基于信息机房的可视化电力调度在电力企业自动化设计中的运用

郑超雷，史奎山，陈江尧

（浙江华云信息科技有限公司，浙江杭州 310012）

信息，通常泛指所有经由通信、存储或处理的形式处理的传播内容；机房，在传统意义上为传统工业生产的场所，随着社会的进步，机房的定义已变迁为在通信、电力等领域用于机器集中运作的空间，一般指存放相关服务器以及设备的地方[1]。信息机房可以认为是一个采集信息，并将信息经过处理后向外部传递，同时又将该信息进行自身保留的场地化信息设备[2-3]，该设备涵盖了服务器、电脑、交换机及备用电源等。随着科学技术的进步，信息机房内的相关设备种类越来越多样化，机房内部的场地及用能规模也在同步扩大，日趋庞大且复杂的信息机房若发生故障，极可能造成正常的数据采集、输送、保存过程中断，会给电力单位乃至当地的制造企业造成很大的经济损失[4-6]。

近年来可视化技术在中国电力自动化领域中得到了大力的发展，现已成为电力系统中电力调度以及稳态运行监控的重要辅助方式[7-8]。在宏观电力调度层面，已有部分研究人员对它进行了研究，文献[9]中认为电力调度可以以智能机器调度员理论为基础展开设计，相比传统人力，该理论中的智能机器调度员的自学习能力及自适应能力在电力调度中都具备明显的优势。文献[10]提到一种可视化技术的架构，该可视化技术架构的主要用途为提供智能化服务。但受限于当时的科技水平，且当时社会对电力稳定性的要求并不高，因此该架构的提出并没有取得理想的效果。

文献[11]对电力调度自动化系统进行了研究，在该研究中，分别将图像、模型及数据信息相结合，共同融入到电力调度自动化系统中，完成了可视化电力调度在某省级行政区域电网自动化设计的应用及过程的分析。文献[12]研究了一种针对输电网管理的控制理论，对电网电力调控手段及电力调控的管理2 方面进行了分析，提出将信息机房作为电力调控及管理中心。文献[13]通过研究电网行业的发展趋势，分析了可视化技术对电力系统正常运行的重要性，阐述了可视化技术架构的应用。文献[14]提出了电力系统设备的在线监测概念，认为可以将可视化技术引入到电力设备的日常监测和维运中，提高电力调度系统的调度效率的同时，同步促进工作人员管理策略的及时更改。

综合来看，大量的研究和实践都聚焦于将可视化的技术手段应用在电力企业宏观电力调度架构的分析上，尚未有更细的设计和应用实践——将可视化技术与信息机房相结合，共同作用于电力企业自动化设计中。

本文通过分析信息机房的可视化电力调度在电力企业自动化设计中的运用，阐释了可视化技术在信息机房电力调度中的重要性，并在研究过程中，分析可视化技术在电力系统信息机房中实现的方法，为电力调度系统的正常运行提供理论依据和技术支持。

1 信息机房设备数据采集技术架构

信息机房可以认为是一个采集信息，并将信息经过处理后向外部传递，同时又将该信息进行自身保留的场地化信息设备。

虽然信息机房涵盖了服务器、电脑、交换机以及备用电源等物理硬件，它在电力自动化过程中通常被视作一个完整的运行模块。从数据流向角度着手，采用信息采集端与信息处理端相分离的方式，设计了一种应用于信息机房的跨区、兼容采集流程，结合采集管理器、Prometheus 采集中心、采集器以及文件交换组件4 个子模块[15]完成数据流动和管理，具体内容如图1 所示。

图1 信息机房设备数据采集流程图

由图1 可知，I区网络Prometheus 采集中心汇总各个采集点所采集到的信息，并将汇总的信息传送到采集管理器中，采集管理器对传送上来的数据信息进行读取；I区网络的采集管理器将读取到的信息提交给交换目录。III区网络中的Prometheus 采集中心对自区各采集点信息进行汇总，并将汇总的信息传送到采集管理器中，由III区交换目录对自区采集管理器数据信息进行读取并接受采集管理器配置。

2 个网络区域的交换目录通过隔离装置进行文件交换。III区交换目录获取到I区交换目录传送数据后进行数据处理。III区网络的采集管理器获取交换来的数据信息后及时上报给数据库，准时完成数据的存储任务。

2 机房可视化电力调度系统概述

2.1 系统需求分析

提高电力系统的效率是开展电力自动化设计的首要考虑因素，将可视化运维融合入电力调控系统设计中，一方面能直观获取数据变化，另一方面能够结合数据分析支撑决策，高效体现当前实体系统的配置可行性和性能情况[16]。

针对电力调控系统信息机房的可视化设计，可以在界面中重点实现数据流向和实体机组的线上数字孪生映射、集成化控制等功能。

2.2 系统功能模块设计

在系统需求分析的基础上，完成电力自动化系统的功能模块的划分，如图2 所示。

图2 电力自动化系统功能

电力自动化系统一共涵盖了7 大方向内容，分别为监控、告警、配置、统计分析、安全、维护和系统管理模块[17]。本文设计在电力自动化系统信息机房中的分区数据来源同样出自上述7 个方向的模块建设，分别是：①实时监控模块。信息机房中涵盖多套复合关联组件，且设备数量较多，因此对信息机房内部的各类各处组件进行实时监控尤为重要。通过实时监测模块检测机房内部的设备实时运行质量，同时排查存在火灾隐患区域、定期监测灰尘堆积和静电情况等。②告警管理模块。当机房内部出现不安全因素时，告警管理模块对报警事项进行评定，如果确定为不安全因素，则进行告警提示，并在告警后通过显示器画面提示不安全因素产生的具体位置。③配置管理模块。该模块可通过机房中设备的计算承载、功耗和容量等信息分析设备运行的状态。④数据统计与分析模块。该模块对信息机房中各种设备的运行状态以及数据信息进行汇总，形成相关的数据报表、图像报表及数字孪生图像。⑤安全管理模块。该模块可通过数据统计与分析模块生成相关的数据报表或图像报表，分析确定系统存在危险的隐患位置及最佳处置决策，快速配置安全管理资源。⑥维护管理模块。工作人员在系统中提前设定系统的巡视路线和周期，一旦发现存在隐患的区域，则通过维护管理模块进行维稳处理。⑦系统管理模块。该模块可对系统进行管理，具体的管理内容包括工作人员事务处理的权限设置、系统日常维稳事项等。

2.3 系统软件架构设计

各个模块发挥效用还需要对自动化系统的软件部分进行设计[18]，本文设计的软件架构采用了3 层式（3-tier）区分设计，具体如图3 所示。

图3 系统软件设计形式

用户界面层用于体现接口界面以及显示器的界面情况；中间的业务逻辑层负责对下一层采集的数据进行处理，同时将信息传递给上一层；数据访问层采用DAO Interface 和DAO Factory 对机房信息进行获取。

3 机房可视化电力调度系统实现

3.1 场景分割算法

在信息机房可视化电力调度的过程中，最关键的是“可视”，“可视”离不开对信息机房的场景管理。本文利用数字孪生技术，运用三维图像综合模拟机房内静态、动态实体，以及机房及其内部设备关联耦合情况。传统的三维图像模拟对此类复杂场景的线上映射处理较为困难，因此本设计中引入了场景分割算法，帮助解决三维场景模拟的用时及内容细化问题[19-20]。

在进行场景分割前，先完成信息机房的可视化流程梳理。信息机房相关的原始数据经由特定公式进行数据变换，输出结构化数据表后，进一步可视化映射转化形成用于三维图形化的可视化基础结构，最后通过视图变化与关联构建，形成用户可见视图。实现步骤如图4 所示。

图4 信息机房可视化步骤

因电力调度信息机房内设备繁杂，且运维过程的交互关系，普通的管理算法的模拟效果并不理想。因此，在本文设计的信息机房可视化技术中使用了代价函数法帮助进行场景分割，用代价函数法获取整个场景分割算法训练集中的所有数据误差的平均值，同时加入防止过拟合的正则化项，快速找到最优解。在确定代价函数后，进一步为空间分割算法确定分割因子，具体示意图如图5 所示。

图5 空间场景分割示意图

由图5 可知，V（AABB）代表空间被AABB 盒场景覆盖，并在X、Y、Z这3 个坐标轴的距离分别为lx、ly、lz，盒V（AABB）中心在三维坐标系内的坐标是O（Ox，Oy，Oz）。假设从穿越盒V（AABB）中心垂直X、O、Z平面，分割平面向左向右的2 部分，分别是Vl、Vr。因此坐标中心到分割平面的距离为x，Vl、Vr的表面积用S（Vl）和S（Vr）来表示。如果空间内有2 个相互平行的光线，则该光线投入两侧空间的概率可用Pl、Pr来表示：

在此计算过程中，会损耗一定的计算资源，该计算资源可用代价函数C（V）来表示。假设信息机房的环境用Ct来表示，该环境中各个点、线、面的相关交叠过程中，所产生的代价为Ci，则空间代价可用公式表示为C（V）=Ct+Pl×C（Vl）+Pr×C（Vr）。

场景分割过程中，要实现对实物的监控，则需在物品单位的基础上，关注机房内物体的完整情况，所以分割因子的确定很关键。如果环境中有V1，V2，…，Vm个包围盒时，此时要计算出空间分割代价函数，计算它在横向轴上面的偏导：

偏导数凸显了代价函数在横向上的变化速率，加强了分割平面的选取效率。

调度效率η可通过下式求出：

式中：k为耦合因子的数值，可表示传递速率；DSГГ为电力调度能量损耗速率的数值。调度效率值与电力调度速度以及自动化系统调度性能成正相关的关系。

通过以上公式可获取信息机房数据流的效率情况。

3.2 三维可视化场景建模

3.2.1 单棒图

在信息机房管理中，单棒图可促进工作人员对信息机房运行状态的感知，通过展示信息机房电力调度的图形化数据，帮助工作人员编制电力调度策略和信息机房管理策略。但单棒图也存在缺陷，如单棒图属于二维技术，它形成的场景模拟图像属于非立体图像，且图像画质较为模糊，在其环境管理图像中，工作人员无法查看机房内部设备的详细信息。为了改善这一问题，可以将三维可视化技术融入其中，通过单棒图体现机房环境的相关指标，并利用单棒图体现设备的无功备用状态，以中间高度和总高度确定设备的容载量和运行状态。该做法的好处为可在不需要图元类型选择的基础上体现图元结构，从整体来看，提高了信息机房电力调度的效率。在坐标属性中分析未体现的数值与图像的区别，并将数值进行顺序列队，可以直观体现队列主棒和副棒之间的差异性。当无需区分未体现的数值与图像的区别时，可通过显示器体现三维单棒图，并在图像中凸显棒的最大值，确定棒的最大值的三维占比。单棒图无论是单一图元还是整个图形都可以进行旋转查看。

3.2.2 图形三维旋转

为实现数据形成图像的旋转功能，以此为基础预判设备故障，本文采用了图形三维旋转技术。该技术在去除设备安全隐患方面有突出的优势，不仅可实时监测机房电力调度的各类数据，还可将数据进行旋转，工作人员可全方位查看数据以及设备的运行状态。该技术所用的计算方式为变化法。三维旋转示意图如图6所示。观察三维旋转角度，由逆时针方向开始模型转动的过程中，B为正数，而在顺时针方向模型转动的过程中，B为负数，因此可得基本坐标公式。

图6 三维旋转示意图

当单一图像经过旋转后，形成一个新的图形，坐标原点和三条坐标轴不变；变更了三维图形的信息后，坐标也会出现相应变化。工作人员则需要将新的图形进行类型确认，新的坐标也要进行相应计算，确认新的图元。在实际的模拟计算中，可通过图元类型以及字符进行再次模拟，将点、线、图相连接，形成一个新的旋转图像，此时新旋转图中的定点和交点会进行变换，变成一个更为立体的三维图像，方便工作人员对设备状态进行分析。

3.2.3 三维可视化场景建模

虽然二维可视化技术用途较为广泛，可以对负责的数据进行最基本的处理，有一定的数据直观性，能为电力调度策略的制定提供部分依据，但是利用二维可视化技术形成的场景模拟图像并不是立体图像，且图像画质较为模糊，在其环境管理图像中，工作人员无法获取包括内部设备状态等在内的详细信息。因此，可以将三维可视化技术与单棒图相结合，将信息机房内部相关设备的无功备用情况、安全隐患以及运行分析等进行三维化体现，可以利用各图形的相对空间位置和相对长度来模拟设备的实体。

为了更加直观体现机房内部情况，在本文算法的基础上，建立信息机房内部环境的可视化平面模型。本文利用上述的算法及技术手段对电力自动化系统的软硬件进行了设计，重点实现对设备全生命周期的资源容量、系统承载、能耗等的日常管理，并在此基础上尽可能提升机房内部设备性能，同时基于各项信息数据优化效率，加强电力调度体系及电力系统线路稳定性。

三维场景组织如图7 所示。

图7 三维场景组织图

三维可视化技术关键点为通过三维技术构建机房内场景，确定场景内环境的交互性。其技术步骤如下：通过场景包围盒体现三维可视化运维场景，建立代价函数，通过代价函数分割场景，完成含有三维可视化技术接口通信的三维场景模型，通过接口通信实现运维以及电力调度的可视化工作。通过以上步骤，可以获得场景组织。

根据实物状态量或目标值与动态实物动作量之间的关联情况及数据表征，工作人员进行针对性的电力调度决策介入。其中，为实现动作可行性评估以及对机房内调度设备动作空间的规范，采用式（1）—式（3）进行算法补充，具体如下：

式中：sj为第j个状态变量；xi为第i个决策变量；为算法针对xi正向调整的决策动作空间；为算法针对xi负向调整的决策动作空间。

控制量和状态量之间存在定量数学关系，为：

式中：gj（x）为状态变量sj与决策向量x之间的定量关系函数；ωij为第i个可控制变量xi与第j个状态变量sj之间的先行相关权重值。

工作人员需要将电力调度决策的难度和复杂程度降低，可进一步细化具体的动作值，提高电力调度的决策精度。

4 结果与分析

4.1 实验环境

以某市变电站的机房可视化电力调度系统为研究对象，部署以下环境，评估电力调度可视化结果。

服务实现平台为MyEclipse_4.0.0.0，JDK 为JDK1.8.32，Web 服务框架为JAX-WS+JAXB，服务部署服务器为Weblogic 12cR2，JMS 服务器为Weblogic 12cR2，服务总线为 Oracle Service Bus 11gR1（11.1.1.7.0），UDDIServer 为Weblogic 12cR2。

4.2 系统有效性分析

为验证信息机房可视化的电力调度体系在维持电压稳定性方面具有良好的优势，本章节根据调度维持后电压失衡情况开展设计，对电力调度系统增益性进行验证，从3D 模型构建效率和资源占用情况进行验证。对2020 年中国某城市电力调度线路电压失衡情况进行测试。横向对比二维可视化技术、Shape Coding可视化技术以及本文的三维可视化技术下的3 种电力调度系统，对电压失衡情况在某一时间段的发生率进行实验，电压失衡测试结果如表1 所示。

表1 电压失衡测试结果 单位：%

由表1 可知，和无任何维稳措施下的电压失衡发生率相比，利用Shape Coding 可视化电力调度系统对线路进行维稳处理后，其电压失衡发生率均在22.8%以上；利用二维可视化电力调度系统对线路进行维稳处理后，其电压失衡发生率均在25.7%以上；而采用本文提出的三维可视化电力调度系统对线路进行维稳处理后，其电压失衡发生率最低为7.6%，最高为12.7%。由此可见，本文设计的系统在降低电压失衡发生率方面有明显的优势。

4.3 系统调度效率分析

为了验证本文系统在调度效率方面的有效性，需对电力调度效率进行对比分析。当调度距离增加时，对整个电力调度的速率会产生一定的影响，此时系统性能越好，则影响越小。采用二维可视化电力调度系统、Shape Coding 可视化电力调度系统以及本文系统进行电力调度效率比较，其比较结果如图8 所示。

图8 电力调度效率比较结果

由图8 可知，随着调度距离增加，二维可视化电力调度系统的整体调度效率曲线先升后降，且最高调度效率为17%；Shape Coding 可视化电力调度系统的整体调度效率曲线也呈先升后降的趋势，调度效率最高点为35%；本文的三维可视化电力调度系统的电力调度效率曲线与前面2 种曲线趋势极为相近，但和其他2 种自动化系统相比，本文的三维可视化电力调度系统的电力调度效率最高，调度效率峰值达到50%，说明本文的三维可视化电力调度系统效率水平显著。

4.4 场景分割算法分析

在实验中进一步通过比对不同计算方法下系统对机房内环境的三维模拟以及渲染的资源使用情况来判断场景分割算法效率。使用八叉树算法的可视化电力调度系统、使用Cell-portal 算法的可视化电力调度系统，以及使用本文的场景分割算法的可视化电力调度系统对信息机房内的机柜、空调以及UPS 进行3D 场景模拟并生成3D 场景图，三者使用的计算资源耗损情况如表2 所示。

表2 三种算法对比 单位：ms

由表2 可以看出，在八叉树算法下的可视化电力调度系统中，信息机房内机柜的计算资源耗损为135 ms、空调计算资源耗损为86 ms、UPS 计算资源耗损为67 ms；Cell-portal 算法下的可视化电力调度系统中，信息机房内机柜的计算资源耗损为98 ms、空调计算资源耗损为77 ms、UPS 计算资源耗损为57 ms；场景分割算法下的可视化电力调度系统中，信息机房内机柜的计算资源耗损为49 ms、空调计算资源耗损为37 ms、UPS 计算资源耗损为32 ms，相比而言，场景分割算法下的计算耗损要比另外2 种方法减少很多。因此，利用三维可视化技术可有效提高环境场景生成速度，控制低量的计算损耗。

5 结论

随着中国科学技术的不断进步，电力自动化所需要的设备数量以及种类也在不断增加，因此对这些设备的管理是电力正常运行的关键。对设备的管理主要通过观察设备相关数据信息，以此判定设备是否正常运行。本文对信息机房的可视化调度过程进行了相关研究，分析场景分割等算法下优化机房内部设备的性能、利用信息机房出入的各类数据流维持电力系统稳定性的可实施性。结果表明，本文设计的方法可以有效降低电压失衡情况的发生率、提高调度效率，信息机房数字孪生场景生成速度也有较好保证，为电力调度系统的正常运行提供了理论依据和技术支持。