用電信息采集場景數字化仿真模型設計及應用

安徽南瑞中天電力電子有限公司 韓 周 趙 偉 孟海川 楊 峰 梁 峰

1 引言

隨著新型電力系統和能源互聯網建設工作不斷推進，作為國網公司面向最終客戶的電力計量部門，營銷計量工作持續深化，功能應用不斷增多，業務范圍不斷擴大，采集計量設備也向著智能化、多元化、數據化應用方向發展，從而要求電力工作人員從傳統單一的作業能力向更全面的綜合專業能力提升，在既有業務專精的基礎上還需加強信息、安全、通信、計量設備穩定運行維護等方面的能力。然而采集計量現場環境復雜，人員操作存在不規范、不安全因素，因此通過數字化技術手段，建立數字化仿真體系，真實還原設備現場運行情況及運行中可能出現的問題，有助于開展新技術、新設備技能掌握和用電場景仿真實操模擬。

在用電信息采集仿真方面，目前仍然以實物裝置仿真為主，存在較多問題：一是設備實物一般占地較大，尤其是業務類型較多時，存在一定的局限性；二是在經濟性方面，過多的設備一般會增加投資；三是運輸方面，設備的搬運及運輸都存在不便性；四是在交互方式方面，形式較為單一，缺乏對新技術、新方法的支持。

近年來，虛擬仿真技術不斷發展，通過虛擬現實（Virtual Reality，VR）頭顯、數據手套等輔助傳感設備，結合逼真性和實時交互性的虛擬系統交互的仿真用戶接口[1]，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環境中的作用與變化，可以沉浸在虛擬操作環境中，根據視覺、聽覺和觸覺的反饋，感受各種動作要領，并體驗感受到現實世界中發生的工況[2]。

2 用電信息采集數字化仿真現狀

數字化仿真是一種模擬物理世界的技術，包含了確定性規則和完整機制的模型轉換為軟件。通過正確的仿真數字化模型，使用完整的輸入信息和環境數據，物理世界的特征和參數就能基本準確地反映出來。

將電力系統網絡和負載元件建立其數學模型，用數學模型在數字計算機上進行試驗和研究的過程。實現數字仿真一般包括建立數學模型、建立數字仿真模型和仿真試驗三個主要步驟。電力系統數字仿真應用廣泛[3]，主要研究用電力系統數字仿真，如電力系統電磁暫態計算程序（Electro-Magnetic Transient Program，EMTP）、電力系統綜合潮流程序（Bonneville Power Administration,BPA），培訓用電力系統數字仿真，如電力系統調度員培訓仿真系統（Dispatcher Training Simulator,DTS）、變電站培訓仿真系統。

用電信息采集領域偶有采用虛擬仿真技術應用[4]，但都以局部功能仿真為主，不具備用電信息采集相關設備生命周期內全業務仿真，尚未形成規模化仿真業務，且交互功能仍采用傳統的鍵鼠操作，沉浸式體驗較差。自20世紀六十年代以來，美國、日本等國家率先在各類發電廠機組之間建立業務仿真，隨后仿真技術擴充到變電站。當前，在電力人才培養方面已經逐漸從傳統的理論教學和實物演練模式向數字仿真模式進行轉變。

3 用電信息采集仿真數字化模型設計

用電信息采集場景數字化仿真模型設計及應用由產品模型庫、場景模型庫、數據邏輯處理模塊、數據緩存等幾部分組成。其軟件結構如圖1所示。

圖1 用電信息采集場景仿真數字化應用系統結構

其中，產品模型庫為用電信息采集中的相關設備，通過對設備的特征和業務模型等對象進行歸納、重組、抽象的數字化模型組件庫；場景模型庫是對真實現場環境模擬，是虛擬場景下的主題場景仿真；數據邏輯處理服務為仿真模型的運行算法及規則，基于現場真實設備的電氣特征以及運行模式，生成正確的關聯業務數據；數據緩存服務采用基于內存亦可持久化的高性能key-value 非關系型數據庫Redis，具備響應快速、原子操作、查詢命中率高等優點。

用電信息采集場景數字化仿真應用基于虛擬仿真軟件通過預配置場景和預設腳本，在場景中注入各項運行數據，使用者通過客戶端、瀏覽器、用戶界面及相關配套手持設備或鍵盤、鼠標，在虛擬場景中按照指示標志進行安全模擬操作。

在用電信息采集數字化仿真應用中，通過場景式模擬用電采集現場的電能表運行時產生電量數據平臺[5]，采集終端實時顯示電壓、電流等數據，電能表與終端之間、終端與變壓器之間的線路等關系，操作人員可在虛擬場景內進行任意操作，會產生相應現象。軟件響應用戶個性化需求，模擬各種設備現象（如設備模型屏幕內容顯示、燈光變化、線路故障等）；同時，根據用電產品規約、功能規范、電氣特性等技術要求，將數據算法、實時數據通過數據接口與外部進行交互，實現用電場景仿真的擴展應用。

本項目對通過對用電信息采集的仿真業務進行規范化梳理，建立了用電信息采集業務場景全真數字化模型，模擬了用電信息采集真實場景，使各仿真設備按定義場景內容組合，形成與現實相同的用電拓撲結構，還原用電現場環境，結合現實增強技術，同步生成了三維空間模型，進行沉浸式操控作業，實現了現場作業虛擬化替代。

3.1 用電產品模型庫

項目通過選取電力營銷采集計量中的用電終端、智能電表、采集器、互感器、光伏發電、充電樁等多種產品，梳理設備對應的模塊、硬件、軟件、外部線路、環境等共性運維數據進行編碼或標簽化管理，基于設備的運行生命期內的相關數據信息見表1，其中包括提取電能量、顯示模塊、通信模塊、控制模塊、輸入輸出接口以及其他相關設備等個性化特征。

表1 設備特征分析

通過對設備的特征和業務模型進行對象數字化歸納、重組、抽象，總結出了16種通用業務模型數字化庫：參量、變量、顯示、事件及狀態、采集、通信、電量、主站通信、控制告警等，結合高精度建模軟件，通過硬件抽象與數據抽象相結合，形成計量設備、采集設備、模塊、裝置等多種可復用的數字化模型組件庫。圖2為遠程通信模塊的數字化模型庫。

圖2 遠程通信模塊的數字化模型

3.2 用電業務場景模型庫

場景數字化建模通過分析總結營銷計量用電領域產品的物理特征、電氣化特征、相互之間關聯性，基于交互式實時圖像應用技術、三維建模技術、虛擬現實技術，通過不同設備、不同場景的組合，制作超高精度場景模型，遵循營銷計量電力現場建設規范，搭建各種虛擬場景下的主題仿真場景，構建虛擬仿真場景。

用電業務場景通過配置專變終端（可選Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型）、多個三相專變用戶表，分別代表在高壓側、低壓側總表和線路計量點來搭建專變場景；通過配置Ⅰ型集中器，多個載波電能表或RS485電能表，支持全載波（單相載波電能表+三相載波表）或半載波（采集器+單相485電能表）場景，且臺區中可選擇多個不同載波通信模塊用以實現各載波模塊互換操作；通過配置Ⅱ型集中器和多塊RS485電能表配置Ⅱ型集中器場景等常用的業務場景。

場景仿真模擬的仿真類別涵蓋低壓臺區場景和專變場景，通過設備的種類不同，可擬真的應用場景類型見表2。

表2 應用場景類型

3.3 數字化仿真軟件及數據驗證

基于數字化建模，通過不同設備的組合，搭建各種虛擬場景下的主題仿真場景，研制用電信息采集數字化仿真軟件，基于沉浸式虛擬仿真技術構建典型電力作業場景，模擬設備運行狀態，讓業務人員置身于電力生產虛擬場景中，在保證人身安全前提下進行場景虛擬模擬，有助于為電網公司營銷計量業務的安全可靠操作提供技術手段。

3.3.1 設備展示

通過數字化高精度建模，基于設備功能規范，模擬設備結構及功能模塊，包含電能表、采集器、采集終端等設備（如圖3所示），從多方面展示產品的介紹、外觀、功能等。

圖3 采集終端數字化模型

3.3.2 虛擬場景仿真

虛擬場景仿真的選擇狀態如圖4所示，支持專變臺區、全載波臺區、Ⅱ型集中器臺區、混合臺區的場景等仿真，支持40余項現場應用展示，模擬各類運行狀況處理及操作。

圖4 數據質量對比示意圖

圖4 虛擬化場景選擇

3.3.3 應用仿真

應用軟件實現電能表、終端規約中規定的電氣特征及功能，基于真實電氣數據流轉，實現故障邏輯展現，包含作業流程模擬、設備模型及線路模擬，場景支持自由操作，每項操作結果基于后臺算法實時展現。如圖5所示設備操作時的展示畫面，圖6所示為調整接線順序，電能表顯示電流異常。

圖5 設備操作展示畫面

圖6 電流異常

3.3.4 虛擬現實體驗

通過虛擬現實技術，實現沉浸式體驗和實操培訓，滿足業務人員實操需求，降低安全風險，增加學習興趣，幫助提升業務人員技能水平。如圖7所示為使用VR 技術進行實操。

圖7 VR 實操

4 結語

通過對營銷（計量）領域的設備產品及場景仿真，建立了營銷計量設備數字化模型，實現了虛擬現實技術在用電信息采集現場全業務場景中的應用。采用了多態仿真、數字化等技術，還原營銷計量業務實際現場，提升了仿真的多樣性、便捷性。

利用虛擬現實構建了業務的各種現實場景，并充分考慮可能出現的電力環境及操作異常及應對處理手段，設計了標準化、功能化的虛擬現實互動功能設備模塊庫，以提高建模效率。并利用人機交互引擎和虛擬現實設備完成了虛擬仿真培訓平臺的構建。設備操作、運行分析等均可在虛擬場景中模擬操作，培訓過程生動形象，交互性強，可規避各種作業環境中存在的危險和不規范操作帶來的后果，在彌補傳統作業不足的同時，也大幅提高了業務人員的實操效果。