本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電力仿真數(shù)據(jù)變量對的不穩(wěn)定性可視分析方法。

背景技術(shù)：

因電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定造成的嚴(yán)重停電問題可導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，研究電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是電力行業(yè)的一個根本問題。基于cigre研究委員會和ieee電力系統(tǒng)動態(tài)性能委員會提出的定義，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以根據(jù)功角穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性進(jìn)行大致分類。電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的典型形式，是一種通過組織良好的分配系統(tǒng)將電力從發(fā)電機(jī)傳輸給用戶的網(wǎng)絡(luò)。

近年，可視化技術(shù)針對電網(wǎng)數(shù)據(jù)分析社區(qū)演示和操作的需求，提供了一系列實用工具。greengrid和grid-ie是兩個最流行的工具，使用戶可以直觀地分析電網(wǎng)及其操作。它們主要通過使用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化來滿足穩(wěn)態(tài)和靜態(tài)仿真的基本需求方法。一些可視化技術(shù)充分利用了傳統(tǒng)的動畫，輪廓，數(shù)據(jù)聚合和虛擬環(huán)境等方法，用來支持功率流和傳輸分析；也有一些技術(shù)采用gps同步頻率測量來監(jiān)視廣域和實時頻率狀態(tài)。

過去的異常分析一般使用計算的方法進(jìn)行模擬，缺乏輔助觀察者的工具。因此通過可視化方法協(xié)助觀察者直觀地對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析變得十分重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種電力仿真數(shù)據(jù)變量對的不穩(wěn)定性可視分析方法，基于后端提供的電力仿真數(shù)據(jù)繪制視圖，通過調(diào)節(jié)視圖，實現(xiàn)從不同角度對電網(wǎng)狀態(tài)的分析，可以快速有效地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的異常點(diǎn)。

一種電力仿真數(shù)據(jù)變量對的不穩(wěn)定性可視分析方法，包括以下步驟：

步驟1：獲取多維的時序數(shù)據(jù)，時序數(shù)據(jù)包括電壓、頻率、電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系以及電氣距離；

步驟2：將步驟1中的進(jìn)行轉(zhuǎn)換，計算得到頻率和電壓偏移值兩個變量的時序變化；

步驟3：對步驟2得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編繪條帶，條帶的顏色編碼頻率值，條帶的寬度編碼電壓偏移值；

視圖的布局為：縱向排列各組數(shù)據(jù)所對應(yīng)的條帶，橫向為時序上的展開；

檢測條帶變化，進(jìn)行異常監(jiān)測。

步驟1中獲取的數(shù)據(jù)包括電力行業(yè)通常用的電壓、頻率等物理量，以評判電網(wǎng)穩(wěn)定性；步驟3中，所建立的界面中，得到的視圖為wavelines視圖，為了結(jié)合兩個物理量以及時序、數(shù)據(jù)構(gòu)成，對于每一組數(shù)據(jù)采用一個由顏色和寬度編碼的條帶描繪。條帶中，使用顏色編碼頻率值、使用寬度編碼電壓偏移值；視圖的布局為，縱向排列各組數(shù)據(jù)所對應(yīng)的條帶，橫向為時序上的展開。

選擇電壓與頻率作為變量對能夠充分體現(xiàn)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過對它們的時序變化進(jìn)行監(jiān)測，本發(fā)明可以分析三相接地短路故障、由于沖擊的擴(kuò)散和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變化所引發(fā)的電網(wǎng)失穩(wěn)現(xiàn)象、仿真參數(shù)設(shè)置錯誤等情況。

視圖中一個條帶的物理意義為電網(wǎng)中的一個節(jié)點(diǎn)，亦即一條母線。

wavelines視圖的目的為監(jiān)測所選數(shù)據(jù)樣本的總體狀態(tài)、并分析局部的變動。視圖可以直觀地以圖案的形式描繪出數(shù)據(jù)所代表的變化模式，用戶可以通過直接觀察圖案之間的樣式差別進(jìn)行不同數(shù)據(jù)的比較。

在wavelines視圖中，兩個物理量隨時間發(fā)生的變化被編碼在一個位置，信息的密度和直觀性高，使得用戶可以更有效地考察兩個變量之間的關(guān)聯(lián)。

基于視圖的樣式，可以判斷一些數(shù)據(jù)所代表的電網(wǎng)穩(wěn)定性、并推斷其原因。

當(dāng)視圖顯示了一系列寬度穩(wěn)定，顏色波動從微弱到明顯的條帶。觀察者對此判斷為從起始時間開始發(fā)生的、頻率上的周期性失穩(wěn)狀態(tài)。這個模式被認(rèn)為是仿真數(shù)據(jù)的參數(shù)設(shè)置錯誤。

另外，對于已知的一些故障類型的數(shù)據(jù)，可以通過視圖尋找故障的發(fā)生所代表的樣式。

如對于三相接地故障，通過wavelines視圖可以得到故障產(chǎn)生以及恢復(fù)的過程代表的樣式；而通過分析樣式中不同條帶的變化差異，可以推斷故障中心的位置。

當(dāng)條帶的寬度出現(xiàn)了驟變并恢復(fù)，而顏色波動較長一段距離，并逐步穩(wěn)定，這是三相接地故障代表的樣式。

在一個三相接地故障的仿真數(shù)據(jù)樣本中，其中兩個條帶的顏色波動規(guī)律和其余條帶不一致，其對應(yīng)的母線被判定為故障中心所在的位置。

本發(fā)明方法中還包括若干內(nèi)部調(diào)節(jié)功能。這些調(diào)節(jié)功能是為了在不同數(shù)據(jù)下，可以由使用者自主調(diào)節(jié)視圖效果，以更好地反映數(shù)據(jù)中的信息。

1)關(guān)于條帶顏色編碼的調(diào)節(jié)；2)關(guān)于條帶寬度編碼的調(diào)節(jié)；3)關(guān)于條帶序列排列方法的調(diào)節(jié)；4)關(guān)于對視圖內(nèi)容劃分為前景與背景的調(diào)節(jié)。

優(yōu)選的，還包括步驟4：對步驟3得到的條帶進(jìn)行顏色的均衡化。均衡化突出了值的實際大小的分布，均衡化后者突出了值的相對大小的分布。對于數(shù)據(jù)中值的分布整體偏高或偏低的情況，使用均衡化的數(shù)據(jù)可以使得顏色變化更顯著，便于尋找內(nèi)部的相對波動。

優(yōu)選的，還包括步驟4：對步驟3得到的條帶中的寬度編碼為電壓偏移值平方根變換后的數(shù)值或者電壓偏移值對數(shù)變換后的數(shù)值。通過這些選項可以放大或縮小絕對的波動大小以及相對的波動大小。對于數(shù)據(jù)中出現(xiàn)一些十分異常的值的情況，可以通過應(yīng)用上述變換，避免它們掩蓋了其它需要觀察的較小的波動。

條帶的排列順序規(guī)則，提供了基于條帶對應(yīng)數(shù)據(jù)所代表的電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與故障中心的距離大小，自頂向下或自中心向兩端排列兩種選擇。

優(yōu)選的，還包括步驟4：將步驟3得到的視圖進(jìn)行篩選，將視圖劃分為前景、背景兩部分，并通過顏色強(qiáng)度突出前景部分。篩選前景是為了縮小觀察范圍，增加數(shù)據(jù)之間的對比。

基于shewhart方法的篩選：該方法用于選取數(shù)值波動較大的時間區(qū)間；選的，步驟4中，篩選方法包括以下步驟：

4-1、對于每一時刻的數(shù)據(jù)中的任一參數(shù)vi，計算計算每個時刻附近的l個時刻以內(nèi)的均值，得到新的時間序列n為這組均值數(shù)據(jù)的長度，即時刻數(shù)；

4-2、計算[vi-l,vi-(l-1),…,vi,…,vi+(l-1),vi+l]的極差計算每個時刻在它附近的l個時刻以內(nèi)的極差，得到新的時間序列

4-3、設(shè)置閾值k1和k2，計算步驟4-1的序列的標(biāo)準(zhǔn)差σ，當(dāng)或v′i＜-k1*σ時，時刻i被標(biāo)記為異常時刻；

4-4、對于步驟4-2的序列當(dāng)時，時刻i同樣被標(biāo)記為異常時刻；

4-5、將步驟4-3和4-4中的異常時刻區(qū)域作為前景部分。

基于cusum的篩選：該方法用于選取數(shù)值累計波動較大的時間點(diǎn)，優(yōu)選的，步驟4中，篩選方法包括以下步驟：

4-1、對于整個序列中的任一參數(shù)v1,v2,v3,…，計算它的均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ；

對于第n個時刻，計算這個序列的相對于均值的偏移量累計，正偏移量和負(fù)偏移量分別統(tǒng)計，及

4-2、由用戶設(shè)置閾值h，對于第n個時刻，當(dāng)或時，時刻n被標(biāo)記為異常時刻；

4-3、將步驟4-2中的異常時刻區(qū)域作為前景部分。

基于閾值的篩選，該方法用于選取數(shù)值波動較大的時間點(diǎn)，優(yōu)選的，步驟4中，篩選方法包括以下步驟：

4-1、設(shè)置上下閾值h和l，對于每一時刻的數(shù)據(jù)中的任一參數(shù)vi，當(dāng)vi＞h或vi＜l時，時刻i被標(biāo)記為異常時刻；

4-2、將步驟4-1中的異常時刻區(qū)域作為前景部分。

篩選條件確定后，將滿足所有條件的區(qū)間選取為前景，具體方法如下：

對于分別滿足兩個不同條件的兩個區(qū)間序列：[[a1,a2],…,[a2n-1,a2n]](n個區(qū)間)以及[[b1,b2],…,[b2m-1,b2m]](m個區(qū)間)，將它們合并得到

一個區(qū)間序列(m個區(qū)間)[[c1,c2],…,[c2s-1,c2s]]。運(yùn)算公式如下：

如果有多于兩個條件，則先取兩個序列合并，再將合并后的序列與其他序列合并，直到剩下一個序列。

上述的目標(biāo)為篩選出比較異常的數(shù)據(jù)，即更可能代表故障發(fā)生的數(shù)據(jù)上，使得用戶可以集中觀察重點(diǎn)部分，協(xié)助分析電網(wǎng)的物理狀態(tài)。

應(yīng)用一種或多種篩選方法后，滿足所有篩選標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)所對應(yīng)的視圖被劃分為前景，并調(diào)低背景部分的顏色強(qiáng)度，突出前景部分。篩選條件的參數(shù)以及前景背景之間顏色強(qiáng)度差異皆可由使用者自主調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的電力仿真數(shù)據(jù)變量對的不穩(wěn)定性可視分析方法，可以從不同維度上分析電力仿真數(shù)據(jù)，并用直觀的方法考察它們的關(guān)聯(lián)性，通過突出各種特征，用以分析故障后沖擊傳播的模式。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的電力仿真數(shù)據(jù)變量對的不穩(wěn)定性可視分析方法得到的wavelines視圖。

圖2為shewhart方法篩選前后的wavelines視圖對比圖。

圖3為另一組數(shù)據(jù)下本發(fā)明的電力仿真數(shù)據(jù)變量對的不穩(wěn)定性可視分析方法得到的wavelines視圖。

圖4為另一組數(shù)據(jù)下本發(fā)明的電力仿真數(shù)據(jù)變量對的不穩(wěn)定性可視分析方法得到的wavelines視圖。

圖5為另一組數(shù)據(jù)下本發(fā)明的電力仿真數(shù)據(jù)變量對的不穩(wěn)定性可視分析方法得到的wavelines視圖。

具體實施方式

本實施例的電力仿真數(shù)據(jù)變量對的不穩(wěn)定性可視分析方法包括以下步驟：

步驟1：獲取多維的時序數(shù)據(jù)；獲取的數(shù)據(jù)格式為：電壓時序變化[v1,v2,…,vn]，頻率時序變化[f1,f2,…,fn]；

步驟2：將步驟1中的時序數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可編碼的形式；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后得到：高度偏移時序變化[y1,y2,…,yn],顏色時序變化[c1,c2,…,cn]，對顏色設(shè)置了一個固定的一維映射方案，因此可以用單個值表示一個顏色。

步驟3：建立可視化界面，對步驟2中的數(shù)據(jù)應(yīng)用編碼方案；繪制得到wavelines視圖，其形式確定為一系列采用顏色和寬度編碼的條帶，條帶中，使用顏色編碼頻率值、使用寬度編碼電壓偏移值；視圖的布局為，縱向排列各組數(shù)據(jù)所對應(yīng)的條帶，橫向為時序上的展開。中間部分縱向排列了7個條帶。條帶中橫向的顏色變化代表頻率隨時間的變化，并由底部的坐標(biāo)軸指示(對所有條帶通用)；縱向的幅度變化代表電壓隨時間的變化，并由右側(cè)坐標(biāo)軸指示。

如圖1所示，寬度上的編碼實施方式為：將每個時刻的電壓偏移值計算為高度偏移坐標(biāo)，并對這個坐標(biāo)序列使用插值法繪制平滑曲線。

步驟4：基于步驟4的可視化界面添加對可視化方法的內(nèi)部調(diào)節(jié)功能，內(nèi)部調(diào)節(jié)功能包括：

4a、關(guān)于條帶顏色編碼的調(diào)節(jié)；

4b、關(guān)于條帶寬度編碼的調(diào)節(jié)；

4c、關(guān)于條帶序列排列方法的調(diào)節(jié)；

4d、關(guān)于對視圖內(nèi)容劃分為前景與背景的調(diào)節(jié)。

功能4a的調(diào)節(jié)為顏色的均衡化，提供了顏色編碼時使用原始數(shù)據(jù)或使用均衡化數(shù)據(jù)兩種選擇。均衡化的具體方法如下：

對于一組原始數(shù)據(jù)[a1,a2,…,an]，計算得到一組均衡化后的數(shù)據(jù)[h1,h2,…,hn]，其中h(ai)＝#{x≤ai}/n,x∈[a1,a2,…,an]。

功能4b的調(diào)節(jié)為寬度的非線性變換，提供了寬度編碼時使用原始值、使用平方根變換后的數(shù)值、使用對數(shù)變換后的數(shù)值三種選擇。

功能4c的調(diào)節(jié)為條帶的排列順序規(guī)則，提供了基于條帶對應(yīng)數(shù)據(jù)所代表的電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與故障中心的距離大小，自頂向下或自中心向兩端排列兩種選擇。

功能4d的調(diào)節(jié)為視圖的劃分，即以某種數(shù)據(jù)篩選標(biāo)準(zhǔn)將視圖劃分為前景、背景兩部分，并通過顏色強(qiáng)度突出前景部分。篩選方法有：

基于shewhart方法的篩選，具體如下：

4-1、由用戶選擇區(qū)間長度l；以電壓為例，對于每一時刻的電壓差值vi，計算目的在于計算每個時刻附近的l個時刻以內(nèi)的均值，得到新的時間序列(n為這組均值數(shù)據(jù)的長度，即時刻數(shù))；

4-2、對于每一時刻的電壓差值vi，計算[vi-l,vi-(l-1),…,vi,…,vi+(l-1),vi+l]的極差目的在于計算每個時刻在它附近的l個時刻以內(nèi)的極差，得到新的時間序列(n為這組極差數(shù)據(jù)的長度，即時刻數(shù))；

4-3、由用戶設(shè)置閾值k1和k2；計算上述序列的標(biāo)準(zhǔn)差σ，當(dāng)或v′i＜-k1*σ時，時刻i被標(biāo)記為異常時刻；

4-4、對于上述序列當(dāng)時，時刻i同樣被標(biāo)記為異常時刻。

對于頻率序列，也可以應(yīng)用相同的計算方法進(jìn)行篩選。

如圖2所示，其中深色部分為被篩選的區(qū)間，作為前景，其余淺色部分不滿足篩選條件，作為背景。如可以將數(shù)值比較穩(wěn)定的部分剔除出前景。

基于cusum的篩選，具體如下：

4-1、以電壓為例，對于整個序列的電壓差值v1,v2,v3,…，計算它的均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ；

4-2、對于第n個時刻，計算這個序列的相對于均值的偏移量累計和(正偏移量和負(fù)偏移量分別統(tǒng)計)及

4-3、由用戶設(shè)置閾值h，對于第n個時刻，當(dāng)或時，時刻n被標(biāo)記為異常時刻；

對于頻率序列，也可以應(yīng)用相同的計算方法進(jìn)行篩選。

基于閾值的篩選，具體如下：

4-1、以電壓為例，由用戶設(shè)置上下閾值h和l，對于每一時刻的電壓差值vi，當(dāng)vi＞h或vi＜l時，時刻i被標(biāo)記為異常時刻。

對于頻率序列，也可以應(yīng)用相同的計算方法進(jìn)行篩選。

篩選條件確定后，將滿足所有條件的區(qū)間選取為前景，具體方法如下：

對于分別滿足兩個不同條件的兩個區(qū)間序列：[[a1,a2],…,[a2n-1,a2n]](n個區(qū)間)以及[[b1,b2],…,[b2m-1,b2m]](m個區(qū)間)，將它們合并得到一個區(qū)間序列(m個區(qū)間)[[c1,c2],…,[c2s-1,c2s]]。運(yùn)算公式如下：

如果有多于兩個條件，則先取兩個序列合并，再將合并后的序列與其他序列合并，直到剩下一個序列。

以下距離幾種通過本方法可以監(jiān)測的異常問題：

如圖3所示，所示的樣式中，視圖顯示了一系列寬度穩(wěn)定，顏色波動從微弱到明顯的條帶。觀察者對此判斷為從起始時間開始發(fā)生的、頻率上的周期性失穩(wěn)狀態(tài)。這個模式被認(rèn)為是仿真數(shù)據(jù)的參數(shù)設(shè)置錯誤。

另外，對于已知的一些故障類型的數(shù)據(jù)，可以通過視圖尋找故障的發(fā)生所代表的樣式。

如對于三相接地故障，通過wavelines視圖可以得到故障產(chǎn)生以及恢復(fù)的過程代表的樣式；而通過分析樣式中不同條帶的變化差異，可以推斷故障中心的位置。

如圖4所示，所示的樣式中，條帶的寬度出現(xiàn)了驟變并恢復(fù)，而顏色波動較長一段距離，并逐步穩(wěn)定。這是三相接地故障代表的樣式。

如圖5所示，所示的樣式中，在一個三相接地故障的仿真數(shù)據(jù)樣本中，其中兩個條帶的顏色波動規(guī)律和其余條帶不一致，其對應(yīng)的母線被認(rèn)定為故障中心所在的位置。