基于电网监控的可视化控制系统研究及应用

吕 霏，马 强，雷 鸣，王银照，杜鹏程

（国网山东省电力公司，山东 济南 250001）

基于电网监控的可视化控制系统研究及应用

吕 霏，马 强，雷 鸣，王银照，杜鹏程

（国网山东省电力公司，山东 济南 250001）

为满足电力调控中心对电网运行信息的展示需求，并解决传统可视化控制系统在灵活性、交互性、扩展性方面的问题，结合当前最新的可视化控制系统技术，采用一体化控制、高清展示、模块化控制等技术，提出一种基于电网监控的可视化控制系统架构。该系统为调控人员提供了高分辨率的点对点可视化画面展示，画面组合灵活，操作控制便捷，易于扩展维护，系统运行稳定。该系统已在省级调控中心成功应用，其可行性和适用性得到了验证。

电网监控；可视化控制；电网综合信息；一体化控制

0 引言

电力系统运行时，对电网进行调度指挥和运行监控，需要接收、存储、处理、展示大量的电网运行信息。调控运行人员通过可视化大屏幕来获得各种重要信息，实现调度技术支持系统及不同安全分区的计算机、网络、视频等信号的集中显示，以满足系统安全稳定运行的要求。

电网信息可视化控制系统经过多年的发展，已经取得了一些成果：实现了详细的地理潮流图形、电压等高线图形、无功优化模型等的实时展示［1-3］；图形表现方式有了多元化的发展趋势，能够更有效地展示各类信息［4-7］；能够应用智能辅助决策系统对电网故障进行高精度定位和直观展示，为故障处置提供高效技术支持［8］；此外，可视化控制系统在特高压电网、地铁供电网中也逐渐被广泛研究与应用［9-11］。目前研究均为关于电网运行信息的图形可视化展示，缺乏对可视化控制系统的研究。而电网监控信息的可视化展示形式、展示画面效果的进一步提升，尚需要一个新型的可视化控制系统进行支撑。为使可视化控制系统运行更加稳定、可靠、便捷，对系统的各种高级应用功能提供有力支撑，基于模块化开发的思想，对可视化控制系统进行研究与设计，有利于可视化展示形式和展示画面的实现。

1 传统可视化控制系统架构

传统可视化控制系统的架构如图1所示，工作站信号经过级联控制器，分别传送至对应处理器上，经处理后送至大屏幕进行展示。

图1 传统可视化控制系统架构

这种架构存在以下问题：处理器与屏幕之间一一对应，任一处理器出现故障，都将直接影响对应屏幕的展示效果；可视化控制系统工作站和大屏幕处理器只能传送低分辨率信号；人机交互功能薄弱，屏幕展示方案固定，操作控制方式单一，不能灵活地按照要求实现个性化定制，如需调整展示方案，需从软件层面进行二次开发；采用DVI线缆进行信号传输，不支持光纤，传输距离短，架构难以进行扩容，扩展性较差。

随着信息技术的不断发展和用户需求的不断提高，该系统在信号清晰度、展示灵活性、系统可扩展性等多个方面已不能完全满足用户需求。为了实现可视化展示平台的高清显示，以及展示内容的按需组合、灵活操作、模块化控制和自定义扩展，需要对原有的可视化展示平台进行升级改造。

2 新型可视化控制系统设计原则

新型可视化控制系统的设计是为了实现信号源统一管控和展示，满足实用性、可靠性、扩展性、安全性、灵活性的要求。

实用性。系统的建设以实用性为基本原则。系统功能满足监、控、查、管、用的基本要求，硬件和软件平台界面友好、易学易用、使用方便、图像清晰；采用统一的系统标准和通信协议，使整个系统中各个子系统间能互联互控，充分发挥整个系统的功能。

可靠性。系统运行稳定可靠，关键部件需双重化配置，重要数据及时备份，如有异常情况发生，可做到及时有效地恢复。为了保证系统的完整性、正确性和可恢复性，系统的不稳定因素要从硬件、软件系统协同运行中给予充分的防止。

扩展性。扩展性原则主要体现在系统横向和纵向的扩展能力上。系统在横向扩展方面，在满足当前展示需求的基础上可方便的扩展容量，实现更大容量的可视化控制系统。在纵向扩展方面，系统具有良好的兼容性和通用的软硬件接口，用户可在其基础上进行二次功能开发。

安全性。系统在前期设计过程中充分考虑安全要求。保证对全部数据信息的安全性管理和应用，确保整个系统数据充分安全，并对关键数据实施特殊保护。数据传输网络的建设需符合国家电网公司“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”等相关规定。

灵活性。用户可以根据具体的可视化展示需求，对不同的信号源进行灵活接入。根据信号传输实际距离的不同，采用SDI、双绞线或光纤方式进行信号传输，保证系统信号源采集的多样化，实现对信号源的多模式应用管理。

3 新型可视化控制系统架构

系统架构如图2所示，分为前端采集层、中心处理层、后端显示层。

图2 系统架构

3.1 前端采集层

前端采集层主要完成电网各种数据的绘制与渲染，将数据转换为展示信号，支持高分辨率信号输出，可以实现数据展示画面的点对点显示。

前端采集层由6台高性能工作站组成，对电网各类数据信息分别进行处理，其中4台工作站均可输出16路高分辨率信号，另外2台工作站可输出16路低分辨率信号。工作站选用8核2.9GHz CPU两块，64 GB内存，240 GB固态硬盘，2 TB企业级7200SATA3硬盘，保证了流畅的图形输出，并且具有低噪音，散热效果好的特点。

3.2 中心处理层

中心处理层完成展示信息到可视化大屏幕的处理和分配，处理器采用一主一备模式。主控大屏幕处理器实现所有高分辨率信号及低分辨率信号接入，具备信号管理及触控控制功能，可接入20路高分辨率信号和60路低分辨率信号源，支持连续不间断运行，如遇故障，可立即启用备用处理器，24 h内实现系统恢复。级联控制器通过光纤直连主、备控制器，实现输入信号的复用。传输线中传输距离长的一律采用光纤方式，传输距离短的用DVI线缆保证专业接线上柜。

中心处理层的主控处理器采用FPGA硬件架构、标准化机箱设计、Crosspoint总线技术、刀片式板卡设计，实现了高清信号的无缝切换。

FPGA硬件架构。信号处理设备采用全硬件FPGA架构，内部自建核心运算机制，图像处理性能优异。无内嵌操作系统，启动速度快（约5 s），避免了工控机式设备的死机、硬件冲突、蓝屏、计算机病毒等缺陷。平均无故障工作时间大于30 000 h，稳定性高，能够适应调控中心等部门对系统性能日益严格的要求。

标准化机箱设计。设备箱体尺寸采用符合ANST/EIA RS-310-C/D标准的机箱设计，安装简便，结构稳定。标准的机架式设计使得布线更加便捷、美观，标准的工业化尺寸更加便于大规模设备的安装和部署。

Crosspoint总线技术。主板采用巨量数据交换芯片技术和高速宽带总线，彻底根除了总线带宽低下引起的拼接系统显示卡顿且不稳定等问题。多屏处理器采用Crosspoint全交叉调度架构高速数据传输技术，底层数据传输由数据调度芯片控制，每路信号独享专用通道进行传输，保证了所有信号图像的完全实时显示，信号显示速度达到60帧/s。

刀片式板卡设计。输入采集卡、输出卡、切换卡、控制卡、风扇、电源等主要模块均为插卡式设计。使用和维护方便，输入、输出板卡支持工作状态下热插拔，无需重启或刷新设备，不会对其他信号显示造成影响，不会造成设备的工作状态异常，真正实现板卡的“即时在线切换”。

无缝切换。数字视频综合平台基于FPGA纯硬件架构和Crosspoint总线处理技术，并基于芯片性能对硬件代码进行了进一步优化，使得芯片能够发挥到最优性能，避免了信号切换时的黑场现象，实现对高清可视化信号真正意义上的无缝切换。

3.3 后端显示层

后端显示层将经过处理器分配的信号显示到可视化大屏幕上。可视化大屏幕由9×3块Barco屏幕拼接而成，单屏分辨率1440×1080，如图3所示。多路高清信号拼接成与大屏幕分辨率一致的输出画面，且各画面之间可以根据需要通过无线移动控制终端进行切换。

图3 后端显示大屏幕示意

4 系统实现

按照上述设计原则和系统架构，在电力调控中心建立了基于电网监控的可视化控制系统，并投入使用。

新的基于电网监控的可视化控制系统采用移动终端式人机交互平台。配合无线路由器、交换机、集中控制服务器实现系统的集中控制。可视化展示程序部署到可视化工作站上，通过可视化控制系统展示在大屏幕上，实现集调度、监控、多维分析、运行指标、参观汇报等为一体的信息可视化展示，实现展示内容模块化、高清化，大屏幕控制智能化、移动化。

人机交互平台基于系统双向控制、多点触控等技术，从统筹、指挥、管理的角度出发，根据电网调控人员的需要，实现了灵活显示，便捷触控，快速调用，拓扑生成，中控管理等功能。

灵活显示。各信号画面可在屏幕上进行任意叠加、缩放、漫游、分割。根据屏幕规模及显示需求，调控人员可对信号窗口进行自定义布局规划，达到多样化的展示布局，如图4所示。

图4 自定义展示布局

便捷触控。系统可通过移动终端实现所有控制功能，包括信号窗口开关、缩放、移动等，支持多点触控，操作简易便捷。如图5所示，在两个信号选择区内选择信号源，并通过触屏拖拽的方式移动到展示效果区，此时大屏幕上的展示画面会发生对应的变化。

图5 便捷触控效果示意图

快速调用。系统支持用户将多个信号窗口保存为自定义显示方案，如图6所示。调控人员可通过移动终端实现对自定义显示方案的快速调用，并通过视频源检索功能，对全部信号源进行预览、管理和调用。

图6 快速调用预案

拓扑生成。可视化控制系统可以根据实际的硬件设备连接链路，直接在相应的软件界面端生成相应的拓扑结构，对相应的图标进行点击操作，可以直接在设备管理界面进行相应的管理操作。相应的设备拓扑结构如图7所示。

图7 设备拓扑结构

中控管理。可视化系统软件配合相应的前端中控模块硬件，可以统一管理视频信号设备、音频设备、显示设备、门禁、灯光、窗帘等所有支持设备。支持串口、红外、网络等多种控制方式。

新型可视化控制系统实现了上述多种功能，从系统架构上解决了传统可视化控制系统展示方案固化、操作控制繁琐、系统调用缓慢、扩展性差等问题，为可视化画面展示方案的进一步优化、展示效果的进一步提升提供了技术支撑。

5 结语

以调控中心对电网信息的展示需求为导向，结合当前最新的可视化系统控制技术，将各种重要的信息在可视化大屏幕上清晰直观快速地进行展示，为调控人员的决策与工作提供真实可信的数据指导，使调控人员在很大程度上降低了误判断、误操作、误下令的可能性。提出的基于电网监控的可视化控制系统实现了模块化的展示方案，实现各个展示模块的自由移动、放缩等操作，实现模块在大屏幕上的任意拼接，根据展示需求，快速、灵活地配置展示方案。系统具有实用性、可靠性、扩展性、安全性、灵活性的特点，画面组合灵活，操作控制方便，系统运行稳定。

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［5］李刚，李善综，程春田，等.电网检修计划编制的智能可视化方法及应用［J］.电力系统保护与控制，2012，40（13）：145-150.

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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

吕 霏（1987），男，工程师，从事电力系统运行与调度等工作。