段翔兮1，鄒 琬2，高 劍2，李 熠2，楊紫苓，宋永娟

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041；3.國網(wǎng)南充供電公司，四川 南充 637000)

0 引 言

近年來，隨著變電站設備數(shù)量和種類的增加以及變電站智能化和無人值守的發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)的變電站也將逐步更新為新一代智能變電站[1]。設備的信息共享、信息一體化、智能化管理變得越來越重要，而當前變電站的設備監(jiān)控主要采用數(shù)據(jù)匯報的形式進行，存在告警展示方式不夠形象、告警信號和設備分離等問題。當站端設備出現(xiàn)了問題，因缺乏設備具體3D位置[2]、缺乏對告警信息流的了解，一般監(jiān)控人員只能提供該設備的類型，對設備的故障原因及數(shù)據(jù)流向不清楚，且存在基礎數(shù)據(jù)收集過程復雜、信號點表版本眾多等因人的主觀性造成的編制誤差、審查信息表耗時長等問題[3]。以四川省某地區(qū)為例，該地區(qū)下轄49個變電站，僅一座110 kV變電站，就有近1000條信息，若按照傳統(tǒng)監(jiān)控方式，運行維護人員通過查詢設備間隔內的所有光字牌獲取設備狀態(tài)，這樣效率非常低[4]。另外，較強的專業(yè)性和實踐性也迫使監(jiān)控人員需要在工作實踐中積累豐富的經(jīng)驗[5-6]。

針對傳統(tǒng)告警展示方式不夠形象、告警信號和設備分離、數(shù)據(jù)流向不明確的問題，提出了基于Unity3d的監(jiān)控告警信息展示系統(tǒng)。該系統(tǒng)將從監(jiān)控系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)植入，結合3D模型進行展示[2]：可以幫助監(jiān)控人員了解告警信號觸發(fā)的完整鏈路[7]；可以對設備的狀態(tài)有直觀了解，避免繁雜的數(shù)據(jù)分析和理解[8]；實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)化管理，所有的變電站設備按照不同的電壓等級進行模塊化處理，不同電壓等級的變電站只需要通過后臺更新配置數(shù)據(jù)，即可達到系統(tǒng)更新的結果。

1 原理與系統(tǒng)架構

1.1 游戲引擎Unity3d作為核心平臺

Unity3d作為游戲開發(fā)平臺，對圖形圖像、3D模型、人機互動、跨平臺運行都非常友好。Unity3d作為前端系統(tǒng)，采用WebGL技術讓系統(tǒng)在網(wǎng)頁端在線運行系統(tǒng)，而無需進行安裝配置環(huán)境。后端采用Linux作為服務平臺，結合國產(chǎn)達夢數(shù)據(jù)庫和Java作為邏輯平臺，整體架構如圖 1所示。

圖1 項目架構設計

1.2 3D可視化動態(tài)展示告警信號

用立體動畫的方式全面展現(xiàn)變電站告警信號及其數(shù)據(jù)流。首先根據(jù)變電站的不同設備將信號分為3個層級，包括變電站總體信號、變電站間隔、設備組件等層級。當進入系統(tǒng)后，系統(tǒng)會提示收到的實時告警信號，告警信號附加在可視化設備上，且可以查看該層級的設備信號，并用不同色差突出顯示不同的告警信息。同時系統(tǒng)可以切換實體和線框模式，方便查看真實效果和透視結構，進一步了解設備結構。設備信號按照具體接點的電路結構和一、二次設備、控制設備形成的信號回路進行傳播，如圖2所示，并利用此原理將其進行3D模型和特效方式的展示。

圖2 設備信號結構

最后將該信號產(chǎn)生的原因進行匯總，將產(chǎn)生的后果進行提示，并用動畫形象展示。

1.3 GIS地理位置信息全面展現(xiàn)地區(qū)內所有變電站信息

系統(tǒng)平臺引入Google數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內進行整合，形成獨立的地理系統(tǒng)[9]，即改造成適合于Unity3d的OnLine Map地圖系統(tǒng)。系統(tǒng)生成每個變電站的具體經(jīng)緯度，將經(jīng)緯度通過Google遠端SDK接口獲取數(shù)據(jù)，并將根據(jù)經(jīng)緯度給下載的貼圖進行編號,Online Map地圖系統(tǒng)將從Google下載的地圖轉化成png貼圖[10]，并按照橫向和縱向即X、Y軸在Unity3d中的面片上貼圖，X=[X1,X2…Xn],Y=[Y,Y2…Yn],貼圖方式如圖3所示[11]。

設C為最終得到的圖，M為每一塊貼圖，其貼圖方式可以表達為

(1)

當用戶刷新切換坐標時，M代表每一塊貼圖位置，如果向右下移，其地圖進行相應位移，計算方式為

M=Mx+1,y+1

(2)

如果向左上移，其地圖進行相應位移，計算方式為

M=Mx-1,y-1

(3)

圖片按照二維數(shù)組方式排列，一個格子代表一張貼圖位置，每張貼圖就是一個面片，面片是一個3D模型，在上面具備材質貼圖等屬性，當動態(tài)檢查到下載的貼圖時，從緩存中加載圖片貼到相應的坐標位置。當鼠標移動到其他位置時，將重新計算地圖經(jīng)緯度，并下載更新的圖片，然后重新進行貼圖操作。變電站圖標的設置方式是將設計好的變電站圖標同變電站的經(jīng)緯度匹配，并同目前界面上地圖范圍的區(qū)域具體位置匹配，然后將變電站圖標放到相應位置。變電站圖標集成改變電站的信息，并將圖標添加Collider碰撞，當點擊該圖標時，就可以實現(xiàn)變電站主界面的跳轉[12]。

1.4 無縫對接傳統(tǒng)平臺和系統(tǒng)

數(shù)據(jù)信息的安全對于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行至關重要，所以該系統(tǒng)必須與傳統(tǒng)系統(tǒng)緊密融合保證其能在內部系統(tǒng)運行，并且將傳統(tǒng)平臺的數(shù)據(jù)引入系統(tǒng)。傳統(tǒng)平臺作為運行幾十年的大數(shù)據(jù)庫，已經(jīng)包含每個變電站的設備點表以及管理團隊配置等信息。目前電力系統(tǒng)均采用Linux系統(tǒng)作為服務器平臺，數(shù)據(jù)庫采用國產(chǎn)達夢數(shù)據(jù)庫。所建系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫分析，將后臺數(shù)據(jù)整合成設備表EquipData、信號表AlarmData、維護表MainMatinData、模型表ModelData、用戶表UserData、變電站表SubstaionData的數(shù)據(jù)，然后整合到原有服務；前端平臺通過接口獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)對象化，根據(jù)數(shù)據(jù)的ID選擇需要的數(shù)據(jù)。

1.5 設備模塊化自由組合

變電站設備一般根據(jù)不同類型和具體線路有特定編號，特別是二次設備，一般都是根據(jù)具體變電站而有不同的配置。配置的方式采用事先開發(fā)一個配置客戶端，配置客戶端對設備的組合進行編輯，系統(tǒng)首先對設備的組件模塊進行定義，同時對設備的組合規(guī)律進行定義，設備的定義方法如圖4所示。

圖4 設備模塊的設計流程

用戶從前端選擇不同的模塊，插入到設備的相應部位，然后將設備組合信息進行記錄，并在數(shù)據(jù)庫保存。使用時首先從數(shù)據(jù)庫載入當前設備的組合數(shù)據(jù)，然后在場景中進行重現(xiàn)。

設物體空間用T表示，P為設備位置點,R為設備方向,在位置信息中x、y、z分別表示橫向、縱向、前后參數(shù)值；在方向信息中x、y、z分別表示橫向、縱向、前后方向的旋轉值，它們之間關系為

(4)

當設備進行組合時，物體組件A和物體B之間的位置關系為

(5)

物體的角度采用歐拉角計算。歐拉角是用來唯一地確定定點轉動剛體位置的3個一組獨立角參量[13]，由章動角θ、進動角ψ和自轉角φ組成。若令Ox′y′z′的原始位置重合于Oxyz，經(jīng)過相繼繞Oz、ON和Oz′的3次轉動Z(ψ)、N(θ)、Z′(φ)后，剛體將轉到如圖5所示的任意位置(見剛體定點轉動)。

圖5 模型中旋轉示意

變換關系可寫為

R(ψ,θ,φ)=Z′(φ)N(θ)Z(φ)

(6)

設定xyz-軸為參考系的參考軸。稱xy-平面與XY-平面的相交為交點線，用英文字母N代表。如圖6所示。

2 具體實施方案步驟

2.1 系統(tǒng)分析

設計目標是在國家電網(wǎng)大數(shù)據(jù)中心的基礎上，充分利用Unity3d技術的直觀性，構建新型配電管理系統(tǒng)。設計時要求充分考慮實用性與行業(yè)管理特點，以達到功能需求目的，主要應遵循以下設計原則：

圖6 模型定位中使用的歐拉角度示意

1)標準化

本系統(tǒng)設計及其實施將嚴格按照國家和地方有關標準的規(guī)定進行。選用設備、產(chǎn)品和軟件將完全符合行業(yè)標準與主流模式。系統(tǒng)采用的術語、分類、編碼等的設置將完全符合或采用國家或行業(yè)標準。

2)合理性

充分考慮系統(tǒng)的實用性，以提高工作效率、節(jié)省人力和各種資源為目標進行設計，避免過于冗雜的設計導致性能與經(jīng)濟性的負面效應。

功能設計充分考慮行業(yè)特點，使設計成果符合最終用戶的操作習慣與行業(yè)標準，從而使系統(tǒng)結構、系統(tǒng)功能都具有良好的合理性。

3)兼容性

系統(tǒng)結構遵循結構化、模塊化的設計目標，具有良好的兼容性。既可使用不同主流廠商的設備產(chǎn)品，又可便捷地擴充使其能在其他系統(tǒng)廠商的設備產(chǎn)品上運行。

2.2 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)功能整體規(guī)劃如下：

1)3D展示系統(tǒng)：提供驅動圖形顯示的核心3D組件，提供將其他3D工具創(chuàng)建的模具進行整理導入接口。

變電站GIS展示：將用戶權限范圍內的變電站顯示在地圖上。變電站展示：提供變電站外觀與內部結構的3D展示功能。設備展示：提供變電站設備的3D展示功能。告警展示：將所有設備異動情況，第三方平臺告警信息集中展示，提供統(tǒng)一預警機制。

2)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)：提供用戶、角色與權限管理的功能。采用netty中間件技術，實時向前端系統(tǒng)發(fā)送消息。消息可以是報警信息，也可以是一個通知。接口服務中心采用RESTful風格的接口，以供足夠權限的前端系統(tǒng)調用。

3)美術資源加工：將從現(xiàn)場提取的設備資料進行加工，制作成3D模型并保存在數(shù)據(jù)庫。

4)數(shù)據(jù)庫：包括基本數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)和美術資源數(shù)據(jù)，都是經(jīng)過二次加工處理后的資源。

5)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：將變電站地理數(shù)據(jù)、設備美術資源、告警信息等進行數(shù)據(jù)分析加工，并存于數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)的交互流程圖如圖7所示。

2.3 編碼

1)MVC編碼模式

編碼階段采用MVC模式，將整個系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)模型層、視圖層、邏輯控制層。數(shù)據(jù)模型層將系統(tǒng)數(shù)據(jù)整理成Ececl文件，并分設為管理員類、角色類、GIS信息類、設備基礎類、設備模型類、信號基礎類、實時信號類，使用管理類對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理。

2)單例和多例結合

在界面的編寫中，模塊的功能也獨立成不同的類。界面的通信采用單例模式讓界面的互動在單獨的類進行?？刂祁惏凑展δ芊殖?級，分別是全站級、間隔級、設備級，分別設計3個不同的類。

3)Web視頻加載技術

動畫功能采用WebGLMovieTexture視頻紋理播放技術，具體方法是使用Movie類加載視頻到內存，然后將內存數(shù)據(jù)圖像化，最后將圖形化的數(shù)據(jù)作為材質貼圖附加在一個Plane對象上，這樣Plane對象上就可以實時呈現(xiàn)動畫圖像。

2.4 模型和動畫資源

獨立的資源系統(tǒng)，將前端、邏輯、數(shù)據(jù)和資源單獨管理。變電站設備圖形資源包括模型、貼圖、材質等，通過引擎自身的算法壓縮成AssetBundle二進制數(shù)據(jù)包，然后放入數(shù)據(jù)資源庫保存，并在運行過程中動態(tài)下載和解壓加載到場景，同時將解壓并加載到場景的資源附加互動代碼，實現(xiàn)互動。AssetBundle包分PC端和Web端兩個平臺，PC平臺用來開發(fā)過程的測試，Web則是運行平臺。AssetBundle的使用原理是首先將各種設備模型資源在Unity3d中進行預處理，經(jīng)材質和貼圖以及模型的優(yōu)化處理完畢，將模型放入一個空物體?？瘴矬w按照規(guī)范命名，如電壓等級+間隔名稱+設備名稱規(guī)則[14]。在空物體下建立一個目錄，存放該設備同其他設備的連接信息，方便重新加載后動態(tài)將這些設備用線纜連接起來。在模型上添加Collider，方便重新加載后處理。處理結束后使用打包程序將模型壓縮成AssetBundle包，并存放在服務器指定目錄。系統(tǒng)運行時根據(jù)服務端數(shù)據(jù)庫設備信息，加載該模型，并解壓然后實例化到場景中。最后，在該設備模型上添加用于控制的腳本，這樣就完成了一個完整的資源處理流程，如圖8所示。

圖7 流程

圖8 AsseBundle壓縮包的使用原理

通過資源包ID的辦法，每一種設備對應一種資源包，每個資源包對應數(shù)據(jù)庫模型數(shù)據(jù)，同一種設備可以反復使用同一個資源包，這樣所有設備都具有通用性，整個系統(tǒng)資源庫最后覆蓋所有的變電站類型，使該系統(tǒng)能推廣到所有的行業(yè)進行使用[14]。

2.5 測試

測試項目的時候為了方便，做了多平臺的開發(fā)，包括編輯器端、PC端、Web端。3個端使用不同的資源路徑和資源格式，根據(jù)Unity3d的平臺檢測方法，選擇不同的平臺。

3 實施效果

經(jīng)過前期一系列的測試，系統(tǒng)完成了預定目標，實現(xiàn)了如下功能。

3.1 用戶后臺管理

通過管理端，可以實現(xiàn)不同等級的權限，包括管理員、一級用戶、二級用戶、三級用戶。不同用戶權限查看不同等級的變電站范圍。變電站資源實現(xiàn)后臺管理，添加和刪除都實現(xiàn)自動更新，如圖9所示。

圖9 資源管理界面

3.2 區(qū)域選擇和變電站選擇

根據(jù)用戶權限的不同，加載的地圖范圍不同，并能隨時切換不同的區(qū)域范圍，然后進入相應的變電站進行查看，如圖10所示。

圖10 GIS變電站信息

3.3 實現(xiàn)全站模型的查看

進入變電站層級，系統(tǒng)開始初始化加載變電站模型數(shù)據(jù)，完成全站加載時間約10～20 s。如圖11所示。

圖11 全站設備展示

3.4 模型顯示模式

根據(jù)不同的需求，模型顯示方式可以切換成線框或者實體模式，線框模式支持PC和Web平臺，如圖12所示。

圖12 設備線框模式

3.5 模型的組合

完成了系統(tǒng)設備的動態(tài)組合，根據(jù)后臺管理端的配置，加載不同的設備模型。

3.6 設備的預警

當有設備出現(xiàn)故障，設備會顯示高亮提示，用戶可以選擇其中一個設備切換到設備級查看故障，如圖13所示。

圖13 設備告警模式

3.7 設備的關聯(lián)

實現(xiàn)設備組件和原理原因的關聯(lián)，當選擇故障設備時，用戶可以看到其出現(xiàn)的故障，選擇故障可以彈出其故障的原理和原因動畫，并隨時進行切換。

3.8 設備拆分查看

實現(xiàn)設備的拆分展示，在設備層用戶可以使用爆炸圖的方式查看設備的主要組件結構，如圖14所示。

圖14 設備展開模式

3.9 實施效果分析

通過本項目實施，以主變壓器的告警為例，從員工培訓需要的周期、交流學習所需的時間、常規(guī)檢查檢修所花的時間(用小時計算)的效率進行分析，不難看出，本系統(tǒng)在常規(guī)管理和智能化管理基礎上有了長足的提高。實施效果數(shù)據(jù)如表1所示，在使用常規(guī)管理方式進行培訓、會議、檢修分別花去120 h、72 h、20 h，是非常消耗時間的。目前新建電站幾乎拋棄這種方式，而采用智能方式進行管理，進行培訓、會議和檢修時分別花去50 h、8 h和2 h，效率提高幾倍，在這個基礎上，使用本系統(tǒng)，進行這3項測試，效率又有30%以上的提高，項目實施效果明顯。

表1 實施效果數(shù)據(jù) 單位：h

從上面分析可以看出，使用傳統(tǒng)的常規(guī)管理是效率最低的方式，這種變電站逐步被智能變電站代替。智能電站雖然數(shù)據(jù)收集控制都比較方便，但由于信息量過大，也存在不直觀、效率不高等問題。采用了3D模式的監(jiān)控系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的設備和信號完整鏈接在一起，在電力監(jiān)控領域的使用也非常廣泛，為監(jiān)控領域的工作做出了明顯的改進。

4 結 語

綜上所述，所建系統(tǒng)解決了長期困擾整個行業(yè)的難題，其將生產(chǎn)、監(jiān)控、培訓的幾個過程集為一體，同時也方便變電站系統(tǒng)內部進行匯報活動，達到了項目設計的初衷，將設備同故障信號關聯(lián)提高了對變電站的管理效率。