海上油氣田電力虛擬現實系統設計

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(中海油能源發展采油服務公司，天津 300457)

海上油氣田開發一般離陸地較遠，其電力系統有別于陸地電網，由發電系統、電站控制系統、變配電系統和負載組成。滿足正常生產生活的需要并保證供電的穩定性和可靠性是海上油氣田安全生產的核心。近年來，海上油氣田開發集群化、管網化已經成為趨勢，而電力系統也成功實現了并網運行[1]。隨著技術的發展，電力系統的自動化、信息化水平不斷提高，對供電的穩定性和供電質量提出了更高的要求。國內一些研究機構對電網三維可視化展示和虛擬現實技術在電力系統仿真、搶修和培訓中做了詳細的探討并應用[2-5]，取得了較好的效果。對于海上油氣田電力系統來說，虛擬現實技術還未成功應用。為此，對虛擬現實技術在電力系統中的應用進行探索研究。

1 系統建設目的

1)電網安全操作。在智能電網應用基礎上，強化電力系統操作人員培訓和考核機制，讓智能電網操作更安全。

2)電力設備資料管理。通過獨特的二、三維轉化技術，把三維的設備模型和二維的設備資料(包括圖紙、照片、廠家資料、操作手冊和維修手冊)關聯起來，通過三維模型可以查找二維資料，根據設備資料也可以定位所在位置，快速找到所需。

3)三維場景進行應急演練。建立油田群和電力系統虛擬三維場景，集成電力系統應急方案，不同職責的用戶進入虛擬場景后，會有不同的權限，根據應急方案的分工和職能進行應急演練，具有身臨其境的感覺。

4)遠程技術支持。可以通過三維場景結合音頻進行技術支持；也可以通過實時視頻進行現場技術支持。通過聘請技術專家或相關專業人士，遠程進行技術支持，快速解決現場實際問題。

2 系統架構

海上油田電力虛擬現實系統技術架構見圖1。

圖1 電力虛擬現實系統技術構架

以油氣田群平臺的主要結構和電力系統全部設備的三維模型為基礎，進行二、三維資料的關聯，集成EMS系統中的電力系統運行、負載以及調度實時數據，并在系統中以單獨的界面進行顯示，整合電力系統應急計劃，以真實的場景進行體現應急計劃和方案的執行，鍛煉應急隊伍。

海上油田電力虛擬現實系統采用三維虛擬現實技術和多系統集成技術，滿足電力系統操作票模擬及二、三維資料管理，應急演練和遠程技術支持等功能需求，為大作業區電網建設和深化應用提供擴展空間。

海上油田電力虛擬現實系統采用B/S架構，網絡架構見圖2。

圖2 電力虛擬現實系統網絡構架

系統構建在海油局域網內，服務器可以放置在局域網機房內，通過普通終端或無線終端訪問系統。

3 功能設計

海上油氣田電力虛擬現實系統包括三維場景模擬、電網實時數據監控、電力系統資料管理、操作票模擬、應急演練和接口管理等功能模塊。系統建成后利用虛擬現實三維場景真實模擬現場操作環境，能夠實時顯示油田群電網運行情況，實現模擬電力系統操作票操作、應急演練等功能。

3.1 虛擬現實場景

根據油氣田資料精確制作油氣田電力設備三維模型，主要是平臺主體結構、MCC和EMCC等電氣設備。三維場景要真實展現平臺設備的情況，需要細化到配電盤上的按鈕、指示盤，以及配電盤內的斷路器和開關，力爭做到與現場一致。

在三維場景內，可以根據需要在場景里漫游、定義相機、放大、縮小，測量長度、面積等操作。

在三維場景中，點擊或觸摸相應的海上平臺，在顯示三維模型的同時，還能夠顯示該平臺的主要電氣設備運行狀況，比如：運行狀態、運行時間、運行功率等。見圖3。

圖3 電力虛擬現實系統三維場景示意

3.2 電網實時數據監控

電網實時數據監控模塊界面見圖4。

圖4 電力虛擬現實系統主界面

通過系統主界面顯示油氣田具體位置，用不同顏色和不同類型的線條分別表示海底電纜、海底油氣混輸管和注水管等設備。

通過與EMS系統集成，顯示油氣田的電力系統運行狀況。包括電纜基本屬性以及電流、電壓、頻率等參數信息，顯示電流流向，并能顯示電力系統關鍵設備的運行狀況。

通過與EMS系統進行集成，獲得發電機組、電力調度、電網運行關鍵指標數據，并在系統中進行顯示，見圖5。

圖5 電力系統關鍵指標示意

3.3 電力設備資料管理

在三維場景內，選擇電力設備三維模型，會提示是否查看相應設備的技術參數、設備圖紙、廠家資料等。進入設備參數、圖紙、廠家資料等頁面后，可以進行模糊查詢和通過樹狀結構目錄進行查找，可以分別按照系統和設備類型進行，實現三維到二維的轉換。同時也可以根據相應設備資料查詢結果，返回到三維場景中，實現二維到三維轉換。

3.4 操作票模擬

電力操作票模擬集合了三維虛擬現實場景、三維化的單線圖和操作票內容，根據操作票內容按次序在三維虛擬現實場景中進行檢查和操作，并在三維化的單線圖中顯示操作結果。電力操作票模塊內嵌了整個電力系統邏輯，在操作的過程中，能夠進行自動檢查錯誤，并主動提示，將風險降到最低。

在三維場景中按照操作票進行操作，通過用鼠標點擊或觸摸控制面板上的按鈕、觀察儀表讀數、確認指示燈狀態，每操作一步就會在操作票中進行標注，在三維單線圖中顯示實時的數據和運行狀態。

系統能支持多畫面顯示，也可在一個屏幕上進行顯示。實際操作過程中一人對照操作票下指令，一人根據控制面板上的讀數進行操作，一人查看三維單線圖上的系統狀態。

利用虛擬現實技術，模擬現場操作過程和電氣重要元器件的動作狀態，并能夠顯示操作時現場的實際狀態，比如：抽屜柜、指示燈、儀表盤等。

電力操作票模擬模塊分成培訓和考核兩種模式。培訓模式用于電力系統操作人員對系統的培訓和模擬，考核模式是根據對電力系統操作人員的要求進行考評和打分。

3.5 EMS系統集成

為了能在電力虛擬現實系統中實時顯示電力系統運行數據，需要與EMS系統進行集成，需要將EMS系統中的電壓、電流、頻率等數據傳輸到虛擬顯示系統中，為了能夠達到實時的效果，系統延時應在30 ms左右。

3.6 電力系統應急演練

將油田電力系統應急方案集成到虛擬現實系統中，并與三維場景有機結合。通過建立的不同的應急方案進行應急路線的指定、人員的分配，并能自動生成不同的響應方案。

利用虛擬現實三維場景的真實性，應急隊員無論是否身在現場，都可以進行應急演練，根據指揮人員的命令進行操作和行動，并隨時向指揮人員匯報應急情況變化。當應急演練完成后，所有在系統中的操作都會有記錄，并根據系統中已經存儲的案例進行對比分析，幫助組織者找到差距，以達到演練目的。

3.7 遠程技術支持

海上油氣田電力虛擬現實系統預留與視頻監控系統集成接口，為今后實現遠程技術支持成為可能。遠程技術支持以真實三維場景為基礎，結合現場實時視頻監控，技術專家可遠程解決現場實際問題。

4 系統特點

1)電力操作票操作真實可靠。在三維場景中按照操作票進行操作，通過控制面板上的按鈕、觀察儀表讀數、確認指示燈狀態，每操作一步就會在操作票中進行標注，在三維單線圖中顯示實時的數據和運行狀態。

系統支持多畫面顯示，實際操作過程中一人對照操作票下指令，一人根據控制面板上的讀數進行操作，邊操作邊查看三維單線圖上的系統狀態，確保操作準確可靠。

2)系統配置及數據監視功能。系統配置模塊能夠對系統參數進行配置，包括應用程序配置和集成配置。應用程序配置是實現應用程序靈活性的一個有效手段。通過配置文件實現對應用程序參數、操作習慣等進行配置。

數據監視的主要任務是為了保證電力虛擬現實系統與EMS系統數據保持一致，數據傳輸準確，及時發現數據傳輸中的錯誤，并及時改正。

系統配置模塊和數據監視模塊能夠提高系統擴展適應性和運行穩定性，完全從以實用性為基礎考慮，讓系統有更長的生命力。

5 結論

海上油氣田電力虛擬現實系統的設計旨在能夠為電力系統的管理和操作提供一個安全、可靠的工具。能讓油氣田的管理者直觀地了解電力系

統的工作狀態，參與應急演練，并遠程解決現場出現的問題。能夠幫助現場操作人員在虛擬的場景中進行模擬操作，提高工作技能，減少現場操作失誤，以免影響安全生產，甚至造成安全事故。

[1] 陳永強.綏中36-1海上油田群電站并網發電機控制研究[D].天津:天津大學，2012.

[2] 任元會，卞鎧生，姚家袆.工業與民用配電設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2005.

[3] 王麗麗，彭 巖，張 亮,等.電網三維可視化展示技術研究[J].科技創新導報，2013,29(7).

[4] 趙鳳芝，俞蓮蓮.基于虛擬現實技術的油田生產仿真系統的設計與實現[J].計算機系統應用，2006,(11):6-9.

[5] 李天宇，張 揚.虛擬現實技術在電力應急搶修演練中的應用[J].現代計算機，2013,36:71-71.