基于VR技術(shù)的變電站二次回路在線監(jiān)測方法研究

張志超 劉守瑞 周永強(qiáng) 高翔

摘 要：針對傳統(tǒng)的變電站二次回路監(jiān)測方法存在實時性差、監(jiān)測過程準(zhǔn)確率低的問題，設(shè)計了一種基于VR技術(shù)的變電站二次回路在線監(jiān)測方法。首先，利用VR技術(shù)模擬變電站實際情況，對環(huán)境信息進(jìn)行三維采集，建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型，根據(jù)其中的各主要狀態(tài)參量實現(xiàn)變電站監(jiān)測信息融合;在此基礎(chǔ)上，建立回路狀態(tài)判斷指標(biāo)，對變電站二次回路狀態(tài)進(jìn)行判定，得到變電站二次回路安全等級信息。將其與警戒值進(jìn)行對比，若等級信息超出警戒值，則代表回路中存在故障，需及時處理或檢查，若等級信息小于該警戒值則代表回路狀態(tài)安全，由此實現(xiàn)基于VR技術(shù)的變電站二次回路在線監(jiān)測方法的設(shè)計。實驗對比結(jié)果表明，該監(jiān)測方法在監(jiān)測實時性和準(zhǔn)確性兩個方面具有明顯優(yōu)勢，能夠及時、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)變電站二次回路中的故障問題，為變電站檢修和維護(hù)提供支持。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);變電站;二次回路;狀態(tài)監(jiān)測;實時性;準(zhǔn)確性

Abstract：Aiming at the problems of poor real-time performance and low accuracy in the monitoring process of the traditional substation secondary circuit monitoring method， an online monitoring method of substation secondary circuit based on VR technology is designed. Firstly， VR technology is used to simulate the actual situation of substation， collect the environment information in three dimensions， establish the corresponding virtual environment model， and realize the substation monitoring information fusion according to the main state parameters. On this basis， the circuit state judgment index is established to judge the secondary circuit state of the substation， and the safety level information of the secondary circuit of the substation is obtained. If the level information exceeds the warning value， it means that there is a fault in the circuit， which should be timely processed or checked. If the level information is less than the warning value， it means that the state of the circuit is safe. Therefore， the design of online monitoring method for secondary circuit of substation based on VR technology can be realized. The experimental results show that this monitoring method has obvious advantages in real-time monitoring and accuracy monitoring， and can timely and accurately find the fault problems in the secondary circuit of substation， providing support for substation maintenance and repair.

Key words：VR technology; substation; secondary circuit; condition monitoring; real-time; accuracy

現(xiàn)階段，電力行業(yè)的智能化建設(shè)水平不斷提升，變電站也逐漸實現(xiàn)智能化控制和管理，使得智能電網(wǎng)的運行安全得到極大保障[1]。當(dāng)變電站運行過程中出現(xiàn)故障時，其中的二次回路會自動報警，維護(hù)變電站的穩(wěn)定運行。但是由于受現(xiàn)場環(huán)境的干擾，二次回路報警功能難以有效區(qū)分繼電保護(hù)異常和其它異常情況，導(dǎo)致變電站運行故障無法得到及時告警和排除[2]。因此，亟需一種變電站二次回路監(jiān)測技術(shù)，保證變電站運行的安全性和穩(wěn)定性。為此，相關(guān)專家學(xué)者對此進(jìn)行了研究。

文獻(xiàn)[3]中，韓偉等人提出基于短地址關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)標(biāo)識的智能變電站虛回路可視化監(jiān)測方法，該方法針對變電站二次虛回路中存在的問題，通過在短地址上擴(kuò)展關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)標(biāo)識和檢索相同的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)實現(xiàn)虛端子與變電站設(shè)備的智能關(guān)聯(lián)，并實時更新關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)二次回路數(shù)據(jù)的實時顯示，通過與導(dǎo)入的SCD文件配置數(shù)據(jù)相比對，實現(xiàn)對二測回路狀態(tài)的監(jiān)測。然而該方法運行過程復(fù)雜，存在監(jiān)測實時性較差的問題。文獻(xiàn)[4]中，高旭等人提出一種基于綜合評價識別法的智能變電站虛回路在線狀態(tài)監(jiān)測方法，該方法在變電站全過程模塊化管控的基礎(chǔ)上，設(shè)計SCD文件圖形化展示模型，采集變電設(shè)備的綜合信息。同時利用熵權(quán)法和灰色關(guān)聯(lián)法分析變電站二次虛回路中的故障及其類型，實現(xiàn)對二次回路的智能監(jiān)測，及時消除故障隱患。文獻(xiàn)[5]中，夏澍等人提出變電站電能表二次回路故障辨識方法，該方法通過分析實際運行數(shù)據(jù)總結(jié)變電站二次回路常見故障類別，結(jié)合相量圖推導(dǎo)出在電能表正常狀態(tài)與故障狀態(tài)下顯示電量間的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)電能表故障分析結(jié)果和母線平衡報表結(jié)果對二次回路進(jìn)行故障監(jiān)測和預(yù)判。然而上述兩種方法監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效率低，存在監(jiān)測準(zhǔn)確率性差的問題。

VR技術(shù)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，為使用者提供關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，能夠及時無限制的觀察三維空間內(nèi)的事物[6]。因此，為解決傳統(tǒng)方法中存在的問題，本研究設(shè)計一種基于VR技術(shù)的變電站二次回路在線監(jiān)測方法，從提高監(jiān)測實時性和準(zhǔn)確性的角度出發(fā)，首先對變電站的監(jiān)測信息進(jìn)行有效融合，在此基礎(chǔ)上對變電站二次回路信息進(jìn)行風(fēng)險評價，設(shè)置警戒值，若發(fā)生故障則實時報警提醒。研究還通過實驗對比結(jié)果證明該方法的有效性。

1 變電站監(jiān)測信息融合

由于變電站中二次回路監(jiān)測的信息較多，因此，為保證在線監(jiān)測的準(zhǔn)確性，需對變電站監(jiān)測信息融合。利用VR技術(shù)模擬變電站實際情況，對整個變電站環(huán)境信息進(jìn)行三維采集，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型[7]，完成每個設(shè)備回路連線和接收壓板等各個元素圖形樣式的繪制，再將各個變電站的二次回路數(shù)據(jù)連接，生成二次回路展示畫面，根據(jù)模擬結(jié)果對變電站二次回路監(jiān)測過程進(jìn)行前期規(guī)劃。如圖1所示為利用VR技術(shù)模擬生成的變電站場景。

如表1所示為變電站二次回路監(jiān)測中的主要狀態(tài)參量統(tǒng)計結(jié)果。

由于待監(jiān)測的狀態(tài)量較多，因此，需判斷檢測狀態(tài)參數(shù)的不同特性，因此對變電站的監(jiān)測信息進(jìn)行融合。信息融合的屬性與服務(wù)如圖2所示。

按照層次化建模的思路，將監(jiān)測信息中的屬性劃分為四方面，分別為邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)屬性[8]，其層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

③確定通信服務(wù)，將上述得到的屬性和服務(wù)按照類的形式組織起來，構(gòu)成確定性的信息交換模型。

在使用信息交換模型時，對每個模塊所要實現(xiàn)的功能進(jìn)行定義，并對所需的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行定義，根據(jù)定義結(jié)果，完成對變電站監(jiān)測信息的融合。

2 變電站二次回路在線監(jiān)測

對上述變電站監(jiān)測信息的融合結(jié)果，以變電站基本信息為根據(jù)對變電站二次回路狀態(tài)評價，變電站狀態(tài)信息類別及內(nèi)容如表2所示。

在此基礎(chǔ)上，對變電站二次回路狀態(tài)結(jié)果導(dǎo)入SCD文件中并解析，獲取變電站每個裝置的相應(yīng)參數(shù)。分析變電站設(shè)備的內(nèi)部數(shù)據(jù)與外部數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系[15]，以獲得更完善的監(jiān)測信息，實現(xiàn)對變電站二次回路的在線監(jiān)測。

3 實驗對比與分析

為驗證所提的基于VR技術(shù)的變電站二次回路在線監(jiān)測方法的整體有效性，需進(jìn)行如下仿真測試。

3.1 實驗平臺搭建與實驗內(nèi)容設(shè)計

實驗采用ARM Cortex-M3內(nèi)核的微處理器構(gòu)建硬件平臺，包含以太網(wǎng)接口、RS-456接口、采樣值傳輸接口以及GPRS無線傳輸模塊接口、現(xiàn)場采集模塊等。監(jiān)測系統(tǒng)登錄界面和系統(tǒng)監(jiān)測界面分別如圖4、圖5所示。

通過上述公式實現(xiàn)采樣值的處理，并采用一款常用的IEC589報文捕獲和解析軟件Edifshark解析實驗結(jié)果。

為保證實驗的有效性，將文獻(xiàn)[3]中的基于短地址關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)標(biāo)識的智能變電站虛回路可視化監(jiān)測方法、文獻(xiàn)[4]中的基于綜合評價識別法的智能變電站虛回路在線狀態(tài)監(jiān)測方法、文獻(xiàn)[5]中的變電站電能表二次回路故障辨識方法作為對比方法，對比四種不同監(jiān)測方法的實時性和準(zhǔn)確性。其中：監(jiān)測實時性通過監(jiān)測反應(yīng)時間來體現(xiàn)，監(jiān)測準(zhǔn)確性通過監(jiān)測信息召回率體現(xiàn)。

3.2 實驗結(jié)果分析

不同監(jiān)測方法監(jiān)測反應(yīng)時間統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

分析表3可知，隨著測試過程迭代次數(shù)的變化，不同方法的監(jiān)測反應(yīng)時間也不斷變化。但利用所提方法進(jìn)行變電站二次回路監(jiān)測的反應(yīng)時間始終保持最少，最多反應(yīng)用時也僅為7.98×103ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于另外三種監(jiān)測方法。因此，可證明所提的基于VR技術(shù)的變電站二次回路在線監(jiān)測方法具有較強(qiáng)的實時性，能夠快速對變電站二次回路中的故障做出判斷。這是因為所提方法利用VR技術(shù)對變電站實際情況展開模擬，根據(jù)真實的三維環(huán)境信息和設(shè)備主要狀態(tài)參量實現(xiàn)監(jiān)測信息融合，使信息采集過程更便捷、高效，從而提高了監(jiān)測的實時性。

在監(jiān)測過程中，監(jiān)測的準(zhǔn)確性可以通過監(jiān)測信息召回率進(jìn)行評價。監(jiān)測信息召回率與監(jiān)測準(zhǔn)確性成反比，監(jiān)測信息召回率越高，監(jiān)測準(zhǔn)確性越低。不同監(jiān)測方法的監(jiān)測信息召回率對比結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)圖6所示結(jié)果可知，隨著測試迭代次數(shù)的增加，不同方法的監(jiān)測信息召回率也在隨之變化。當(dāng)?shù)螖?shù)較小時，文獻(xiàn)[5]方法的監(jiān)測信息召回率與本文方法相近，但當(dāng)?shù)螖?shù)到300次之后，文獻(xiàn)[5]方法的監(jiān)測信息召回率呈現(xiàn)上升趨勢，逐漸高于與所提方法。而文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]方法的監(jiān)測信息召回率始終都明顯高于所提方法。因此，測試結(jié)果可表明所提的基于VR技術(shù)的變電站二次回路在線監(jiān)測方法具有較高的監(jiān)測準(zhǔn)確性。這是因為所提方法在設(shè)計科學(xué)合理的回路狀態(tài)判斷指標(biāo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)變電站二次回路狀態(tài)的判定結(jié)果得到二次回路安全等級信息，并分析變電站設(shè)備的內(nèi)部數(shù)據(jù)與外部數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系，以獲得更完善的監(jiān)測信息，再通過與警戒值的對比判斷回路狀態(tài)的安全性，從而提高了監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

綜上所述，所提的基于VR技術(shù)的變電站二次回路在線監(jiān)測方法在監(jiān)測實時性和準(zhǔn)確性兩個方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法，能夠有效提醒工作人員及時處理故障問題，減少變電站故障的發(fā)生幾率。

4 結(jié) 論

變電站作為輸配電系統(tǒng)的信息源和執(zhí)行終端，其主要設(shè)備的安全可靠運行必須要得到足夠的保障。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)多、過程復(fù)雜，傳統(tǒng)的變電站二次回路監(jiān)測方法的實時性和準(zhǔn)確性差，嚴(yán)重影響了變電站的安全運行。為解決這一問題，設(shè)計了一種基于VR技術(shù)的變電站二次回路在線監(jiān)測方法，并通過測試對比結(jié)果證明了該監(jiān)測方法的應(yīng)用優(yōu)勢。

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