虚拟现实技术在电缆故障诊断仿真中的应用

虚拟现实技术在电缆故障诊断仿真中的应用

任甜

国网山西省电力公司太原供电公司 山西太原 030000

摘要：城市的发展对市容市貌越来越重视，电力电缆深埋地下运输电能，其故障率低于架空线路，在城市电网系统中得到广泛应用。随着电缆数量的增加，故障率也增加，要解决电缆故障问题就要找到最佳故障处理方案，一般会对电缆进行故障模拟，但运行中的电缆不能随意停电进行试验，而建设试验室需要一定的周期及经费，因此研究可开展电缆故障模拟及对电缆进行操作的技术很重要。

关键词：虚拟现实技术；电缆故障

目前，虚拟现实技术发展迅速，被应用在各行各业。虚拟现实技术不需实物就可进行操作并使操作者有真实体验，因此本文研究虚拟现实技术在电缆故障诊断仿真中的应用，可随时随地对电缆故障进行模拟并找到故障处理最佳方案，以提高电缆运维人员技术水平。

1 虚拟现实技术

虚拟现实技术是一种计算机技术，综合了计算机图形技术、传感器技术、网络技术、人机交互技术及仿真技术，能对想象的空间进行虚拟再现，提供逼真的视觉效果，用户可通过三维虚拟环境进行操作或控制环境，产生空间立体的感受和体验。虚拟现实技术主要包括动态环境建模技术、实时三维图形生产技术、立体现实和传感器技术、应用系统开发工具及系统集成技术。其特点是：具有沉浸性，使用者会产生进入真实世界的感觉，产生思维共鸣，引起心理沉浸；具有互动性，使用者操作虚拟环境内的物体时可真切感受到该物体，相关物体会产生相互作用，位置和状态发生相应改变；具有想象性，使用者在虚拟环境中可与周围物体进行互动，可根据自己的感觉，吸收知识，拓宽思维；具有主动性，虚拟环境中的物体会根据物理定律进行相应动作，如受力会发生移动，会受地心引力坠落地面等。

2 基于虚拟现实技术的电缆故障诊断仿真系统

2.1 实现方案

系统以虚拟电缆为目的，采用专业全景摄影机拍摄现实生活中的电缆照片作为素材，利用图像数字化变形技术，生成与实际视觉效果一致的虚拟物体供使用者操作，虚拟物体状态图像随着使用者的操作相应改变，以达到对电缆故障诊断的仿真。首先，要采集和整理各类电缆故障真实场景，包括不同的电压等级、故障情况，刮风、下雨、白天、黑夜等不同的场景模式，穿管、沟道、草坪、直埋等不同敷设环境，简单环境、复杂环境、多种情况结合的电缆路径走向，并对其进行分析，制定每种处理方法所表现出的特征及现象，确定最佳处理方案；制定各类故障类型，包括高阻接地故障、低阻接地故障和断线故障，通过检测故障点的图像等数据更全面地展现线路问题。其次，对各种线路建立模型并在虚拟现实技术平台中为各种配网线路状态数据建档，实现线路故障定位、路径查找、线路识别、状态评估功能，开发教学模块、练习模块、考核模块，建立整个过程所需的三维模型及针对电缆故障的各类题库。最后，建设云服务平台及大数据库并存于云服务器。系统提供现实中遇到的各种电缆故障场景，以提供体验者在视觉、听觉、触觉方面真实的感觉，以减少试验室的投入，降低学习成本；提升电缆运维人员操作熟练度，为电网安全运行保驾护航。

2.2 系统构成

系统由硬件部分及软件部分构成，硬件部分包括后台服务器、控制服务器及用户终端，如图1所示。后台服务器是仿真系统的核心部分，用于储存电缆各种故障模型、最佳处理方案、各类算法、历史数据、操作记录、对电缆故障进行仿真等；控制服务器用于用户的数据采集、控制操作、信号处理及按照用户的操作进行相应响应，同时负责用户与后台的数据交互；用户终端提供人机交互界面，通过用户设置选择开始/结束操作、选择操作模式，模拟电缆故障处理，接收用户操作指令。

图1系统硬件构成示意图

软件部分分为两层构架，完成模型数据管理、数据交互及信息处理，同时考虑了扩展、移植和安全方面的要求，结构如图2所示。系统功能架构包括操作层、控制层及观摩层。操作层的主要功能是引导提示、操作交互、数据采集与记录等；控制层的主要功能是系统设置、过程控制、开始/结束训练等；观摩层的主要功能是时间与空间同步、角色切换等。

图2软件体系结构示意图

2.3 电缆故障诊断仿真系统操作流程

系统的功能主要有教学模式、练习模式、考试模式及观摩模式，操作流程如图3所示。

图3电缆故障诊断仿真系统操作流程图

(1)使用者选择应用模式：操作或观摩。

(2)操作模式里面有教学、练习、考试模式，由使用者进行选择。

(3)选择完毕进入对应模式中，随机给出一个电缆故障的场景。

(4)教学模式：画面内有老师教学，老师处理一步，使用者跟着模仿处理一步，最后由使用者独立完成该场景下电缆故障的处理。练习模式：根据电缆故障场景，使用者独立对故障进行处理，系统根据使用者的操作给出不合理操作原因及正确操作演示。考试模式：使用者根据考试题目对电缆故障进行处理，系统根据使用者的操作水平及故障处理方法进行打分。

(5)观摩：使用者选择观摩模式时，场景自动将使用者切换为第三者，可观看其他人对不同场景下电缆故障的处理，自行进行学习。

3 结语

虚拟现实技术可产生无实物的真实体验和感受，发展前景良好。本文将其应用在电缆故障诊断仿真中，为电缆故障模拟、故障处理提供了无实物演示及无实物操作，节约了成本，提高了电缆运维人员的故障处理水平，降低了电缆故障停电时间，培训效果良好，保障了电力系统稳定运行。

参考文献

[1] 汪成为，高文，王行仁.灵境( 虚拟现实)技术的理论、实现及应用[M].北京：清华大学出版社，1996.

[2] 中国产业发展研究网.虚拟现实(VR)技术特点介绍与发展历程详解[OL].[2015-11-25].

[3] 贾延峰.电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算[D].沈阳：沈阳工业大学，2007.

[4] 张栋国.电缆故障分析与测试[M].北京：中国电力出版社，2005.