基于VR的变电站智能巡检场景研究与设计

魏 焱

(广东电网公司 电力科学研究院，广东 广州 510080）

随着电网规模越来越大，结构越来越复杂，无人值守的变电站数量越来越多，电网对信息系统的依赖程度越来越强。而与此同时，各种信息系统按照业务线进行建设，系统之间缺乏必要的联系。传统的监测系统缺少直观有效的方式显示海量、复杂的信息，缺少有效的可视化手段对各种监测数据进行高效的展示[1]。而一般的二维GIS系统只能对变电站总体状态进行展示，既无法满足变电站设备级的精细化管理要求，又不符合业务人员巡检变电站的实际应用。

基于以上考虑，本文以变电站智能巡检场景为切入点，在变电站精细化三维建模的基础上，依靠虚拟现实（VR）技术，给出了将三维模型漫游与现场机器人巡检结合的应用场景设计方案，即在三维模型中实时动态地显示机器人的现场位置、真实视频、设备热缺陷告警、设备异物识别告警、设备异常声音告警等视听觉类监测信息，并通过三维控制器实现真实环境与虚拟环境的同步操作，达到虚实结合、人机交互的效果。在信息展示方面，打破以往巡检时业务人员查询多个信息系统的模式，而是以设备为单位，将与该设备有关的基础数据和监测数据集中起来[2-5]，统一进行展示，再结合机器人现场采集的信息，通过双屏互动等可视化载体进行呈现，达到了优于现场巡检的用户体验效果。

1 虚拟现实技术

虚拟现实（Vinual Reality，VR）技术是一种使人沉浸于一个由计算机生成或以计算机为中介的可交互虚拟环境中的显示和控制技术，它采用计算机发展中的高科技手段构造出一个虚拟的境界，使参与者获得与现实世界一样的感觉，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支。虚拟现实系统就是要利用各种先进的硬件技术及软件工具，设计出合理的硬件、软件及交互手段，使参与者能交互式地观察和操纵系统生成的虚拟世界。[6-8]

变电站智能巡检场景设计就是依托变电站精细化三维建模，利用虚拟现实技术，使业务人员能够在虚拟变电站中进行漫游，遵照现场巡检的习惯，在变电站模型中对每个设备进行查看，同时将与该设备的基础数据、监测数据等信息实时动态的呈现出来，辅助巡检人员发现缺陷、定位故障，提供可视化的信息支撑。

2 变电站精细化三维建模

根据实际应用对电网设备精细化程度的需求，可将电网设备三维模型的粒度由粗到细划分为三级，分别是工程级模型、重点部件级模型、全设备级模型。三种级别可从完整性、精细度两方面进行描述，具体内容如表1所示。

3 智能巡检场景的研究与设计

3.1 场景总体设计

变电站智能巡检场景主要分为两部分，包括虚实结合的智能操控和信息融合的智能展示。变电站智能巡检场景则是通过可视化载体，将智能操控和智能展示两部分综合起来，实现虚实结合、人机互动的可视化场景[9-10]（如图 1）。

表1 三维建模精细化等级描述

3.2 智能操控设计

虚实结合的智能操控是研究变电站机器人智能巡检与仿真技术的融合协同，即在现实变电站中引入巡视机器人，并在高精度的变电站三维仿真场景中置入模拟机器人，实现机器人仿真环境与现场环境的完全协同。如图2所示，通过三维控制器发出同一套通讯指令同时控制模拟机器人与巡检机器人，双方通过信息通信传输定位信息，时刻保持位置一致，为虚拟场景的集成信息与现场环境的采集信息融合展示、叠加分析等应用提供了基础。

3.3 智能展示设计

信息集成的智能展示是在双屏显示模式下，将模拟机器人在仿真环境中巡检时集成的设备实时运行数据、状态监测、事件信息、环境信息、台帐信息等数据进行展示，同时也展示巡视机器人捕捉到的真实视频，现场采集到的设备热缺陷告警、设备异物识别告警、设备异常声音告警等视听觉类监测信息。通过两种信息的叠加处理与分析，使业务人员能够更加精准、实时、真实、沉浸式的监测变电站状态，达到协同工作的目的。

图1 变电站智能巡检场景

图2 智能操控功能图

1）数据源层描述了可视化场景所需要访问的数据来源，主要包括生产系统、EMS、在线监测系统、GIS系统、视频监测系统、气象系统等。

2）数据层描述了展示平台与不同数据源之间的数据传递、转换、净化和集成机制。可视化场景所需要使用和管理的数据，包括内部数据和外部数据两类。其中，内部数据是指直接取自公司相关业务系统的数据，具体包括台帐数据、实时数据、监测数据、视频数据等。外部数据是指取自外部数据源的数据，例如微气象等。数据源层提供的数据在数据层分成了关系型数据、实时数据、空间数据、非结构化数据共四类数据，数据架构如图3所示。

图3 变电站智能巡检数据架构

3）业务应用层从“全景查看”、“任务管理”、“路线设定”、“巡检项目”、“缺陷管理”、“报告管理”六个方面辅助变电站巡视人员工作。在健康状况指标体系设计方面，为了便于用户从海量的监测数据中获取关键的信息，我们按照层次关系将指标体系分成了三级，分别是变电站整体健康状况、各类变电设备健康状况和某类变电设备详细健康状况。当展现信息时，每一级健康状况都是从下向上层层抽取得到，当定位故障时，用户又可以从上向下层层进行挖掘，如图4所示。

4）可视化展现层描述了对展示内容、展示方式和展示形式的控制和管理。应用展现层主要实现应用内容用适当的展现方式通过不同的展示媒介呈献给用户。表2列出了不同终端下的展示方案。

图4 健康状况指标体系设计

表2 可视化场景终端展示方案

4 实现智能巡检场景所需的关键技术

通过智能巡检场景的设计，本文还给出了以下几个关键技术的实现方案，最终达到从辅助巡检业务向辅助状态评估的高级应用转变。

4.1 真虚实时交互及运动控制技术的研究

变电站机器人智能巡检与仿真技术的交互需要进行多级处理，通过建立信息交互模型，能有效地将信息采集、整理、评估、分发各个环节的信息通信打通。此外，还需要研究并验证运算速度和精度、前续预处理系统和后续信息识别系统的接口性能、不同技术和方法的协调能力、以及对信息样本的智能识别等技术点。并将交互控制融合算法应用于变电站智能巡检，从而响应用户的操作，达到虚实结合的体验。同时为了提高虚拟场景的“沉浸”特征和“交互”特征，通过控制预测图象的生成来表现对设备的运动控制，预测图象间的过渡画面的帧数在系统初始化中被设置成恒定的值，来保证系统显示画面的稳定性。

4.2 多种信息实时同步和融合的研究

研究的关键在于状态采集和数据处理。状态采集完成机器人现场原始信号（温度、压力、流量、电压、电流、振动等）采集、数字化和有效性验证。数据处理的主要功能是实现信号的变换、综合，提取能够反应生产过程状态的性能指标。同时，通过采用业界最先进的同步技术，制定数据采集与实时同步方案，采取数据错误检查处理机制，支持多种中心数据库的集成，并定期的与其他业务系统的数据库进行数据交互，实现虚实信息的同步控制与展现，从而为变电站智能巡检提供更智能化的实时监测模拟预演，提高空间实时分析的能力，确保工作人员对设备全方位无视差的监测。

4.3 可视化展示技术研究

可视化技术在电网数据显示、运行安全状态显示和同步控制等方面做了大量研究，研究基于VR变电站智能巡检的可视化展现技术，可以打破数据原始表示及列表表示的局限，形成更科学、直观、美化的场景展示界面，更加灵活、有效的支持智能巡检。变电站智能巡检场景的设计采用双屏互动的实现技术，在硬件上采用雾化玻璃全息衍射与纳米触控膜技术相结合的实现方式，能够给生产运行提供更智能化的实时监测模拟预演以及空间实时分析的能力。通过双屏虚实信息相互碰撞同步控制与展现，确保巡视员对设备进行全方位无视差的监测，变电站巡检自动化水平和检测准确性提供了创新型的可视化展示技术手段，对于提高电网运行可靠性具有重要意义。

4.4 辅助决策的智能分析技术研究

智能分析的本质在于如何通过机器人传感器现场采集的反馈信息与虚拟设备上读取的来自后台系统的实时监测信息相叠加处理与分析，分析哪些业务，如何分析业务，才能够更加精准、实时、真实、沉浸式的监测变电站实时运行状态，给生产运行提供现场空间实时分析与监测的能力，达到辅助决策与协同工作的目的。核心分析点包括如下内容：

1）实时数据展示。在仿真环境中定位某一设备时，该设备的实时运行数据、状态监测、事件信息、环境信息、台帐信息等真实信息可直接在该虚拟设备上直观展现。

2）实时图像数据监控。对可见摄像机和红外热像仪进行实时视频显示，配合遥控和自动巡视功能，实现操作人员的后台巡视及实时检测数据的存储。

3）机器人现场数据反馈与叠加分析。把机器人运行需要的电子地图信息、任务管理信息、工作系统信息及实时数据库信息反馈，同时对机器人运行产生的日志和巡视进行记录，以备历史查询和分析，提供检测数据的处理与叠加分析功能。

4）设备高级分析。将机器人捕捉到的真实视频与多传感器（例如红外辐射测温）相结合，对实时传回现场的采集数据，进行设备热缺陷告警、设备异物识别告警、设备异常声音告警等高级应用与分析。

5 结语

该研究的应用价值在于将信息与通信融合技术应用化，让技术更好的为电力应用服务，能够弥补仅采用机器人单向巡检的不足，给生产运行提供更智能化的实时监测模拟预演以及实时空间分析的能力，确保巡视员对设备全方位无视差的监测，为变电站的运行与管理向自动化、网络化、数字化、智能化方向发展提供有力的技术保障，更好地为变电站运行提供服务，对于提高电网运行可靠性具有重要意义。

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