海上油气田电力虚拟现实系统设计

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(中海油能源发展采油服务公司，天津 300457)

海上油气田开发一般离陆地较远，其电力系统有别于陆地电网，由发电系统、电站控制系统、变配电系统和负载组成。满足正常生产生活的需要并保证供电的稳定性和可靠性是海上油气田安全生产的核心。近年来，海上油气田开发集群化、管网化已经成为趋势，而电力系统也成功实现了并网运行[1]。随着技术的发展，电力系统的自动化、信息化水平不断提高，对供电的稳定性和供电质量提出了更高的要求。国内一些研究机构对电网三维可视化展示和虚拟现实技术在电力系统仿真、抢修和培训中做了详细的探讨并应用[2-5]，取得了较好的效果。对于海上油气田电力系统来说，虚拟现实技术还未成功应用。为此，对虚拟现实技术在电力系统中的应用进行探索研究。

1 系统建设目的

1)电网安全操作。在智能电网应用基础上，强化电力系统操作人员培训和考核机制，让智能电网操作更安全。

2)电力设备资料管理。通过独特的二、三维转化技术，把三维的设备模型和二维的设备资料(包括图纸、照片、厂家资料、操作手册和维修手册)关联起来，通过三维模型可以查找二维资料，根据设备资料也可以定位所在位置，快速找到所需。

3)三维场景进行应急演练。建立油田群和电力系统虚拟三维场景，集成电力系统应急方案，不同职责的用户进入虚拟场景后，会有不同的权限，根据应急方案的分工和职能进行应急演练，具有身临其境的感觉。

4)远程技术支持。可以通过三维场景结合音频进行技术支持；也可以通过实时视频进行现场技术支持。通过聘请技术专家或相关专业人士，远程进行技术支持，快速解决现场实际问题。

2 系统架构

海上油田电力虚拟现实系统技术架构见图1。

图1 电力虚拟现实系统技术构架

以油气田群平台的主要结构和电力系统全部设备的三维模型为基础，进行二、三维资料的关联，集成EMS系统中的电力系统运行、负载以及调度实时数据，并在系统中以单独的界面进行显示，整合电力系统应急计划，以真实的场景进行体现应急计划和方案的执行，锻炼应急队伍。

海上油田电力虚拟现实系统采用三维虚拟现实技术和多系统集成技术，满足电力系统操作票模拟及二、三维资料管理，应急演练和远程技术支持等功能需求，为大作业区电网建设和深化应用提供扩展空间。

海上油田电力虚拟现实系统采用B/S架构，网络架构见图2。

图2 电力虚拟现实系统网络构架

系统构建在海油局域网内，服务器可以放置在局域网机房内，通过普通终端或无线终端访问系统。

3 功能设计

海上油气田电力虚拟现实系统包括三维场景模拟、电网实时数据监控、电力系统资料管理、操作票模拟、应急演练和接口管理等功能模块。系统建成后利用虚拟现实三维场景真实模拟现场操作环境，能够实时显示油田群电网运行情况，实现模拟电力系统操作票操作、应急演练等功能。

3.1 虚拟现实场景

根据油气田资料精确制作油气田电力设备三维模型，主要是平台主体结构、MCC和EMCC等电气设备。三维场景要真实展现平台设备的情况，需要细化到配电盘上的按钮、指示盘，以及配电盘内的断路器和开关，力争做到与现场一致。

在三维场景内，可以根据需要在场景里漫游、定义相机、放大、缩小，测量长度、面积等操作。

在三维场景中，点击或触摸相应的海上平台，在显示三维模型的同时，还能够显示该平台的主要电气设备运行状况，比如：运行状态、运行时间、运行功率等。见图3。

图3 电力虚拟现实系统三维场景示意

3.2 电网实时数据监控

电网实时数据监控模块界面见图4。

图4 电力虚拟现实系统主界面

通过系统主界面显示油气田具体位置，用不同颜色和不同类型的线条分别表示海底电缆、海底油气混输管和注水管等设备。

通过与EMS系统集成，显示油气田的电力系统运行状况。包括电缆基本属性以及电流、电压、频率等参数信息，显示电流流向，并能显示电力系统关键设备的运行状况。

通过与EMS系统进行集成，获得发电机组、电力调度、电网运行关键指标数据，并在系统中进行显示，见图5。

图5 电力系统关键指标示意

3.3 电力设备资料管理

在三维场景内，选择电力设备三维模型，会提示是否查看相应设备的技术参数、设备图纸、厂家资料等。进入设备参数、图纸、厂家资料等页面后，可以进行模糊查询和通过树状结构目录进行查找，可以分别按照系统和设备类型进行，实现三维到二维的转换。同时也可以根据相应设备资料查询结果，返回到三维场景中，实现二维到三维转换。

3.4 操作票模拟

电力操作票模拟集合了三维虚拟现实场景、三维化的单线图和操作票内容，根据操作票内容按次序在三维虚拟现实场景中进行检查和操作，并在三维化的单线图中显示操作结果。电力操作票模块内嵌了整个电力系统逻辑，在操作的过程中，能够进行自动检查错误，并主动提示，将风险降到最低。

在三维场景中按照操作票进行操作，通过用鼠标点击或触摸控制面板上的按钮、观察仪表读数、确认指示灯状态，每操作一步就会在操作票中进行标注，在三维单线图中显示实时的数据和运行状态。

系统能支持多画面显示，也可在一个屏幕上进行显示。实际操作过程中一人对照操作票下指令，一人根据控制面板上的读数进行操作，一人查看三维单线图上的系统状态。

利用虚拟现实技术，模拟现场操作过程和电气重要元器件的动作状态，并能够显示操作时现场的实际状态，比如：抽屉柜、指示灯、仪表盘等。

电力操作票模拟模块分成培训和考核两种模式。培训模式用于电力系统操作人员对系统的培训和模拟，考核模式是根据对电力系统操作人员的要求进行考评和打分。

3.5 EMS系统集成

为了能在电力虚拟现实系统中实时显示电力系统运行数据，需要与EMS系统进行集成，需要将EMS系统中的电压、电流、频率等数据传输到虚拟显示系统中，为了能够达到实时的效果，系统延时应在30 ms左右。

3.6 电力系统应急演练

将油田电力系统应急方案集成到虚拟现实系统中，并与三维场景有机结合。通过建立的不同的应急方案进行应急路线的指定、人员的分配，并能自动生成不同的响应方案。

利用虚拟现实三维场景的真实性，应急队员无论是否身在现场，都可以进行应急演练，根据指挥人员的命令进行操作和行动，并随时向指挥人员汇报应急情况变化。当应急演练完成后，所有在系统中的操作都会有记录，并根据系统中已经存储的案例进行对比分析，帮助组织者找到差距，以达到演练目的。

3.7 远程技术支持

海上油气田电力虚拟现实系统预留与视频监控系统集成接口，为今后实现远程技术支持成为可能。远程技术支持以真实三维场景为基础，结合现场实时视频监控，技术专家可远程解决现场实际问题。

4 系统特点

1)电力操作票操作真实可靠。在三维场景中按照操作票进行操作，通过控制面板上的按钮、观察仪表读数、确认指示灯状态，每操作一步就会在操作票中进行标注，在三维单线图中显示实时的数据和运行状态。

系统支持多画面显示，实际操作过程中一人对照操作票下指令，一人根据控制面板上的读数进行操作，边操作边查看三维单线图上的系统状态，确保操作准确可靠。

2)系统配置及数据监视功能。系统配置模块能够对系统参数进行配置，包括应用程序配置和集成配置。应用程序配置是实现应用程序灵活性的一个有效手段。通过配置文件实现对应用程序参数、操作习惯等进行配置。

数据监视的主要任务是为了保证电力虚拟现实系统与EMS系统数据保持一致，数据传输准确，及时发现数据传输中的错误，并及时改正。

系统配置模块和数据监视模块能够提高系统扩展适应性和运行稳定性，完全从以实用性为基础考虑，让系统有更长的生命力。

5 结论

海上油气田电力虚拟现实系统的设计旨在能够为电力系统的管理和操作提供一个安全、可靠的工具。能让油气田的管理者直观地了解电力系

统的工作状态，参与应急演练，并远程解决现场出现的问题。能够帮助现场操作人员在虚拟的场景中进行模拟操作，提高工作技能，减少现场操作失误，以免影响安全生产，甚至造成安全事故。

[1] 陈永强.绥中36-1海上油田群电站并网发电机控制研究[D].天津:天津大学，2012.

[2] 任元会，卞铠生，姚家袆.工业与民用配电设计手册[M].北京：中国电力出版社，2005.

[3] 王丽丽，彭 岩，张 亮,等.电网三维可视化展示技术研究[J].科技创新导报，2013,29(7).

[4] 赵凤芝，俞莲莲.基于虚拟现实技术的油田生产仿真系统的设计与实现[J].计算机系统应用，2006,(11):6-9.

[5] 李天宇，张 扬.虚拟现实技术在电力应急抢修演练中的应用[J].现代计算机，2013,36:71-71.