Разработка вида отображения сигнальных ситуаций
СМПР
А. Кожевин1, Д. Топорков2
1 Уральский
Федеральный Университет им. Первого Президента Российской Федерации Б. Н. Ельцина,
Екатеринбург, Россия
2 ОАО "Научно-технический
центр Единой энергетической системы" ("НТЦ
ЕЭС"), Екатеринбург, Россия
1 alexander.kozhevin@gmail.com, 2 toporkov.dmitry@gmail.com
Содержание
3. Реализация вида отображения
3.1. Реализация диаграммы
Ганта
Аннотация
Статья посвящена исследованию проблем создания
методов визуализации для множества временных отрезков, характеризующих даты
начала и конца некоторого события. Исследование проводилось в рамках решения
задачи отображения сигнальных ситуаций при разработке автоматизированной
системы сбора информации с регистраторов системы мониторинга переходных режимов
(АС СИ СМПР), используемой в филиалах ОАО "СО ЕЭС" России. За
основу вида отображения была принята диаграмма Ганта.
Реализация данного вида отображения обеспечила
возможность визуального анализа распределения
зафиксированных в АС СИ СМПР событий отклонения параметров
электрического режима от допустимых значений, проследить историю развития таких
событий, оценить их взаимное влияние и закономерности возникновения. Причём
анализ можно выполнять как для всей энергосистемы, так и для интересующих
областей за произвольный промежуток времени.
Диаграммный подход позволил специалистам
Системного Оператора расширить круг задач по повышению качества и надежности
управления электрическими режимами ЕЭС. При этом предложенный подход является
удобным и весьма полезным для отображения любого специализированного типа
информации, основанного на интервалах времени, и может иметь применение при
решении широкого класса задач диагностики различных систем и установок,
независимо от их назначения.
Ключевые
слова: научная
визуализация, диаграмма Ганта, АС СИ СМПР, сигнальная
ситуация, человеко-компьютерное взаимодействие.
Работа реальной энергетической системы всегда сопровождается так
называемыми переходными режимами [1]. Под переходным режимом понимается
изменение параметров электрической сети (частоты, тока, напряжения, фазового
угла и т.д.) при переходе из одного устойчивого состояния в другое в результате
воздействия какого-либо возмущающего фактора: отключения или включения
генератора, линии, нагрузки, короткого замыкания и т. п.
Создание и внедрение в практику эксплуатации крупнейших энергообъединений
мира систем мониторинга переходных режимов (СМПР) является одним из
приоритетных направлений их технологического развития. СМПР базируется на
технологии векторных измерений, обеспечивающей способность регистрации
синхронизированных по времени измерений параметров электромеханических
переходных режимов в различных сколь угодно удаленных друг от друга точках
энергосистемы и вычисление взаимных углов векторов напряжения в однозначно
определенные моменты времени благодаря использованию сигналов синхронизации
глобальных навигационных спутниковых систем. Это отличает СМПР от систем телеметрии
и определяет широкий спектр и специфику ее применения, в частности, обеспечивает
получение более детальной информации о параметрах переходных режимов в
энергосистемах, возникающих вследствие технологических нарушений или аварийных
возмущений. Новое качество предоставляемой СМПР информации позволяет
специалистам существенно расширить круг задач по повышению качества и
надежности управления электрическими режимами электроэнергетической системы
[2].
В филиалах СО ЕЭС России развёрнута автоматизированная система сбора
информации с регистраторов системы мониторинга переходных режимов (АС СИ СМПР).
Регистраторы постоянно измеряют параметры электрического режима сети. Некоторые
из них могут быть сконфигурированы так, чтобы отслеживать выход значений
параметров за указанный допустимый диапазон и создавать аварийные файлы в
случае регистрации выхода [3]. Для остальных регистраторов аналогичную
функциональность предоставляет и АС СИ СМПР. В терминах этой системы событие
выхода параметра за допустимый диапазон
называется сигнальной ситуацией, на которую следует обратить внимание
при изучении поведения энергосистемы. Сигнальная ситуация характеризуется датой
и временем начала и окончания события выхода параметра за диапазон, а также
идентификацией регистратора, её зафиксировавшего.
Сигнальные ситуации анализируются специалистом-технологом СО ЕЭС, основными
задачами которого являются:
·
Анализ
электрических параметров в нормальных и переходных режимах;
·
Расчет сигнальных
настроек для переходных режимов;
·
Выявление причин
возникновения аварийных ситуаций;
·
Планирование и
расчет краткосрочных и долгосрочных планов затрат энергии.
В АС СИ СМПР имеется возможность работать как с оперативными
(текущими) данными, так и с архивной информацией. С оперативными данными, как
правило, работает специалист-диспетчер, архивные данные интересны
специалисту-технологу, выполняющему их анализ и исследование.
Данная статья посвящена разработке специализированного вида отображения
сигнальных ситуаций для поддержки функциональных задач технолога по анализу
архивных данных. При этом необходим
такой вид отображения, который бы давал общую картину распределения сигнальных
ситуаций за указанный промежуток времени для анализа периодичности и выявления
возможных закономерностей их возникновения.
2. Объект исследования
Единицей исследуемых данных служит объект, который включает в себя всю
необходимую информацию о возникшей сигнальной ситуации. Запрос технологом в АС СИ СМПР посредством АРМ Технолога
возвращает набор сигнальных ситуаций за указанный промежуток времени. Эта информация
отображается в виде таблицы, как минимум состоящей из трех колонок (название
регистратора, время начала и время окончания). Сразу надо заметить одно очень
полезное свойство данных - сигнальные ситуации могут принадлежать одному
регистратору. Таким образом, можно объединить их в одну группу и хранить уже набор
регистраторов, каждый из которых будет содержать свой набор сигнальных
ситуаций. Если представить каждый из регистраторов на временной оси и
отобразить на ней отрезками сигнальные ситуации, то можно получить полоски
времени с отмеченными промежутками. Если расположить эти оси одна под другой,
то получится изображение, очень похожее на известный из области научной
визуализации вид отображения, называемый «Диаграмма Ганта»
[4, 5]. Можно сразу перечислить и применить некоторые полезные свойства такого
метода визуализации. Преимуществом диаграммы Ганта
является то, что она позволяет наглядно отражать распределение сигнальных
ситуаций между различными регистраторами. Также диаграмма легка в построении.
Пользователь, который имеет дело с таблицами интервалов времени, лишен
возможности посмотреть на картину происходящего в целом, перед ним только набор
дат и времен. Чтобы выявить области скопления или области отсутствия интервалов
событий и, что самое главное, выявить возможные закономерности или зависимости,
нужно потратить достаточно много времени и усилий. Диаграммный вид отображения
такой таблицы наглядно демонстрирует относительное положение интервалов событий
между собой при заданных границах времени. К тому же, в любой момент можно
переключиться с диаграммного на табличный вид и
обратно.
Таким образом, имеется определенный набор сигнальных ситуаций от нескольких
регистраторов, каждая из которых содержит всю необходимую информацию для
обработки. Для диаграммы Ганта требуется знать только
топологическое место расположения регистратора, его название и временной
промежуток сигнальной ситуации, состоящий из дат начала и конца. В табличном
виде отображения обрабатывать такую информацию очень сложно: в поле зрения
технолога видны только несколько строк таблицы, хотя их может быть несколько
десятков, а то и сотен.
3. Реализация вида отображения
3.1. Реализация диаграммы Ганта
Рассмотрим подробнее реализацию диаграммного вида отображения.
Одна из проблем, с которыми пришлось столкнуться, возникла тогда, когда
потребовалось запросить данные за большой промежуток времени, например неделю
или месяц. Как правило, длительность сигнальной ситуации не превышает 10 минут,
поэтому относительная длина интервала сигнальной ситуации при отображении может
оказаться полоской с шириной, трудно различимой пользователем. Проблема была решена
заданием минимального размера объекта («ширины» полоски) и приданием ему
свойства прозрачности. При таких настройках, тонкие и частые интервалы будут накладываться
друг на друга и картина в целом сохранится. Там, где будет большое скопление
интервалов, образуется более темное пятно. Как результат, такой вид отображения
легче интерпретировать, можно быстро определить области повышенного внимания и
сразу приступить к работе с ними.
Следующая проблема связана с выбором цвета отображаемых объектов. Первая
мысль была сделать их красными на основании того, что сигнальная ситуация
должна обращать на себя внимание. Но красный цвет с психологической точки
зрения содержит ощущение тревоги, и
пользователь может ощущать напряжение от воспринимаемой информации. Также он
имеет максимальную длину волны, и поэтому
обладает раздражающим и возбуждающим эффектом. Значит нужно подобрать
такой цвет, который был бы нейтральным и не ассоциировался с аварией. Известно,
что зеленый цвет способствует расслаблению глаз, обладает успокаивающим
эффектом, что может оказаться немаловажным для спокойной и эффективной интерпретации
данных. Чтобы цвет не слишком выделялся, было решено взять зелено-желтый
оттенок.
В процессе реализации цветовой схемы диаграммы была рассмотрена идея более
детальной разрисовки сигнальных ситуаций: пусть цвета одних и тех же параметров
электрического режима, являющихся причиной возникновения сигнальных ситуаций,
имеют один и тот же уникальный цвет, отличный от других. От этого отказались,
обнаружив в литературе пример подобного отображения, представленный на Рис 1
[6]. Понятно, что из подобной пёстрой разноцветной картинки очень сложно технологу
извлечь сравнительную информацию. Поэтому было решено отказаться от данной идеи
и оставить предыдущий стиль оформления.
Рис. 1. Пример
пестрой разрисовки диаграммы Ганта
Определившись с цветовой схемой и способом отображения, возник вопрос о выборе
формы сигнальной ситуации. Если на экране отображать одновременно все
регистраторы, то высота строки будет варьироваться, что неудобно для
восприятия. При каждом новом запросе будет своя высота: когда слишком мало –
строки будут большие, и наоборот, если много – строки будут очень маленькими.
Поэтому было решено сделать высоту фиксированной и обеспечить прокрутку по
вертикали. По горизонтали же длина будет фиксированной, так как длину
отображаемого интервала можно варьировать, изменяя параметры запроса.
Теперь рассмотрим сами сигнальные ситуации и воспользуемся некоторыми
выводами теории Гештальта [7], связанные с выбором
цвета и расположением объектов. Если объект будет такой же высоты, что и
полоса, то смежные сигнальные ситуации будут сливаться. Поэтому нужно сделать отступ
со всех сторон. Таким образом, объект будет казаться «вложенным» в полоску.
Результат полученного внешнего вида приведен на Рис. 2.
Рис. 2. Итоговый
вариант диаграммы сигнальных ситуаций
В ходе исследования отображения сигнальных ситуаций в виде диаграммы Ганта, появилась идея создать смежный вид отображения на
основе регулярной сетки. Такой вид дает пользователю возможность разбить всю
картину на области, которые будут содержать в себе только лишь информацию о
фактах возникновения ситуаций, что может оказаться эффективным в случае их
сильной разрежённости. Так же такое отображение можно использовать для удобной
навигации на touch-скринах. Диаграмма с регулярной сеткой
состоит из ячеек фиксированных размеров с цветом фона. Например, каждая строка
делится на определенное количество частей. Если хотя бы одна сигнальная
ситуация попадает в какую-либо ячейку, то она становится цветной. Регулярные
ячейки обладают прозрачностью, что дает определенные преимущества в некоторых
случаях. Например, когда сигнальные ситуации распределяются так, что почти в
каждой регулярной ячейке есть хотя бы один объект. Как и в предыдущей
диаграмме, чем больше объектов попало в ячейку, тем темнее она будет. Таким
образом, можно увидеть области наибольшего скопления сигнальных ситуаций,
представляющие наибольший интерес для рассмотрения. Цвет для рисования ячеек
был выбран таким же, как и в предыдущем отображении, зелено-желтый. Цветные
ячейки являются активными и при нажатии на них отображаются только те, которые
попадали в нее. Таким образом, можно углубиться и рассмотреть более подробно
интересующие участки времени. Результат показан на Рис. 3.
Рис. 3. Регулярная
сетка в диаграмме Ганта
3.2. Проработка интерфейса
Чтобы эффективно анализировать данные, нужно сделать такой интерфейс,
который бы позволял быстро и просто добраться до нужных данных. Стандартным
методом является инструмент «Лупа». Реализованный интерфейс позволяет мышкой
выделить в пределах одной строки интересующий набор сигнальных ситуаций.
Выбранный интервал времени тут же разворачивается в той же вкладке или
создается новая вкладка с указанным интервалом. Таким образом, можно без
особого труда визуально локализовать нужную область. Одновременно с действиями
увеличения обновляется и таблица сигнальных ситуаций, сокращая их список до
выбранного интервала.
Очень часто группа устройств регистрирует одинаковые сигнальные ситуации.
Тем самым строки разных устройств совпадают, и нет необходимости показывать их
все, достаточно показать только одну. Поэтому в интерфейсе реализована
группировка регистраторов по энергообъектам и возможность
свернуть все строки различных устройств энергообъекта на диаграмме в одну с
объединением соответствующих списков сигнальных ситуаций. Для получившейся
строки применен тот же стиль оформления, что и для строк регистраторов. Свернув
энергообъект, можно увидеть его картину сигнальных ситуаций. А если свернуть
все энергообъекты диаграммы получится отображение
общей картины по всем энергообъектам на запрошенный
интервал времени. Во время общения с пользователем было выяснено, что
возможность скрытия регистраторов по отдельности будет ему не нужна, поэтому
она не была реализована. Получившийся результат показан на Рис. 4.
Рис. 4. Сворачивание
энергообъекта
3.3. Обратная связь
Немаловажную роль в разработке программного обеспечения играет общение с
заказчиком. Это позволяет избежать очень многих проблем на всех стадиях
проекта. В первое время не было никакой информации, кроме технического задания
и понимания предметной области. Исходя из этого, разработка велась
исключительно из собственных соображений и представлений программистов. Первую
версию диаграммы сигнальных ситуаций заказчик принял хорошо, в целом было то,
что надо. Но потом сразу пошли предложения и пожелания того, чего бы он хотел
видеть и как вообще он себе представляет работу с диаграммой. Также
программисты подробно изучили порядок действий специалиста-технолога, с
которыми он сталкивается каждый день. Это и было определяющим для утверждения
существующего интерфейса. Таким образом, общение с заказчиком оказало большое положи-тельное влияние на проработку метода визуализации.
3.4. Применение подхода
Оказалось, что предложенный подход к решению задачи визуализации хорошо
подходит также для визуализации импульс-архивов АС СИ
СМПР.
Для понимания проблемы необходимо оценить объем регистрируемых данных с
регистраторов СМПР за один день. Условно предположим, что один регистратор
регистрирует около десяти параметров электрического режима (по факту
регистраторы сохраняют от 6 до 30 параметров). В одну секунду регистрируется 50
значений (одно значение на период частоты). Получается, что в один день нужно
сохранить около 4 320 000 значений (это требует, как минимум, 50 Мб) для каждого
параметра. Получается, что для среднестатистического регистратора с 10
параметрами требуется как минимум 500 Мб в день. Учитывая, что на энергообъекте, как правило, установлено несколько
регистраторов, количество данных
соответственно больше. Хранить все данные нерационально, поэтому в системе
хранения (в АС СИ СМПР используется
ОИК СК-2007) предусмотрены механизмы прореживания [8]. Однако данные аварийных
ситуаций являются существенной информацией и удаляться
не должны. Для этого в системе хранения предусмотрен механизм создания импульс-архивов – интервалов неудаляемых данных. Импульс-архивы могут создаваться автоматически при формировании
сигнальной ситуации или создаваться вручную технологом. Если таких импульс-архивов будет также много, то вопрос экономии
дискового пространства также становится актуальным. Поэтому для отображения имеющихся
в системе импульс-архивов также необходимо создать вид
отображения, удобный для понимания, насколько их много. В данном случае вопрос
экономии места представляет собой актуальную проблему для администраторов,
поддерживающих систему.
Можно заметить, что импульс-архивы тоже
представляют собой интервалы времени, как и сигнальные ситуации. А значит,
метод визуализации будет такой же, как и у сигнальных ситуаций, только строка
диаграммы будет одна. Такой вид отображения позволяет визуально оценить объём
не удаляемых данных и, при необходимости, удалить ненужные или слишком длинные импульс-архивы. В табличном виде отображения при
большом количестве элементов данная операция
если не невозможна, то очень затруднена. Тем самым новый вид отображения
позволил создать не только понимание новой информации, но и предоставил
реальную возможность выполнения дополнительных действий, ранее не
предполагаемых.
4. Перспективы
В планах развития диаграммного вида можно выделить следующие направления.
Во-первых, можно ввести дополнительную функциональность по отображению всей
картины происходящего за запрошенный интервал времени. В таком случае будут
одновременно показаны все регистраторы, что-либо зарегистрировавшие. Таким
образом, например, можно будет оценить масштаб аварии. Во-вторых, можно
реализовать отображение сигнальных ситуаций на географической карте, где будут
отображены все регистраторы СМПР. Таким образом, можно будет локализовать аварии на
территориальном уровне, и исследовать зависимости между узлами. В-третьих, для
анализа распределения возмущений после возникновения аварии по энергетической
сети было бы интересно просмотреть картину происходящего в динамике. Для этого
можно реализовать своеобразный проигрыватель по воспроизведению на
географической карте последовательности фактов регистрации аварии. Это может
помочь в прогнозировании аварий, анализе и
исследовании характера распространения волны возмущения после возникновения
аварийной ситуации.
5. Заключение
В результате выполненной работы был получен удобный и интуитивно понятный
интерфейс работы с сигнальными ситуациями. Диаграммный вид позволил извлекать информацию,
которая может быть получена только в результате визуального сравнения поведения
разных регистраторов. Например, когда группа регистраторов должна
регистрировать одну и ту же аварию, но некоторые ничего не регистрируют. Это
можно интерпретировать, что возможно регистратор вышел из строя, или просто
этот случай требует дополнительного внимания. Также наглядно можно выявить закономерности
возникновения аварий, выявлять группы зависимостей.
Кроме того, было на практике проверено, что предложенный подход является
удобным и весьма полезным для отображения любого специализированного типа информации, основанного на интервалах
времени.
Список
литературы
1. Система мониторинга переходных режимов для объектов
РАО "ЕЭС России", Энергетик 7/2006. URL: http://www.rtsoft.ru/press/articles/detail.php?ID=1501
2. Жуков А.В., Демчук
А.Т., Дубинин Д.М. (ОАО «СО ЕЭС») Сборник докладов XXI конференции «Релейная защита и автоматизация энергосистем»,
Развитие технологий векторной регистрации параметров противоаварийного
режимного управления электрическими режимами энергосистем, стр. 232-245.
3. МИП-02 - Многофункциональный измерительный
преобразователь, общая информация, ЗАО «РТСофт». URL: http://www.rtsoft.ru/catalog/plk/mer/detail/316/
4. Авербух В.Л.
Визуализация программного обеспечения.
Конспект лекций. Екатеринбург. Математико-механический факультет УрГУ.
1995.
5. Диаграмма Ганта // Википедия. [2009—2012]. Дата обновления: 04.07.2012. URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=45839653
6. Rosenberg D.,
Grafton A. Cartographies of Time: A History of the Timeline, 2009, 272 p.
7. Soegaard M. (2011) Gestalt principles of form
perception. URL: http://www.interaction-design.org/encyclopedia/gestalt_principles_of_form_perception.html
8. Оперативно-информационный комплекс СК-2007С, ЗАО
"Монитор Электрик", URL: http://www.monitel.ru/products/ck-2007c/overview.html
Development of visualization method
for WAMS signal situation
A. Kozhevin 1, D. Toporkov 2
1 Ural Federal
University named after the first President of Russia B.N.Yeltsin,
Ekaterinburg, Russia
2 "Scientific
and Technical Center of Unified Power System" JSC ("STC UPS" JSC),
Ekaterinburg, Russia
1 alexander.kozhevin@gmail.com,
2 toporkov.dmitry@gmail.com
Annotation
This article deals with problems of creating new visualization methods for
set of time intervals, which contain time labels of the begin
and the end of the some event. The investigation was conducted as part of the
solution of signal situations visualization within the development of an
automated system of information collection from PMU devices of WAMS, used in
the brunches of "System Operator of the United Power System"
Joint-stock Company ("SO UPS" JSC) of Russia. Gantt diagram (or
chart) was applied as a base visualization method.
The implementation of this visualization method has created the opportunities
for visual analysis of distribution of WAMS events when controlled parameters
overrun the allowed range, to trace the history of such scenario, to estimate
their relative impact and pattern of origin. This analysis is allowed as on the
entire power system as on interesting regions for any period of time.
This approach has allowed experts of System Operator to expand the range of
tasks for improvement the quality and reliability of electrical control regimes
of the United Power System of Russia. The proposed approach is a convenient and
highly useful to display any specialized type of information based on time intervals
and in this sense can be used to solve a wide class of problems in the diagnosis
of various systems and facilities, regardless of their destination.
Key words: scientific visualization, Gantt Diagram, WAMS, signal situation,
human-computer interaction.
References
1. Sistema monitoringa perekhodnykh rezhimov dlya obektov RAO "EES Rossii" [Wide Area Monitoring
System for objects of RAO UES of Russia]. Energetik
["Power Engineer"] 7/2006. (In Russian). Available
at: http://www.rtsoft.ru/press/articles/detail.php?ID=1501
2. Zukov A.V., Demchuk A.T., Dubinin D.M. (OAO «SO EES») Sbornik
dokladov XXI konferentsii «Releynaya zaschita i avtomatizatsiya energosis-tem», Razvitie tekhnologiy vektornoy registratsii parametrov protivoava-riynogo rezhimnogo upravleniya elektricheskimi rezhimami energosistem
[("STC UPS" JSC) Development
of technologies of phasor measurement of electric
parameters of
emergency grid control. Reports of 21st Conference Relay Protection
and Automation for Electric Power Systems] 2012, 232 p. (In Russian).
3. Mnogofunktsionalnyy izmeritelnyy preobrazovatel, obschaya informatsiya, ZAO «RTSoft»
[Multifunctional measuring unit MIP-02, common information, "RTSoft"
CJSC]. (In Russian). Available at: http://www.rtsoft.ru/catalog/plk/mer/detail/316/
4.
Averbukh V.L. Vizualizatsiya
programmnogo obespecheniya.
Konspekt lektsiy. Ekaterinburg. Matematiko-mekhanicheskiy fakultet UrGU
[Software visualization. Course lectures. Yekaterinburg.
Mathematics and Mechanics Faculty of Ural State
University]. 1995. (In Russian).
5. Diagramma Ganta [Gantt chart]. Wikipedia. 2009--2012. Updated: 04.07.2012. Available at: http://ru.wikipedia.org/?oldid=45839653 (In Russian).
6. Rosenberg D.,
Grafton A. Cartographies of Time: A History of the
Timeline, 2009, 272 p.
7. Soegaard M. (2011) Gestalt principles of form perception. Available at:
http://www.interaction-design.org/encyclopedia/gestalt_principles_of_form_perception.html
8. Operativno-informatsionnyy kompleks
SK-2007S, ZAO "Monitor Elektrik"
[Operational and informational software complex CK-2007C, "Monitor
Electric" JSC], Available at:
http://www.monitel.ru/products/ck-2007c/overview.html (In Russian).