基于“元宇宙”的變電檢修全過程三維仿真關(guān)鍵技術(shù)研究

彭秋武 王立漢 李曉洋

(海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司?？谧冸娺\(yùn)檢分公司)

0 引言

隨著能源需求的增長和電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大, 變電站作為電力系統(tǒng)的重要組成部分, 承擔(dān)著電能傳輸和分配的重要任務(wù)。然而, 變電站的檢修與運(yùn)維是一個(gè)復(fù)雜而繁瑣的過程, 涉及到大量的設(shè)備操作和維護(hù)工作。傳統(tǒng)的變電站檢修方法存在著工作效率低、操作風(fēng)險(xiǎn)高等問題。近年來, 元宇宙技術(shù)作為一種新興的技術(shù), 提供了一種全新的交互和可視化環(huán)境, 可以模擬真實(shí)世界的場景, 并實(shí)現(xiàn)真實(shí)感的交互體驗(yàn)[1]。在變電站檢修領(lǐng)域, 基于元宇宙的三維仿真技術(shù)可以提供一個(gè)虛擬的環(huán)境來模擬變電站的運(yùn)行和維護(hù)過程, 幫助操作人員進(jìn)行訓(xùn)練和決策。

研究基于元宇宙的變電檢修全過程三維仿真關(guān)鍵技術(shù)的意義在于, 它能夠有效地提高變電站檢修的效率和安全性。通過使用這種技術(shù), 操作人員可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行各種操作演練和訓(xùn)練, 提前熟悉變電站的結(jié)構(gòu)和設(shè)備, 減少操作失誤和事故風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí), 該技術(shù)還可以提供實(shí)時(shí)的反饋和指導(dǎo), 幫助操作人員糾正錯(cuò)誤并提高工作效率。此外, 基于元宇宙的變電檢修全過程三維仿真技術(shù)還具有良好的推廣和應(yīng)用前景。它可以應(yīng)用于新員工的培訓(xùn)和教育, 提高他們的操作技能和工作水平。同時(shí), 該技術(shù)還可以為變電站運(yùn)營管理提供決策支持, 模擬不同的工作方案和場景, 評(píng)估其對(duì)電力系統(tǒng)的影響和可行性。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與存在問題

基于元宇宙的變電檢修全過程三維仿真關(guān)鍵技術(shù)是近年來國內(nèi)外電力領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。國內(nèi)外已有一些研究取得了初步成果, 但也存在一些問題和挑戰(zhàn)。

國外方面, 歐美等發(fā)達(dá)國家在元宇宙技術(shù)應(yīng)用方面較為領(lǐng)先。他們注重基礎(chǔ)建設(shè)和技術(shù)創(chuàng)新, 已經(jīng)開展了一些大規(guī)模的變電檢修仿真項(xiàng)目。例如, 美國的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)利用元宇宙技術(shù)開發(fā)了一個(gè)可視化的變電檢修仿真系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了真實(shí)場景的三維模擬和虛擬現(xiàn)實(shí)交互[2]。他們采用先進(jìn)的傳感器和數(shù)據(jù)融合算法, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)檢修過程中的關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析。

國內(nèi)方面, 元宇宙技術(shù)在電力領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段。目前, 一些大型電力企業(yè)和高校開始關(guān)注該技術(shù), 并逐漸開展相關(guān)研究。然而, 在國內(nèi)的研究中仍存在一些問題。首先, 技術(shù)研發(fā)水平相對(duì)滯后,還缺乏成熟的元宇宙建模和仿真平臺(tái)。其次, 數(shù)據(jù)融合與分析方面的研究還相對(duì)薄弱, 缺乏對(duì)變電站運(yùn)行數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效利用和分析。

此外, 元宇宙技術(shù)的應(yīng)用還面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)和難題。首先, 三維建模和仿真的精度和效率仍需要進(jìn)一步提高, 以實(shí)現(xiàn)更真實(shí)、更高效的變電檢修仿真。其次, 虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)還需要改進(jìn), 以提供更具沉浸感和交互性的操作體驗(yàn)。

2 元宇宙及其在變電檢修中的應(yīng)用概述

2.1 元宇宙的定義和特點(diǎn)

元宇宙是一個(gè)集成虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的新興概念, 創(chuàng)造了一個(gè)拓展性極高的虛擬世界。它模擬現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)字化空間, 包含各種虛擬對(duì)象、場景和人物[3]。與傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)相比, 元宇宙更加開放、多樣化和互聯(lián)互通。元宇宙具有虛實(shí)融合、互聯(lián)互通、多樣化與開放性、拓展性等特點(diǎn)。虛實(shí)融合實(shí)現(xiàn)了虛擬內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)物體的結(jié)合, 互聯(lián)互通通過互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)用戶實(shí)時(shí)交流和互動(dòng), 多樣化與開放性允許用戶創(chuàng)造和定制虛擬內(nèi)容, 拓展性使其不斷演化和發(fā)展。元宇宙將在娛樂、教育、商業(yè)等領(lǐng)域帶來更多應(yīng)用。

2.2 元宇宙在變電檢修中的潛在應(yīng)用價(jià)值

元宇宙在變電檢修中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值, 為變電檢修工作帶來多重益處。首先, 元宇宙技術(shù)可以提供安全、沉浸式的培訓(xùn)環(huán)境, 模擬各種檢修場景進(jìn)行實(shí)時(shí)訓(xùn)練, 提高操作人員的技能和安全意識(shí), 降低操作風(fēng)險(xiǎn)。其次, 元宇宙可以模擬并重現(xiàn)變電檢修的全過程, 包括設(shè)備狀態(tài)檢查、故障分析、修復(fù)操作等。通過在元宇宙中進(jìn)行仿真優(yōu)化, 可以提前發(fā)現(xiàn)潛在問題, 制定更合理高效的檢修方案。第三, 元宇宙系統(tǒng)與傳感器和監(jiān)測設(shè)備集成, 實(shí)時(shí)獲取設(shè)備數(shù)據(jù), 并在虛擬環(huán)境中以可視化方式展示[4]。操作人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和決策, 當(dāng)設(shè)備異常時(shí), 元宇宙提供及時(shí)警報(bào)與指導(dǎo), 幫助定位和解決問題。最后, 元宇宙為變電檢修團(tuán)隊(duì)提供虛擬的協(xié)作平臺(tái), 團(tuán)隊(duì)成員可以在其中遠(yuǎn)程協(xié)作、共享知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)與操作技巧。這種協(xié)作平臺(tái)提高團(tuán)隊(duì)協(xié)同效率, 加速問題解決速度。總而言之,元宇宙應(yīng)用于變電檢修中具有廣闊前景和潛力, 提升安全性、優(yōu)化檢修過程、實(shí)時(shí)監(jiān)測與反饋、促進(jìn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作與知識(shí)共享等方面發(fā)揮重要作用。

3 變電檢修全過程三維仿真關(guān)鍵技術(shù)綜述

3.1 變電檢修全過程的定義和步驟

變電檢修是對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行維修、保養(yǎng)、檢查和測試的全過程操作, 旨在確保設(shè)備的正常運(yùn)行, 保障電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。主要步驟包括檢查和準(zhǔn)備、設(shè)備狀態(tài)檢查、故障診斷和分析、維修和更換、檢驗(yàn)和測試、清理和整理。在變電檢修中, 首先進(jìn)行檢查和準(zhǔn)備工作, 確保設(shè)備停電停運(yùn), 并準(zhǔn)備好所需工具和材料。然后進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)檢查, 檢查外觀、接線、絕緣狀況等。若發(fā)現(xiàn)故障, 進(jìn)行診斷和分析, 使用測試設(shè)備和儀器確定故障原因和位置。接下來進(jìn)行維修和更換工作, 包括清潔、潤滑、緊固和調(diào)整等操作, 以修復(fù)設(shè)備并更換損壞部件。隨后進(jìn)行檢驗(yàn)和測試, 測試設(shè)備的電氣參數(shù)、絕緣狀況和運(yùn)行情況, 確保設(shè)備正常運(yùn)行和可靠性[5]。最后進(jìn)行清理和整理工作, 清理現(xiàn)場, 整理工具和材料, 并記錄檢修過程和結(jié)果。這些步驟有助于提高檢修工作的效率和質(zhì)量。

3.2 三維仿真在變電檢修中的優(yōu)勢和應(yīng)用場景

三維仿真在變電檢修中具有顯著的優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用場景。首先, 三維仿真可以幫助檢修人員更好地理解和熟悉變電設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理。通過虛擬的三維環(huán)境, 他們可以觀察和分析設(shè)備的各個(gè)部件、連接方式和運(yùn)行過程, 全面了解設(shè)備的內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)。其次, 三維仿真可以實(shí)現(xiàn)變電檢修過程的虛擬模擬和優(yōu)化。通過將變電設(shè)備的數(shù)據(jù)和參數(shù)導(dǎo)入到三維仿真系統(tǒng)中, 可以模擬和重現(xiàn)整個(gè)變電檢修過程。檢修人員可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行各種操作和調(diào)試, 通過不斷優(yōu)化和調(diào)整, 找到最合理和高效的檢修方案。此外, 三維仿真還可以實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測和反饋。通過將傳感器和監(jiān)測設(shè)備與三維仿真系統(tǒng)進(jìn)行集成, 可以實(shí)時(shí)獲得變電設(shè)備的數(shù)據(jù)。這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以在虛擬環(huán)境中以可視化的方式呈現(xiàn), 幫助檢修人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和決策。通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測和反饋, 可以提高變電設(shè)備的運(yùn)行效率和可靠性, 減少檢修時(shí)間和成本[6]。

4 基于元宇宙的變電檢修全過程三維仿真關(guān)鍵技術(shù)

4.1 建模與仿真技術(shù)

建模是元宇宙變電檢修仿真技術(shù)的基礎(chǔ), 其目的是將變電站的各個(gè)設(shè)備、線路等元素以數(shù)字化的形式呈現(xiàn)在虛擬環(huán)境中。首先需要對(duì)變電站進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)研和數(shù)據(jù)收集, 包括設(shè)備參數(shù)、線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。然后利用專業(yè)的建模軟件, 將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為虛擬元素, 并進(jìn)行精細(xì)化建模。在建模過程中, 需要考慮到元素的形狀、材質(zhì)、電氣參數(shù)等, 以確保數(shù)字模型與實(shí)際場景的吻合度。

仿真是通過對(duì)建模后的變電站進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬, 以模擬檢修方案和操作流程的執(zhí)行過程。通過在虛擬環(huán)境中模擬各種檢修操作, 如設(shè)備的啟停、線路的開關(guān)操作等, 可以評(píng)估檢修過程中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn), 優(yōu)化檢修策略, 提高檢修效率。同時(shí), 仿真還可以模擬各種復(fù)雜情況, 如設(shè)備故障、線路短路等, 以培訓(xùn)操作人員在應(yīng)急情況下的應(yīng)對(duì)能力[7]。

4.2 虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)

基于元宇宙的變電檢修全過程三維仿真虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù), 為電力行業(yè)提供了一種創(chuàng)新的檢修手段。它能夠通過高度沉浸的虛擬環(huán)境和實(shí)時(shí)交互, 提高操作人員的準(zhǔn)確性和安全性, 同時(shí)還能夠模擬各種復(fù)雜情況, 以應(yīng)對(duì)緊急情況。其核心是利用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備, 如頭戴式顯示器、手柄等, 將用戶完全沉浸在虛擬環(huán)境中。在變電檢修的三維仿真中, 用戶可以通過

虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)在元宇宙的變電檢修全過程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。首先, 通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù), 操作人員可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行各種檢修操作, 而無需實(shí)際進(jìn)入變電站, 減少了潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。其次, 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬各種復(fù)雜場景和情況, 如設(shè)備故障、線路短路等, 讓操作人員在虛擬環(huán)境中進(jìn)行演練和訓(xùn)練, 提高應(yīng)對(duì)緊急情況的能力。此外, 虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)還可以記錄用戶的操作過程和數(shù)據(jù), 用于后續(xù)的分析和評(píng)估, 以優(yōu)化檢修方案和提高檢修效率。

4.3 多模態(tài)信息融合技術(shù)

多模態(tài)信息融合技術(shù)主要包括圖像、聲音、傳感器數(shù)據(jù)等多種模態(tài)信息的整合和分析。在變電檢修中, 通過采集變電站的圖像信息、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)等多種信息源, 利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)和模式識(shí)別, 實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站狀態(tài)和設(shè)備性能的綜合評(píng)估。多模態(tài)信息融合技術(shù)可以將變電站的圖像信息與設(shè)備參數(shù)、線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián), 生成可以在虛擬環(huán)境中呈現(xiàn)的三維模型[8]。通過多維度的圖像采集和處理技術(shù), 可以獲取變電站設(shè)備的幾何形狀、材質(zhì)等信息, 為后續(xù)的建模和仿真提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。另外, 多模態(tài)信息融合技術(shù)可以將傳感器數(shù)據(jù)與虛擬環(huán)境進(jìn)行融合, 實(shí)時(shí)監(jiān)測變電站的運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備性能。通過傳感器網(wǎng)絡(luò)的布置, 可以獲取變電站各個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù), 如電流、電壓、溫度等。將這些傳感器數(shù)據(jù)與虛擬環(huán)境的模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)和融合, 可以實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)變化, 提前預(yù)警潛在故障, 為檢修決策提供科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)束語

基于元宇宙的變電檢修全過程三維仿真技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢。該技術(shù)不僅能夠提供真實(shí)感的場景模擬, 使操作人員能夠身臨其境地感受變電檢修的各個(gè)環(huán)節(jié); 還能夠提供實(shí)時(shí)的反饋和指導(dǎo), 幫助操作人員糾正錯(cuò)誤并提高工作效率。同時(shí), 該技術(shù)還具有很高的可擴(kuò)展性和靈活性, 可以根據(jù)需要進(jìn)行定制和擴(kuò)展, 滿足不同應(yīng)用場景的需求。未來, 隨著5G 技術(shù)的普及和云計(jì)算能力的提升, 基于元宇宙的變電檢修仿真將實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模、更復(fù)雜場景的模擬, 為變電檢修工作提供更全面、高效的解決方案。