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1態(tài)勢(shì)感知及其可視化回顧

Endsley最早提出態(tài)勢(shì)感知定義，認(rèn)為態(tài)勢(shì)感知是在特定時(shí)間和空間下，操作者基于對(duì)當(dāng)前設(shè)備和環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化察覺（perception）和綜合（comprehension），運(yùn)用基于分析（短時(shí)工作記憶）、聯(lián)想（長(zhǎng)時(shí)記憶）、規(guī)則的預(yù)測(cè)方式（projection），實(shí)現(xiàn)任務(wù)連續(xù)情境的模式識(shí)別與匹配并采取相應(yīng)的對(duì)策，進(jìn)而達(dá)到圓滿完成任務(wù)的目的。Endsley也提出了適用于自動(dòng)化及人機(jī)接口系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)感知過程。態(tài)勢(shì)管理（situationmanagement，SM）是一個(gè)有目的的協(xié)同過程，包含搜集感官和信息、感知和識(shí)別態(tài)勢(shì)、分析過去和未來的態(tài)勢(shì)，以及論證、策劃和實(shí)施行動(dòng)。信息可視化是最重要的視覺感知手段，能充分調(diào)動(dòng)決策者的認(rèn)知能力，強(qiáng)化對(duì)信息的感知和理解；可視化與態(tài)勢(shì)可視化，既存在共性和相互聯(lián)系，也存在著明顯的差異。態(tài)勢(shì)可視化是可視化的高級(jí)發(fā)展階段，尤其是指面向態(tài)勢(shì)感知的高級(jí)階段。態(tài)勢(shì)可視化被認(rèn)為是以用戶為中心的強(qiáng)調(diào)態(tài)勢(shì)感知優(yōu)化的顯示（可視化），以有利于操作人員對(duì)當(dāng)前態(tài)勢(shì)有“強(qiáng)健理解（arobustunderstanding）”。態(tài)勢(shì)可視化屬于可視化分析學(xué)范疇，關(guān)注的重點(diǎn)是意會(huì)和推理，其相關(guān)的可視化分析工具從海量、多維、多源、動(dòng)態(tài)、時(shí)滯、異構(gòu)、含糊不清、甚至矛盾的數(shù)據(jù)中綜合出信息并獲得深刻的見解，能發(fā)現(xiàn)期望看到的信息并覺察出沒有想到的信息，能提供及時(shí)的、可理解的評(píng)價(jià)，在實(shí)際行動(dòng)中能有效溝通。在戰(zhàn)場(chǎng)指揮中，態(tài)勢(shì)感知的可視化技術(shù)可幫助快速對(duì)復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行綜合認(rèn)為，態(tài)勢(shì)感知連續(xù)萃取環(huán)境信息，集成了以前的知識(shí)以形成一個(gè)連貫的畫面，并使用該畫面預(yù)測(cè)未來事件。本文認(rèn)為，有助于態(tài)勢(shì)感知的信息可視化，均可稱為態(tài)勢(shì)可視化，或按照態(tài)勢(shì)感知基本理論，它應(yīng)有助于：①反演歷史態(tài)勢(shì)；②分析當(dāng)前態(tài)勢(shì)；③預(yù)測(cè)未來趨勢(shì)。態(tài)勢(shì)建模主要方法包括事件驅(qū)動(dòng)的態(tài)勢(shì)描述和感知識(shí)別方法，以及基于本體的態(tài)勢(shì)建模方法。態(tài)勢(shì)可視化在電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究幾乎與態(tài)勢(shì)理論出現(xiàn)同步。

Overbye及以他為核心組建的PowerWorld公司是美國(guó)電力系統(tǒng)可視化的先驅(qū)。2008年美國(guó)能源部西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）提出電力系統(tǒng)有意義態(tài)勢(shì)感知（sensemaking）的概態(tài)，認(rèn)為對(duì)模糊態(tài)勢(shì)提出其含義的能力是至關(guān)重要的，應(yīng)支持不確定條件下的決策，并理解人、地方和事件之間的關(guān)系，能夠預(yù)測(cè)它們的運(yùn)動(dòng)軌跡，以利于采用有效的行動(dòng)。認(rèn)為，以前的可視化基本上是設(shè)計(jì)者驅(qū)動(dòng)的，能量管理系統(tǒng)（EMS）廠家提供的可視化界面人工維護(hù)工作量非常巨大，用戶自主性太弱，限制了用戶自主發(fā)現(xiàn)態(tài)勢(shì)的能力，因此，提出了“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的可視化技術(shù)，主要內(nèi)容包括基于公共信息模型（CIM）的數(shù)據(jù)進(jìn)行單線圖的自動(dòng)生成，以及提供可視化加工的專門服務(wù)系統(tǒng)。討論了電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)可視化，可分為數(shù)據(jù)顯示、運(yùn)行安全狀態(tài)顯示和運(yùn)行趨勢(shì)顯示3類。其中，數(shù)據(jù)顯示可歸結(jié)為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和線路數(shù)據(jù)等3類基本顯示。認(rèn)為電力系統(tǒng)信息可視化可分為2D與3D兩種方式，探索了3D空間可視化不同坐標(biāo)軸物理量分配時(shí)的不同效果。研究了現(xiàn)代EMS常見的可視化主題設(shè)計(jì)，并對(duì)3D曲面差值算法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。較為全面地論述了智能電網(wǎng)條件下的態(tài)勢(shì)感知與態(tài)勢(shì)可視化的關(guān)鍵問題，是本領(lǐng)域一個(gè)十分有價(jià)值的參考文獻(xiàn)。該文提出以調(diào)度員思維模式為框架，以可視化界面為功能模塊，以互動(dòng)計(jì)算為系統(tǒng)核心的智能電網(wǎng)架構(gòu)，認(rèn)為電力系統(tǒng)的可視化將逐步向2D／3D圖形化、動(dòng)畫發(fā)展；提出所謂電網(wǎng)態(tài)勢(shì)是指由各種電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及用戶行為等因素所構(gòu)成的整個(gè)電網(wǎng)當(dāng)前狀態(tài)和變化趨勢(shì)，電網(wǎng)態(tài)勢(shì)感知是指在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，對(duì)能夠引起電網(wǎng)態(tài)勢(shì)發(fā)生變化的安全要素進(jìn)行獲取、理解、顯示以及預(yù)測(cè)未來的發(fā)展趨勢(shì)，態(tài)勢(shì)感知包括當(dāng)前態(tài)勢(shì)元素提取、態(tài)勢(shì)評(píng)估、電網(wǎng)的能力態(tài)、可控態(tài)、未來發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)幾個(gè)部分。該文提出當(dāng)前態(tài)、發(fā)展態(tài)、能力態(tài)、可控態(tài)、評(píng)估態(tài)作為電網(wǎng)狀態(tài)特性。本文認(rèn)為，其評(píng)估態(tài)可納入當(dāng)前態(tài)，能力態(tài)、可控態(tài)可納入未來態(tài)，而要獲取十分優(yōu)秀的當(dāng)前態(tài)、未來態(tài)的感知，對(duì)歷史態(tài)的研究尤其是其反演歸納能力至關(guān)重要，因此，本文仍以歷史態(tài)、當(dāng)前態(tài)、未來態(tài)來提出對(duì)智能電網(wǎng)的態(tài)勢(shì)感知的基本要求。該文認(rèn)為，態(tài)勢(shì)感知的結(jié)果是形成態(tài)勢(shì)分析報(bào)告和綜合電網(wǎng)態(tài)勢(shì)圖，但本文認(rèn)為，它是態(tài)勢(shì)感知實(shí)踐的理想目標(biāo)，現(xiàn)階段難以在工程中完全實(shí)現(xiàn)；正如該文指出的，作為信息融合的過程，電網(wǎng)態(tài)勢(shì)感知的可視化是一個(gè)從底層數(shù)據(jù)到抽象信息，再到獲取高層知識(shí)的過程，因此加強(qiáng)、加速該過程，是值得學(xué)術(shù)界、工程界高度關(guān)注的。目前，國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)可視化研究的主要領(lǐng)域在于EMS，通過對(duì)可視化的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)以及圖形的動(dòng)態(tài)過程來研究其功效，并沒有建立起很好的理論體系；工程實(shí)踐主要也是從已有的可視化實(shí)踐案例進(jìn)行模仿、改進(jìn)。隨著智能電網(wǎng)時(shí)代到來，可視化應(yīng)用將覆蓋智能電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、控制、調(diào)度、營(yíng)銷等各領(lǐng)域，更需要不斷實(shí)踐來進(jìn)行歸納、總結(jié)和發(fā)展。

對(duì)以往的實(shí)踐大致可總結(jié)如下。1）單一元件或系統(tǒng)單一特征靜態(tài)與動(dòng)態(tài)可視化靜態(tài)可視化，主要用于展示實(shí)物的二維圖紙或三維立體，揭示其結(jié)構(gòu)參數(shù)或技術(shù)參數(shù)；而動(dòng)態(tài)可視化，主要是元件的電氣、電能量或特性參數(shù)、特性曲線隨時(shí)間的變化。變化分為時(shí)間顯式或隱式，后者主要是特性曲線，如變壓器的絕緣特性曲線、電力系統(tǒng)的穩(wěn)定域等。2）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)可視化這里的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)包括電力網(wǎng)絡(luò)，也應(yīng)包括通信網(wǎng)絡(luò)以及信息流的虛擬網(wǎng)絡(luò)。目前電力網(wǎng)絡(luò)可視化得到了較高的應(yīng)用。對(duì)于電力網(wǎng)絡(luò)而言，靜態(tài)可視化主要是基于某一個(gè)時(shí)間斷面各類量測(cè)的感應(yīng)、感知的展示，主要對(duì)象是電網(wǎng)接線圖上2類抽象元件（即節(jié)點(diǎn)和線路）。而動(dòng)態(tài)可視化，是指隨著時(shí)間變化的感應(yīng)與感知的變化趨勢(shì)的可視化。3）指標(biāo)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)可視化指標(biāo)可視化是智能電網(wǎng)可視化最高目標(biāo)。指標(biāo)靜態(tài)可視化是指某一時(shí)間斷面的指標(biāo)可視化；而指標(biāo)動(dòng)態(tài)可視化是指其隨時(shí)間變化的指標(biāo)變化。可視化的2個(gè)原則，可以歸納為如下2類。1）基于主題的可視化自動(dòng)化、信息化覆蓋了依靠傳感、測(cè)量、傳輸、信息處理的全自動(dòng)化過程，也覆蓋了人工參與的數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)處理，且可視化的使用場(chǎng)景與目的均有不同，可視化的形態(tài)形式也不盡相同，因此基于主題就成為可視化的一個(gè)原則。2）基于不同技術(shù)形態(tài)的可視化可視化技術(shù)一般可分為：①數(shù)據(jù)可視化，即將多維數(shù)據(jù)在2D或3D空間進(jìn)行顯示的技術(shù)；②科學(xué)計(jì)算可視化，指利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將工程測(cè)量數(shù)據(jù)、科學(xué)計(jì)算過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖形圖像；③信息可視化，是指將非空間數(shù)據(jù)的信息對(duì)象的特征值抽取、轉(zhuǎn)換、映射、高度抽象與整合，用圖形圖像等方式表現(xiàn)；④知識(shí)可視化，是通過提供更豐富的表達(dá)人類所指導(dǎo)內(nèi)容的方式，采用知識(shí)圖表、視覺隱喻等可視化技術(shù)，以促進(jìn)群體知識(shí)的傳播。從目前全球的發(fā)展現(xiàn)狀看，智能電網(wǎng)態(tài)勢(shì)感知已逐漸成為未來研究的一個(gè)重點(diǎn)。

電網(wǎng)的可視化，可分為4個(gè)階段：①靜態(tài)可視；②動(dòng)態(tài)可視；③動(dòng)態(tài)可視的深度理解與可解釋；④動(dòng)態(tài)知識(shí)發(fā)現(xiàn)與動(dòng)態(tài)態(tài)勢(shì)可控。其后3個(gè)階段均屬于電網(wǎng)態(tài)勢(shì)可視化階段，是電網(wǎng)可視化發(fā)展的未來階段。態(tài)勢(shì)可視化和一般可視化一樣，都是基于物理智能電網(wǎng)（一次電網(wǎng)與二次、三次的信息通信網(wǎng)），其中反映物理電網(wǎng)的點(diǎn)元件、線元件等結(jié)構(gòu)參數(shù)、技術(shù)參數(shù)、背景參數(shù)（如地理位置等），以及點(diǎn)線元件之間的連接關(guān)系，是態(tài)勢(shì)感知的宿主，其構(gòu)成的圖形在本文中稱為態(tài)勢(shì)底圖，而在其上的任意動(dòng)態(tài)參數(shù)或面向主題的目標(biāo)參數(shù)，將作為態(tài)勢(shì)的表現(xiàn)層，在本文中被稱為態(tài)勢(shì)表現(xiàn)圖。基于這樣的分析，有可能形成態(tài)勢(shì)可視化工程的有序?qū)崿F(xiàn)的軌道。另外基于態(tài)勢(shì)感知基本理論，態(tài)勢(shì)感應(yīng)和態(tài)勢(shì)感知雖然存在著相互聯(lián)系，但也存在著明顯的差異。態(tài)勢(shì)感應(yīng)，主要是指動(dòng)態(tài)變化察覺，或基于量測(cè)和基于量測(cè)對(duì)物理系統(tǒng)的擴(kuò)展計(jì)算（電力系統(tǒng)主要是指潮流計(jì)算）后的察覺；態(tài)勢(shì)感知，就重在對(duì)察覺后的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合、解釋和基于不同主題的態(tài)勢(shì)評(píng)估。

2智能電網(wǎng)態(tài)勢(shì)管理概念模型

本文在Endsley的模型上對(duì)智能電網(wǎng)態(tài)勢(shì)管理進(jìn)行了細(xì)化。智能電網(wǎng)態(tài)勢(shì)管理存在2個(gè)控制回路，即確定性控制回路和審慎控制回路，前者可采用閉環(huán)的全自動(dòng)控制系統(tǒng)；而后者需要人類智慧與機(jī)器智慧結(jié)合才能決策。態(tài)勢(shì)感知與態(tài)勢(shì)可視化，是可視化的高級(jí)階段，主要用于審慎控制回路。

2．1態(tài)勢(shì)主題定義與態(tài)勢(shì)底圖、態(tài)勢(shì)感應(yīng)源管理

態(tài)勢(shì)主題是指從智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)需求出發(fā)，需要建立的態(tài)勢(shì)分析或態(tài)勢(shì)決策的主題；態(tài)勢(shì)主題獲取，主要由人為設(shè)定，或由機(jī)器智能通過大量數(shù)據(jù)挖掘所獲取的一些現(xiàn)象并加以分析歸納而確定的主題。態(tài)勢(shì)主題包括如下方面。1）態(tài)勢(shì)分析的對(duì)象：以態(tài)勢(shì)底圖的圖形化方式描述，而態(tài)勢(shì)底圖是指研究對(duì)象的物理特征或物理特征加載地理空間信息的圖形，包括對(duì)象的靜態(tài)圖形及靜態(tài)參數(shù)，如電網(wǎng)電氣設(shè)備及連接、智能設(shè)備及連接等。2）態(tài)勢(shì)分析目標(biāo)：一般選擇為研究對(duì)象的某一個(gè)或一組性能特征或控制目標(biāo)。3）態(tài)勢(shì)感應(yīng)源管理：與研究對(duì)象態(tài)勢(shì)分析目標(biāo)相關(guān)的感應(yīng)數(shù)據(jù)或語義的來源、篩選原則、顆粒度選擇等。4）選擇的目標(biāo)與其來源的基本關(guān)系、參數(shù)、識(shí)別的基本方法等，比如電網(wǎng)潮流計(jì)算模型，短路計(jì)算模型及參數(shù)，電網(wǎng)各類能力態(tài)、可控態(tài)、評(píng)估態(tài)等分析模型及參數(shù)等。

2．2態(tài)勢(shì)感應(yīng)與可視化管理

研究對(duì)象的感應(yīng)包括物理對(duì)象運(yùn)動(dòng)的全部表象量，如電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)和支路的電氣量、電能量等。目前的態(tài)勢(shì)感知源，以物理對(duì)象狀態(tài)可觀測(cè)為配置依據(jù)，也可能存在冗余配置，因此需要經(jīng)過狀態(tài)估計(jì)、潮流計(jì)算等，才能獲取整個(gè)物理系統(tǒng)的全部感應(yīng)。態(tài)勢(shì)感應(yīng)的可視化，主要是對(duì)這些表象量的可視化，比如電壓等高線及著色圖等。

2．3態(tài)勢(shì)感知與可視化管理

態(tài)勢(shì)感知，主要基于整個(gè)物理系統(tǒng)感應(yīng)信息之上進(jìn)行信息挖掘形成與主題密切相關(guān)的感知數(shù)據(jù)，以探索解析這些感應(yīng)的內(nèi)在原因，比如電網(wǎng)電壓穩(wěn)定裕度等。

2．4態(tài)勢(shì)歷史與可視化管理

對(duì)歷史感應(yīng)、感知進(jìn)行記錄，并可以進(jìn)行可視化回顧播放。

2．5態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)與可視化管理

對(duì)未來態(tài)勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)并可視化播放。

2．6態(tài)勢(shì)決策與可視化管理

與態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)合，對(duì)未來增加改變態(tài)勢(shì)的決策選擇，并可視化播放。

2．7態(tài)勢(shì)記憶、態(tài)勢(shì)學(xué)習(xí)與挖掘管理

態(tài)勢(shì)感應(yīng)、感知是態(tài)勢(shì)記憶與學(xué)習(xí)的主要樣本。如果對(duì)態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)也進(jìn)行歷史記錄，則可從中進(jìn)行態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)誤差分析，并進(jìn)行知識(shí)萃取和學(xué)習(xí)等挖掘管理，以提煉、修正、校正態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)模型，從而提高態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)的精度。

2．8數(shù)據(jù)庫

用于存放數(shù)據(jù)、圖形、算法等數(shù)據(jù)和規(guī)則。

3態(tài)勢(shì)感知可視化對(duì)象建模及核心算法

3．1態(tài)勢(shì)模型

態(tài)勢(shì)模型由態(tài)勢(shì)感應(yīng)、態(tài)勢(shì)感知、態(tài)勢(shì)歷史、態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)、態(tài)勢(shì)決策等子模型組成。態(tài)勢(shì)感知可視化有實(shí)時(shí)態(tài)、歷史態(tài)、未來態(tài)。實(shí)時(shí)態(tài)由感應(yīng)可視化和感知可視化組成。歷史態(tài)可視化主要對(duì)歷史記錄的感應(yīng)、感知圖序列按時(shí)間進(jìn)行回放，以解析歷史事件與態(tài)勢(shì)。而未來態(tài)，基于預(yù)測(cè)的感應(yīng)圖、感知圖序列，進(jìn)行按時(shí)間地播放，以對(duì)未來的態(tài)勢(shì)進(jìn)行分析和評(píng)估。

3．2態(tài)勢(shì)圖模型

所謂態(tài)勢(shì)圖，就是針對(duì)研究對(duì)象某一個(gè)局部或全部物體的特性或特征進(jìn)行其時(shí)間或空間發(fā)展演變的圖形方式。態(tài)勢(shì)圖由態(tài)勢(shì)底圖和態(tài)勢(shì)表現(xiàn)圖構(gòu)成。舉一個(gè)簡(jiǎn)單例子：以電網(wǎng)架空線路為研究對(duì)象，其特性之一的電氣特性如線路電流，其長(zhǎng)期帶負(fù)載的熱穩(wěn)定性是其特征；長(zhǎng)期大電流通過，導(dǎo)線由于熱效應(yīng)產(chǎn)生變形，下垂加大的趨勢(shì)一般不能直接測(cè)量，但需要感知。因此，電網(wǎng)架空線路將作為底圖，態(tài)勢(shì)感應(yīng)圖就是基于電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)其線路通過的電流值隨時(shí)間的圖形描述，如采用電流—時(shí)間動(dòng)態(tài)曲線，為感應(yīng)態(tài)勢(shì)圖；而導(dǎo)線的下垂過程，如最低點(diǎn)到地面的高度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)曲線，即是感知態(tài)勢(shì)圖。可見，態(tài)勢(shì)感應(yīng)圖為態(tài)勢(shì)底圖疊加感應(yīng)圖。實(shí)時(shí)感應(yīng)、感知態(tài)勢(shì)圖由態(tài)勢(shì)底圖和感應(yīng)圖、感知圖組成。歷史感應(yīng)、感知態(tài)勢(shì)圖由歷史態(tài)勢(shì)底圖和歷史感應(yīng)圖、歷史感知圖組成。預(yù)測(cè)感應(yīng)、感知態(tài)勢(shì)圖由預(yù)測(cè)態(tài)勢(shì)底圖和預(yù)測(cè)感應(yīng)圖、預(yù)測(cè)感知圖組成。

3．3態(tài)勢(shì)底圖分類

態(tài)勢(shì)底圖可分為如下幾類。1）研究對(duì)象及資源圖，主要繪制研究對(duì)象的功能特性、靜態(tài)特性、資源特性等。所謂功能特性，一般采用標(biāo)準(zhǔn)圖形標(biāo)識(shí)，如電力系統(tǒng)圖里的變壓器、斷路器等。靜態(tài)特性，即設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)（額定值）、開關(guān)的設(shè)備態(tài)位置、電氣參數(shù)的上下限等。資源特性，主要是設(shè)備成組，表現(xiàn)為間隔、電壓等級(jí)、變電站等，可以以虛框或顏色以示區(qū)別。2）地理信息圖，如果底圖引入地理信息，則所有研究對(duì)象的位置坐標(biāo)均需引入地理坐標(biāo)，以與地理圖對(duì)應(yīng)。3）參數(shù)空間：有一些研究對(duì)象是某一對(duì)象或系統(tǒng)的參數(shù)運(yùn)動(dòng)軌跡，此時(shí)其態(tài)勢(shì)底圖主要以參數(shù)空間形式出現(xiàn)，不同維度的參數(shù)空間可以引入二維、三維乃至多維的羅盤圖等。態(tài)勢(shì)底圖的屬性包括如下方面。1）電網(wǎng)的靜態(tài)模型，其屬性包括電網(wǎng)設(shè)備的功能、種類、技術(shù)參數(shù)等，對(duì)應(yīng)的是電網(wǎng)單線圖；當(dāng)某些屬性發(fā)生變化，需要重新繪制單線圖時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)態(tài)勢(shì)底圖的重新生成。2）對(duì)應(yīng)的地理背景特性，如道路、河流等；如果當(dāng)某些屬性發(fā)生變化，而要重新繪制地理背景時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)態(tài)勢(shì)底圖的自動(dòng)生成。歷史態(tài)勢(shì)底層應(yīng)有版本號(hào)，版本號(hào)可以是其自動(dòng)生成的時(shí)間戳。在智能電網(wǎng)中，研究對(duì)象及資源圖至少可以分為6類：①電氣設(shè)備及連接層，即電氣設(shè)備及連接圖，是最關(guān)鍵的研究對(duì)象；②感知設(shè)備及通信連接圖，主要是指獨(dú)立存在的智能終端（智能電子設(shè)備）以及它們之間存在的通信網(wǎng)絡(luò)；③人力及作業(yè)資源圖，主要包括各種人力資源能力及位置、作業(yè)資源能及位置等；④其他設(shè)備資源圖，比如從電網(wǎng)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，可開發(fā)利用的可再生能源資源分布等；⑤設(shè)備及系統(tǒng)特性，該圖相對(duì)于設(shè)備與系統(tǒng)的參數(shù)空間而言，描述設(shè)備的參數(shù)空間限制；⑥客戶資源圖，主要描述客戶的特性，如用戶類型、用電特征類型等，主要用于電網(wǎng)特性與客戶特性的匹配分析等。對(duì)于態(tài)勢(shì)底圖，可以是圖2所示的分層態(tài)勢(shì)圖的某一類圖，或某幾類圖的組合，其組合形式可以表現(xiàn)為帶地理信息的地理延布圖或帶地理相對(duì)位置的均勻圖等，也可以表現(xiàn)為不帶地理信息的系統(tǒng)單線圖等。這些組合往往需要根據(jù)主題的需求進(jìn)行選擇，如帶精確地理信息的底圖，即由地理位置如經(jīng)緯度的地理信息底圖與設(shè)備及接線地理延布圖所構(gòu)成；此類底圖只適用于與檢修、派工相關(guān)的專題。

3．4態(tài)勢(shì)表現(xiàn)圖

所有態(tài)勢(shì)感應(yīng)、感知、態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)圖均是在研究對(duì)象的分布面即態(tài)勢(shì)底圖的基礎(chǔ)上，對(duì)某一時(shí)刻、某一參數(shù)或指標(biāo)的形勢(shì)進(jìn)行其圖形繪制的，分別稱為感應(yīng)圖、感知圖、預(yù)測(cè)圖，統(tǒng)稱為態(tài)勢(shì)表現(xiàn)圖。態(tài)勢(shì)圖由態(tài)勢(shì)底圖疊加態(tài)勢(shì)感應(yīng)、感知或預(yù)測(cè)圖形構(gòu)成。這些態(tài)勢(shì)表現(xiàn)圖又可分類為如下幾種。1）點(diǎn)線態(tài)勢(shì)圖：主要是態(tài)勢(shì)底圖的研究對(duì)象的點(diǎn)（如電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)）、線（如電網(wǎng)支線）為態(tài)勢(shì)渲染目標(biāo)，點(diǎn)渲染包括在節(jié)點(diǎn)上展示該節(jié)點(diǎn)的顏色、越限點(diǎn)閃絡(luò)或增設(shè)柱形標(biāo)志、圓餅標(biāo)志等方式，線渲染包括在線的中部位置加載動(dòng)畫箭頭、線顏色、線粗細(xì)方式或增設(shè)柱形、圓餅等標(biāo)志展示。如果對(duì)所有態(tài)勢(shì)底圖上的點(diǎn)、線都做渲染，可能使得識(shí)別率降低，因此一般點(diǎn)線需做篩選。要注意的是，點(diǎn)線渲染方式也存在一定的遮掩問題，需要在態(tài)勢(shì)底圖制作或渲染選擇時(shí)進(jìn)行優(yōu)化選擇和設(shè)計(jì)。2）二維面等高線圖、二維管道等高線圖：前者在整個(gè)態(tài)勢(shì)底圖上進(jìn)行等高線繪制和著色，后者僅在線路兩側(cè)形成一定寬度的區(qū)域進(jìn)行等高線繪制和著色。3）三維地貌圖：三維地貌圖與等高線圖類似，但二維等高線圖沒有三維地貌圖的遮擋問題，為解決三維地貌圖的遮擋問題，必須引入圖形旋轉(zhuǎn)，因此，三維地貌圖盡管可立體和直觀化，但制作成本更為巨大，因此應(yīng)用比較少；同時(shí)，二維等高線圖可以結(jié)合點(diǎn)線態(tài)勢(shì)渲染，因此應(yīng)用效果更好。在許多場(chǎng)合，態(tài)勢(shì)感應(yīng)與態(tài)勢(shì)感知必須同時(shí)展示，比如點(diǎn)線渲染時(shí)，常以點(diǎn)限制值、線限制值，或以實(shí)際感應(yīng)值與目標(biāo)值的對(duì)比，來感知目前形勢(shì)與理想形勢(shì)或危險(xiǎn)形勢(shì)的距離。

3．5感應(yīng)圖、感知圖和底圖的嚴(yán)重依賴關(guān)系

需要強(qiáng)調(diào)指出的是，對(duì)于大部分感應(yīng)圖，如電壓等高線圖等，嚴(yán)重依賴于其電壓節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，或底圖的布局布線，因此感應(yīng)圖嚴(yán)重依賴于底圖；同樣，感知圖不僅嚴(yán)重依賴于底圖，也依賴于感應(yīng)圖，因?yàn)樵S多感知基于對(duì)感應(yīng)圖的挖掘和分析的結(jié)果。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，一段架空線路以直線圖形作為其態(tài)勢(shì)底圖和以實(shí)際彎曲線作為其態(tài)勢(shì)底圖的電壓與線路長(zhǎng)度的感應(yīng)或感知圖形態(tài)勢(shì)。

3．6態(tài)勢(shì)感知可視化對(duì)象建模

態(tài)勢(shì)感知可視化的統(tǒng)一建模語言（UML）建模。

3．7態(tài)勢(shì)計(jì)算及預(yù)測(cè)算法

1）態(tài)勢(shì)感應(yīng)算法。由于量測(cè)需要投資和運(yùn)行成本，因此，一般采用基于物理系統(tǒng)可觀察原則配置量測(cè)設(shè)備，并按物理系統(tǒng)本身物理規(guī)律，獲取其全貌的其他量；對(duì)于電力系統(tǒng)而言，潮流計(jì)算、狀態(tài)估計(jì)、短路計(jì)算、熱動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)計(jì)算等都是態(tài)勢(shì)感應(yīng)的主要算法。2）態(tài)勢(shì)感知算法，其輸入除了量測(cè)數(shù)據(jù)以及按照量測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算獲取的計(jì)算量等整個(gè)感應(yīng)數(shù)據(jù)外，也包括從感應(yīng)圖形提煉的信息；而后者可能挖掘出更多表明態(tài)勢(shì)規(guī)律的信息。3）態(tài)勢(shì)感應(yīng)預(yù)測(cè)算法。該算法與態(tài)勢(shì)感應(yīng)算法類似，即對(duì)所有的量測(cè)量采用預(yù)測(cè)方式或計(jì)劃運(yùn)行方式等獲取。例如：預(yù)測(cè)期是未來的一天，則日前一般能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)第2天的負(fù)荷過程，開關(guān)過程可能按照日前的電網(wǎng)計(jì)劃運(yùn)行方式獲取；如果第2天存在涉及態(tài)勢(shì)底圖的計(jì)劃變更，也應(yīng)該考慮在內(nèi)，詳細(xì)內(nèi)容在第5節(jié)還有描述。4）態(tài)勢(shì)感知預(yù)測(cè)算法。該算法與態(tài)勢(shì)感知算法類似，基于預(yù)測(cè)的態(tài)勢(shì)感應(yīng)以及預(yù)測(cè)態(tài)勢(shì)感應(yīng)圖，進(jìn)行態(tài)勢(shì)感知預(yù)測(cè)。

4態(tài)勢(shì)圖生成、動(dòng)畫播放、存儲(chǔ)機(jī)制

4．1態(tài)勢(shì)圖的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)展示方式

所謂靜態(tài)態(tài)勢(shì)圖，是指實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)圖在某一時(shí)刻的快照或圖片展示。如果這些靜態(tài)態(tài)勢(shì)圖按照時(shí)間滾動(dòng)連續(xù)地展現(xiàn)其隨時(shí)間的變化過程，就具備動(dòng)畫片播放功能，則會(huì)觀察到態(tài)勢(shì)隨時(shí)間的變化，即動(dòng)態(tài)態(tài)勢(shì)圖的動(dòng)畫展示方式。

4．2圖形自動(dòng)生成算法

給出了態(tài)勢(shì)圖的生成、存儲(chǔ)時(shí)序。有如下4種圖形自動(dòng)生成核心算法。1）態(tài)勢(shì)底圖自動(dòng)生成：主要是按照態(tài)勢(shì)主題設(shè)計(jì)的研究對(duì)象生成一個(gè)能清晰表明研究物體的圖形。2）感應(yīng)圖自動(dòng)生成：根據(jù)量測(cè)量及計(jì)算獲取的感應(yīng)量測(cè)數(shù)據(jù)，生成清晰的感應(yīng)圖。同時(shí)，該算法也用于預(yù)測(cè)感應(yīng)圖的自動(dòng)生成。3）感知圖自動(dòng)生成：根據(jù)計(jì)算的態(tài)勢(shì)感知信息，生成清晰的感知圖。同時(shí)，該算法也用于預(yù)測(cè)感知圖的自動(dòng)生成。4）預(yù)測(cè)底圖自動(dòng)生成：在未來預(yù)測(cè)時(shí)段內(nèi)，如果存在態(tài)勢(shì)底圖的計(jì)劃變更，則底圖應(yīng)該做相應(yīng)地自動(dòng)變更，即預(yù)測(cè)底圖的自動(dòng)生成。

4．3實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)圖

實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)圖由實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)表現(xiàn)圖與最新版本的態(tài)勢(shì)底圖合成。

4．4歷史態(tài)勢(shì)圖及觸發(fā)存儲(chǔ)機(jī)制

歷史態(tài)勢(shì)圖，由觸發(fā)機(jī)制對(duì)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)圖進(jìn)行存儲(chǔ)自動(dòng)形成。設(shè)計(jì)如下3種態(tài)勢(shì)圖觸發(fā)存儲(chǔ)機(jī)制。1）當(dāng)電網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，態(tài)勢(shì)底圖應(yīng)該重新生成；同時(shí)將實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感應(yīng)圖、感知圖命名加時(shí)間戳作為圖形文件擴(kuò)展名存儲(chǔ)，形成歷史態(tài)勢(shì)底圖庫，其中的圖形文件稱為歷史底圖圖片。2）當(dāng)有事件發(fā)生或開關(guān)發(fā)生變位時(shí)，將實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感應(yīng)圖、感知圖命名加時(shí)間戳作為圖形文件擴(kuò)展名存儲(chǔ)。3）定時(shí)存儲(chǔ)，當(dāng)定時(shí)計(jì)數(shù)器翻轉(zhuǎn)時(shí)，將實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感應(yīng)圖、感知圖命名加時(shí)間戳作為圖形文件擴(kuò)展名存儲(chǔ)。后2項(xiàng)存儲(chǔ)的圖形形成歷史態(tài)勢(shì)感應(yīng)圖庫及歷史態(tài)勢(shì)感知圖庫，其中的圖片稱為歷史感應(yīng)圖片、歷史感知圖片。

4．5未來給定時(shí)段的態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)圖生成和刷新

假設(shè)未來態(tài)勢(shì)分析為一天，且未來一天：①可能發(fā)生的開關(guān)變位計(jì)劃已知；②定時(shí)時(shí)段的負(fù)荷已知；③可能發(fā)生靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓蛟O(shè)備參數(shù)變化的時(shí)間已知；則對(duì)未來的定時(shí)時(shí)刻、每個(gè)開關(guān)變位時(shí)刻，以及每個(gè)靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓蛟O(shè)備參數(shù)變化時(shí)刻，均進(jìn)行潮流計(jì)算，同時(shí)對(duì)這些時(shí)刻的態(tài)勢(shì)感知、感應(yīng)圖進(jìn)行計(jì)算并自動(dòng)成圖，并以感應(yīng)、感知圖命名加時(shí)間戳作為圖形文件擴(kuò)展名存儲(chǔ)。對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓膽B(tài)勢(shì)底圖進(jìn)行計(jì)算并自動(dòng)成圖，同時(shí)以態(tài)勢(shì)底圖命名加時(shí)間戳作為圖形文件擴(kuò)展名存儲(chǔ)。以上形成的圖片將存放在專門的預(yù)測(cè)感應(yīng)圖庫和預(yù)測(cè)感知圖庫，其中的圖片稱為預(yù)測(cè)感應(yīng)圖片、預(yù)測(cè)感知圖片。對(duì)于這些預(yù)測(cè)感應(yīng)圖片、預(yù)測(cè)感知圖片，除其本身所帶預(yù)測(cè)的時(shí)刻時(shí)間戳外，還需要增加一個(gè)生成圖片的時(shí)間戳，以記錄其進(jìn)行預(yù)測(cè)的當(dāng)時(shí)時(shí)刻，從而便于未來進(jìn)行預(yù)測(cè)誤差分析。采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的機(jī)制：在下一個(gè)周期中，如果環(huán)境沒有發(fā)生變化，即影響預(yù)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷、開關(guān)位置等均沒有變化，則其預(yù)測(cè)圖片將沿用上一周期生成的預(yù)測(cè)圖片，且只需生成本周期新增一個(gè)定時(shí)周期的預(yù)測(cè)圖片即可，這樣可節(jié)省時(shí)間和存儲(chǔ)空間。如果下一個(gè)周期的預(yù)測(cè)環(huán)境發(fā)生變化，則需要進(jìn)行全周期的預(yù)測(cè)計(jì)算，并重新制作預(yù)測(cè)感應(yīng)圖片、預(yù)測(cè)感知圖片，存儲(chǔ)的圖片的擴(kuò)展名為對(duì)象編號(hào)＋圖片性質(zhì)＋預(yù)測(cè)時(shí)間戳＋修正序號(hào)＋制作時(shí)間戳，這樣可導(dǎo)入：①基于態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)誤差分析；②基于誤差分析的態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)改進(jìn)算法。

4．63個(gè)可視化插件或播放器

1）實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)播放器。最新版本的態(tài)勢(shì)底圖疊加實(shí)時(shí)感應(yīng)圖，形成態(tài)勢(shì)感應(yīng)圖形界面；最新版本的態(tài)勢(shì)底圖疊加實(shí)時(shí)感知圖，形成態(tài)勢(shì)感知圖形界面。2）歷史態(tài)勢(shì)播放器。對(duì)于給定的歷史時(shí)間段，對(duì)歷史底圖圖片、歷史感應(yīng)圖片、歷史感知圖片進(jìn)行檢索、拼接，形成該歷史時(shí)段的連續(xù)圖片，通過歷史態(tài)勢(shì)播放器以動(dòng)畫播放形式進(jìn)行播放。3）預(yù)測(cè)態(tài)勢(shì)播放器。對(duì)于給定的未來預(yù)測(cè)時(shí)間段，對(duì)歷史底圖圖片、歷史感應(yīng)圖片、歷史感知圖片進(jìn)行檢索、拼接，形成該歷史時(shí)段的連續(xù)圖片，通過歷史態(tài)勢(shì)播放器以動(dòng)畫播放形式進(jìn)行播放。

4．7態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)與圖片存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

采用底圖、感應(yīng)圖、感知圖分離的圖片存儲(chǔ)方式最節(jié)省空間，且具有檢索快速、組裝及調(diào)用方便等優(yōu)點(diǎn)。圖片格式可采用可擴(kuò)展矢量圖形（SVG）格式。

5態(tài)勢(shì)圖形設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)

給出了針對(duì)可視化圖形的一些評(píng)估方法。本文從態(tài)勢(shì)圖形角度，提出新的評(píng)估算法。

5．1態(tài)勢(shì)底圖的可識(shí)別度

以電網(wǎng)各類單線圖為例，其識(shí)別的指標(biāo)有：①線路交叉數(shù)量；②節(jié)點(diǎn)布局均勻度；③單線路的最長(zhǎng)距離。

5．2態(tài)勢(shì)表現(xiàn)層的察覺度

等高線圖是山貌圖形的等高線在平面上的投影，因此是一一對(duì)應(yīng)的，可統(tǒng)一采用等高線的察覺度指標(biāo)：①二維等高線的峰、谷個(gè)數(shù)；②等高線數(shù)量；③閉合等高線的彎曲度。若三值數(shù)字較小，表現(xiàn)層的察覺度比較高。

5．3態(tài)勢(shì)表現(xiàn)層的遮掩度

無論是采用3D展示，或在2D平面上加載柱形或約束墻等標(biāo)識(shí)，由于還是平面顯示，要考慮遮掩問題，或采用圖形可旋轉(zhuǎn)方式；這些均增加了圖形生成和展示的難度。另外，除了圖形的清晰度、態(tài)勢(shì)可察覺度外，算法的快速性也是最重要的指標(biāo)。

6結(jié)語

中壓配電網(wǎng)是直接決定用戶供電質(zhì)量和供電可靠性的電網(wǎng)。變電站10kV出線量測(cè)在變電站監(jiān)控中早已存在；隨著公用變壓器終端、專用變壓器終端全覆蓋，中壓配電網(wǎng)末梢的穩(wěn)態(tài)電氣量測(cè)就基本齊全了；同時(shí)，中壓網(wǎng)絡(luò)中的開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、電纜分支箱的遠(yuǎn)方采集也逐漸建立，另外架空線分支也開始安裝帶通信的故障指示儀，因此，中壓配電網(wǎng)靜態(tài)及故障態(tài)的態(tài)勢(shì)感知與態(tài)勢(shì)可視化已逐步具備了條件。利用這些量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行每個(gè)時(shí)間斷面的配電網(wǎng)潮流計(jì)算，可以獲取網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)及線段的電氣量，可以制作即時(shí)態(tài)勢(shì)圖片，并進(jìn)行在線實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)可視化展現(xiàn)。這些即時(shí)態(tài)勢(shì)圖片進(jìn)行帶時(shí)標(biāo)的圖片存儲(chǔ)，或利用歷史量測(cè)數(shù)據(jù)及潮流計(jì)算制作歷史態(tài)勢(shì)圖片，通過歷史給定時(shí)段內(nèi)的態(tài)勢(shì)圖片的合成，可進(jìn)行態(tài)勢(shì)可視化播放或歷史態(tài)勢(shì)反演，以了解和解析歷史態(tài)勢(shì)形成的原因。對(duì)于未來給定時(shí)段（如一天），如已知計(jì)劃停電等與配電網(wǎng)運(yùn)行方式相關(guān)的預(yù)計(jì)操作，并進(jìn)行給定時(shí)間間隔（如15min）的負(fù)荷預(yù)測(cè)，則可進(jìn)行潮流計(jì)算，并制作未來各時(shí)段預(yù)測(cè)態(tài)勢(shì)圖片，再將它們合成，則可進(jìn)行未來態(tài)勢(shì)圖播放，以預(yù)測(cè)未來態(tài)勢(shì)的發(fā)展。為此，專門開發(fā)了基于SVG的配電網(wǎng)態(tài)勢(shì)感知與態(tài)勢(shì)可視化平臺(tái)，并進(jìn)行了應(yīng)用。應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了基于現(xiàn)有地理接線圖或饋線單線圖作為態(tài)勢(shì)底圖的缺陷，因此，嘗試提出了適用于配電網(wǎng)態(tài)勢(shì)分析的以變電站為中心的配電饋線輻射圖形，取得了良好效果，將在后續(xù)文章中詳細(xì)介紹。智能電網(wǎng)態(tài)勢(shì)感知與態(tài)勢(shì)可視化是一個(gè)嶄新的課題，本文在其工程實(shí)踐實(shí)現(xiàn)路徑、關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)的基礎(chǔ)上，嘗試在態(tài)勢(shì)可視化工程應(yīng)用理論和方法上有所突破。

作者：章堅(jiān)民陳昊陳建周明磊莊曉丹陳耀軍單位：杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司信息通信分公司浙江創(chuàng)維自動(dòng)化工程有限公司