基于三維展示的大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動(dòng)平臺(tái)研究報(bào)告分析

江蘇電力信息技術(shù)有限公司 陸晨亮

基于三維展示的大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動(dòng)平臺(tái)研究報(bào)告分析

江蘇電力信息技術(shù)有限公司 陸晨亮

大規(guī)模源網(wǎng)荷互動(dòng)體系由三大系統(tǒng)和信息通信基礎(chǔ)設(shè)施組成。三大系統(tǒng)即“大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)安全運(yùn)行智能控制系統(tǒng)（簡稱：系統(tǒng)保護(hù)）”、“大規(guī)模供需友好互動(dòng)系統(tǒng)（簡稱：負(fù)控2.0）”和“主動(dòng)配電系統(tǒng)（簡稱主動(dòng)配網(wǎng)）”。其中“系統(tǒng)保護(hù)”負(fù)責(zé)特高壓直流雙極閉鎖故障的感知，提出負(fù)荷控制策略并開展電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制；“負(fù)控2.0”負(fù)責(zé)群控大用戶可中斷負(fù)荷，需求響應(yīng)調(diào)節(jié)柔性負(fù)荷；“主動(dòng)配網(wǎng)”在配網(wǎng)自動(dòng)化集成上，實(shí)現(xiàn)可再生能源和可控負(fù)荷的管理和控制。

電力調(diào)度；計(jì)算機(jī)；智能控制

1.研究水平綜述

泛在信息通信通過光纖和電力無線4G專網(wǎng)建設(shè)，提升配網(wǎng)自動(dòng)化、用電采集的實(shí)時(shí)采集速率，通過公司統(tǒng)一業(yè)務(wù)和信息模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合集成，服務(wù)公司多種業(yè)務(wù)。三大系統(tǒng)有機(jī)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動(dòng)，有效提升省級(jí)電網(wǎng)應(yīng)對大電網(wǎng)故障、消納高比例可再生能源及大規(guī)模電動(dòng)汽車有序充放電的彈性能力，提高江蘇電網(wǎng)安全品質(zhì)。

信息系統(tǒng)方面，江蘇對源網(wǎng)荷相關(guān)業(yè)務(wù)的信息支撐系統(tǒng)主要包括調(diào)度主站系統(tǒng)、負(fù)控系統(tǒng)、營銷系統(tǒng)、配網(wǎng)自動(dòng)化等信息系統(tǒng)。但距離有效支撐源網(wǎng)荷協(xié)同互動(dòng)體系構(gòu)建方面，還存在信息采集范圍和采樣頻度不足、支撐各類信息實(shí)時(shí)共享高速處理的信息支撐平臺(tái)尚未構(gòu)建、系統(tǒng)間業(yè)務(wù)自動(dòng)關(guān)聯(lián)程度不夠等問題，需要在下一步建設(shè)過程中予以加強(qiáng)和完善。

電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)致力于研究的重要課題之一就是對電網(wǎng)調(diào)度信息進(jìn)行分析、處理和篩選，對各種分區(qū)、分類指標(biāo)體系提出可視化表示需求，對調(diào)度數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析并形象生動(dòng)地顯示電網(wǎng)運(yùn)行信息和決策信息，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度的形象直觀的可視化表述。因此，電網(wǎng)調(diào)度業(yè)務(wù)中，大屏監(jiān)控應(yīng)用越來越廣泛，大屏系統(tǒng)對調(diào)度業(yè)務(wù)的開展起到了重要的支撐作用。

2.項(xiàng)目的理論和實(shí)踐依據(jù)

2.1理論依據(jù)

（1）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時(shí)、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。

概括地說，虛擬現(xiàn)實(shí)是人們通過計(jì)算機(jī)對復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng)的人機(jī)界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍。虛擬現(xiàn)實(shí)中的“現(xiàn)實(shí)”是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環(huán)境，它可以是實(shí)際上可實(shí)現(xiàn)的，也可以是實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)的或根本無法實(shí)現(xiàn)的。而“虛擬”是指用計(jì)算機(jī)生成的意思。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)是指用計(jì)算機(jī)生成的一種特殊環(huán)境，人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個(gè)環(huán)境中，并操作、控制環(huán)境，實(shí)現(xiàn)特殊的目的，即人是這種環(huán)境的主宰。

（2）高性能計(jì)算及顯示

建設(shè)這樣一個(gè)三維電網(wǎng)需要處理的數(shù)據(jù)量是十分巨大的，其主要原因是模型數(shù)據(jù)為高分辨率數(shù)據(jù)，所以在表達(dá)同樣面積的地表時(shí)需要有更多的數(shù)據(jù)量，一般的三維系統(tǒng)在表達(dá)正方體時(shí)通常采用10幾個(gè)三角面片就能夠表達(dá)，而高精度的模型在表達(dá)一串絕緣子時(shí)需要采用幾萬個(gè)三角面片，一座桿塔需要幾十萬的面片才能表示，那么一個(gè)場景中顯示上百個(gè)桿塔其數(shù)據(jù)量是驚人的，此外模型還有大量的紋理貼圖，這就需要計(jì)算機(jī)有更高的運(yùn)算和顯示渲染速度。

近年來，計(jì)算機(jī)軟、硬件發(fā)展很迅速，大容量高速存儲(chǔ)設(shè)備、高性能計(jì)算機(jī)服務(wù)器、高性能顯卡以及DirectX和OpenGL技術(shù)使得顯示這樣的高精度場景模型成為可能。同時(shí)隨著軟、硬件的發(fā)展，它們的價(jià)格也在逐漸下降，這也是一個(gè)十分有利的因素。

2.2項(xiàng)目研究內(nèi)容和實(shí)施方案

本科研項(xiàng)目主要研究基于三維圖形引擎的電網(wǎng)設(shè)備虛擬化展現(xiàn)：基于高效三維圖形渲染引擎，使用C++語言進(jìn)行新展示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，著力提高展示系統(tǒng)的圖形繪制效率，提供更為豐富的表現(xiàn)手段，在特效渲染、三維動(dòng)畫、視頻播放、動(dòng)畫處理等方面全面進(jìn)行優(yōu)化提升；同時(shí)，從底層開始進(jìn)行展示系統(tǒng)的編寫，在軟件平臺(tái)自主可控的前提下，實(shí)現(xiàn)展示平臺(tái)的跨平臺(tái)（Windows / Linux）應(yīng)用，進(jìn)一步提升平臺(tái)的安全性；

（1）研究內(nèi)容

1）場景編輯

場景編輯是對電力關(guān)聯(lián)的特殊場景進(jìn)行編輯。在素材仿真的基礎(chǔ)上，對場景中電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)捆綁。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，在進(jìn)行模型渲染時(shí)，可以根據(jù)設(shè)備對應(yīng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的值判斷如何渲染，例如判斷變電站內(nèi)各個(gè)主變的狀態(tài)數(shù)據(jù)，將其中處于非運(yùn)行狀態(tài)下的主變并用不同的顏色（或其他醒目的材質(zhì)）進(jìn)行渲染，以便用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

2）特效編輯

平臺(tái)的3D特殊效果，主要模擬電力設(shè)置面對的特殊場景，如風(fēng)雨天氣、煙火、光照等。還有很多特定的效果。為求建立起來的場景能逼真。

在場景中，光照的效果會(huì)很大程度上影響到場景的美觀和真實(shí)性，在場景的設(shè)置中，添加了光照陰影工具，可以根據(jù)需求，自主設(shè)置光源的位置，光源包括點(diǎn)光源、探照燈光源、平行光源等。最大程度上的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)光照的模擬。此部分功能在特殊效果編輯模塊中完成。

3）高精度模型實(shí)時(shí)渲染

在展示場景中展示相關(guān)電網(wǎng)設(shè)備模型，是三維顯示的重要部分。根據(jù)此次建設(shè)的需求，需要展示發(fā)電廠、換流站、變電站、桿塔等電網(wǎng)設(shè)備，同時(shí)需要對上述所有設(shè)備建立一對一的設(shè)備模型。并且系統(tǒng)對模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精細(xì)度也有很高的要求：建立與設(shè)備真實(shí)外觀相同的模型，包括顏色和材質(zhì)；精細(xì)度高，紋理清晰，色彩飽和，弧面要求光滑；模型與底層地理高程模型的比例符合實(shí)際情況；模型在地理圖形上的位置符合實(shí)際坐標(biāo)值；站所模型建立室外設(shè)備模型和建筑外立面模型，還需要建立室內(nèi)模型，能夠?qū)崿F(xiàn)穿門而入的顯示效果。

（2）源網(wǎng)荷友好互動(dòng)場景的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1）日常監(jiān)控模塊：該模塊監(jiān)控特高壓電網(wǎng)主要信息，包括近區(qū)電網(wǎng)實(shí)時(shí)潮流圖、近區(qū)主要斷面監(jiān)視、設(shè)計(jì)功率、實(shí)際功率、旋轉(zhuǎn)備用、可控容量、超用容量、事故容量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以及事故應(yīng)急預(yù)案，故障影響、事故處理流程及輔助決策控制。

故障監(jiān)控模塊：該模塊通過故障異動(dòng)機(jī)制觸發(fā)，觸發(fā)后實(shí)時(shí)監(jiān)控日常模塊中各類數(shù)據(jù)異動(dòng)情況，以不同符號(hào)和顏色進(jìn)行報(bào)警提示，并自異動(dòng)觸發(fā)的瞬間開始存儲(chǔ)異動(dòng)信息。

事故追溯模塊：該模塊可調(diào)出任意一次事故信息，通過時(shí)間軸回看事故全過程任意時(shí)刻數(shù)據(jù)，事故時(shí)間段內(nèi)頻率、潮流、備用、電壓等相關(guān)曲線，以及拉限電、事故處置流程等輔助信息。

3.預(yù)期目標(biāo)和成果形式

三維展示平臺(tái)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、視頻技術(shù)，完成綜合、高速的信息處理，可實(shí)現(xiàn)高清晰度、高亮度、多畫面、多功能的顯示能力，滿足遠(yuǎn)程圖像及信息傳送、顯示、處理等需求。利用現(xiàn)有的系統(tǒng)分析技術(shù)、超高分大屏幕三維顯示技術(shù)、可視化控制技術(shù)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)信息集成技術(shù)等，構(gòu)建電網(wǎng)調(diào)度綜合智能監(jiān)控平臺(tái)，充分利用圖形展示手段表達(dá)電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行信息，直觀展示電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)和評價(jià)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)提升電網(wǎng)運(yùn)行綜合智能告警水平、事故定位速度、應(yīng)急指揮能力，從被動(dòng)、分散獲知故障變?yōu)橹鲃?dòng)、集中推送告警信息，提前、高效發(fā)現(xiàn)和處理電網(wǎng)運(yùn)行隱患，從而達(dá)到提高系統(tǒng)運(yùn)行人員的工作效率，降低電網(wǎng)運(yùn)行故障發(fā)生率的目的；使用高效三維渲染引擎，實(shí)現(xiàn)一套二維三維高度融合的可視化展示互動(dòng)系統(tǒng)，并通過大規(guī)模源網(wǎng)荷監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，提升電網(wǎng)調(diào)控的信息化支撐能力。

［1］姚建國，楊勝春，王珂，等.智能電網(wǎng)“源—網(wǎng)—荷”互動(dòng)運(yùn)行控制概念及研究框架［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36（21）：1-6，12.

［2］王成山，李鵬.分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（2）：10-14，23.

［3］張伯明，孫宏斌，吳文傳等.智能電網(wǎng)控制中心技術(shù)的未來發(fā)展［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（17）：21-28.