输电网信息管理的可视化解决方案
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摘要
输电网是电力系统的重要组成部分之一，输电网管理的信息化在电力系统信息化进程中占有举足轻重的地位。近年来，随着电网运行要求的提高和各种软硬件技术的发展，电网信息采集量迅速增加，这种采集数据不断增加的趋势，激化了电网运行分析人员信息处理能力相对有限，而实际需处理的信息量十分庞大，这两者之间的矛盾，如何解决这一问题成为当代电网信息化进程中的重要课题。
本文就这一课题进行了研究，提出了面向输电网信息管理的可视化解决方案。作者从分析输电网信息管理数据的海量、多源多类型多格式、地理相关以及实时性特征入手，研究输电网信息管理的一般性要求，以及从事输电网信息分析和管理人员其思维过程的基本特征，从中总结出现有的输电网信息管理系统不能满足实际运行需求的四个关键性因素：数据表现形式匮乏，软件系统可交互性差，信息表现和分析的粒度过细，以及应用系统中数据组织结构不统一。
针对这四个影响输电网信息有效管理的关键性因素，本文分别提出了基于三维地理信息系统、虚拟现实、科学计算可视化、细节层次模型和二维三维联合分析技术的五种解决方法，并将这五种方法结合到一起形成了面向输电网信息软件管理系统的概念性体系。然后，本文从该概念体系出发，研究在该体系下应用软件系统所面临的各种实现性问题，并对这些问题的共性加以概括，借助于软件体系结构技术构造了面向输电网信息软件管理系统的实现体系。概念体系和实现体系相互结合形成了完整的输电网信息管理可视化解决方案。
作者以某电业局输电线路可视化管理系统为例，示范了输电网信息管理可视化解决方案的应用和在应用过程中应该注意的问题，展示了该解决方案的可操作性和应用前景，并就由于应用该可视化解决方案引起的软件应用系统设计流程的变化作了一定的论述，比较了它与传统的软件系统设计流程的异同。
最后，本文对面向输电网信息管理的可视化解决方案的进一步发展提出了可行的方向。
Electric grid is one of the most important domains in the power system, so the automation level of management in the electric grid will determine the automation level of the whole power system. With the improvement of the management requirements of electric grid and development of technique, the gap between what the operators of power systems are supposed to do and what they are able to is becoming more and more larger. Because of this, how to decrease the gap is the key to improve the automation level of power systems.
The author of this thesis made the research in this domain, and proposed the electric-grid-information- management-oriented visualization solution (EGIMOVS). From the basic properties of the information in electric grid, the author sought for the general requirements of information management in the electric grid, investigated the basic characters in the mental process of the operators, and at last found the four gists that disturbed the usage of the software system in the information management of the electric grid. The four ones are that they may not display the information effectively, they have not enough interactions between the operators and the software system, they may only support the low level of information display, they are absent from the uniform structure of data in the system.
According to these four gists, the author proposed five relevant methods, as three-dimension geographical information system, virtual reality, visualization in scientific computing, levels of detail, and the union of two-dimension systems and three-dimension ones, which were integrated into the conceptual framework of information management of the electric grid. After the conceptual framework, the author abstracted the common elements from the construction of software systems based on that conceptual framework, and formed the practical framework by using the technique of software architecture. The conceptual and practical framework interacted with each other to a whole EGIMOVS.
For giving an example to exhibit the usage of EGIMOVS and what should be paid attention to, the author used the EGIMOVS to analyze and design an information system in the management of transmission lines. The process of software development based on EGIMOVS was introduced. And the difference between this process and the traditional one was compared at the same time.
At last, the author introduced some directions of more deep research of EGIMOVS.
本文就这一课题进行了研究，提出了面向输电网信息管理的可视化解决方案。作者从分析输电网信息管理数据的海量、多源多类型多格式、地理相关以及实时性特征入手，研究输电网信息管理的一般性要求，以及从事输电网信息分析和管理人员其思维过程的基本特征，从中总结出现有的输电网信息管理系统不能满足实际运行需求的四个关键性因素：数据表现形式匮乏，软件系统可交互性差，信息表现和分析的粒度过细，以及应用系统中数据组织结构不统一。
针对这四个影响输电网信息有效管理的关键性因素，本文分别提出了基于三维地理信息系统、虚拟现实、科学计算可视化、细节层次模型和二维三维联合分析技术的五种解决方法，并将这五种方法结合到一起形成了面向输电网信息软件管理系统的概念性体系。然后，本文从该概念体系出发，研究在该体系下应用软件系统所面临的各种实现性问题，并对这些问题的共性加以概括，借助于软件体系结构技术构造了面向输电网信息软件管理系统的实现体系。概念体系和实现体系相互结合形成了完整的输电网信息管理可视化解决方案。
作者以某电业局输电线路可视化管理系统为例，示范了输电网信息管理可视化解决方案的应用和在应用过程中应该注意的问题，展示了该解决方案的可操作性和应用前景，并就由于应用该可视化解决方案引起的软件应用系统设计流程的变化作了一定的论述，比较了它与传统的软件系统设计流程的异同。
最后，本文对面向输电网信息管理的可视化解决方案的进一步发展提出了可行的方向。
Electric grid is one of the most important domains in the power system, so the automation level of management in the electric grid will determine the automation level of the whole power system. With the improvement of the management requirements of electric grid and development of technique, the gap between what the operators of power systems are supposed to do and what they are able to is becoming more and more larger. Because of this, how to decrease the gap is the key to improve the automation level of power systems.
The author of this thesis made the research in this domain, and proposed the electric-grid-information- management-oriented visualization solution (EGIMOVS). From the basic properties of the information in electric grid, the author sought for the general requirements of information management in the electric grid, investigated the basic characters in the mental process of the operators, and at last found the four gists that disturbed the usage of the software system in the information management of the electric grid. The four ones are that they may not display the information effectively, they have not enough interactions between the operators and the software system, they may only support the low level of information display, they are absent from the uniform structure of data in the system.
According to these four gists, the author proposed five relevant methods, as three-dimension geographical information system, virtual reality, visualization in scientific computing, levels of detail, and the union of two-dimension systems and three-dimension ones, which were integrated into the conceptual framework of information management of the electric grid. After the conceptual framework, the author abstracted the common elements from the construction of software systems based on that conceptual framework, and formed the practical framework by using the technique of software architecture. The conceptual and practical framework interacted with each other to a whole EGIMOVS.
For giving an example to exhibit the usage of EGIMOVS and what should be paid attention to, the author used the EGIMOVS to analyze and design an information system in the management of transmission lines. The process of software development based on EGIMOVS was introduced. And the difference between this process and the traditional one was compared at the same time.
At last, the author introduced some directions of more deep research of EGIMOVS.
引文
1 黄志明，输电线路建设和展望，中国电力，1999，32(10)：34-37。
2 王继业，21世纪的信息高速公路：电力信息技术与电力信息化，北京：中国电力出版社，2001。
3 钱少强，外线施工技术，北京：北京科学技术出版社，1991
4 郭咏华，浅谈送电线路三维动画创作和开发，电力建设，2000，6：24-26。
5 徐耀东，李新华，三维工厂计算机辅助设计(PDSA)软件的研制和应用，中国电力，2000，33(6)：23-25。
6 程杰，随机抽样分析在线路施工中的应用，电力建设，1989，10(4)：47-51。
7 T. Carton.A.H.Peyrot,Computer Aided Structure and Geometric Design of Power Lines, IEEE Transaction on Power System,1992.7(1):438-443.
8 石教英，蔡立文，科学计算可视化算法与系统，北京： 科学出版社，1996。
9 韩祯祥，吕捷，邱家驹，科学计算可视化及其在电力系统中的应用前景，电网技术，1995，20(7)：22-27。
10 邱家驹，钱源平，刘艳，基于地理信息系统的电力系统静态安全分析可视化方法，中国电机工程学报，1999，19(5)：62-67。
11 王兴，朱文东，谢开等，可视化的微机电网操作模拟软件包，电网技术，1995，15(8)：48-50。
12 栗然，张光华，卢锦玲等，可视化环境下的配电网操作票通用化实现，电力系统自动化，2001，25(10)：47-50。
13 张伏生，王海坤，马林国，可视化的配电网线损计算与管理系统，继电器，2001，29(11)：27-31。
14 廖小平，韦元养，钟志华，用户自主式的通用开票可视化设计系统，电力系统自动化，2001，25(12)：48-50。
15 闵勇，孙希健，电力系统动态过程的可视化方法研究，电网技术，2001，25(11)：23-26。
16 Hirotaka Mitsui, Richard D. Christie, Visualizing Voltage Profiles for Large Scale Power Systems, IEEE Computer Application in Power, 1997:32-37.
17 James D. Weber and Thomas J. Overbye, Voltage Contours for Power System Visualization, IEEE Transactions on Power Systems, 2000, 13(1): 404-409.
18 Gronquist J, Sethares W, Alverado F, et al. Animated Vectors for Visualization of Power System Phenomena, IEEE Transaction on Power Systems, 1996, 11(1): 267-273.
19 Pramod M. Mahadev, Rechard D. Christie, Envisioning Power System Data: Concepts and a Prototype System State Representation, IEEE Transactions on Power System, 1993, 8(3): 1084-1090.
20 Christie, R.D., Information and Technology, IEEE International Conference on Humans, 1994(2): 1086-1091.
21 Pramod M. Mahadev, Richard D. Christie, Minimizing User Interaction In Energy Management Systems: Task Adaptive Visualization, IEEE Transactions On Power Systems,1996, 11(3): 1607-1612.
22 Douglas R. Hales, Thomas J. Overbye, Optimization and Visualization of the North American Eastern Interconnect Power Market, Proceedings of the 34th Hawaii International Conference on System Sciences - 2001, 2001.
23 Thomas J. Overbye, Douglas R. Hale, Thomas Leckey, etc, Assessment of Transmission Constraint Costs: Northeast U.S. Case Studey, IEEE, 2000.
24 Thomas J. Overbye, James D. Weber, Visulizing the Electric Grid, IEEE Spectum, 2001.2: 52-58.
25 Thomas J. Overbye, Visualizing the Interaction Between The Transmission System and Power Markets, IEEE, 2001:1019-1024.
26 Monica Tavanti, Mats Lind, 2D vs 3D, Implications on Spatial Memory, Proceedings of the IEEE Symposium on Information Visualization 2001, 2001.
27 龚健雅，地理信息系统基础，北京：科学出版社，2001。
28 宫鹏编，城市地理信息系统：方法与应用，中国海外地理信息系统协会，1996。
29 张超，陈丙咸，邬伦，地理信息系统，北京：高等教育出版社，1995。
30 张伏生，赵登福，袁魏，地理信息系统在配网自动化中的应用，电力系统及其自动化学报，2000，12(6)：41-46。
31 刘琳，张健，高压输电网地理信息管理系统，华北电力技术，1998，12：24-27。
32 张萍，陈清国，GIS在高压输变电管理中的应用，测绘通报，2002，4：52-54。
33 王学超，配电自动化中的动态地理信息系统，电网技术，1999，23(8)：58-60。
34 王春生，赵凯，彭建春，基于地理信息系统和遗传算法的配电网优化规划，电力系统自动化，2000，24(14)：48-52。
35 孙英君，陶华学，GIS空间分析模型的建立，测绘通报，2001，4：11-12。
36 刘宇，齐昕，朱仲英等，基于GIS的配电网调度可视化研究，计算机工程，2000，26(2)：30-31，58。
37 王天华，范明天，王平洋，基于地理信息系统平台的配电网空间负荷预测，电网技术，1999，23(5)：42-47。
38 黄志龙，邱家驹，配网SCADA和GIS功能的集成，电力系统及其自动化学报，2000，12(4)：36-41。
39 朱庆，三维动态交互式可视化模型-地理信息系统中的三维表示和分析，武汉测绘大学学报，1998，23(2)：124-127。
40 李志林，朱庆，数字高程模型，武汉：武汉测绘科技大学出版社，2000。
41 肖乐斌，钟耳顺，刘纪远，宋关福，三维GIS的基本问题探讨，地理信息系统论坛，2001．10。
42 Shubhabrate Marmar, Implementing a GIS in an Electrical Utility: The Growth Pains, http://www. gisdevelopment. net/application/utility/power/utilityp0001pf. htm, 2002. 1.3
43 GIS Development Staff, GIS Application for Power Transmission Line Siting: An Illustrative Case, http://www. gisdevelopment. net/application/utility/power/utilityp0003pf. htm, 2002. 1.3
44 卢强，数字电力系统(DPS)，电力系统自动化，2000，24(9)：1-4。
45 曾沅，樊纪超，余贻鑫等，电力大系统实用动态安全域，电力系统自动化，2001，25(16)：6-10。
46 杨杰，叶晨洲，黄欣等，用于建模、优化、故障诊断的数据挖掘技术，计算机集成制造系统-CIMS，2000，6(5)：72-76，81、
47 刘学慧，虚拟现实中三维复杂几何形体的层次细节模型的研究，博士论文，中国科学院软件研究所，1998。
48 Mary Shaw, David Garlan, Software Architecture: Perspectives on An Emerging Discipline, Prentice Hall, 1996.
49 Robert T. Monroe, David Garlan, Style-Based Reuse for Software Architectures, Proceedings Fourth International Conference on, 1996:84-93
50 Robert T. Monroe, Andrew Kompanek, Palph Melton, David Garlan, Architectural styles, design patterns, and objects, IEEE Software, 1997, 14(1): 43-52.
51 励刚，苏寅生，陈陈，电力系统软件体系结构和框架设计，计算机应用，2001，21(9)：78-80。
52 车敦仁，周立柱，蒋维杜，软件体系结构、应用平台及框架仓库技术，计算机研究与发展，1996，33(7)：501-506。
53 张世琨，王立福，杨芙清，基于体系结构的软件开发模式，世界科技研究与发展，1999，21(3)：31-35。
54 栾兆文，仇卫东，王勇，电力系统数据库研究，中国电力，1999，32(1)：13-17。
55 王颖，徐燕，电力企业CIMS体系结构研究，中国电力，2000，33(12)：69-71。
56 吴非，唐良红，黄梯云，电力企业管理信息系统的设计实现，管理信息系统，1998，6：21-24。
57 余刃，叶鲁卿，张永刚，智能控制—维护—技术管理集成系统(ICMMS)及其在电力系统中的应用，电力系统自动化，1999，23(24)：39-42。
58 徐宝民，张丽清，刘永清，企业CIMS/MIS开发的一种新型方法—混和原型法，计算机工程与应用，1998．4： 57-59。
59 Karl E.Wiegers，(陆丽娜，王忠民，王志敏译)，软件需求，北京：机械工业出版社，2000．7。
60 徐士良，C常用算法程序集，北京：清华大学出版社，1999．8。
61 Peter Coad,Edward Yourdon(邵维忠、廖钢城、李力译)，面向对象的分析，北京：北京大学出版社，1992。
62 Peter Coad,Edward Yourdon(邵维忠、廖钢城、李力译)，面向对象的设计，北京：北京大学出版社，1992。
2 王继业，21世纪的信息高速公路：电力信息技术与电力信息化，北京：中国电力出版社，2001。
3 钱少强，外线施工技术，北京：北京科学技术出版社，1991
4 郭咏华，浅谈送电线路三维动画创作和开发，电力建设，2000，6：24-26。
5 徐耀东，李新华，三维工厂计算机辅助设计(PDSA)软件的研制和应用，中国电力，2000，33(6)：23-25。
6 程杰，随机抽样分析在线路施工中的应用，电力建设，1989，10(4)：47-51。
7 T. Carton.A.H.Peyrot,Computer Aided Structure and Geometric Design of Power Lines, IEEE Transaction on Power System,1992.7(1):438-443.
8 石教英，蔡立文，科学计算可视化算法与系统，北京： 科学出版社，1996。
9 韩祯祥，吕捷，邱家驹，科学计算可视化及其在电力系统中的应用前景，电网技术，1995，20(7)：22-27。
10 邱家驹，钱源平，刘艳，基于地理信息系统的电力系统静态安全分析可视化方法，中国电机工程学报，1999，19(5)：62-67。
11 王兴，朱文东，谢开等，可视化的微机电网操作模拟软件包，电网技术，1995，15(8)：48-50。
12 栗然，张光华，卢锦玲等，可视化环境下的配电网操作票通用化实现，电力系统自动化，2001，25(10)：47-50。
13 张伏生，王海坤，马林国，可视化的配电网线损计算与管理系统，继电器，2001，29(11)：27-31。
14 廖小平，韦元养，钟志华，用户自主式的通用开票可视化设计系统，电力系统自动化，2001，25(12)：48-50。
15 闵勇，孙希健，电力系统动态过程的可视化方法研究，电网技术，2001，25(11)：23-26。
16 Hirotaka Mitsui, Richard D. Christie, Visualizing Voltage Profiles for Large Scale Power Systems, IEEE Computer Application in Power, 1997:32-37.
17 James D. Weber and Thomas J. Overbye, Voltage Contours for Power System Visualization, IEEE Transactions on Power Systems, 2000, 13(1): 404-409.
18 Gronquist J, Sethares W, Alverado F, et al. Animated Vectors for Visualization of Power System Phenomena, IEEE Transaction on Power Systems, 1996, 11(1): 267-273.
19 Pramod M. Mahadev, Rechard D. Christie, Envisioning Power System Data: Concepts and a Prototype System State Representation, IEEE Transactions on Power System, 1993, 8(3): 1084-1090.
20 Christie, R.D., Information and Technology, IEEE International Conference on Humans, 1994(2): 1086-1091.
21 Pramod M. Mahadev, Richard D. Christie, Minimizing User Interaction In Energy Management Systems: Task Adaptive Visualization, IEEE Transactions On Power Systems,1996, 11(3): 1607-1612.
22 Douglas R. Hales, Thomas J. Overbye, Optimization and Visualization of the North American Eastern Interconnect Power Market, Proceedings of the 34th Hawaii International Conference on System Sciences - 2001, 2001.
23 Thomas J. Overbye, Douglas R. Hale, Thomas Leckey, etc, Assessment of Transmission Constraint Costs: Northeast U.S. Case Studey, IEEE, 2000.
24 Thomas J. Overbye, James D. Weber, Visulizing the Electric Grid, IEEE Spectum, 2001.2: 52-58.
25 Thomas J. Overbye, Visualizing the Interaction Between The Transmission System and Power Markets, IEEE, 2001:1019-1024.
26 Monica Tavanti, Mats Lind, 2D vs 3D, Implications on Spatial Memory, Proceedings of the IEEE Symposium on Information Visualization 2001, 2001.
27 龚健雅，地理信息系统基础，北京：科学出版社，2001。
28 宫鹏编，城市地理信息系统：方法与应用，中国海外地理信息系统协会，1996。
29 张超，陈丙咸，邬伦，地理信息系统，北京：高等教育出版社，1995。
30 张伏生，赵登福，袁魏，地理信息系统在配网自动化中的应用，电力系统及其自动化学报，2000，12(6)：41-46。
31 刘琳，张健，高压输电网地理信息管理系统，华北电力技术，1998，12：24-27。
32 张萍，陈清国，GIS在高压输变电管理中的应用，测绘通报，2002，4：52-54。
33 王学超，配电自动化中的动态地理信息系统，电网技术，1999，23(8)：58-60。
34 王春生，赵凯，彭建春，基于地理信息系统和遗传算法的配电网优化规划，电力系统自动化，2000，24(14)：48-52。
35 孙英君，陶华学，GIS空间分析模型的建立，测绘通报，2001，4：11-12。
36 刘宇，齐昕，朱仲英等，基于GIS的配电网调度可视化研究，计算机工程，2000，26(2)：30-31，58。
37 王天华，范明天，王平洋，基于地理信息系统平台的配电网空间负荷预测，电网技术，1999，23(5)：42-47。
38 黄志龙，邱家驹，配网SCADA和GIS功能的集成，电力系统及其自动化学报，2000，12(4)：36-41。
39 朱庆，三维动态交互式可视化模型-地理信息系统中的三维表示和分析，武汉测绘大学学报，1998，23(2)：124-127。
40 李志林，朱庆，数字高程模型，武汉：武汉测绘科技大学出版社，2000。
41 肖乐斌，钟耳顺，刘纪远，宋关福，三维GIS的基本问题探讨，地理信息系统论坛，2001．10。
42 Shubhabrate Marmar, Implementing a GIS in an Electrical Utility: The Growth Pains, http://www. gisdevelopment. net/application/utility/power/utilityp0001pf. htm, 2002. 1.3
43 GIS Development Staff, GIS Application for Power Transmission Line Siting: An Illustrative Case, http://www. gisdevelopment. net/application/utility/power/utilityp0003pf. htm, 2002. 1.3
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45 曾沅，樊纪超，余贻鑫等，电力大系统实用动态安全域，电力系统自动化，2001，25(16)：6-10。
46 杨杰，叶晨洲，黄欣等，用于建模、优化、故障诊断的数据挖掘技术，计算机集成制造系统-CIMS，2000，6(5)：72-76，81、
47 刘学慧，虚拟现实中三维复杂几何形体的层次细节模型的研究，博士论文，中国科学院软件研究所，1998。
48 Mary Shaw, David Garlan, Software Architecture: Perspectives on An Emerging Discipline, Prentice Hall, 1996.
49 Robert T. Monroe, David Garlan, Style-Based Reuse for Software Architectures, Proceedings Fourth International Conference on, 1996:84-93
50 Robert T. Monroe, Andrew Kompanek, Palph Melton, David Garlan, Architectural styles, design patterns, and objects, IEEE Software, 1997, 14(1): 43-52.
51 励刚，苏寅生，陈陈，电力系统软件体系结构和框架设计，计算机应用，2001，21(9)：78-80。
52 车敦仁，周立柱，蒋维杜，软件体系结构、应用平台及框架仓库技术，计算机研究与发展，1996，33(7)：501-506。
53 张世琨，王立福，杨芙清，基于体系结构的软件开发模式，世界科技研究与发展，1999，21(3)：31-35。
54 栾兆文，仇卫东，王勇，电力系统数据库研究，中国电力，1999，32(1)：13-17。
55 王颖，徐燕，电力企业CIMS体系结构研究，中国电力，2000，33(12)：69-71。
56 吴非，唐良红，黄梯云，电力企业管理信息系统的设计实现，管理信息系统，1998，6：21-24。
57 余刃，叶鲁卿，张永刚，智能控制—维护—技术管理集成系统(ICMMS)及其在电力系统中的应用，电力系统自动化，1999，23(24)：39-42。
58 徐宝民，张丽清，刘永清，企业CIMS/MIS开发的一种新型方法—混和原型法，计算机工程与应用，1998．4： 57-59。
59 Karl E.Wiegers，(陆丽娜，王忠民，王志敏译)，软件需求，北京：机械工业出版社，2000．7。
60 徐士良，C常用算法程序集，北京：清华大学出版社，1999．8。
61 Peter Coad,Edward Yourdon(邵维忠、廖钢城、李力译)，面向对象的分析，北京：北京大学出版社，1992。
62 Peter Coad,Edward Yourdon(邵维忠、廖钢城、李力译)，面向对象的设计，北京：北京大学出版社，1992。