基于VR變電站設備的巡視關鍵技術開發(fā)與應用

張廣怡

（鄭州電力高等專科學校，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著計算機技術和仿真技術逐漸的發(fā)展成熟，虛擬現實（virtual reality，VR）技術也帶動諸多行業(yè)的快速進步。相關研究在各行各業(yè)也取得了巨大的成績。其中，沉浸式仿真技術的研究較為深入且貢獻較為突出。現階段，電力行業(yè)的智能化建設水平不斷提升，變電站也逐漸實現智能化控制和管理，使得智能電網的安全運行得到極大保障。但目前將VR技術應用于變電站巡視工作中較少，鑒于此，本文研究如何開發(fā)應用于變電站巡視工作的VR技術。

VR技術就是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，為使用者提供關于視覺、聽覺、觸覺等感官上的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，能夠及時無限制的去觀察三維空間內的事物。因此，為解決傳統(tǒng)方法中存在的問題，本研究設計一種基于VR技術的變電站設備巡視操作，從提高巡視真實性和有效性的角度出發(fā)，首先對變電站的一次設備進行建模，在此基礎上對變電站巡視的關鍵技術進行開發(fā)，編寫程序代碼，可進行模擬設置變電站設備異常及故障，供變電站值班員巡視練習。研究還通過對比采用VR技術練習后的巡視效率，證明該方法的有效性。

1 基于VR技術的變電站巡視系統(tǒng)的設計

1.1 設備模型的搭建

依據某500kV變電站主接線圖、變電站真實場景搭建VR仿真模型，包括變電站場所、各個一次設備的模型，如圖1所示為變壓器的3D模型圖。通過Solid Works和3D Max結合設備電氣特點、動作特點以及物理特點共同構建變電站設備場景，采用3D Max軟件創(chuàng)建三維虛擬變電站場景，便于變電站的值班人員在三維場景中漫游巡檢。

圖1 變壓器3D模型圖

本系統(tǒng)采用的硬件設備包含Simultaneous Multi-Projection引擎技術，建模在滿足技術規(guī)范標準的前提下，進行了如下優(yōu)化：建模時，模型的坐標中心點處于物體的空間中心（特殊情況除外）；簡單構造物800面以下，面數過高會影響實時畫面的幀率；復雜構造的不規(guī)則物體單個建模面數控制在1萬以下；利用先進的流體及粒子特效技術。另外，該系統(tǒng)采用線纜物件操控技術、VR體驗眩暈感降低的技術、軟硬結合定位器服務VR設備等技術。

某變電站VR場景如圖2所示。采用3D建模技術將三維視景、圖像、圖片、聲音、文字結合的方式對設備的巡視檢查、設備檢修操作真實場景、設備的工作原理、事故故障場景進行全仿真。

圖2 變電站3D全景圖

1.2 巡視流程、關鍵技術點的設計

巡視設計的目的是對變電站內所用的一次設備、二次設備進行查看，掌握其運行狀況（如正常狀態(tài)、異常狀態(tài)、故障狀態(tài)），及時發(fā)現設備的缺陷和威脅設備安全運行的隱患，確保變電站運行的安全、穩(wěn)定。關鍵在于采用先進的VR技術，通過程序編碼將巡視要點寫入系統(tǒng)，主要包括對變壓器、母線、斷路器、隔離開關、耦合電容器等一次設備的巡視，巡視要點及關鍵技術如表1所示。

表1 設備及其相應的巡視點

開發(fā)VR巡視技術關鍵點在于將各個一次設備正常狀態(tài)、異常狀態(tài)、故障狀態(tài)呈現在系統(tǒng)中，變電站值班員使用VR巡視時，可以選擇VR設備巡視設備的狀態(tài)。因此，設備巡視的內容、關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、動畫設計展示、語音、環(huán)境音等，讓巡視過程更流暢、更實用、更貼近需求。例如，斷路器接頭處發(fā)熱時，構建設備發(fā)熱性缺陷圖像采集模型，對采集的設備發(fā)熱性缺陷視覺圖像進行分塊融合檢測，根據高壓變電站設備發(fā)熱性缺陷分布進行高壓變電站設備發(fā)熱性缺陷的特征檢測和模糊相關性匹配得到的設備發(fā)熱性缺陷視覺圖像的視覺特征分割函數，采用虛擬現實視景仿真技術，對斷路器接頭發(fā)熱的視覺VR進行重構。在VR系統(tǒng)中就可以呈現發(fā)熱部分顏色變紅以及可以應用手柄選擇測溫儀去測量接頭溫度，如果測量溫度高于正常溫度，在系統(tǒng)選項中選擇設備異常，如果溫度過高，則選擇設備故障。

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備

基于VR的變電站巡視技術主要由硬件和軟件構成，硬件采用1托5個VR設備，原理如圖3所示。在系統(tǒng)中有學習模式、培訓模式、考核模式，變電站值班員可以依據自身需要選擇相應模式進行練習或者考核，進入系統(tǒng)后，可以巡視每個一次設備的狀態(tài)和進行相應的巡視操作。

圖3 VR硬件設備圖

2.2 巡視效果分析

在工作人員的日常巡視中，如果漏尋、錯尋就會出現變電站運行的異常，甚至事故。利用VR巡視中的考核功能，可以加強變電站值班人對變電站設備的熟悉及巡視工作。

漫游場景可以展示現場的一次電氣設備、保護屏及控制室等單元的外觀信息；空間場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；操作場景指的是每個電氣設備的操縱過程場景，如設備巡視。

2.2.1 設備狀態(tài)巡視

變電站設備在運行過程中常出現異常，通過所提系統(tǒng)可迅速檢測到并記錄設備異常及事故，便于變電站培訓時實時操作處理，學習到各種應對巡視技能。依托于變電站設備的高精度建模，將變電站通過三維立體技術進行虛擬展示。系統(tǒng)采用計算機技術為核心的現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，以此實現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的虛擬演練以保證變電站安全運行。

2.2.2 設備參數巡視

電氣設備在運行時，電氣參數代表了設備狀態(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，進行測量。檢修人員可以借助合適的電工儀器，測出電路運行的基本參數，如電壓、電流、電阻，等等，然后再與設備正常運行的相關參數做出比較，由此來判斷故障產生的位置。

3 結論

本研究設計主要基于VR虛擬現實技術的變電站巡檢培訓系統(tǒng)，并采用虛擬技術將設備與變電站場景建模，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備相互結合，確保變電站值班員利用VR頭盔以及手柄感受真實空間，提高對變電站設備的掌控能力，增強學員的體驗感及培訓的智能化。同時，該系統(tǒng)可模擬變電站故障場景，便于動手操作并處理問題，能幫助變電站值班員更真實的與虛擬空間內電力設備進行交互，提高工作的效率以及準確性，此外該系統(tǒng)還能夠對設備大數據進行后臺記錄分析，方便工作人員能及時發(fā)現異常及事故，并對設備實時檢測維修，對電力設備運行的突發(fā)事件能夠更迅速的反映與應對。