微美全息科学院： 虚拟现实技术在电网故障监控上的应用

    现代电网系统的规模和科技程度在不断提高。电网，又称电力网，是电力系统中所有电压变电所以及输配线路组成的整体。国家电网已经形成了一个完整、稳定的巨大长距离输电电网架构。国家电网公司所属的国家电网已成为世界上电压等级最高、系统规模最大、资源配置能力最强的交直流混合电网，电网的功能、形态和结构正在发生深刻变化。

    电力系统是最复杂的人造系统之一，其具有地理位置分布广泛、发电用电时平衡、传输能量数量庞大、电能传输光速可达、通讯调度高度可靠、实时运行从不停止、重大故障瞬间扩大等特点，这些特点决定了电力系统运行时产生的数据数量庞大、增长快速、类型丰富。电网规模在逐年扩大的同时，也对电网的安全性、稳定性和可靠性提出了越来越高的要求。下图1显示了电网系统的故障指示器的工作图。

    无论是电网规划设计，还是电网节点故障检测，电网分析人员都需要通过数字仿真技术对电力系统的整体运行情况进行把握和分析。作为纳斯达克上市企业“微美全息US.WIMI”旗下研究机构“微美全息科学院”的科学家们认为，电力系统数字仿真已成为电力系统试验研究、规划设计和调度运行的重要工具。

    以下是微美全息科学院的科学与技术的融合性观点，对“虚拟现实技术在电网故障监控上的应用”具有前沿性指导意义。

    1、背景介绍

    随着智能电网和全国电力系统大区互联的发展，各种新能源、新设备不断加入，现有电网规模不断扩大，电力系统日益复杂，使得对电网进行监视、分析和控制更加困难。而电力系统 仿真得到的结果数据最终需要通过合理的可视化手段和对应的分析方法，才能最终被工作人员所理解。电力仿真数据的可视分析作为分析人员间接了解电网运行状态的手段，对维 持电网系统得稳定运行起到了关键性作用。电网系统在运行过程中，会产生一定的数据分布特征，并且有可能出现局部性波动等异常情况。分析人员会通过捕捉这些特征和异常状态，进而了解电网的运行状况，提出针对性的解决方案和应对措施。

图1：配电网的故障检测图

    2. 虚拟现实技术的特点

    虚拟现实技术是一种综合性技术，其主要技术内涵包括计算机图形学、多媒体技术、人机交互技术和仿真技术。随着计算机软硬件条件的成熟，虚拟现实技术在近几年出现了爆发式的发展，并且在医疗、教育、娱乐、工业、军事等多个领域得到了广泛应用。虚拟现实技术通过建立人工构造的三维虚拟环境，让用户以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互作用、相互影响，极大扩展了人类认识世界，模拟和适应世界的能力。

    虚拟现实技术具有沉浸感、交互性和构想性三大特征。用户可以在计算机生成的虚拟场景中，通过手势、语言等自然的交互方式进行交流和互动，并且能得到视觉、听觉、触觉等多通道的信息反馈，从而感受到与现实世界相似的沉浸感和逼真性。

    近五年来，一些以虚拟现实头盔为主的虚拟现实硬件设备大量涌现出来。对于高维数据，特别是三维空间数据，虚拟现实技术有着得天独厚的巨大优势：

    虚拟现实环境本身就是三维的，用户在虚拟现实环境下观察空间数据， 理论上和在现实世界中观察物体没有区别。因此，虚拟现实环境能够给用户带来极大的沉浸感；

    虚拟现实系统可以通过检测用户的头部和双手运动姿态来获取交互信息。一方面增加了沉浸感，另一方面也提供了更多的人机交互通道：在虚拟现实系统中，用户可以使用虚拟手和射线去拾取和操纵三维物体。

    3. 虚拟现实技术在电力系统中的应用

    电力系统调控一体的发展，对变电站综合监控提出了新需求，变电站监控信息的综合展示越来越重要。目前监控中心对变电站的监视信息主要来自两个渠道，一是通过SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统采集到的电气量和设备状态信息，二是通过视频监视设备察看现场实时图像，这两方面的信息无法直接融合到同一个画面。

    如今，无人看管变电站越来越多，监控人员很难进入到变电站内了解真实的现场情况，对于变电站实际场景没有清晰的认识。与此同时，由于监控人员往往需要负责十几到几十个站的监控工作，对于各个变 电站的实际情况往往都不了解，变电站的建模需求非常大。

    在变电站仿真领域，已经应用三维建模方式，对变电站的一、二次设备进行详细建模，并能提供三维的漫游交互环境进行实际设备的查看和操作。但是这种方法建立变电站模型，建模周期长，模型复用性差，不适于大量变电站实际场景的监视，因此无法为调控一体应用提供方便的监视。

    全景建模通过简单的设备拍摄全景图片，提供简单可行的三维全景展示环境，借助相应的计算机技术可以实现全方位互动展示方式。把基于全景图片的场景快速建模技术和电气设备信息可视化结合起来，在简单三维的环境中，实现场景图像的精确展示，叠加上三维可视化展示内容，实时显示一次、二次设备的电气状态可以为监控人员在同一个画面中提供全景式的变电站监控平台，能极大提高变电站监控信息的集成度。Gear VR、Steam VR、HoloLens等。这些虚拟现实头盔相对于传统的大型投影屏幕，造价更便宜，使用起来也更为方便，能够在中高端的PC机甚至各种移动设备上流畅运行。

    目前，这些虚拟现实头盔设备主要被用于游戏和娱乐领域。虚拟现实头盔将用户与外界环境完全隔绝，相对于传统环绕式投影屏幕，有着更好地沉浸性和真实性。通过运用虚拟现实技术，可为电力工程和电力设备的设计、规划、项目决策、优化和分析等方面提供非常直观的参考，可为完善系统、设备的技术方案提供非常有用的技术手段。

    虚拟现实技术与电网系统相结合的案例中，绝大多数都只涉及三维建模、场景漫游、虚拟培训等内容，很少深入到数据可视分析领域。因此，将沉浸式虚拟现实技术引入到电网系统的数据可视分析领域， 提出了若干种人性化的交互方案，使得电网分析人员能够以更加自然的交互方式观察和分析电网数据。下图4，5为电力系统变压器及刀闸器件虚拟现实建模图。

图2：变压器模型图     图3：刀闸模型图

    经过较长时间的发展，虚拟现实技术已经逐渐渗透进了电力系统的方方面面，在电力工程设计、仿真培训以及电力监控等环节都有着广泛应用。电力工程设计 传统的电力系统设计主要以二维的图表为主，在设计和计算校验的过程中很容易出现不一致或者考虑不够全面的问题，设计效率和经济效率都较低。采用虚拟现实技术进行电力系统的设计，就可以让三维电力单位 模型的设计过程更加直观和合理，方面检查。