微美全息科學(xué)院： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電網(wǎng)故障監(jiān)控上的應(yīng)用

    現(xiàn)代電網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)模和科技程度在不斷提高。電網(wǎng)，又稱電力網(wǎng)，是電力系統(tǒng)中所有電壓變電所以及輸配線路組成的整體。國家電網(wǎng)已經(jīng)形成了一個完整、穩(wěn)定的巨大長距離輸電電網(wǎng)架構(gòu)。國家電網(wǎng)公司所屬的國家電網(wǎng)已成為世界上電壓等級最高、系統(tǒng)規(guī)模最大、資源配置能力最強(qiáng)的交直流混合電網(wǎng)，電網(wǎng)的功能、形態(tài)和結(jié)構(gòu)正在發(fā)生深刻變化。

    電力系統(tǒng)是最復(fù)雜的人造系統(tǒng)之一，其具有地理位置分布廣泛、發(fā)電用電時平衡、傳輸能量數(shù)量龐大、電能傳輸光速可達(dá)、通訊調(diào)度高度可靠、實(shí)時運(yùn)行從不停止、重大故障瞬間擴(kuò)大等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)決定了電力系統(tǒng)運(yùn)行時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)數(shù)量龐大、增長快速、類型豐富。電網(wǎng)規(guī)模在逐年擴(kuò)大的同時，也對電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性提出了越來越高的要求。下圖1顯示了電網(wǎng)系統(tǒng)的故障指示器的工作圖。

    無論是電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，還是電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)故障檢測，電網(wǎng)分析人員都需要通過數(shù)字仿真技術(shù)對電力系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況進(jìn)行把握和分析。作為納斯達(dá)克上市企業(yè)“微美全息US.WIMI”旗下研究機(jī)構(gòu)“微美全息科學(xué)院”的科學(xué)家們認(rèn)為，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真已成為電力系統(tǒng)試驗(yàn)研究、規(guī)劃設(shè)計(jì)和調(diào)度運(yùn)行的重要工具。

    以下是微美全息科學(xué)院的科學(xué)與技術(shù)的融合性觀點(diǎn)，對“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電網(wǎng)故障監(jiān)控上的應(yīng)用”具有前沿性指導(dǎo)意義。

    1、背景介紹

    隨著智能電網(wǎng)和全國電力系統(tǒng)大區(qū)互聯(lián)的發(fā)展，各種新能源、新設(shè)備不斷加入，現(xiàn)有電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)日益復(fù)雜，使得對電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)視、分析和控制更加困難。而電力系統(tǒng) 仿真得到的結(jié)果數(shù)據(jù)最終需要通過合理的可視化手段和對應(yīng)的分析方法，才能最終被工作人員所理解。電力仿真數(shù)據(jù)的可視分析作為分析人員間接了解電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的手段，對維 持電網(wǎng)系統(tǒng)得穩(wěn)定運(yùn)行起到了關(guān)鍵性作用。電網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，會產(chǎn)生一定的數(shù)據(jù)分布特征，并且有可能出現(xiàn)局部性波動等異常情況。分析人員會通過捕捉這些特征和異常狀態(tài)，進(jìn)而了解電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，提出針對性的解決方案和應(yīng)對措施。

圖1：配電網(wǎng)的故障檢測圖

    2. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)

    虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種綜合性技術(shù)，其主要技術(shù)內(nèi)涵包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)和仿真技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件條件的成熟，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在近幾年出現(xiàn)了爆發(fā)式的發(fā)展，并且在醫(yī)療、教育、娛樂、工業(yè)、軍事等多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過建立人工構(gòu)造的三維虛擬環(huán)境，讓用戶以自然的方式與虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互作用、相互影響，極大擴(kuò)展了人類認(rèn)識世界，模擬和適應(yīng)世界的能力。

    虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸感、交互性和構(gòu)想性三大特征。用戶可以在計(jì)算機(jī)生成的虛擬場景中，通過手勢、語言等自然的交互方式進(jìn)行交流和互動，并且能得到視覺、聽覺、觸覺等多通道的信息反饋，從而感受到與現(xiàn)實(shí)世界相似的沉浸感和逼真性。

    近五年來，一些以虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔為主的虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備大量涌現(xiàn)出來。對于高維數(shù)據(jù)，特別是三維空間數(shù)據(jù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有著得天獨(dú)厚的巨大優(yōu)勢：

    虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境本身就是三維的，用戶在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下觀察空間數(shù)據(jù)， 理論上和在現(xiàn)實(shí)世界中觀察物體沒有區(qū)別。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境能夠給用戶帶來極大的沉浸感；

    虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以通過檢測用戶的頭部和雙手運(yùn)動姿態(tài)來獲取交互信息。一方面增加了沉浸感，另一方面也提供了更多的人機(jī)交互通道：在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用戶可以使用虛擬手和射線去拾取和操縱三維物體。

    3. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

    電力系統(tǒng)調(diào)控一體的發(fā)展，對變電站綜合監(jiān)控提出了新需求，變電站監(jiān)控信息的綜合展示越來越重要。目前監(jiān)控中心對變電站的監(jiān)視信息主要來自兩個渠道，一是通過SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)采集到的電氣量和設(shè)備狀態(tài)信息，二是通過視頻監(jiān)視設(shè)備察看現(xiàn)場實(shí)時圖像，這兩方面的信息無法直接融合到同一個畫面。

    如今，無人看管變電站越來越多，監(jiān)控人員很難進(jìn)入到變電站內(nèi)了解真實(shí)的現(xiàn)場情況，對于變電站實(shí)際場景沒有清晰的認(rèn)識。與此同時，由于監(jiān)控人員往往需要負(fù)責(zé)十幾到幾十個站的監(jiān)控工作，對于各個變 電站的實(shí)際情況往往都不了解，變電站的建模需求非常大。

    在變電站仿真領(lǐng)域，已經(jīng)應(yīng)用三維建模方式，對變電站的一、二次設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)建模，并能提供三維的漫游交互環(huán)境進(jìn)行實(shí)際設(shè)備的查看和操作。但是這種方法建立變電站模型，建模周期長，模型復(fù)用性差，不適于大量變電站實(shí)際場景的監(jiān)視，因此無法為調(diào)控一體應(yīng)用提供方便的監(jiān)視。

    全景建模通過簡單的設(shè)備拍攝全景圖片，提供簡單可行的三維全景展示環(huán)境，借助相應(yīng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全方位互動展示方式。把基于全景圖片的場景快速建模技術(shù)和電氣設(shè)備信息可視化結(jié)合起來，在簡單三維的環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)場景圖像的精確展示，疊加上三維可視化展示內(nèi)容，實(shí)時顯示一次、二次設(shè)備的電氣狀態(tài)可以為監(jiān)控人員在同一個畫面中提供全景式的變電站監(jiān)控平臺，能極大提高變電站監(jiān)控信息的集成度。Gear VR、Steam VR、HoloLens等。這些虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔相對于傳統(tǒng)的大型投影屏幕，造價更便宜，使用起來也更為方便，能夠在中高端的PC機(jī)甚至各種移動設(shè)備上流暢運(yùn)行。

    目前，這些虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔設(shè)備主要被用于游戲和娛樂領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔將用戶與外界環(huán)境完全隔絕，相對于傳統(tǒng)環(huán)繞式投影屏幕，有著更好地沉浸性和真實(shí)性。通過運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可為電力工程和電力設(shè)備的設(shè)計(jì)、規(guī)劃、項(xiàng)目決策、優(yōu)化和分析等方面提供非常直觀的參考，可為完善系統(tǒng)、設(shè)備的技術(shù)方案提供非常有用的技術(shù)手段。

    虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與電網(wǎng)系統(tǒng)相結(jié)合的案例中，絕大多數(shù)都只涉及三維建模、場景漫游、虛擬培訓(xùn)等內(nèi)容，很少深入到數(shù)據(jù)可視分析領(lǐng)域。因此，將沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視分析領(lǐng)域， 提出了若干種人性化的交互方案，使得電網(wǎng)分析人員能夠以更加自然的交互方式觀察和分析電網(wǎng)數(shù)據(jù)。下圖4，5為電力系統(tǒng)變壓器及刀閘器件虛擬現(xiàn)實(shí)建模圖。

圖2：變壓器模型圖     圖3：刀閘模型圖

    經(jīng)過較長時間的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)逐漸滲透進(jìn)了電力系統(tǒng)的方方面面，在電力工程設(shè)計(jì)、仿真培訓(xùn)以及電力監(jiān)控等環(huán)節(jié)都有著廣泛應(yīng)用。電力工程設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要以二維的圖表為主，在設(shè)計(jì)和計(jì)算校驗(yàn)的過程中很容易出現(xiàn)不一致或者考慮不夠全面的問題，設(shè)計(jì)效率和經(jīng)濟(jì)效率都較低。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，就可以讓三維電力單位 模型的設(shè)計(jì)過程更加直觀和合理，方面檢查。