基于VR技術的變電站遠程可視化巡檢系統(tǒng)

楊 洲，邵長坤，盛兆樂，劉成為，李 翔

（囯網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118）

0 引言

隨著變電站智能化的不斷提高，很多變電站都配置了變電站巡檢機器人，主要完成設備的例行巡視和紅外測溫工作。然而由于機器人的巡視路線、巡視時間比較固定，巡視內(nèi)容和相應的控制功能比較獨立，且未與相關輔助控制系統(tǒng)相結(jié)合，因此并不能實現(xiàn)站內(nèi)的完全監(jiān)視和控制功能。變電站巡視現(xiàn)狀存在巡檢機器人讀取設備表計的正確率較低或出現(xiàn)表計無法識別的現(xiàn)象，需要人工校正；運行維護專業(yè)要求變電運行維護人員有較高的設備應急處置能力，而傳統(tǒng)的運行維護培訓，培訓周期長，脫離實際且效果不佳；設備長期處于運行帶電狀態(tài)，不能直接通過設備進行實際設備的操作培訓等缺陷。因此，本文提出一種基于VR技術的變電站遠程可視化巡檢系統(tǒng)。

1 變電站巡視基本現(xiàn)狀

1.1 智能站巡視

目前無人值守變電站主要由監(jiān)控中心執(zhí)行監(jiān)控，但只針對自動化部分上傳的監(jiān)控信號，并不能實時掌握變電站的具體狀態(tài)信息，監(jiān)控中心人員還承擔開關的遙控操作，但需要運行維護人員進行現(xiàn)場核對。運行維護人員仍然需要開展各種類型變電站的巡視工作，從而掌握設備健康狀態(tài)。根據(jù)生產(chǎn)管理系統(tǒng)統(tǒng)計得出，目前1座500 kV無人值守變電站每年需要開展180次不同類型的巡視，需要運行維護532人次，往返行駛里程28 800 km，如表1所示。換算成全網(wǎng)變電站，數(shù)據(jù)會更大，對變電運行維護人員來說，無疑是很大的工作量。

表1 500 kV無人值守變電站年巡視數(shù)據(jù)

1.2 智能機器人使用

目前智能巡檢機器人在站內(nèi)主要開展巡視和測溫工作［1］，每天2次巡視、1次測溫，每3天完成1次全站巡檢，不能實時查看設備運行數(shù)據(jù)；另外巡視讀取的表計數(shù)據(jù)準確性不能保證，經(jīng)常出現(xiàn)無法識別的現(xiàn)象。主要原因是受限于設備表計本身的安裝位置、角度和尺寸等方面的影響。目前狀況是機器人巡視完變電站設備后，再由運行維護人員對數(shù)據(jù)的正確性進行校正核對，造成工作重復增加工作量。

1.3 倒閘操作

Q／GWD 1799.1—2013《國家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程 變電部分》中要求：“電氣設備操作后的位置檢查應以設備各相實際位置為準，無法看到實際位置時，應通過間接方法，如設備機械位置指示、電氣指示、帶電顯示裝置、儀表及各種遙測、遙信等信號的變化來判斷。判斷時，至少應有2個非同樣原理或非同源的指示發(fā)生對應變化，且所有這些確定的指示均已同時發(fā)生對應變化，方可確認該設備已操作到位?！倍斍氨O(jiān)控模式下，監(jiān)控人員對開關進行拉合，單憑監(jiān)控后臺的變位信息不能滿足Q／GWD 1799.1—2013《國家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程 變電部分》要求，因此還需要運行維護人員驅(qū)車到達相應變電站進行檢查核對，增加了運行成本［2］。

1.4 員工培訓

目前運行維護人員對變電站倒閘操作培訓和應急事件的處置培訓等，仍然停留在“一人講多人聽”的模式，由于內(nèi)容較為抽象，聽課人員并不能真正理解，達不到培訓效果［3］。

在無人值守變電站中實現(xiàn)真正意義上的“無人”，減少運行維護人員的工作量，提高工作效率，實時查看設備的狀態(tài)，保證設備的健康狀態(tài)，提出采用在線監(jiān)測技術與虛擬現(xiàn)實技術相結(jié)合的方式，即采用基于VR技術的變電站遠程可視化巡檢系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)工作原理及應用

基于VR技術的變電站遠程可視化巡檢系統(tǒng)主要由設備實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和后臺高仿真VR巡檢系統(tǒng)兩部分組成。

系統(tǒng)可以清楚地看到變電站內(nèi)表計和設備位置，并進行正確讀取，彌補了無人值守變電站設備數(shù)據(jù)讀取不及時和巡檢機器人讀數(shù)不準的短板，并能對數(shù)據(jù)進行后臺比對分析，形成大數(shù)據(jù)庫，分析歷史曲線，發(fā)現(xiàn)設備缺陷；可查看設備的實際狀態(tài)，方便監(jiān)控人員與運行維護人員對無人值守變電站進行遠程對位和查看，實現(xiàn)了設備的遠程巡視、遠程分析和人工智能化；可與視頻監(jiān)控系統(tǒng)和安防系統(tǒng)進行對接，進行設備外觀和安全防衛(wèi)巡視［4］；可利用后臺高仿真VR巡檢系統(tǒng)對運行維護人員開展有針對性的倒閘操作或應急處置培訓等。系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

圖1 變電站遠程虛擬可視化巡檢系統(tǒng)

2.1 設備實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

設備實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將微型高清攝像頭通過固定支架固定在表計（分合指示器、觀察窗等）的正前方，攝像頭通過視頻傳輸線傳輸信號，圖像經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換放大處理，經(jīng)過信號數(shù)據(jù)集中轉(zhuǎn)換箱（RS485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊）進行光電轉(zhuǎn)換，通過光纖傳輸至保護室交換機，利用保護室現(xiàn)有交換機將信號傳輸至通信機房交換機，再將信號傳輸至站用客戶端，通過客戶端實現(xiàn)人機交換。利用攝像頭采集的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備實時監(jiān)測和遠程操作。該系統(tǒng)由一次設備就地監(jiān)控、就地監(jiān)控與上位機通信、在線監(jiān)測3個功能模塊組成。

2.1.1 一次設備就地監(jiān)控

一次設備就地監(jiān)控模塊用于采集現(xiàn)場設備實時狀態(tài)數(shù)據(jù)。在一次設備的壓力表計、分合指示、觀察窗等處加裝微型攝像頭和壓力在線監(jiān)測模塊，將信號集中傳輸至數(shù)據(jù)集中轉(zhuǎn)換箱，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，工作原理如圖2所示。

圖2 一次設備就地監(jiān)控模塊原理

2.1.2 就地監(jiān)控與上位工控機通信

就地監(jiān)控與上位工控機之間的通信模塊，采用RS485與TCP／IP結(jié)合的方式，就地監(jiān)控模塊利用RS485規(guī)約將信號集中在就地集中信號控制箱，在控制箱中通過RS485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊進行光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)由交換機上傳至上位工控機，進行人機交互，實現(xiàn)遠程巡檢，原理如圖3所示。

圖3 就地監(jiān)控與上位工控機通信

2.1.3 在線監(jiān)測功能模塊

將一次設備就地監(jiān)控模塊采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過通信傳輸，最后在在線監(jiān)測系統(tǒng)中進行呈現(xiàn)，SF6壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 監(jiān)測數(shù)據(jù)界面

以SF6壓力表在線監(jiān)測系統(tǒng)為例，系統(tǒng)基本功能：1）在線監(jiān)測SF6高壓設備中SF6氣體的壓力值；2）安裝高清夜視攝像頭對準SF6密度繼電器表盤刻度，并把觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_主控機，達到實時觀察監(jiān)測表盤刻度壓力數(shù)值；3）數(shù)據(jù)采集采用RS485通信，并轉(zhuǎn)換至以太網(wǎng)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳至站端監(jiān)測系統(tǒng)或監(jiān)控中心；4）就地監(jiān)控系統(tǒng)可以更詳細觀察每個測點的實際、歷史數(shù)據(jù)，設定報警、閉鎖值，查看曲線、歷史報警等，系統(tǒng)自動繪制SF6氣體壓力值的趨勢圖、歷史曲線圖；5）系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動集成至三維高仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)電腦平臺和VR眼鏡真實再現(xiàn)SF6壓力表盤刻度讀數(shù)；6）系統(tǒng)自動記錄報警、閉鎖狀態(tài)的各項參數(shù)并傳送給中控機，供維護參考；7）通信管理機，實現(xiàn)所有監(jiān)測數(shù)據(jù)通過61850規(guī)約上傳到后臺系統(tǒng)；8）系統(tǒng)可擴展短信報警、閉鎖預警無線通知功能，以便及時處理維護設備［5］。

2.2 后臺高仿真VR巡檢系統(tǒng)

后臺高仿真VR巡檢系統(tǒng)立足于虛擬現(xiàn)實3D技術［6］，依托變電站高精度建模，將變電站通過三維立體技術進行虛擬展示。系統(tǒng)采用以計算機技術為核心的現(xiàn)代高科技手段生成逼真的視、聽一體化的特定范圍的變電站虛擬環(huán)境，可以實現(xiàn)變電站整體布置虛擬瀏覽，對電力設備巡視、倒閘操作、安全措施布置進行標準化仿真培訓，同時對變電站事故處理進行虛擬演練以保證變電站安全運行。與傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)相比，不同點是該仿真系統(tǒng)中的表計和分合指示器等是變電站的真實再現(xiàn)，即將攝像頭實時傳輸?shù)漠嬅嫱ㄟ^該系統(tǒng)進行顯示，工作人員只需戴上VR虛擬頭盔，就能實現(xiàn)在變電站中漫游，并依照巡檢流程，實時查看每個設備的基礎數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，身臨其境的查看變電站運行情況，從而有助于提高運行維護人員的積極性和有效預防巡檢過程中不規(guī)范操作帶來的人身傷害。

通過該系統(tǒng)，工作人員戴上VR虛擬頭盔和眼鏡，就可自由在變電站中漫游，真實而全面地了解變電站環(huán)境以及布局，能夠在每個點形成360°無死角巡視。同時，基于在線監(jiān)測技術，工作人員通過VR頭盔能直觀地查看設備實時運行數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)等，通過VR操作手柄點擊，查看設備的基礎信息，更精確、真實地查看設備狀態(tài)；該系統(tǒng)還可與變電站內(nèi)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和安防系統(tǒng)進行對接，方便查看設備的外觀、周圍環(huán)境等實際狀態(tài)。以開關壓力表為例，可視化效果如圖5所示。

圖5 壓力表可視化效果

通過該系統(tǒng)，還可以將讀取到的數(shù)據(jù)進行智能讀取和分類，形成大數(shù)據(jù)庫，分時間段進行比對分析，人工或自動查詢，形成歷史曲線，及時發(fā)現(xiàn)設備漏氣現(xiàn)象并發(fā)出報警信號，便于及時發(fā)現(xiàn)設備可能存在的異常狀況。與傳統(tǒng)培訓模式相比，該系統(tǒng)采用三維仿真VR虛擬現(xiàn)實技術，使培訓管理邁向現(xiàn)代化智能水平，該系統(tǒng)能實現(xiàn)VR操作手柄與虛擬電力設備的結(jié)合，學員可以更自然地與虛擬環(huán)境中的電力設備進行交互作用，根據(jù)訓練需求和標準化指導完成操作練習。有助于提高專業(yè)人員應對電網(wǎng)運行突發(fā)事件的快速反應能力和綜合處理水平。

2.3 應用效果

基于VR技術的變電站遠程可視化巡檢系統(tǒng)的應用，有助于實現(xiàn)無人值守變電站設備狀態(tài)數(shù)據(jù)的全方位實時巡檢，通過實時數(shù)據(jù)與歷史曲線的比對與分析，可以實現(xiàn)及時發(fā)現(xiàn)設備的異常狀態(tài)，避免異常狀態(tài)發(fā)展為設備缺陷甚至故障現(xiàn)象，提高了超高壓變電設備的安全管控水平。同時利用該系統(tǒng)可以提高智能巡檢機器人表計識別率，節(jié)省了人工補錄的工作時間。無人值守變電站中的開關操作由監(jiān)控中心完成后，可直接進行遠程核對，不再需要運行維護人員去現(xiàn)場檢查核對，節(jié)省了大量人力物力。該系統(tǒng)還同時兼?zhèn)渑嘤栕饔茫肰R虛擬現(xiàn)實技術，給培訓學員一種真實生動的變電站實景視覺沖擊，有助于加深對設備的認識。

2.4 推廣前景

目前，國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)無人值守變電站數(shù)量逐年增加，變電站所處地域半徑不斷增大。變電站遠程虛擬可視化巡檢大數(shù)據(jù)系統(tǒng)憑借其先進性，可以實現(xiàn)變電站設備的遠程實時巡檢，提高巡檢工作質(zhì)量，很大程度上消除了地域因素、人員不足等因素對巡視工作的影響，并且彌補了智能巡檢機器人表計識別率不高的問題，能夠在電力行業(yè)全面推廣。

該系統(tǒng)可根據(jù)實際工作需求，結(jié)合云計算等先進技術，實現(xiàn)對變電站乃至整個區(qū)域電網(wǎng)的安全智能管控，真正實現(xiàn)變電站設備無人值守，能夠在電力行業(yè)變電運行維護專業(yè)部分推廣。

在其他需要人員值班或巡檢的行業(yè)，如發(fā)電廠、供水公司、消防等行業(yè)，該系統(tǒng)可以直接應用或提供借鑒，能在特定情況下局部推廣。

3 結(jié)語

基于VR技術的變電站遠程可視化巡檢系統(tǒng)創(chuàng)造性地引入了VR虛擬現(xiàn)實技術，結(jié)合在線監(jiān)測技術，將變電站實時數(shù)據(jù)融入到高仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)變電站全景真實再現(xiàn)，達到變電站遠程實時巡檢的目的，實現(xiàn)了傳統(tǒng)運行維護作業(yè)方式的突破，同時打破了傳統(tǒng)的培訓方式，使培訓效果更容易達到；該系統(tǒng)集合高清防水微型攝像頭、信號集中控制、在線監(jiān)測等技術，智能巡檢表計識別率大幅提高；同時，具備大數(shù)據(jù)后臺分析功能，方便比對分析，及時發(fā)現(xiàn)設備異常缺陷，實現(xiàn)了設備狀態(tài)數(shù)據(jù)應用的突破。

系統(tǒng)解決了無人值守變電站設備巡視不及時、智能巡檢機器人表計識別率低的弊端，成功實現(xiàn)了變電站設備的遠程實時巡檢作業(yè)方式?；旧辖鉀Q了無人值守變電站設備異常狀態(tài)發(fā)現(xiàn)不及時導致的設備故障問題，提高了變電站設備的安全運行率。