基于三维实景技术的变电站仿真培训平台设计

，，，

(1.国网浙江省电力公司电力调度控制中心，浙江 杭州 310007;2.国网浙江省电力公司 台州供电公司，浙江 台州 318000)

1 引言

随着智能电网的快速发展和调控一体化运行体系的深入推进，越来越多的变电站开始纳入调控中心集中监控的范围[1]。在调控一体化的模式下，调控运行人员需要对所辖电网有更为直观的了解，从而能够更加高效、准确地处理电网异常及事故，从容面对各种突发情况，但在实际运行工作中，集中监控模式也面临以下不足之处：

(1)集中监控模式下，监控员每天需要处理海量告警信息，导致监控员对于信号的敏感度不够，容易陷入一种机械式的应答工作模式。而且由于监控员长期不在变电站现场，缺乏对设备及信号本身原理的理解与掌握。

(2)新进的监控运行人员由于缺乏变电站现场实际运行经验，没有相关的运维知识，不能将告警信号与现场设备准确进行关联。而这一现象容易造成监控员对现场运行人员汇报的一二次操作或检修工作情况缺乏了解，对其造成的影响以及可能引发的异常事故情况也缺乏预判分析。

由此可见现场运行经验的缺乏已日益成为限制监控运行人员业务能力提升的瓶颈，同时由于人员承载力较重，监控员日常工作业务繁重，没有充足的时间去变电站现场熟悉设备。

针对上述情况，浙江电网从监控员的工作实际出发，结合变电现场运维及设备运行情况，搭建了一套基于三维实景技术的变电站仿真培训平台。该平台选取典型的传统站和智能站为例，通过对这两种变电站的典型间隔及设备实况的拍摄，立体化地再现了变电站实景；同时，该平台还以热点的形式集成了集中监控运行相关管理规范、输变电设备及监控信息相关原理知识、异常事故处理案例分析、智能电网调度支持系统(D5000系统)告警信息及相应的处置建议等相关知识点，便于监控员加深对告警信号原理的了解，提升自身的业务知识与技能，以更好地保障浙江电网安全稳定运行。

2 三维实景技术原理

三维实景技术[2]又称实景虚拟现实技术，是虚拟现实技术的最新分支。它主要是采用专业的数码相机对选定的场景进行多角度拍摄，然后再对拍摄的照片进行后期缝合的一种三维虚拟展示技术。与传统虚拟现实技术[3-5]通过对实物进行三维建模来进行模拟所不同的是，三维全景技术通常采用真实场景的实景图片来搭建整个虚拟空间，其仿真度更高、沉浸感更为强烈。

2.1 软件架构

本文进行三维实景建模主要是基于PTGUI(Graphical User Interface for Panorama Tools)，其主体架构采用B/S结构(Browser/Server、浏览器/服务器模式)，在传统的客户和服务器之间加入应用服务器(Application Service)，即分布式3层软件结构，软件架构如图1所示，其3层架构主要分为表现层(浏览器)、业务逻辑层(WEB服务器)和数据访问层(数据服务器)，数据服务器与WEB服务器完全分开。3层软件结构各部分分工明确：表现层主要是应用程序的UI界面，负责接收用户在变电站三维实景平台中的所有请求(如路径规划、热点链接等)并交互相关数据；业务逻辑层是系统架构中最为核心的部分，它负责根据用户的请求，从后台数据库中提取相关的数据并依据事先设定的逻辑关系进行处理和运算，最后把数据处理结果返回给表现层；数据访问层主要功能是存储应用程序的所有数据和提供数据库的支持维护。这些数据主要包括变电站各个场景的三维画面、典型一二次设备的热点信息以及D5000告警信号的专家库数据等资料。

图1 软件架构图

2.2 建模步骤

三维实景建模的步骤如下：

(1)采用专业相机对现场场景进行多角度完整拍摄，然后通过合成软件将这些照片缝合成三维实景图片；

(2)布置三维实景平台时，通过箭头的型式在各个场景添加链接到其他实景的路径，这样一是可以方便用户对实景画面进行浏览，同时也可以给用户更深层次的沉浸感。

(3)选择典型的变电站一二次设备嵌入热点，然后通过文字、照片、视频的型式在热点中添加有关设备的背景资料，以提高培训人员对设备空间构造及原理知识的了解。

3 三维实景平台设计

本文基于三维实景技术，通过对典型的500kV、220kV变电站(包括常规变电站及智能变电站)进行建模，设计了一个虚拟的变电站仿真培训平台。该培训平台详细地再现了各个变电站的实景，对变电站内各主要的一二次设备进行拍摄，便于学员了解变电站实际设备的构造及空间布局。同时，为了提高培训的深度，该平台还以热点的型式集成了有关的培训资料，包括输变电设备原理及现场运行规定、集中监控运行相关管理规定、D5000典型告警信息原理知识以及异常事故处理案例分析等内容。

3.1 多样化的导航方式

为了提高培训平台的教育价值，在实际设计中，该平台选取了典型的500kV间隔设备、220kV间隔设备、主变以及相应的保护装置等一二次设备作为代表，对其中的重要部件或仪表进行细化，力求最大范围的涵盖变电设备运维的主要知识点，全面体现D5000系统中各间隔内告警信息的成因。但是由于图片数量繁多、图片之间的联系较为薄弱，用户的辨识难度较高，因此该培训平台设计了多样化的导航方式，以方便监控员浏览与使用，帮助其更好的建立对变电站的整体概念。

图2 实景空间导航

(1)实景空间导航。实景空间导航是最基本的导航模式，其界面如图2所示。该导航方式设计时参照变电站实际空间布局，分别在500kV设备区域、主变设备区域以及220kV设备区域布置多处热点。热点选择时力求完整性，以500kV第一串为例，对其中每一个开关、闸刀、线路压变及避雷器进行单独拍摄，全面还原一次设备在空间上的连接关系。

(2)接线图导航。为帮助监控员将二维的D5000系统接线图与三维的实际设备连接关系相对应，该培训平台提供了一种接线图导航模式，其界面如图3所示。接线图导航以变电站实际接线图为基础，将主要一二次设备的相关信息与图片通过热点的型式植入，弱化了各个间隔之间的空间联系。

3.2 一次设备信息植入方式

变电站中的主要设备包括主变、母线、开关、闸刀、压变(PT)、流变(CT)、避雷器等一次设备，以及继电保护装置、测控装置、故障录波装置、GPS对时装置、远动机等二次设备。培训平台在设计时分别选取这些典型的一、二次设备作为代表，将设备原理、设备相关的运维知识以及设备对应的集中监控告警信息集成为热点植入到培训平台中，以方便监控员在培训时全面、及时地查询设备相关的背景知识。同时，为了加深监控员对设备的了解，热点信息中还包括了设备主要元件的图像与视频信息。以主变为例，其热点中包含有主变本体、散热器、风扇、瓦斯继电器、呼吸器、油温表、绕组温度表、无载调压装置、消防装置、主变中性点低抗以及冷却器控制箱等部件的详细图片。这些图片基本涵盖了相关设备运行维护的关键知识点，同时也对D5000系统中的典型信号有了实际体现，有力地连接了虚拟仿真设备与实际监控信息。通过集成相关的文字、图像及视频信息，使仿真对象更为立体化，大幅提高变电站仿真培训平台的真实性，便于监控员将孤立的设备信息与实际的D5000告警信息进行联系，提升了仿真培训平台的应用效果。

图3 接线图导航

图4 一次设备信息植入

图5 二次设备信息植入

3.3 二次设备信息植入方式

以继电保护装置与测控装置为代表的二次设备是变电站的重要组成部分，是变电站设备保护系统、自动化系统以及监控系统的主要承担者。与一次设备的设计不同的是，所有的二次设备均以图表的形式集成到相应的继保室中(如图5所示)，用户需点击继保室热点进行详细查询。仿真培训平台设计时以保护装置实际配置原则为依据，选取具有代表性的保护、测控装置进行建模，力求使监控员全面掌握相关装置的运维知识，理解其所引发的监控信息。以500kV系统为例，培训平台对3个开关保护装置、两套线路保护装置、两套母差保护以及主变本体保护与差动保护装置进行了详细介绍，包括保护原理、装置简介及运行操作规程等文字、图像或视频信息。另外对于保护装置的重要部件，如装置的操作面板、硬压板、柜顶开关、控制和切换开关等，仿真平台中也进行了详细的图文介绍。

4 专家库系统设计

借助于现代通信技术、自动化技术以及计算机技术的发展，作为电力系统中主要的信息源与执行终端，变电站的数字化程度日益提高，其所提供的信息也更为全面、复杂、多样，这一特点在智能化变电站上体现的尤为明显[6]。变电站数字化程度的提高有助于实现对设备的智能化监视与控制，但是集中监控模式下，海量的变电站告警信息对监控运行人员提出了很大的挑战。针对这一趋势，培训平台在设计时植入了一个专家库系统，将变电站的典型告警信息内嵌到具体的仿真设备中，以帮助监控员识别复杂多样的告警信息，提高培训的广度与深度。

4.1 专家库系统的生成步骤

专家库系统主要是基于大数据技术，对变电站的一二次设备典型信息进行分类与总结，详细介绍信号的产生机理以及对应的调控处置策略。其主要的设计步骤如下：

(1)专家库系统自动收集D5000系统中变电站一二次设备所有的告警信息以及相应的设备原理知识和运行规程，并对这些信号进行建模、分类、关联，建立告警辞典；

(2)专家库系统根据已有的变电站典型信号释意说明对告警条目进行详细描述，分析其产生的原理、过程、现象以及影响，并按照不同的维度提供具体的处理建议；

(3)专家库系统自动将处理意见与监控员实际的处理流程进行比对、纠正，补充与完善已有的关联策略，建立可循环修正的反措模型，提高自身的完备性与准确性。

图6 专家库数据关联

4.2 专家库系统的植入方式

培训平台在设计时，从已有的专家库系统中提取目标变电站的信息数据，然后以变电站一、二次设备为对象，将相应的专家库数据集成到对应设备的热点中，以帮助监控员搭建起D5000系统告警信息与具体设备的联系。如图6所示，专家库信息数据主要由两部分内容组成。第一部分内容主要为信号的背景知识描述，包括信号的生成逻辑、影响与后果、相关输变电设备的原理知识、现场运行规程及集中监控运行相关管理规定等；第二部分内容主要为由专家库系统算法关联得到的相应异常或事故信号的处理建议。这些处理建议是以实际工作中异常及事故处理工作流程为标准，包括告警信号处置建议以及变电站运维单位的处理流程两个方面的内容。专家库数据信息的引入，可快速提高培训人员理解监控信息的成因并掌握各告警信号的处理方法，全面提升监控员的业务能力。

5 结语

基于三维实景技术设计的变电站仿真培训平台，是虚拟现实技术在电力系统仿真中的一次成功应用。其可视性、交互性的特点可帮助监控员迅速掌握变电站一二次设备的内外部结构及实际空间布局，有力地推动了变电站仿真从原有的二维、文本形式向三维立体形式的转变。而其内部集成的专家库系统，将数量繁多的智能电网调控一体化技术支持系统告警信息与调控处置策略精准地植入对应的设备热点中，又可帮助监控员高效地辨识海量的设备告警信息，提升其对设备现场运行维护知识的理解。实际运行经验表明，基于三维实景技术的变电站仿真培训平台可有效弥补监控员实际运行经验的缺乏，大幅提高其自身的知识水平，是集中监控模式下提升监控员业务能力的一种有效手段。