沉浸式虚拟现实技术在变电站的操作仿真应用

沉浸式虚拟现实技术在变电站的操作仿真应用

白彪杨堂华曹权林王雁南罗庆兵

云南电网有限责任公司普洱供电局云南普洱665000

摘要：本文介绍了基于虚拟现实技术开发的仿真培训系统在变电站运维管理中的应用，包括三维精细化模型、交互式模拟培训场景、虚拟仿真与SCADA实时数据关联等关键技术。本文详细叙述了系统架构及各模块的功能，以及在普洱供电局变电站项目中的实际应用效果。变电站运行及检修人员可通过沉浸式3D环境进行重要设备的操作培训、学习演练，并结合SCADA准实时动态数据，使用户在逼真的环境下进行操作演练，可以有效地减少检修操作及应急处置的出错机率，从而有效地提高工作效率并为安全生产提供保障措施，仿真平台为变电站安全运维管理提供多重防护。

关键词：变电站虚拟现实技术仿真

一、引言

尽管目前变电站的自动化程度很高，但变电站设备的检修及倒闸操作人仍然需要大量的人工参与，检修及操作是电网安全生产的重点管控环节。如何将场站布置、设备构成、接线原理以及操作流程等信息全方位地展现给运行及检修人员，让运行及检修人员切实地提升岗位操作技能，对电网的安全运行至关重要。

基于沉浸式虚拟现实技术的变电站操作仿真系统，利用与变电站真实场景一一对应的1：1三维模型，结合变电站SCADA实时数据、任务角色、操作流程、操作动作和结果呈现的三维虚拟现实引擎技术，实现逼真的交互式变电站仿真场景，快速提升变电运行、检修人员的技能水平。

二、沉浸式虚拟现实技术与变电站虚拟仿真

虚拟现实技术（VirtualReality，VR）是指采用计算机技术为核心的现代高科技手段生成一种虚拟环境，用户借助特殊的输入/输出设备，与虚拟世界中的物体进行自然的交互，从而通过视觉、听觉和触觉等获得与真实世界相同的感受。

通过虚拟现实技术在变电站项目中应用，将变电运维过程中所产生的信息数据结合三维虚拟空间信息进行综合描述和展示，通过将直观化的表述，从而对电网进行展示、监控、分析和管理等工作。包括：展示汇报、可视化设备管理、可视化生产管理、可视化安全管理、对象化图纸资料管理、设备拆装模拟等变实际应用。

三、变电站虚拟仿真系统实现

1、虚拟仿真系统架构

图1虚拟仿真系统构架

2、通用模型格式

变电站虚拟仿真系统具有良好的开放性和兼容性，可以支持PDMS、CATIA、Pro/E、Revit等建模软件的文件格式；模型具有可移植性，加载至仿真平台的模型与原始精细化模型除了外形尺寸信息保持一致以外，在模型对象命名、模型对象层次结构以及属性信息上也保持一致，确保模型信息的一致性和准确性。

3、丰富的操作方式

对于变电站三维精细化模型，经过定制处理进入虚拟仿真系统中，操作人员通过鼠标键盘可以轻松实现交互式三维场景的飞行模式、第一人称、第三人称漫游、漫游巡视等。对于已贴图模型，可以实现模型的选择、旋转、放大、缩小、隐藏、取消隐藏、两点测量、多点测量、角度测量、轴距测量等操作，实现模型个性化浏览。

4、标准数据接口

虚拟仿真系统与普洱供电局变电站三维可视化智能信息管理平台具有标准数据接口，并支持与SCADA、资产系统、视频监控等的信息关联管理。通过标准的数据接口实现模型与生产运维数据的自动关联、动态查询，为展示汇报、虚拟培训、报表分析等奠定数据基础。

5、交互式模拟培训

交互式模拟培训，可供单个或多个用户进行交互式联机培训。首先创建房间，其它人加入房间，一同开始进入培训场景，各用户选择相应的角色执行任务，达到熟悉掌握变电运维操作流程的目的。操作人员可以操作虚拟工程师在虚拟场景中漫游、结合预定义好的交互式场景实现在三维一次和二次设备上完成所有模拟操作，如完成断开断路器、隔离开关、验电、合上接地开关和装设地线，装设围栏，挂设标识牌，退出保护装置连接片，断开空气开关、切换操作把手状态，投退连接片等设备、阀门等能动设备的操作模拟、拆装模拟等。

6、体感设备接口

虚拟仿真系统中默认采用鼠标键盘作为输入设备，为了增强在三维立体显示环境中的沉浸感及体验感，使操作人员身临其境，还提供了感设备接入的接口，实现通过真实感官生产运维各类应用场景操作方面的需求。

虚拟仿真系统体感设备接口支持包括：3D体感摄像机、光学位置追踪系统、3D显示器等设备接入。

四、项目应用

1、二次端子可视化

在常规的变电站虚拟仿真建模应用中，通常只针对变电站电气一次设备外形进行虚拟仿真，本次项目中应用了先进的计算机建模技术构建真实的电气二次（端子箱，屏柜）的内部端子的精细化模型构建。内部端子采用活化可点击的方式，以对象化的端子建立其独立的属性信息包括：端子号、回路编号电缆编号、回路功能、对端屏柜位置、对侧端子号等。将二维平面图中的端子接线图进行仿真还原实现与现场一致的连接关系，为运维人员提供快速查找端子信息及位置关系提供便利条件。

图2变电站二次端子接线仿真

2、二次回路可视化

利用虚拟仿真技术，以其真实直观的三维效果，贴近业务需求，由二次接线图纸向三维空间转变，用直观形象的方式提升培训人员的业务能力。二次回路虚拟仿真包括：电流回路模拟、电压回路模拟、控制回路模拟。通过将二次接线原理真实反映到三维模型中，直观表现了电流回路中的电流走向、电压回路中的接线方式、控制回路中各开关动作真实反映回路中开合连通状态。

图3虚拟仿真回路模拟

3、电气设备远程监视

在虚拟仿真场景中，通过报文转发方式接入变电站SCADA系统中的实时数据，报文转发方式与E格式数据接入方式对比，具有低延时、数据刷新周期短、遥信变位刷新等优势，实时包括：电流、电压、频率、有功、无功、变压器温度、空开压板位置、断路器及刀闸分合位置等数据，使得虚拟仿真场景中的所有变电设备赋予了“生命力”。在电气设备仿真巡视的模式下，变电运维人员能够真实快速的获取到变电站现场的遥测、遥信数据，及时了解设备运行情况，并可通过三维模型直观表达现场操作把手、压板、断路器及隔离开关状态、保护动作信号等，为变电站远程监视及检修前期勘查提供参考。

4、交互式仿真培训

在普洱供电局虚拟仿真系统中，建立倒闸操作及按错布置交互式模拟培训功能，以变电站现场实际的操作工作票，进行完整的操作流程模拟。以B/S架构局域网在线多人联机操作的方式，支持运维人员自行定义操作角色，采用游戏任务的模拟流程：主机建立房间，选择人物角色性别，选择任务场景（如倒闸操作安措布置），点击开始模拟培训任务。采用与游戏任务相同的模式提高了培训人员的积极性，使得培训人员对实际的操作流程更加深刻易懂，提升了人员培训效率。

图6交互式仿真培训流程

多人协同交互式模拟培训融入了电脑AI技术，可由电脑AI直接扮演培训过程中所需实际角色，解决场景同时在线人数不足的限制，实现单人操作或多人协同的培训方式。交互式场景具备教学、练习、考试三种模式是虚拟现实技术的重要功能模块。

在虚拟现实的基础上还融入了五防操作仿真，能满足与实际一致的完整倒闸操作流程，虚拟仿真倒闸操作模拟培训场景为事故联合演练提供辅助手段。

图7倒闸操作交互式仿真培训

5、设备模拟拆解

通过设备外形图、零件图、安装图等构建变电站重点设备的精细化三维仿真模型，并集合外形、材质、设备部件编码等信息，实现设备安装、拆解流程培训以及零部件可视化备品备件管理。设备模拟拆解分为初级和高级两种模式，并通过文字说明对拆解步骤及零部件信息进行注释，通过多维度的信息展现方式辅助人员学习。

图8主变压器模拟拆解

五、结束语

受限于地理条件、业务实际及技术条件，一线人员缺乏形象化、针对性、实操性的业务培训，操作技能培训和应急演练急待加强；另外，受限于地理隔离站内工作前期勘察效率低且风险高，受限于平面图纸的抽象展现无法直观地进行重要设备的精细化拆解、安装培训，受限于实际安全生产要求无法在实际运行环境下进行操作演练等，针对以上诸多现实问题，变电站三维虚拟仿真平台则是很好的一站式解决方案。

通过搭建变电站三维精细化虚拟仿真场景，并将SCADA生产实时数据与仿真场景中的设备模型进行数据关联，提高虚拟仿真的真实性。通过虚拟仿真交互式模拟培训应用，快速提升新员工操作技能掌握水平，为现场工作人员提供可视化交互式作业指导，确保各项操作的规范开展。

南方电网公司中长期发展战略中提出了“电网发展向更加智能、高效、可靠、绿色方向转变”，智能电网建设已成为未来电网发展的主要方向。普洱供电局顺应电网信息化管理需求，建立基于虚拟现实技术的变电站虚拟仿真应用系统，将三维空间信息化服务系统作为构建各种信息化应用的基础设施，利用三维虚拟仿真的直观性、可靠性、安全性等优势，为电网规划、设备维护、运维管理提供辅助支撑。

参考文献

[1]唐洪良，骆志刚。《基于虚拟现实技术的配电线路巡检虚拟仿真培训系统》[J].科技创新与应用，2013年第29期。

[2]杨宝莹，张朝勤，熊斌。《计算机虚拟仿真技术在变电站操作培训中的应用》[J].电力信息化，2005，3（2）.

[3]时斌，韩江虹，万秋兰，王磊，张雨飞，周建华。《多电压等级变电站混合仿真培训系统的实现》[J].电力系统及其自动化学报，2004年9月23日

作者简介：

白彪，男，云南，硕士，高级工程师，信息中心主任

杨堂华，男，云南，大学本科，高级政工师，生产分管领导

曹权林，男，云南，大学本科，工程师，信息管理

王雁南，男，云南，大学本科，工程师，继电保护班班长

罗庆兵，男，云南，中专，技师，信息管理专责