基于大屏可视化技术在电网系统中的运行研究

陈行滨， 张羽楠， 陈然， 黄芳芳， 陈强

(1. 国网福建省电力有限公司， 福建， 福州 350000；2. 国网福建省电力有限公司莆田供电公司， 福建， 莆田 351100；3. 国网福建省电力有限公司信息通信分公司， 福建， 福州 350000；4. 国网信通亿力科技有限责任公司， 福建， 福州 350003)

0 引言

电力运行管理是电力管理的关键组成部分，随着电力系统规模的扩大，信息采集、数据运算的工作量也逐渐增大，针对这些海量枯燥的数据，数据可视化技术借助图形将信息展示得既清晰又有效，具有良好的实际应用效果，而单一独立的视图很难呈现全面信息，将多个属性放在同一窗口呈现，可以显著提高工作人员的整体认知，进而提高工作效率，于是可视化大屏应运而生。本文着力设计电力可视化大屏展示方案，力求为提升信息数据的精细化管理水平提供技术手段。

1 总体概述

1.1 电力系统管理现状

电力企业引入的信息化管理软件有：一类是行业外公司开发的面向信息流的管理软件，与电力行业自身特点结合不够紧密；一类是行业内人员自主开发的软件，满足实际需求但扩展性不足，难以大规模推广；还有一类是国外采购软件，虽然短期内觉得功能强大，但扩充困难，很难完全满足需求。电力系统庞大又复杂，对于电网规划设计、调度调控、实际运行等方面，清晰直观的可视化技术显得尤为重要。

1.2 大屏可视化研究现状

电力系统海量的数据信息结构复杂，可视化视图的设计难点不仅仅是独立图表的设计，还有有限窗口内如何展示数据之间深层次的关联关系，基于此，如何将来自多个信息接口的繁琐数据通过可视化模块转化为容易理解，主题清晰的可视化大屏成为研究侧重点，一个良好的大屏应具备数据展示形式丰富、数据分析维度全面、多源头数据接入存储、数据更新实时、产品流程清晰、简单易用的特点，以此减少用户学习成本，提升用户感知。

1.3 系统设计原则

设计电力系统的可视化大屏管理系统时，应着重注意以下原则。

(1) 时效性：无论是统计分析还是预警运算，如果要确保准确性，首先需要依赖最新数据，因此需确保各个信息接口实时接入，保证数据展示实时有效。

(2) 易扩展：大屏管控系统的目的是集成多个接口的数据，因为在设计时需要考虑扩展性，便于新增接口以最小代价最快接入[1]。

(3) 实用性：针对电力系统的运行管理特点，设计实用的系统功能，挖掘不同角色使用者的关注点，确保提供的数据实用且可靠。

(4) 易维护：任何系统设计过程中都要考虑后期维护成本，尽量避免后期需要投入大量人力物力进行维护。

(5) 安全性：电力运营数据设计电网公司人财物等多种敏感信息，除了考虑系统的应用安全之外还需考虑数据安全，账密、权限划分严密，并提供备份及恢复功能。

2 电力可视化大屏应用需求分析

2.1 可视化大屏功能

随着电力业务的发展，单一静态的可视化大屏不能满足系统运行管理需求，因此在设计时将可视化大屏的应用划分如下。

(1) 实时大屏：统计指标设计多个可视化视图，但数据更新间隔不固定，因此做实时展示大屏，实现实时展示的效果。

(2) 大屏轮播：由于展示空间有限，多个可视化大屏会产生轮流播放的需求，由使用者自行设定轮播的大屏以及轮播间隔。

2.2 多数据源接入

由于电力系统的原始数据存储形式多种多样，包括静态文件，也包括多种数据库。因此，系统设计时需要考虑多种数据源的连接方法。

(1) 数据源配置界面：为用户提供选择数据源界面，为开发人员提供API接口。

(2) 实时更新数据表：由于数据库中的数据存在不停更新的可能，为用户提供服务生成实时更新数据表，支持可配置数据指标。

(3) 静态文件：支持多种静态类型的文件上传与保存。

3 关键指标及分析算法

3.1 关键指标

电力数据的可视化管理其实就是利用人体的视觉感知能力结合图形图像、动画技术、色彩对比等技术手段来实现对电力的生产、销售、调度、运维等信息的直观表达，是一种科学管理的方法，也是提高生产效率、决策效率的管理手段[2]。如何确定要展示的关键指标的系统功能能否全面实现的关键，按照时间频度可以划分为实时、按月、按季度、按年(包括半年)等几大类，为满足监测需求，也会按照多种维度进行分解与拆分，本文着重介绍其中的几个关键指标。

(1) 变压器可用系数：报告期内变压器可用小时数与日历时间的比值。

变压器可用系数=

(1)

(2) 调度发受电力：发电电力(发电机极端发电电力)与受电电力(通过联络线交换的电力)的和，包括厂用电和网损。

(3) 负荷率：平均统调用电负荷与最高统调用电负荷的占比，可以反映出负荷的波动程度。

(4) 用电量：电力企业经营区域内全部用户耗用的电量总和，可以反映出区域用电状况。

(5) 平均供电半径(km)：报告期末某一电压等级变电站供电半径的均值。

(2)

3.2 分析方法

针对电力公司的主营业务、资源状态、外界因素等不同指标一般会采用不同的分析方法，既包括定量分析也包括定性分析，也能综合两者，以此判断潜在风险或异常情况。分析方法包括求最大最小值、同比、环比、求和、求平均、回归分析、时序分析等，计算式如下。

(3) 同比分析：(本期值-去年同期值)/去年同期值×100%。

(4) 环比分析：(本期值-上期值)/上期值×100%。

(5) 回归分析：通过对解释变量与被解释变量数据进行统计，确定两者间函数关系后预测未来数据，简单来说就是根据解释变量的已知或者指定值来确定被解释变量所有可能出现的值的均值。

(6) 时序分析：时间序列数据可以进行类似界面数据的回归分析，从过去的变化规律推测未来可能的变化，构建一元回归预测函数Yt=m+nXt。其中，Yt为被解释变量，Xt为解释变量年份，m/n为未知参数，估计公式为

(3)

(4)

4 总体设计

4.1 总体技术架构

电力可视化大屏系统在逻辑架构上可以划分为源系统、数据层、应用层、大屏展示层，具体层次关系如图1所示。

图1 电力可视化大屏技术架构

(1) 源系统：集成各类业务的应用系统接口，进行数据提供及业务应用支持。

(2) 数据层：包括数据中心和流程信息库2大部分，管理结构化、非结构化的海量电力相关数据。对源系统数据进行抽取采集及存储，校验数据准确性、合规性。

(3) 应用层：构建监测、分析、协调、展示4大核心[3]。

(4) 展示层：大屏展示平台，接收实时数据，显示矢量动态画面、可进行界面切换、场景切换、大屏轮播。

4.2 系统功能流程

电力可视化大屏展示系统的功能流程是对各个模块之间交互过程的描述，首先通过多源数据连接获取初始数据，进行分析处理之后组装为可视化数据格式，最终经过个性化配置后进行实时及轮播大屏展示。用户操作流程总结如图2所示。

图2 系统功能流程

4.3 数据库设计

(1) 用户表：存储账密等信息，包括用户名、密码、联系方式、邮箱。

(2) 视图表：存储可视化视图信息，包括视图名称、类型、备注、可视化数据、是否实时、关联用户。

(3) 静态文件表：存储上传文件相关信息，包括名称、描述、关联用户、数据。

(4) 数据源表：存储数据源信息，包括连接名称、类型、地址、端口、用户、密码、关联用户。

(5) 实时数据表：存储实时数据相关信息，包括数据表名称、描述、关联用户、实时指标列表、状态位。

(6) 实时指标：存储相关的实时指标信息，包括指标名称、指标描述、关联用户、来源数据库类型、指标详情。

(7) 大屏表：存储可视化大屏的相关信息，包括关联用户、大屏名称、访问链接、是否加密、加密密码、可视化视图。

(8) 轮播表：存储轮播机制，包括关联用户、名称、轮播间隔、轮播内容。

5 硬件环境

5.1 服务端

应用服务器：CPU 4核

MEM：16G

操作系统：Linux

中间件：Tomcat

数据库服务器：CPU 4核

MEM：16G硬盘1T

数据库：Oracle 11 g、MySQL

5.2 客户端

CPU 4核 2.5 GHz以上

MEM：8G

磁盘：100G

网卡：1 000M

显卡：1G独立显卡

6 软件功能详细设计与实现

6.1 实时大屏

电力系统的数据随时都在变化，实时大屏主要目的是实现数据的实时更新，用户操作流程如图3所示。

图3 实时大屏用户操作流程

传统实时更新是设置查询间隔定时发送查询请求，但电力系统的一个实时指标可以出现在多张实时数据表中，如果每个视图都需要主动查询实际是一种资源浪费，而且电力数据不断在更新，时长并不固定。因此本文采用Websocket模式，服务端与客户端连接成功后，服务端会监听connection及connect事件，客户端会监听到connect事件，断开时也会同时监听到disconnect事件，基于这种机制，数据库数据发生更新后可由服务端主动通知客户端，确保实时自动更新[4-5]。

6.2 大屏轮播

大屏轮播采用Vue框架及Webpack延迟加载相结合的方式实现，由于包含多个可视化大屏，如果只发送一次请求，可能导致服务器响应慢或加载慢的问题，影响用户体验。为减小轮播的首屏时间，将一次请求的内容通过提前设置逻辑分割点来发送单独模块的请求。需要展示或即将展示时才发送请求，提升服务器响应速度。延迟加载函数为ConstlazyComponent = () => import(‘screen.vue’)；

轮播实现机制如图4所示。

图4 可视化大屏轮播实现

7 测试验证

本文设计的电力可视化大屏展示在南方某供电局进行了实地部署，并对数据源以及实时指标的增删改查、静态文件上传、可视化视图生成/保存、视图类型切换、大屏视图配置查看、轮播配置、实际轮播效果都进行了功能测试，并观察占用内存、大屏加载速度等性能测试，结果表明，功能测试以及性能测试均符合原有预期，实现目标需求[6]。

8 总结

本文研究电力系统管理现状，分析了电力可视化大屏的需求要点，确定相关关键指标及分析算法，设计了电力系统可视化大屏展示方案，对实时大屏及轮播机制实现都做了详细阐述，但在异动预警、多源数据接口规范方面研究不够深入，待后续进一步探索。