虚拟现实技术在电力系统中的典型应用

陈海波，郑健，费瑞轶，王媚，陈锦华（.国网上海市电力公司，上海　00；.上海欣能信息科技发展有限公司，上海　0000；.国网上海市电力公司检修公司，上海　0006）



虚拟现实技术在电力系统中的典型应用

陈海波1，郑健1，费瑞轶2，王媚3，陈锦华3
（1.国网上海市电力公司，上海200122；2.上海欣能信息科技发展有限公司，上海200030；3.国网上海市电力公司检修公司，上海200063）

摘要：在电力企业中，虚拟现实技术的应用也逐渐成为可能，并将起到重要作用。主要针对虚拟现实技术在电力系统运行维护和工程设计过程中的应用进行探讨，综合论述了虚拟现实技术在变电站、输电线路、电力系统仿真培训和电力系统运行过程中的典型应用。结果表明：该技术可以为公司领导层和管理层提供一种功能强大的决策工具；为公司执行层提供一种准确、及时的指挥工具；为公司操作层提供一个高效智能的作业工具；强化了公司在安全生产管理上的深度、广度、准确度；提升了安全风险的管控能力。

关键词：虚拟现实；电力系统；输电线路；仿真培训

Project Supported by the National Natural Science Fund （71303157）；Shanghai Natural Science Foundation（13ZR1458200）.

虚拟现实（virtual reality，VR）技术通过真实模拟虚拟的现实环境，使用户得到身临其境的感觉。从而对操作、维护、设计提供辅助手段，是计算机图形和图像领域的研究热点之一，可用于社会生活的诸多方面，具有非常广阔的发展和应用前景；虚拟现实技术以建立机模拟、可交互的三维环境为基础，实现了一种可以直接体验的、交互操作的虚拟世界系统。虚拟现实环境由计算机软件根据存储的三维物理模型、物体的组合、运动规则生成，与操作人员的交互操作方式丰富多样，一般可以通过视觉、听觉、触觉、力、位移等方式作用于使用者，使操作人员具有非常直观的身临其境的感觉。虚拟现实技术的设计和优化，涉及了非常多的计算机技术，其中包括网络技术、图像处理技术、模式识别技术、语音识别和处理技术、系统集成技术[1]。

目前，虚拟现实技术广泛地应用于各个领域，如电子、医药、机械设计、教育、军事等。鉴于其强大的跨学科领域的优势，虚拟现实技术在电力系统中的应用将会有很好的发展机遇[2]。通过运用虚拟现实技术，可为电力工程和电力设备的设计、规划、项目决策、优化和分析等方面提供非常直观的参考，可为完善系统、设备的技术方案提供非常有用的技术手段。由于虚拟现实技术把多种数据进行整合，可将复杂、专业的数据信息通过非常立体、直观和可交互的方式体现出来，有利于在电力系统和设备的设计、生产、运行维护和检修阶段进行沟通协调，有利于及早发现可能存在的问题，并形成可行的改进和优化方案、处置措施。经过较长时间的发展，虚拟现实技术已经在电力教育和培训、电力生产、电力系统运行及电力工程项目的设计等方面有比较成功的应用。本文主要对虚拟现实技术在电力系统中的应用进行回顾，为虚拟现实技术在电力系统的进一步推广和应用提供参考。

1虚拟现实技术在变电站设计和运行管理中的应用

在新形势下，一方面，由于三维设计技术在设备和工程设计阶段大量应用，变电站设备建模费时的问题基本得到解决，有利于虚拟现实技术的应用和推广。另一方面，专业的计算机软件工具已经得到了快速的发展，软件厂商推出了多种专用的变电站设计解决方案。因而虚拟现实技术在变电站设计中应用在技术上已具备了条件。

华北电力大学构建了110 kV、220 kV、500 kV等多种典型虚拟变电站场景。在建立的虚拟变电站环境中，操作人员可以在场景中自由地漫游和操作体验；由于系统集成了较为完善和丰富的虚拟现实交互技术，可以让使用者更高效地掌握变电站系统结构、工程组成和运行过程，可以模拟开展设备巡视和运行工况监视、检修和维护作业。在某些虚拟现实系统中，还支持多用户协同操作，可使多个用户在同一虚拟变电站空间中相互配合、协作，相互监视和观察，不仅可观察到其他用户位置的变化，还可观察其他用户的动作行为和后果。

此外，还建立了基于虚拟现实技术的数字化变电站综合管理系统。虚拟的变电站系统建立在（web geographic information system，WEBGIS）基础上，在系统中存储了变电站系统的分布拓扑图和一次系统结构图等。通过信息链接的方式，在变电站分布拓扑图中，选择特定变电站或设备，可以直接显示其地理环境、内部和外部结构；有的在变电站信息系统中还集成了调度信息、设备状态信息、检修和维护信息等；这些信息和所有主要设备、建筑结构的三维图像信息一起，可为用户提供一个集成统一的虚拟现实操作平台。将地图操作、设备管理、运行维护和虚拟现实展示有效地结合到一起；在使用阶段可通过Web服务器、MapInfo服务器获得设备、建筑的空间数据，然后返回到客户端，返回信息中包含了各种主要设备，如建筑物和变压器、输配变设备等的多维度、多层次的信息。使用人员可以通过信息链接进入任意主要对象的虚拟现实环境，查看建筑物和变压器、输配变设备等的外观结构，内部结构及其运行维护信息。

变电站虚拟现实系统有助于提高培训效果，保障电力系统和设备的安全生产和运行；系统可灵活配置、不断更新，实现较好的经济效果，具有显著的经济价值和工程意义。

1）通过建立虚拟的三维设备和建筑物模型，可对变电站内部三维结构进行观察，检查设备和结构之间的配合和碰撞，优化系统和设备的结构设计，缩小占用空间，同时为用户提供非常直观的体验。

2）虚拟现实技术建立了非常直观的可视化模型，与传统设计方法中设计人员头脑里的想象模型不同，三维空间模型表现能力更强，可以非常方便地实现配合关系检查，运动关系检查、碰撞检查，带电距离检查，从而可以在设备和系统制造或施工前发现问题，有利于制定出合理的结构方案，优化结构和布局。在常规的变电站系统中，设备布置非常密集，虚拟现实技术的应用可实现想象中的三维模型的可视化，对于设备布置区域的优化和改进也非常有利。

3）通过虚拟现实技术解决了数据无法及时共享的问题，在设计阶段就发现在接口阶段可能存在的矛盾问题，有利于提高最终设计中系统、装备和产品的质量。

4）通过虚拟现实技术和运行维护、检修系统相互结合，可以为检修、维护作业提供直观、形象的指导。有助于提高检修维护作业水平，提高安全性、可靠性和作业效率。

典型的基于虚拟现实技术的变电站仿真系统的结构如图1所示，采用虚拟变电站仿真系统可使不可视的、不可接触和不可进入的场景、结构可视化。有利于解决人员培训过程中的关键问题，使接受培训的人员有一个非常直观的体验，使接受培训人员在实际运行和检修作业前可以获得实时的三维可视指导，其应用前景十分广阔。

2虚拟现实技术在输电线路中的应用

电力输电线路是电力系统中非常关键的组成部分，保障输电线路的稳定性和可靠性是电力部门的重要工作内容之一。国内外科研院所的研究人员在提高输电线路规划、施工、运行和维护的安全性、可靠性、经济性等方面开展了大量的研究工作。在国内，输电线路的电压等级不断提高，系统的规模也越来越大，各项研究工作又面临着新的挑战，虚拟现实技术的应用可为输电线路的保障提供非常重要的支撑。

图1虚拟变电站仿真及培训系统的典型结构图Fig. 1 Typical structure of virtual substationsimulation and training system

信息技术和电子技术在提高电网运行的自动化水平、信息化水方面已经取得了非常显著的成绩。随着信息技术的发展，系统数据越来越丰富，对数据的表现方式和表现要求也越来越高。围绕这些问题，国内外研究人员在输电线路信息化表示方面开展了非常有益的一些工作[3-4]。为了解决这一矛盾，把虚拟现实技术引入到输电线路的信息管理中，就显得尤为重要。

输电线路的运行检修关系到电力系统的安全可靠运行。输电线路的巡视是输电线路运行检修最基本的环节，采取有效的培训方式提高巡视人员的作业水平，是保证线路安全可靠运行的重要保证。基于虚拟现实技术的输电线路巡视和仿真培训系统以监视、训练和教学为目的，综合利用了计算机仿真技术，构造一个和真实系统非常接近的虚拟物理系统，具有全面、成本低、效率高、无危险等优势。

在输电线路的虚拟现实技术方面，冀莉莉等人研究并实现了基于虚拟现实的输电线路的场景和模型的建模，应用混合编程技术实现了输电线路和设备的信息化管理、系统运行参数配置、系统状态参数查询、系统故障告警模块的运用VRML、Java Applet、HTML和Microsoft Access数据库开发了服务器系统，实现了基监视和告警管理。翟绪刚等人采用虚拟现实以及多种三维场景建模技术，综合利用3D Studio Max建模工具、Microsoft Visual Studio 2010编程开发平台及Open Scene Graph3.0（OSG）开源图形三维引擎，对输电线路、输电杆塔、不同类型的输电线覆冰、地形环境和天气效果进行了仿真模拟。视觉效果较为逼真，能够对输电线路覆冰灾害的模拟展示、损失评估等研究提供参考和帮助。梁炤宏等人分析了高压架空输电线路在空间中受到外界物理作用而运动的机理，以O.Nigol机理和Den Hartog机理模型为基础，建立了分裂电力导线在空间中的三自由度的运行模型，根据仿真计算结果实现了导线舞动的虚拟现实3D模拟；实现了在实验室中进行模拟研究降低相关试验费用和实验周期。

3虚拟现实技术在电力系统仿真培训中的应用

电力系统仿真培训是提高电力系统操作，维护人员技术水平和个人素质的重要手段，对于保证电力系统安全、稳定和高效运行非常重要。在电力培训方面，技术的发展先后经历了不同的发展阶段；在早期，为了实现人员培训和教学演练，采用了仿真盘台的方式；该仿真培训方式较为直接，但是随着设备的发展、升级，培训装置和真实的输变电设备在形式上会出现显著差异，或出现互不兼容现象，会使培训的效果降低。电力系统的运行维护操作就具有特殊性，对操作正确性的要求非常高，一般不允许出现重大的操作失误；否则，所带来的损失将非常巨大。所以对于复杂的操作流程和高难度的操作技能，需要通过反复的操作训练来提高从业人员的技能水平。随着虚拟现实技术的发展，使用虚拟现实方式对从业人员进行培训和考核是一个主要的发展趋势。

在20世纪70年代以后，在国外就已经研制完成并投入使用了多个以计算机信息系统为基础的电力操作和考核培训系统。自20世纪90年代以来，我国也先后建立了多种变电站仿真培训系统。其中包括多个500 kV、220 kV的仿真和培训系统，为人员培训、系统设计和分析等做出了重要的贡献。

虚拟现实技术以构造的虚拟现实环境为基础，大大提高了变电站系统场景的真实感、沉浸感和可交互性，为变电站人员的仿真和培训工作方式的转变起了重要的促进作用。在国外，基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统[5]已经非常广泛，并取得了引人瞩目的成果。

在国内，江西赣东北供电公司研制了110 kV东风变电站的虚拟仿真培训系统；研制的系统包括了变电站的主要设备和建筑物，其中包括虚拟开关场、虚拟主控室、电力开关设备、变压器等部分；某电力大学在我国电力系统虚拟仿真和虚拟现实技术的应用方面从事了较多的研究工作，研制的电力仿真和培训系统可为变电站的运行、维护、人员培训等工作提供一种三维效果非常逼真的、绝对安全可靠的、可交互操作体验的培训方式。国内研究机构结合变电站人员培训的实际需求，采用分布式网络技术，建立了分布式的虚拟变电站仿真和培训系统。支持单用户虚拟操作体验和多用户协作的虚拟协同操作；可为操作人员学习变电站设备、变电站现场巡视、站内设备运行工况的监视服务。该大学研制的电力系统仿真培训系统不仅可以立体展现系统内全部设备的形状、外观，还可以显示各种设备的内部结构、连接配合和运行关系；在静态的三维可视化基础上通过动画、物理计算和人机交互技术，可以完整地展示各种电力设备工作原理、工作过程、检修和维护方法，具有极强的实用性。

虚拟现实技术在电力仿真和培训方面具有不可替代的作用，其发展将越来越快；基于虚拟现实的仿真培训系统在节省培训资金投入的同时还可降低培训过程中的危险，可把系统中各个环节有机联系起来，作业人员可以对设备进行多层次的、多角度的观测和体验。可以进入设备的每个结构空间，深入了解其组成和工作原理，获得许多即使通过现场实际训练和操作都无法获得的信息。此外，虚拟现实技术在电力仿真和培训较为灵活，模型、数据、信息和交互方式的配置可根据需要设计、建造、扩展、补充或组合。

4虚拟现实技术在电力系统运行过程中的应用

电力系统是一个非常庞大的系统，虚拟现实技术[6]在电力系统运行中的应用，可以加强整个系统运行安全性，更能保证电能质量和操作更加规范。

1）虚拟现实技术的应用可增加运行操作的准确性。电力网络遍布全国的各个领域和地域，因此必须在远方操纵设备运行。远程操作势必会降低操作的准确性，如何尽量正确地选择和操作是保障人身安全及电力系统安全的关键。虚拟现实技术在运行过程中的应用是提高运行管理水平的重要途径之一。将虚拟现实技术和现场监控及数据采集系统获取的信息融合在一起，使系统状态、运行行为将和实际物理系统更为接近，这样操作人员便可通过虚拟环境接触逼真的运行过程，具有身临其境的直观感受，促进电力系统的运行和维护安全性的提高。电力运行的实际作业环境条件一般是比较复杂的，存在显著的噪声、变化显著的温度场、较高的电压和电磁辐射，这些因素的干扰将影响作业人员的操作的精度和准确性。而使用虚拟现实技术后，它可以将人-计算机-环境3个要素虚拟化的结合在一起，以更加好地调整三者之间的协调性，大大增强了操作的准确性。

2）虚拟现实技术的应用还有助于克服操作人员的职业病。例如：新的作业人员进行高空作业时，经常会有人出现恐高症的情况，应用虚拟现实技术可以先让新的作业人员在虚拟的高空中适应这种环境，克服恐高症，然后再进行高空作业，这样就使得工作人员的生命安全更加得到保障。

在该电力运行方面，武汉某大学研究并开发了基于虚拟现实的水电机组检修系统。研制的检修系统可以很好地解决长期存在的相关作业人员在检修和培训学习方面不到位的缺点。在研制的葛洲坝电厂“最优维护系统”完成了虚拟水电机组检修培训系统的技术研究与部分功能开发。该系统可显著提高运行维护人员的业务熟练程度和实际操作技能。系统的维护过程比较简单，可扩充性强。系统主要功能通过软件实现，具有一定的开放性，且配置的硬件比较少，主要为通用的计算机和网络设备，调整和扩展功能较为容易实现，系统非常丰富的人机交互界面有助于提高运行维护和检修作业的效率。

一些单位还研究了基于虚拟现实的带电作业机机器人智能控制系统。结合虚拟现实技术，设计出了一种结合虚拟现实技术的带电作业机器人智能控制系统：能够使操作人员在主控界面上看到高压带电作业之前的虚拟任务预演和碰撞检测；使操作人员完全摆脱高压、强辐射、高空作业的恶劣环境；使机器人控制系统更加智能；其控制精度得到了很大的提高。

5虚拟现实技术在电力工程设计中的应用

传统的电力设计主要以二维图设计为基础，设计、计算和校验与绘图过程基本脱离，在设计过程中容易出现不一致或考虑不全面的问题，导致设备制造、施工过程延后、设备返工的问题。随着电力体制改革的深入，提高电力设计过程的效率、经济效益和服务质量越来越重要。各设计院都在尝试应用虚拟现实技术和三维建模技术来改善设计过程和服务质量，在降低设计、开发成本的同时，使为电力系统设计的产品更加符合实际需求，较少出现差错或沟通、理解上的差异，通过直观的方式明确和确认用户的需求和设计目标。

采用虚拟现实技术进行三维设计，在工程施工和设备制造阶段按照二维图纸方式指导生产，是目前阶段应用较为广泛的方式。从三维设计模型（数据库）中根据需要自动输出多种设计图纸、报告，由于转换过程是由软件自动完成的，可以完全排除不同设计图之间不对应的问题。不存在漏改、漏标和书写错误的问题，形成的图纸统一、规范，提高了设计质量。

此外，电力设计单位还可以通过建立的三维模型对设计的合理性、正确性进行非常直观的检查，可以更加高效地优化设备结构和占用空间，优化变电站站的布置方式；避免设备碰撞、干涉或安全间距不足或过大的情况。三维设计技和三维模型的实景漫游技术已经在较多的工程项目中得到实现，其中包括安徽省电力设计院设计的在220 kV牛头山变电所、安徽省农网35 kV变电所和合肥永青变电所等。支持三维实景漫游的设计产品非常准确、真实地反映了工程设计人员的设计思想，给用户直观、立体的感受，深受电力工程设计单位和用户的喜爱，对电力工程设计手段的发展和进步必将产生非常积极的影响。

此外，一些单位还系统地开发了虚拟现实技术在变电站设计中的应用系统，其技术体系和信息内容更为丰富。在系统数据库的支持下，设计系统不仅可以存储和管理变电站的三维模型，同时还将系统有有关技术资料，如图纸、传真、厂家资料、沟通协调记录和技术协议等集成在一起，使系统信息更加全面、系统，有非常强的可追溯性。系统建立、存储和管理的信息可以在设计完车后并入或转移到用户的运行维护系统中，可为设备运行阶段的运行、检修、维护作业提供系统性的支持，为实现设备的全生命周期管理奠定较好的技术基础。电力设计单位的设计成果不再体现为一堆设计图纸，而一个完整的、包含虚拟现实信息和过程数据的系统信息包，可为生产制造、安全运行、维护检修、更新改造等提供全寿命周期的支持。

6　结语

虚拟现实技术仍然处于快速发展过程中，虚拟现实技术的推广和应用必将越来越广泛。在电力系统中，为了提升工作效率，节约成本，应用虚拟现实技术也成了重要的手段。本文主要回顾了虚拟现实技术在电力系统的5个方面的应用：即变电站、输电线路、电力系统仿真培训、电力系统和输变电工程设计过程中的应用。随着虚拟现实技术的发展，虚拟现实技术在电力系统中广泛和深入的应用将对电力系统造成深远影响，并带来显著的技术和经济效益。

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Virtual Reality and Its Application in Electric Power System

CHEN Haibo1，ZHENG Jian1，FEI Ruiyi2，WANG Mei3，CHEN Jinhua3
（1. State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company，Shanghai 200122，China；2. Shanghai Shineenergy Information Technology Development Co.，Shanghai 200030，China；3. Shanghai Inspection & Maintenance of State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company，Shanghai 200063，China）

ABSTRACT：Applications of the virtual reality technology are gradually possible and play an important role in the electric power enterprises. This paper discusses applications of the technology in electric power system，focusing on the typical applications of virtual reality in transformer substations，electric transmission lines，power systems’simulation training and operational process in electric power system. The result suggests that this technology could provide a powerful decision-making tool for managers，and an accurate and timely command tool for executives，and an efficient and intelligent operation tool for operators．With this technology，the power companies can intensify the depth，range and accuracy of safe production and management and improve the capability of safety and risk control．

KEY WORDS：virtual reality；electric power system；transmission lines；simulation training

基金项目：国家自然科学基金（71303157）；上海市自然科学基金（13ZR1458200）。

文章编号：1674- 3814（2016）02- 0020- 06

中图分类号：TM73

文献标志码：A