基于VR技术的变电站远程可视化巡检系统

杨 洲，邵长坤，盛兆乐，刘成为，李 翔

（囯网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250118）

0 引言

随着变电站智能化的不断提高，很多变电站都配置了变电站巡检机器人，主要完成设备的例行巡视和红外测温工作。然而由于机器人的巡视路线、巡视时间比较固定，巡视内容和相应的控制功能比较独立，且未与相关辅助控制系统相结合，因此并不能实现站内的完全监视和控制功能。变电站巡视现状存在巡检机器人读取设备表计的正确率较低或出现表计无法识别的现象，需要人工校正；运行维护专业要求变电运行维护人员有较高的设备应急处置能力，而传统的运行维护培训，培训周期长，脱离实际且效果不佳；设备长期处于运行带电状态，不能直接通过设备进行实际设备的操作培训等缺陷。因此，本文提出一种基于VR技术的变电站远程可视化巡检系统。

1 变电站巡视基本现状

1.1 智能站巡视

目前无人值守变电站主要由监控中心执行监控，但只针对自动化部分上传的监控信号，并不能实时掌握变电站的具体状态信息，监控中心人员还承担开关的遥控操作，但需要运行维护人员进行现场核对。运行维护人员仍然需要开展各种类型变电站的巡视工作，从而掌握设备健康状态。根据生产管理系统统计得出，目前1座500 kV无人值守变电站每年需要开展180次不同类型的巡视，需要运行维护532人次，往返行驶里程28 800 km，如表1所示。换算成全网变电站，数据会更大，对变电运行维护人员来说，无疑是很大的工作量。

表1 500 kV无人值守变电站年巡视数据

1.2 智能机器人使用

目前智能巡检机器人在站内主要开展巡视和测温工作［1］，每天2次巡视、1次测温，每3天完成1次全站巡检，不能实时查看设备运行数据；另外巡视读取的表计数据准确性不能保证，经常出现无法识别的现象。主要原因是受限于设备表计本身的安装位置、角度和尺寸等方面的影响。目前状况是机器人巡视完变电站设备后，再由运行维护人员对数据的正确性进行校正核对，造成工作重复增加工作量。

1.3 倒闸操作

Q／GWD 1799.1—2013《国家电网公司电力安全工作规程 变电部分》中要求：“电气设备操作后的位置检查应以设备各相实际位置为准，无法看到实际位置时，应通过间接方法，如设备机械位置指示、电气指示、带电显示装置、仪表及各种遥测、遥信等信号的变化来判断。判断时，至少应有2个非同样原理或非同源的指示发生对应变化，且所有这些确定的指示均已同时发生对应变化，方可确认该设备已操作到位。”而当前监控模式下，监控人员对开关进行拉合，单凭监控后台的变位信息不能满足Q／GWD 1799.1—2013《国家电网公司电力安全工作规程 变电部分》要求，因此还需要运行维护人员驱车到达相应变电站进行检查核对，增加了运行成本［2］。

1.4 员工培训

目前运行维护人员对变电站倒闸操作培训和应急事件的处置培训等，仍然停留在“一人讲多人听”的模式，由于内容较为抽象，听课人员并不能真正理解，达不到培训效果［3］。

在无人值守变电站中实现真正意义上的“无人”，减少运行维护人员的工作量，提高工作效率，实时查看设备的状态，保证设备的健康状态，提出采用在线监测技术与虚拟现实技术相结合的方式，即采用基于VR技术的变电站远程可视化巡检系统。

2 系统工作原理及应用

基于VR技术的变电站远程可视化巡检系统主要由设备实时数据采集系统和后台高仿真VR巡检系统两部分组成。

系统可以清楚地看到变电站内表计和设备位置，并进行正确读取，弥补了无人值守变电站设备数据读取不及时和巡检机器人读数不准的短板，并能对数据进行后台比对分析，形成大数据库，分析历史曲线，发现设备缺陷；可查看设备的实际状态，方便监控人员与运行维护人员对无人值守变电站进行远程对位和查看，实现了设备的远程巡视、远程分析和人工智能化；可与视频监控系统和安防系统进行对接，进行设备外观和安全防卫巡视［4］；可利用后台高仿真VR巡检系统对运行维护人员开展有针对性的倒闸操作或应急处置培训等。系统结构如图1所示。

图1 变电站远程虚拟可视化巡检系统

2.1 设备实时数据采集系统

设备实时数据采集系统是将微型高清摄像头通过固定支架固定在表计（分合指示器、观察窗等）的正前方，摄像头通过视频传输线传输信号，图像经过信号转换放大处理，经过信号数据集中转换箱（RS485转以太网模块）进行光电转换，通过光纤传输至保护室交换机，利用保护室现有交换机将信号传输至通信机房交换机，再将信号传输至站用客户端，通过客户端实现人机交换。利用摄像头采集的数据，实现对现场设备实时监测和远程操作。该系统由一次设备就地监控、就地监控与上位机通信、在线监测3个功能模块组成。

2.1.1 一次设备就地监控

一次设备就地监控模块用于采集现场设备实时状态数据。在一次设备的压力表计、分合指示、观察窗等处加装微型摄像头和压力在线监测模块，将信号集中传输至数据集中转换箱，进行数据转换，工作原理如图2所示。

图2 一次设备就地监控模块原理

2.1.2 就地监控与上位工控机通信

就地监控与上位工控机之间的通信模块，采用RS485与TCP／IP结合的方式，就地监控模块利用RS485规约将信号集中在就地集中信号控制箱，在控制箱中通过RS485转以太网模块进行光电转换，再经由交换机上传至上位工控机，进行人机交互，实现远程巡检，原理如图3所示。

图3 就地监控与上位工控机通信

2.1.3 在线监测功能模块

将一次设备就地监控模块采集到的数据，经过通信传输，最后在在线监测系统中进行呈现，SF6压力在线监测系统界面如图4所示。

图4 监测数据界面

以SF6压力表在线监测系统为例，系统基本功能：1）在线监测SF6高压设备中SF6气体的压力值；2）安装高清夜视摄像头对准SF6密度继电器表盘刻度，并把观测数据传输到后台主控机，达到实时观察监测表盘刻度压力数值；3）数据采集采用RS485通信，并转换至以太网，将监测数据实时上传至站端监测系统或监控中心；4）就地监控系统可以更详细观察每个测点的实际、历史数据，设定报警、闭锁值，查看曲线、历史报警等，系统自动绘制SF6气体压力值的趋势图、历史曲线图；5）系统数据自动集成至三维高仿真系统，实现电脑平台和VR眼镜真实再现SF6压力表盘刻度读数；6）系统自动记录报警、闭锁状态的各项参数并传送给中控机，供维护参考；7）通信管理机，实现所有监测数据通过61850规约上传到后台系统；8）系统可扩展短信报警、闭锁预警无线通知功能，以便及时处理维护设备［5］。

2.2 后台高仿真VR巡检系统

后台高仿真VR巡检系统立足于虚拟现实3D技术［6］，依托变电站高精度建模，将变电站通过三维立体技术进行虚拟展示。系统采用以计算机技术为核心的现代高科技手段生成逼真的视、听一体化的特定范围的变电站虚拟环境，可以实现变电站整体布置虚拟浏览，对电力设备巡视、倒闸操作、安全措施布置进行标准化仿真培训，同时对变电站事故处理进行虚拟演练以保证变电站安全运行。与传统仿真系统相比，不同点是该仿真系统中的表计和分合指示器等是变电站的真实再现，即将摄像头实时传输的画面通过该系统进行显示，工作人员只需戴上VR虚拟头盔，就能实现在变电站中漫游，并依照巡检流程，实时查看每个设备的基础数据和实时数据，身临其境的查看变电站运行情况，从而有助于提高运行维护人员的积极性和有效预防巡检过程中不规范操作带来的人身伤害。

通过该系统，工作人员戴上VR虚拟头盔和眼镜，就可自由在变电站中漫游，真实而全面地了解变电站环境以及布局，能够在每个点形成360°无死角巡视。同时，基于在线监测技术，工作人员通过VR头盔能直观地查看设备实时运行数据、运行状态等，通过VR操作手柄点击，查看设备的基础信息，更精确、真实地查看设备状态；该系统还可与变电站内的视频监控系统和安防系统进行对接，方便查看设备的外观、周围环境等实际状态。以开关压力表为例，可视化效果如图5所示。

图5 压力表可视化效果

通过该系统，还可以将读取到的数据进行智能读取和分类，形成大数据库，分时间段进行比对分析，人工或自动查询，形成历史曲线，及时发现设备漏气现象并发出报警信号，便于及时发现设备可能存在的异常状况。与传统培训模式相比，该系统采用三维仿真VR虚拟现实技术，使培训管理迈向现代化智能水平，该系统能实现VR操作手柄与虚拟电力设备的结合，学员可以更自然地与虚拟环境中的电力设备进行交互作用，根据训练需求和标准化指导完成操作练习。有助于提高专业人员应对电网运行突发事件的快速反应能力和综合处理水平。

2.3 应用效果

基于VR技术的变电站远程可视化巡检系统的应用，有助于实现无人值守变电站设备状态数据的全方位实时巡检，通过实时数据与历史曲线的比对与分析，可以实现及时发现设备的异常状态，避免异常状态发展为设备缺陷甚至故障现象，提高了超高压变电设备的安全管控水平。同时利用该系统可以提高智能巡检机器人表计识别率，节省了人工补录的工作时间。无人值守变电站中的开关操作由监控中心完成后，可直接进行远程核对，不再需要运行维护人员去现场检查核对，节省了大量人力物力。该系统还同时兼备培训作用，利用VR虚拟现实技术，给培训学员一种真实生动的变电站实景视觉冲击，有助于加深对设备的认识。

2.4 推广前景

目前，国家电网公司系统无人值守变电站数量逐年增加，变电站所处地域半径不断增大。变电站远程虚拟可视化巡检大数据系统凭借其先进性，可以实现变电站设备的远程实时巡检，提高巡检工作质量，很大程度上消除了地域因素、人员不足等因素对巡视工作的影响，并且弥补了智能巡检机器人表计识别率不高的问题，能够在电力行业全面推广。

该系统可根据实际工作需求，结合云计算等先进技术，实现对变电站乃至整个区域电网的安全智能管控，真正实现变电站设备无人值守，能够在电力行业变电运行维护专业部分推广。

在其他需要人员值班或巡检的行业，如发电厂、供水公司、消防等行业，该系统可以直接应用或提供借鉴，能在特定情况下局部推广。

3 结语

基于VR技术的变电站远程可视化巡检系统创造性地引入了VR虚拟现实技术，结合在线监测技术，将变电站实时数据融入到高仿真系统，实现变电站全景真实再现，达到变电站远程实时巡检的目的，实现了传统运行维护作业方式的突破，同时打破了传统的培训方式，使培训效果更容易达到；该系统集合高清防水微型摄像头、信号集中控制、在线监测等技术，智能巡检表计识别率大幅提高；同时，具备大数据后台分析功能，方便比对分析，及时发现设备异常缺陷，实现了设备状态数据应用的突破。

系统解决了无人值守变电站设备巡视不及时、智能巡检机器人表计识别率低的弊端，成功实现了变电站设备的远程实时巡检作业方式。基本上解决了无人值守变电站设备异常状态发现不及时导致的设备故障问题，提高了变电站设备的安全运行率。