楊 洲，邵長(zhǎng)坤，盛兆樂(lè)，劉成為，李 翔

（囯網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250118）

0 引言

隨著變電站智能化的不斷提高，很多變電站都配置了變電站巡檢機(jī)器人，主要完成設(shè)備的例行巡視和紅外測(cè)溫工作。然而由于機(jī)器人的巡視路線、巡視時(shí)間比較固定，巡視內(nèi)容和相應(yīng)的控制功能比較獨(dú)立，且未與相關(guān)輔助控制系統(tǒng)相結(jié)合，因此并不能實(shí)現(xiàn)站內(nèi)的完全監(jiān)視和控制功能。變電站巡視現(xiàn)狀存在巡檢機(jī)器人讀取設(shè)備表計(jì)的正確率較低或出現(xiàn)表計(jì)無(wú)法識(shí)別的現(xiàn)象，需要人工校正；運(yùn)行維護(hù)專業(yè)要求變電運(yùn)行維護(hù)人員有較高的設(shè)備應(yīng)急處置能力，而傳統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)培訓(xùn)，培訓(xùn)周期長(zhǎng)，脫離實(shí)際且效果不佳；設(shè)備長(zhǎng)期處于運(yùn)行帶電狀態(tài)，不能直接通過(guò)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際設(shè)備的操作培訓(xùn)等缺陷。因此，本文提出一種基于VR技術(shù)的變電站遠(yuǎn)程可視化巡檢系統(tǒng)。

1 變電站巡視基本現(xiàn)狀

1.1 智能站巡視

目前無(wú)人值守變電站主要由監(jiān)控中心執(zhí)行監(jiān)控，但只針對(duì)自動(dòng)化部分上傳的監(jiān)控信號(hào)，并不能實(shí)時(shí)掌握變電站的具體狀態(tài)信息，監(jiān)控中心人員還承擔(dān)開(kāi)關(guān)的遙控操作，但需要運(yùn)行維護(hù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)。運(yùn)行維護(hù)人員仍然需要開(kāi)展各種類型變電站的巡視工作，從而掌握設(shè)備健康狀態(tài)。根據(jù)生產(chǎn)管理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)得出，目前1座500 kV無(wú)人值守變電站每年需要開(kāi)展180次不同類型的巡視，需要運(yùn)行維護(hù)532人次，往返行駛里程28 800 km，如表1所示。換算成全網(wǎng)變電站，數(shù)據(jù)會(huì)更大，對(duì)變電運(yùn)行維護(hù)人員來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是很大的工作量。

表1 500 kV無(wú)人值守變電站年巡視數(shù)據(jù)

1.2 智能機(jī)器人使用

目前智能巡檢機(jī)器人在站內(nèi)主要開(kāi)展巡視和測(cè)溫工作［1］，每天2次巡視、1次測(cè)溫，每3天完成1次全站巡檢，不能實(shí)時(shí)查看設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)；另外巡視讀取的表計(jì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不能保證，經(jīng)常出現(xiàn)無(wú)法識(shí)別的現(xiàn)象。主要原因是受限于設(shè)備表計(jì)本身的安裝位置、角度和尺寸等方面的影響。目前狀況是機(jī)器人巡視完變電站設(shè)備后，再由運(yùn)行維護(hù)人員對(duì)數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行校正核對(duì)，造成工作重復(fù)增加工作量。

1.3 倒閘操作

Q／GWD 1799.1—2013《國(guó)家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程 變電部分》中要求：“電氣設(shè)備操作后的位置檢查應(yīng)以設(shè)備各相實(shí)際位置為準(zhǔn)，無(wú)法看到實(shí)際位置時(shí)，應(yīng)通過(guò)間接方法，如設(shè)備機(jī)械位置指示、電氣指示、帶電顯示裝置、儀表及各種遙測(cè)、遙信等信號(hào)的變化來(lái)判斷。判斷時(shí)，至少應(yīng)有2個(gè)非同樣原理或非同源的指示發(fā)生對(duì)應(yīng)變化，且所有這些確定的指示均已同時(shí)發(fā)生對(duì)應(yīng)變化，方可確認(rèn)該設(shè)備已操作到位?！倍?dāng)前監(jiān)控模式下，監(jiān)控人員對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行拉合，單憑監(jiān)控后臺(tái)的變位信息不能滿足Q／GWD 1799.1—2013《國(guó)家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程 變電部分》要求，因此還需要運(yùn)行維護(hù)人員驅(qū)車到達(dá)相應(yīng)變電站進(jìn)行檢查核對(duì)，增加了運(yùn)行成本［2］。

1.4 員工培訓(xùn)

目前運(yùn)行維護(hù)人員對(duì)變電站倒閘操作培訓(xùn)和應(yīng)急事件的處置培訓(xùn)等，仍然停留在“一人講多人聽(tīng)”的模式，由于內(nèi)容較為抽象，聽(tīng)課人員并不能真正理解，達(dá)不到培訓(xùn)效果［3］。

在無(wú)人值守變電站中實(shí)現(xiàn)真正意義上的“無(wú)人”，減少運(yùn)行維護(hù)人員的工作量，提高工作效率，實(shí)時(shí)查看設(shè)備的狀態(tài)，保證設(shè)備的健康狀態(tài)，提出采用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的方式，即采用基于VR技術(shù)的變電站遠(yuǎn)程可視化巡檢系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)工作原理及應(yīng)用

基于VR技術(shù)的變電站遠(yuǎn)程可視化巡檢系統(tǒng)主要由設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和后臺(tái)高仿真VR巡檢系統(tǒng)兩部分組成。

系統(tǒng)可以清楚地看到變電站內(nèi)表計(jì)和設(shè)備位置，并進(jìn)行正確讀取，彌補(bǔ)了無(wú)人值守變電站設(shè)備數(shù)據(jù)讀取不及時(shí)和巡檢機(jī)器人讀數(shù)不準(zhǔn)的短板，并能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后臺(tái)比對(duì)分析，形成大數(shù)據(jù)庫(kù)，分析歷史曲線，發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷；可查看設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)，方便監(jiān)控人員與運(yùn)行維護(hù)人員對(duì)無(wú)人值守變電站進(jìn)行遠(yuǎn)程對(duì)位和查看，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的遠(yuǎn)程巡視、遠(yuǎn)程分析和人工智能化；可與視頻監(jiān)控系統(tǒng)和安防系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，進(jìn)行設(shè)備外觀和安全防衛(wèi)巡視［4］；可利用后臺(tái)高仿真VR巡檢系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行維護(hù)人員開(kāi)展有針對(duì)性的倒閘操作或應(yīng)急處置培訓(xùn)等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變電站遠(yuǎn)程虛擬可視化巡檢系統(tǒng)

2.1 設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將微型高清攝像頭通過(guò)固定支架固定在表計(jì)（分合指示器、觀察窗等）的正前方，攝像頭通過(guò)視頻傳輸線傳輸信號(hào)，圖像經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換放大處理，經(jīng)過(guò)信號(hào)數(shù)據(jù)集中轉(zhuǎn)換箱（RS485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊）進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，通過(guò)光纖傳輸至保護(hù)室交換機(jī)，利用保護(hù)室現(xiàn)有交換機(jī)將信號(hào)傳輸至通信機(jī)房交換機(jī)，再將信號(hào)傳輸至站用客戶端，通過(guò)客戶端實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換。利用攝像頭采集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程操作。該系統(tǒng)由一次設(shè)備就地監(jiān)控、就地監(jiān)控與上位機(jī)通信、在線監(jiān)測(cè)3個(gè)功能模塊組成。

2.1.1 一次設(shè)備就地監(jiān)控

一次設(shè)備就地監(jiān)控模塊用于采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)。在一次設(shè)備的壓力表計(jì)、分合指示、觀察窗等處加裝微型攝像頭和壓力在線監(jiān)測(cè)模塊，將信號(hào)集中傳輸至數(shù)據(jù)集中轉(zhuǎn)換箱，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，工作原理如圖2所示。

圖2 一次設(shè)備就地監(jiān)控模塊原理

2.1.2 就地監(jiān)控與上位工控機(jī)通信

就地監(jiān)控與上位工控機(jī)之間的通信模塊，采用RS485與TCP／IP結(jié)合的方式，就地監(jiān)控模塊利用RS485規(guī)約將信號(hào)集中在就地集中信號(hào)控制箱，在控制箱中通過(guò)RS485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)由交換機(jī)上傳至上位工控機(jī)，進(jìn)行人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程巡檢，原理如圖3所示。

圖3 就地監(jiān)控與上位工控機(jī)通信

2.1.3 在線監(jiān)測(cè)功能模塊

將一次設(shè)備就地監(jiān)控模塊采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)通信傳輸，最后在在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行呈現(xiàn)，SF6壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)界面

以SF6壓力表在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，系統(tǒng)基本功能：1）在線監(jiān)測(cè)SF6高壓設(shè)備中SF6氣體的壓力值；2）安裝高清夜視攝像頭對(duì)準(zhǔn)SF6密度繼電器表盤(pán)刻度，并把觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)主控機(jī)，達(dá)到實(shí)時(shí)觀察監(jiān)測(cè)表盤(pán)刻度壓力數(shù)值；3）數(shù)據(jù)采集采用RS485通信，并轉(zhuǎn)換至以太網(wǎng)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至站端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或監(jiān)控中心；4）就地監(jiān)控系統(tǒng)可以更詳細(xì)觀察每個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際、歷史數(shù)據(jù)，設(shè)定報(bào)警、閉鎖值，查看曲線、歷史報(bào)警等，系統(tǒng)自動(dòng)繪制SF6氣體壓力值的趨勢(shì)圖、歷史曲線圖；5）系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動(dòng)集成至三維高仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電腦平臺(tái)和VR眼鏡真實(shí)再現(xiàn)SF6壓力表盤(pán)刻度讀數(shù)；6）系統(tǒng)自動(dòng)記錄報(bào)警、閉鎖狀態(tài)的各項(xiàng)參數(shù)并傳送給中控機(jī)，供維護(hù)參考；7）通信管理機(jī)，實(shí)現(xiàn)所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)61850規(guī)約上傳到后臺(tái)系統(tǒng)；8）系統(tǒng)可擴(kuò)展短信報(bào)警、閉鎖預(yù)警無(wú)線通知功能，以便及時(shí)處理維護(hù)設(shè)備［5］。

2.2 后臺(tái)高仿真VR巡檢系統(tǒng)

后臺(tái)高仿真VR巡檢系統(tǒng)立足于虛擬現(xiàn)實(shí)3D技術(shù)［6］，依托變電站高精度建模，將變電站通過(guò)三維立體技術(shù)進(jìn)行虛擬展示。系統(tǒng)采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技手段生成逼真的視、聽(tīng)一體化的特定范圍的變電站虛擬環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)變電站整體布置虛擬瀏覽，對(duì)電力設(shè)備巡視、倒閘操作、安全措施布置進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化仿真培訓(xùn)，同時(shí)對(duì)變電站事故處理進(jìn)行虛擬演練以保證變電站安全運(yùn)行。與傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)相比，不同點(diǎn)是該仿真系統(tǒng)中的表計(jì)和分合指示器等是變電站的真實(shí)再現(xiàn)，即將攝像頭實(shí)時(shí)傳輸?shù)漠?huà)面通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行顯示，工作人員只需戴上VR虛擬頭盔，就能實(shí)現(xiàn)在變電站中漫游，并依照巡檢流程，實(shí)時(shí)查看每個(gè)設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，身臨其境的查看變電站運(yùn)行情況，從而有助于提高運(yùn)行維護(hù)人員的積極性和有效預(yù)防巡檢過(guò)程中不規(guī)范操作帶來(lái)的人身傷害。

通過(guò)該系統(tǒng)，工作人員戴上VR虛擬頭盔和眼鏡，就可自由在變電站中漫游，真實(shí)而全面地了解變電站環(huán)境以及布局，能夠在每個(gè)點(diǎn)形成360°無(wú)死角巡視。同時(shí)，基于在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，工作人員通過(guò)VR頭盔能直觀地查看設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)等，通過(guò)VR操作手柄點(diǎn)擊，查看設(shè)備的基礎(chǔ)信息，更精確、真實(shí)地查看設(shè)備狀態(tài)；該系統(tǒng)還可與變電站內(nèi)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和安防系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，方便查看設(shè)備的外觀、周圍環(huán)境等實(shí)際狀態(tài)。以開(kāi)關(guān)壓力表為例，可視化效果如圖5所示。

圖5 壓力表可視化效果

通過(guò)該系統(tǒng)，還可以將讀取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能讀取和分類，形成大數(shù)據(jù)庫(kù)，分時(shí)間段進(jìn)行比對(duì)分析，人工或自動(dòng)查詢，形成歷史曲線，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備漏氣現(xiàn)象并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備可能存在的異常狀況。與傳統(tǒng)培訓(xùn)模式相比，該系統(tǒng)采用三維仿真VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使培訓(xùn)管理邁向現(xiàn)代化智能水平，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)VR操作手柄與虛擬電力設(shè)備的結(jié)合，學(xué)員可以更自然地與虛擬環(huán)境中的電力設(shè)備進(jìn)行交互作用，根據(jù)訓(xùn)練需求和標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)完成操作練習(xí)。有助于提高專業(yè)人員應(yīng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行突發(fā)事件的快速反應(yīng)能力和綜合處理水平。

2.3 應(yīng)用效果

基于VR技術(shù)的變電站遠(yuǎn)程可視化巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用，有助于實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的全方位實(shí)時(shí)巡檢，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史曲線的比對(duì)與分析，可以實(shí)現(xiàn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常狀態(tài)，避免異常狀態(tài)發(fā)展為設(shè)備缺陷甚至故障現(xiàn)象，提高了超高壓變電設(shè)備的安全管控水平。同時(shí)利用該系統(tǒng)可以提高智能巡檢機(jī)器人表計(jì)識(shí)別率，節(jié)省了人工補(bǔ)錄的工作時(shí)間。無(wú)人值守變電站中的開(kāi)關(guān)操作由監(jiān)控中心完成后，可直接進(jìn)行遠(yuǎn)程核對(duì)，不再需要運(yùn)行維護(hù)人員去現(xiàn)場(chǎng)檢查核對(duì)，節(jié)省了大量人力物力。該系統(tǒng)還同時(shí)兼?zhèn)渑嘤?xùn)作用，利用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，給培訓(xùn)學(xué)員一種真實(shí)生動(dòng)的變電站實(shí)景視覺(jué)沖擊，有助于加深對(duì)設(shè)備的認(rèn)識(shí)。

2.4 推廣前景

目前，國(guó)家電網(wǎng)公司系統(tǒng)無(wú)人值守變電站數(shù)量逐年增加，變電站所處地域半徑不斷增大。變電站遠(yuǎn)程虛擬可視化巡檢大數(shù)據(jù)系統(tǒng)憑借其先進(jìn)性，可以實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)巡檢，提高巡檢工作質(zhì)量，很大程度上消除了地域因素、人員不足等因素對(duì)巡視工作的影響，并且彌補(bǔ)了智能巡檢機(jī)器人表計(jì)識(shí)別率不高的問(wèn)題，能夠在電力行業(yè)全面推廣。

該系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際工作需求，結(jié)合云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站乃至整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的安全智能管控，真正實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備無(wú)人值守，能夠在電力行業(yè)變電運(yùn)行維護(hù)專業(yè)部分推廣。

在其他需要人員值班或巡檢的行業(yè)，如發(fā)電廠、供水公司、消防等行業(yè)，該系統(tǒng)可以直接應(yīng)用或提供借鑒，能在特定情況下局部推廣。

3 結(jié)語(yǔ)

基于VR技術(shù)的變電站遠(yuǎn)程可視化巡檢系統(tǒng)創(chuàng)造性地引入了VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，將變電站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)融入到高仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變電站全景真實(shí)再現(xiàn)，達(dá)到變電站遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)巡檢的目的，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)作業(yè)方式的突破，同時(shí)打破了傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式，使培訓(xùn)效果更容易達(dá)到；該系統(tǒng)集合高清防水微型攝像頭、信號(hào)集中控制、在線監(jiān)測(cè)等技術(shù)，智能巡檢表計(jì)識(shí)別率大幅提高；同時(shí)，具備大數(shù)據(jù)后臺(tái)分析功能，方便比對(duì)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常缺陷，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)應(yīng)用的突破。

系統(tǒng)解決了無(wú)人值守變電站設(shè)備巡視不及時(shí)、智能巡檢機(jī)器人表計(jì)識(shí)別率低的弊端，成功實(shí)現(xiàn)了變電站設(shè)備的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)巡檢作業(yè)方式?；旧辖鉀Q了無(wú)人值守變電站設(shè)備異常狀態(tài)發(fā)現(xiàn)不及時(shí)導(dǎo)致的設(shè)備故障問(wèn)題，提高了變電站設(shè)備的安全運(yùn)行率。