

分別采用文獻[5]和文獻[6]提出的可視化方法作為對照組，在相同的試驗環境內開展試驗測試，對比3種方法在數據可視化處理方面的性能。

2.1 測試環境設置

以某電力供電站為試驗對象，該供電站覆蓋周圍25 km2的供電需求，不僅負責周圍居民用電的主要供應，同時也是附近工業用電的主要來源。發電站對應的心理系統客戶端使用用戶界面為HTMLZDD0015，對應的服務器端使用的是Linux服務程序，系統的構架形式為SSM結構，系統設置的數據采集端口共計8個，型號均為ZDSP8080。該發電站的用電數據采集是以數字形式進行的，最終不同數據匯總到對應的數據庫，相關工作人員需要利用相應的工具對數據進行二次計算，以此判斷用電數據中是否存在異常，以及用電數據表現出的特征。但是，由于用電規模較大，產生的數據也相應地較多，導致計算工作量無法適配數據的采集效率，導致對數據分析的及時性有待提高。為此，文中通過可視化技術將采集到的實時數據轉化為圖像的形式，并分析其可視化處理的效果。

2.2 測試分析對比

在上述基礎上，以某1小時內電力系統數據為試驗數據，進行試驗測試，對比結果如圖2～4所示。

由圖2～4可知，該文設計方法在線損率、關口電量、損失電量方面都十分接近實際值，且優于文獻[5]、文獻[6]方法，這是由于該文方法使用了SVG技術，將數據轉化為可縮放矢量圖形，因此不會因為圖像的處理而降低數據的精度，也不會對關口電量及損失電量造成影響。

圖2 線損率對比圖

圖3 關口電量數值對比圖

圖4 損失電量數值對比圖

3 結 語

電力系統的管理不僅關系到供電質量的高低，也是對電力供應進行合理調節的關鍵， 可視化不僅可以更加直觀地得到數據的發展趨勢和特征，對于減少數據統計和計算時間也是極為有利的。該文提出基于SVG的可視化技術在電力系統中的應用研究，利用SVG技術將電力系統的實時數據轉化為可縮放矢量圖形，并通過試驗驗證設計方法的有效性，提高數據分析和處理效率。