隨著國(guó)家電網(wǎng)公司電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)入一個(gè)新時(shí)期，智能電網(wǎng)、變電站設(shè)備運(yùn)行的復(fù)雜程度顯著增大，集堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)與電力物聯(lián)網(wǎng)特征于一體的變電站智能化運(yùn)檢管控體系顯得越來(lái)越重要。如何快速建設(shè)變電站智能管控一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)資源調(diào)配，形成典型規(guī)范的管理流程，實(shí)現(xiàn)科學(xué)規(guī)范的企業(yè)管理，對(duì)整體項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和控制，從而在安全管理、質(zhì)量管控等方面取得顯著提高，使得企業(yè)能最大限度地適應(yīng)現(xiàn)代化社會(huì)發(fā)展，成為電力企業(yè)管理提升的熱點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和變電站的智能化運(yùn)檢管控體系已經(jīng)開(kāi)展了一系列的研究。國(guó)網(wǎng)浙江杭州市富陽(yáng)區(qū)供電公司的研究人員提出基于三維技術(shù)的變電站實(shí)景管控系統(tǒng)，將基于精確空間坐標(biāo)信息的三維實(shí)景彩色點(diǎn)云掃描重構(gòu)技術(shù)引入變電站綜合管控之中，打造電力物聯(lián)網(wǎng)感知融合智能生態(tài)圈，結(jié)合現(xiàn)有的輔助監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（supervisory control and data acquisition, SCADA）系統(tǒng)、設(shè)備管理體系（plant management system, PMS）臺(tái)賬等各類電力數(shù)據(jù)，構(gòu)建交互性好、真實(shí)精確的沉浸式變電站三維全景可視化平臺(tái)，同時(shí)使站內(nèi)的生產(chǎn)調(diào)度、運(yùn)行維護(hù)、督導(dǎo)管理方式發(fā)生巨大的變化。

1 現(xiàn)狀分析

隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)的推廣，交、直流電網(wǎng)飛速發(fā)展，電力物聯(lián)網(wǎng)體系的建設(shè)不斷深入和優(yōu)化，變電站的運(yùn)行設(shè)備不斷增多，變電站運(yùn)維工作人員日常維護(hù)工作的難度也相應(yīng)增加。各種在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能電氣設(shè)備、輔助控制系統(tǒng)、電力機(jī)器人巡檢系統(tǒng)等所產(chǎn)生的電力大數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的橫向到邊、縱向到底的結(jié)構(gòu)學(xué)特性涌現(xiàn)，從而衍生出適應(yīng)智能電力應(yīng)用的、以電力系統(tǒng)、電氣設(shè)備為核心的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)融合需求。

變電站智能管控一體化平臺(tái)摒棄了原先單一系統(tǒng)、孤立數(shù)據(jù)形成的信息孤島，建立能夠?qū)崿F(xiàn)物物相連，縱貫感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合共享的承載平臺(tái)、更為友善的人機(jī)界面及感知適應(yīng)場(chǎng)景變化的臨境能力。

2 系統(tǒng)建設(shè)

客觀世界中的物體多以三維立體的形式展現(xiàn)，包含外形特征、表面紋理等信息。傳統(tǒng)的建筑物模型制作所需要的空間信息多是采用全站儀測(cè)點(diǎn)、測(cè)距儀鋼卷尺測(cè)邊、照相機(jī)拍照貼圖等技術(shù)手段完成，但由于獲取數(shù)據(jù)的局限性，難以得到貼合實(shí)際相應(yīng)比例的建筑物三維模型。

本文通過(guò)對(duì)變電站激光雷達(dá)彩色掃描，采用三維實(shí)景建模、電力物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)融合承載及豐富的三維可視化智能管控增值應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站全站空間精確測(cè)量、一次接線圖實(shí)景對(duì)位設(shè)備三維實(shí)體和車輛模型三維實(shí)景演示、人員定位、設(shè)備異常告警三維動(dòng)圖及電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與對(duì)比等功能。變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)部署架構(gòu)如圖1所示。

2.1 三維實(shí)景重構(gòu)

三維實(shí)景技術(shù)又稱實(shí)景虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最新分支。它是采用專業(yè)的數(shù)碼相機(jī)對(duì)選定的場(chǎng)景進(jìn)行多角度拍攝，然后再對(duì)拍攝的照片進(jìn)行后期縫合的一種三維虛擬展示技術(shù)。與傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)對(duì)實(shí)物進(jìn)行三維建模來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬所不同的是，三維全景技術(shù)通常采用真實(shí)場(chǎng)景的實(shí)景圖片來(lái)搭建整個(gè)虛擬空間，其仿真度更高、沉浸感更為強(qiáng)烈。

變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)應(yīng)用激光掃描、點(diǎn)云建模技術(shù)，基于融合式三維引擎實(shí)現(xiàn)全維度空間實(shí)景重構(gòu)。變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 電力物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)融合

變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)可融合承載電力物聯(lián)網(wǎng)各類數(shù)據(jù)，如Ⅰ區(qū)綜合自動(dòng)化管理系統(tǒng)，Ⅱ區(qū)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、PMS，Ⅳ區(qū)視頻圖像系統(tǒng)等，通過(guò)正向隔離裝置接入Ⅳ區(qū)變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)，基于電力規(guī)約可以在具備數(shù)據(jù)中心的局端平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一對(duì)接，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)站端數(shù)據(jù)、云平臺(tái)、第三方數(shù)據(jù)平臺(tái)等多源數(shù)據(jù)的集成。通過(guò)三維可視化融合承載，賦予場(chǎng)景中所有設(shè)備或物聯(lián)網(wǎng)前端傳感器豐富的表現(xiàn)含義，實(shí)現(xiàn)以設(shè)備為中心、物物相連的電力數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化融合展示。

1）一次設(shè)備在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合

將各種在線監(jiān)測(cè)設(shè)備整合到變電站三維實(shí)景現(xiàn)實(shí)平臺(tái)中，為系統(tǒng)跨平臺(tái)巡視、分析、診斷、預(yù)警提供快速便捷的有效方式。將在線監(jiān)測(cè)設(shè)備按真實(shí)場(chǎng)景位置融入變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)中，直觀、便捷地展示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示如圖3所示。

圖1 變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)部署架構(gòu)

圖2 變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)

2）視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合

將視頻監(jiān)控系統(tǒng)變電站前端采集物聯(lián)網(wǎng)傳感器的攝像機(jī)數(shù)據(jù)融入三維場(chǎng)景中，并按照真實(shí)場(chǎng)景中的位置在三維實(shí)景中展示，迅速進(jìn)行符合電力物聯(lián)網(wǎng)物物相連的相應(yīng)關(guān)聯(lián)綁定，只需點(diǎn)擊攝像頭，即可展示實(shí)時(shí)拍攝的圖像信息，如果站內(nèi)布置云臺(tái)機(jī)，還可以在場(chǎng)景中控制球機(jī)對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行方位的切換，同時(shí)對(duì)圖像可以進(jìn)行截圖保存等操作，用于提取編輯。

圖3 在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示

3）PMS臺(tái)賬數(shù)據(jù)融合

在初期，將PMS設(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)通過(guò)離線拷貝的方式接入三維實(shí)景模型中，從而在三維實(shí)景中直觀展示設(shè)備的臺(tái)賬信息，PMS設(shè)備臺(tái)賬信息展示如圖4所示。

圖4 PMS設(shè)備臺(tái)賬信息展示

4）巡檢機(jī)器人數(shù)據(jù)融合

通過(guò)運(yùn)用全站激光掃描實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)各種電器設(shè)備、建筑結(jié)構(gòu)均具備空間坐標(biāo)，進(jìn)而通過(guò)點(diǎn)云重構(gòu)技術(shù)借由三維引擎實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云模型。此種三維可視化增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合電力機(jī)器人巡檢，不僅可以將變電站的全景數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)在以設(shè)備為中心的1：1實(shí)體上，而且還可控制電力機(jī)器人執(zhí)行巡檢任務(wù)，推送相應(yīng)巡檢點(diǎn)位的可見(jiàn)光和熱紅外圖譜、視頻圖像。

2.3 功能應(yīng)用

1）統(tǒng)計(jì)比對(duì)功能應(yīng)用

基于歷史數(shù)據(jù)，可根據(jù)時(shí)間、數(shù)據(jù)類型、統(tǒng)計(jì)規(guī)則快速檢索和統(tǒng)計(jì)，支持統(tǒng)計(jì)結(jié)果的快捷保存。可選擇具體設(shè)備及其需比對(duì)的設(shè)備屬性，形成按時(shí)間軸展開(kāi)的數(shù)據(jù)對(duì)比曲線，支持多個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)的對(duì)比功能，曲線圖支持局部放大查看，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)對(duì)比如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)對(duì)比

2）設(shè)備異常動(dòng)圖告警功能應(yīng)用

在變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)中能實(shí)時(shí)同步設(shè)備告警狀態(tài)，一旦設(shè)備出現(xiàn)告警會(huì)在三維平臺(tái)中進(jìn)行標(biāo)識(shí)，提供直觀動(dòng)圖查看方式。

3）遠(yuǎn)程空間測(cè)量功能應(yīng)用

變電站的現(xiàn)場(chǎng)勘查需要耗費(fèi)較大的人力等成本，在檢修作業(yè)前多次的現(xiàn)場(chǎng)勘查不但耗費(fèi)大量時(shí)間，而且效率低下。在三維場(chǎng)景中進(jìn)行遠(yuǎn)程勘查，可調(diào)取測(cè)量工具執(zhí)行空間測(cè)量（包括手動(dòng)測(cè)量、對(duì)地測(cè)距和角度測(cè)量），執(zhí)行尺寸檢查、編輯、刪除等操作；身臨其境地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行查看和測(cè)量，然后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的決策、精確評(píng)估，利用精確的空間距離信息可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)立體場(chǎng)景中各種空間操作的計(jì)算評(píng)估，大大提高工作效率，遠(yuǎn)程距離勘測(cè)如圖6所示。

圖6 遠(yuǎn)程距離勘測(cè)

4）車輛模型實(shí)景演示功能應(yīng)用

從車輛庫(kù)中調(diào)取車輛模型導(dǎo)入三維場(chǎng)景中能操作車輛前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，可調(diào)節(jié)吊車和登高車的轉(zhuǎn)臺(tái)角度、吊臂角度和吊臂長(zhǎng)度，車輛頂端可執(zhí)行距離檢測(cè)，用不同半徑的球面進(jìn)行展示。當(dāng)檢測(cè)到有空間碰撞，提供告警提示。

5）人員安全管控功能應(yīng)用

人員實(shí)時(shí)管理是變電站管理工作中的一個(gè)盲點(diǎn)，在一些大型項(xiàng)目中往往出現(xiàn)施工人員實(shí)時(shí)督查難，現(xiàn)場(chǎng)帶班人員敷衍職責(zé)等問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)管理水平低下是目前變電站內(nèi)發(fā)生作業(yè)事故的一個(gè)重要原因。

為加強(qiáng)人員到崗情況動(dòng)態(tài)考核，監(jiān)督現(xiàn)場(chǎng)工作情況，通過(guò)人員定位模塊，采用載波相位差分技術(shù)（real-time kinematic, RTK），實(shí)現(xiàn)高精度定位，可實(shí)時(shí)獲取場(chǎng)所內(nèi)工作人員的位置信息，并在變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)展示；基于平臺(tái)配置的告警策略，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)定位人員的任務(wù)路線監(jiān)控和危險(xiǎn)作業(yè)的告警提醒，保障人員安全、作業(yè)安全、設(shè)備安全。

圖7為現(xiàn)場(chǎng)人員平臺(tái)展示，基于三維實(shí)景，實(shí)時(shí)獲取全景范圍人員精確分布，人員位置一目了然，能夠直觀獲取在場(chǎng)人員信息，支持快速定位人員所在場(chǎng)景，提供人員定位相關(guān)報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)全局掌控。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)人員平臺(tái)展示

運(yùn)維人員可在變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)中設(shè)立電子防護(hù)欄，建立危險(xiǎn)區(qū)域和安全區(qū)域。危險(xiǎn)區(qū)域不許人員進(jìn)入，安全區(qū)域不許人員離開(kāi)，可根據(jù)不同的安全和作業(yè)需求來(lái)編輯該區(qū)域具體信息（如設(shè)備帶電危險(xiǎn)區(qū)域、安全距離、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全區(qū)域等）、起止時(shí)間，并以不同的顏色區(qū)別顯示。當(dāng)工作人員出現(xiàn)違規(guī)行為時(shí)發(fā)出警示，保障工作人員的人身安全。

3 結(jié)論

本文通過(guò)建設(shè)與應(yīng)用基于信息全景可視化的變電站智能管控一體化平臺(tái)，在建立設(shè)備和場(chǎng)景三維物理模型、可視化狀態(tài)檢測(cè)、模擬培訓(xùn)的基礎(chǔ)上，建立了涵蓋變電站設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)、事故等的臨境式站所管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變電站運(yùn)行設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障原因的快速查找和處理。通過(guò)平臺(tái)內(nèi)統(tǒng)計(jì)比對(duì)、設(shè)備異常動(dòng)圖告警、車輛模型實(shí)景演示等功能的應(yīng)用，提升了運(yùn)維檢修、設(shè)備管控及人員管理效率。

本文編自《電氣技術(shù)》2021年第8期，作者為陳彪，論文標(biāo)題為“變電站智能管控一體化平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用”。