基于VR變電站設(shè)備的巡視關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

張廣怡

（鄭州電力高等?？茖W(xué)校，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)逐漸的發(fā)展成熟，虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)也帶動(dòng)諸多行業(yè)的快速進(jìn)步。相關(guān)研究在各行各業(yè)也取得了巨大的成績(jī)。其中，沉浸式仿真技術(shù)的研究較為深入且貢獻(xiàn)較為突出?，F(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(shí)現(xiàn)智能化控制和管理，使得智能電網(wǎng)的安全運(yùn)行得到極大保障。但目前將VR技術(shù)應(yīng)用于變電站巡視工作中較少，鑒于此，本文研究如何開(kāi)發(fā)應(yīng)用于變電站巡視工作的VR技術(shù)。

VR技術(shù)就是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，為使用者提供關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官上的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，能夠及時(shí)無(wú)限制的去觀察三維空間內(nèi)的事物。因此，為解決傳統(tǒng)方法中存在的問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)一種基于VR技術(shù)的變電站設(shè)備巡視操作，從提高巡視真實(shí)性和有效性的角度出發(fā)，首先對(duì)變電站的一次設(shè)備進(jìn)行建模，在此基礎(chǔ)上對(duì)變電站巡視的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，編寫程序代碼，可進(jìn)行模擬設(shè)置變電站設(shè)備異常及故障，供變電站值班員巡視練習(xí)。研究還通過(guò)對(duì)比采用VR技術(shù)練習(xí)后的巡視效率，證明該方法的有效性。

1 基于VR技術(shù)的變電站巡視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)備模型的搭建

依據(jù)某500kV變電站主接線圖、變電站真實(shí)場(chǎng)景搭建VR仿真模型，包括變電站場(chǎng)所、各個(gè)一次設(shè)備的模型，如圖1所示為變壓器的3D模型圖。通過(guò)Solid Works和3D Max結(jié)合設(shè)備電氣特點(diǎn)、動(dòng)作特點(diǎn)以及物理特點(diǎn)共同構(gòu)建變電站設(shè)備場(chǎng)景，采用3D Max軟件創(chuàng)建三維虛擬變電站場(chǎng)景，便于變電站的值班人員在三維場(chǎng)景中漫游巡檢。

圖1 變壓器3D模型圖

本系統(tǒng)采用的硬件設(shè)備包含Simultaneous Multi-Projection引擎技術(shù)，建模在滿足技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的前提下，進(jìn)行了如下優(yōu)化：建模時(shí)，模型的坐標(biāo)中心點(diǎn)處于物體的空間中心（特殊情況除外）；簡(jiǎn)單構(gòu)造物800面以下，面數(shù)過(guò)高會(huì)影響實(shí)時(shí)畫面的幀率；復(fù)雜構(gòu)造的不規(guī)則物體單個(gè)建模面數(shù)控制在1萬(wàn)以下；利用先進(jìn)的流體及粒子特效技術(shù)。另外，該系統(tǒng)采用線纜物件操控技術(shù)、VR體驗(yàn)眩暈感降低的技術(shù)、軟硬結(jié)合定位器服務(wù)VR設(shè)備等技術(shù)。

某變電站VR場(chǎng)景如圖2所示。采用3D建模技術(shù)將三維視景、圖像、圖片、聲音、文字結(jié)合的方式對(duì)設(shè)備的巡視檢查、設(shè)備檢修操作真實(shí)場(chǎng)景、設(shè)備的工作原理、事故故障場(chǎng)景進(jìn)行全仿真。

圖2 變電站3D全景圖

1.2 巡視流程、關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

巡視設(shè)計(jì)的目的是對(duì)變電站內(nèi)所用的一次設(shè)備、二次設(shè)備進(jìn)行查看，掌握其運(yùn)行狀況（如正常狀態(tài)、異常狀態(tài)、故障狀態(tài)），及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的缺陷和威脅設(shè)備安全運(yùn)行的隱患，確保變電站運(yùn)行的安全、穩(wěn)定。關(guān)鍵在于采用先進(jìn)的VR技術(shù)，通過(guò)程序編碼將巡視要點(diǎn)寫入系統(tǒng)，主要包括對(duì)變壓器、母線、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、耦合電容器等一次設(shè)備的巡視，巡視要點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)如表1所示。

表1 設(shè)備及其相應(yīng)的巡視點(diǎn)

開(kāi)發(fā)VR巡視技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)在于將各個(gè)一次設(shè)備正常狀態(tài)、異常狀態(tài)、故障狀態(tài)呈現(xiàn)在系統(tǒng)中，變電站值班員使用VR巡視時(shí)，可以選擇VR設(shè)備巡視設(shè)備的狀態(tài)。因此，設(shè)備巡視的內(nèi)容、關(guān)鍵部位需要用程序代碼寫入系統(tǒng)，包括交互流程、UI文字畫面、動(dòng)畫設(shè)計(jì)展示、語(yǔ)音、環(huán)境音等，讓巡視過(guò)程更流暢、更實(shí)用、更貼近需求。例如，斷路器接頭處發(fā)熱時(shí)，構(gòu)建設(shè)備發(fā)熱性缺陷圖像采集模型，對(duì)采集的設(shè)備發(fā)熱性缺陷視覺(jué)圖像進(jìn)行分塊融合檢測(cè)，根據(jù)高壓變電站設(shè)備發(fā)熱性缺陷分布進(jìn)行高壓變電站設(shè)備發(fā)熱性缺陷的特征檢測(cè)和模糊相關(guān)性匹配得到的設(shè)備發(fā)熱性缺陷視覺(jué)圖像的視覺(jué)特征分割函數(shù)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)視景仿真技術(shù)，對(duì)斷路器接頭發(fā)熱的視覺(jué)VR進(jìn)行重構(gòu)。在VR系統(tǒng)中就可以呈現(xiàn)發(fā)熱部分顏色變紅以及可以應(yīng)用手柄選擇測(cè)溫儀去測(cè)量接頭溫度，如果測(cè)量溫度高于正常溫度，在系統(tǒng)選項(xiàng)中選擇設(shè)備異常，如果溫度過(guò)高，則選擇設(shè)備故障。

2 變電站虛擬仿真巡視效果分析

2.1 變電站虛擬仿真巡視設(shè)備

基于VR的變電站巡視技術(shù)主要由硬件和軟件構(gòu)成，硬件采用1托5個(gè)VR設(shè)備，原理如圖3所示。在系統(tǒng)中有學(xué)習(xí)模式、培訓(xùn)模式、考核模式，變電站值班員可以依據(jù)自身需要選擇相應(yīng)模式進(jìn)行練習(xí)或者考核，進(jìn)入系統(tǒng)后，可以巡視每個(gè)一次設(shè)備的狀態(tài)和進(jìn)行相應(yīng)的巡視操作。

圖3 VR硬件設(shè)備圖

2.2 巡視效果分析

在工作人員的日常巡視中，如果漏尋、錯(cuò)尋就會(huì)出現(xiàn)變電站運(yùn)行的異常，甚至事故。利用VR巡視中的考核功能，可以加強(qiáng)變電站值班人對(duì)變電站設(shè)備的熟悉及巡視工作。

漫游場(chǎng)景可以展示現(xiàn)場(chǎng)的一次電氣設(shè)備、保護(hù)屏及控制室等單元的外觀信息；空間場(chǎng)景是指變電站的整體環(huán)境，如晴天及陰雨天等不同自然環(huán)境因素下變電站的環(huán)境信息；操作場(chǎng)景指的是每個(gè)電氣設(shè)備的操縱過(guò)程場(chǎng)景，如設(shè)備巡視。

2.2.1 設(shè)備狀態(tài)巡視

變電站設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中常出現(xiàn)異常，通過(guò)所提系統(tǒng)可迅速檢測(cè)到并記錄設(shè)備異常及事故，便于變電站培訓(xùn)時(shí)實(shí)時(shí)操作處理，學(xué)習(xí)到各種應(yīng)對(duì)巡視技能。依托于變電站設(shè)備的高精度建模，將變電站通過(guò)三維立體技術(shù)進(jìn)行虛擬展示。系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技手段生成逼真的視、聽(tīng)一體化的特定范圍的變電站虛擬環(huán)境，以此實(shí)現(xiàn)變電站整體布置虛擬瀏覽，對(duì)電力設(shè)備巡視、倒閘操作、安全措施布置進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的虛擬演練以保證變電站安全運(yùn)行。

2.2.2 設(shè)備參數(shù)巡視

電氣設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，電氣參數(shù)代表了設(shè)備狀態(tài)。比如變壓器的油位表、絕緣油溫度等，用手柄選擇合適的工具，進(jìn)行測(cè)量。檢修人員可以借助合適的電工儀器，測(cè)出電路運(yùn)行的基本參數(shù)，如電壓、電流、電阻，等等，然后再與設(shè)備正常運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)做出比較，由此來(lái)判斷故障產(chǎn)生的位置。

3 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)主要基于VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電站巡檢培訓(xùn)系統(tǒng)，并采用虛擬技術(shù)將設(shè)備與變電站場(chǎng)景建模，打造逼真的三維空間。該系統(tǒng)將V R操作手柄和虛擬電力設(shè)備相互結(jié)合，確保變電站值班員利用VR頭盔以及手柄感受真實(shí)空間，提高對(duì)變電站設(shè)備的掌控能力，增強(qiáng)學(xué)員的體驗(yàn)感及培訓(xùn)的智能化。同時(shí)，該系統(tǒng)可模擬變電站故障場(chǎng)景，便于動(dòng)手操作并處理問(wèn)題，能幫助變電站值班員更真實(shí)的與虛擬空間內(nèi)電力設(shè)備進(jìn)行交互，提高工作的效率以及準(zhǔn)確性，此外該系統(tǒng)還能夠?qū)υO(shè)備大數(shù)據(jù)進(jìn)行后臺(tái)記錄分析，方便工作人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常及事故，并對(duì)設(shè)備實(shí)時(shí)檢測(cè)維修，對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行的突發(fā)事件能夠更迅速的反映與應(yīng)對(duì)。