CN105956232A - 一种变电站三维实景仿真系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变电站三维实景仿真系统及实现方法，包括安全区域监控单元，三维可视化展示单元，以及系统管理单元。其中，安全区域监控单元包括采用UWB定位技术的无线实时定位模块、移动目标安全监控模块、移动目标信息查询模块、目标历史数据查询模块、安全区域预警设置模块、设备信息查询模块以及告警管理模块，三维可视化展示单元包括漫游模块、作业推演模块、制定现场作业指导方案模块以及带电危险区域的风险管控模块，系统管理单元包括用户管理模块、系统设置模块以及日志查询模块；实现了变电站日常巡检及检修可视化管理、实时跟踪监控工作人员日常巡检和检修过程、安全警戒报警和智能记录管理的功能。

Description

一种变电站三维实景仿真系统及实现方法

技术领域：

本发明涉及电力系统的仿真系统，特别涉及一种关于变电站现场作业与巡检风险管控的变电站三维实景仿真系统及实现方法。

背景技术：

随着状态检修的推广应用，输变电设备的状态检测和评价成为主网检修运维工作的主体，这对状态检测和评价工作也提出更高的要求。一方面，输变电设备带电检测的科目多，主设备故障类型多，检测类型复杂，识别难度大，对专业化检修人员和输变电运维人员专业技能水平提出了较高要求；另一方面，带电检测和状态评价为专业化检修作业中技术难度最大、综合协作能力要求最高的项目，对于提高电网安全经济运行、提高供电可靠性和社会经济效益具有重大意义。因此，迫切需要研制出一套有关变电站现场作业方案推演、巡检风险管控演示的变电站三维实景仿真应用系统。

目前国内外已经开发了一些变电站仿真系统，这些三维仿真系统的主要特点是虚拟建立通用的变电站，用于电力人员培训来掌握变电站设备与技术，然而这些变电站三维仿真系统无法作为作业预防性工具来模拟各个具体实际的变电站，因此难以实现对变电站在现场作业与风险管控的虚拟仿真展示，无法满足方案设计、线路检修等的需求，而且在现场人员实际作业过程中不能进行实时的风险计算及防控，从而还是避免不了作业风险。

发明内容：

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种功能更完善的智能式的变电站三维实景仿真系统及实现方法，从而进一步增变电站三维实景仿真系统的功能，使变电站的管理、设计、现场作业与风险管控能够通过本发明所述的仿真系统更方便高效地完成变电站的各项工作。

为解决上述问题，本发明提供了一种变电站三维实景仿真系统，包括安全区域监控单元，三维可视化展示单元，以及系统管理单元；

所述安全区域监控单元，利用高精度实时定位技术对变电站中的移动目标进行实时跟踪监测，结合变电站中的设备带电状况和安全距离判断移动目标位置的安全性，包括无线实时定位模块、移动目标安全监控模块、移动目标信息查询模块、目标历史数据查询模块、安全区域预警设置模块、设备信息查询模块以及告警管理模块；

所述三维可视化展示单元，用来展示浏览变电站的精确三维模型，与所述安全区域监控单元结合，获取人员在变电站现场的实时位置，并实时更新变电站虚拟三维场景，使变电站虚拟三维场景中人员位置与现实场景中的人员位置保持同步，包括漫游模块、作业推演模块、制定现场作业指导方案模块以及带电危险区域的风险管控模块；

所述系统管理单元，对于系统管理员，用来增加、删除、修改其他用户信息，定义系统用户角色，查看日志信息，对于普通用户，用来更改个人资料、密码，用户需登录后才能对系统进行控制和操作，包括用户管理模块、系统设置模块以及日志查询模块；

无线实时定位模块，为所述变电站三维实景仿真系统提供实时定位数据；

所述移动目标安全监控模块，用于通过移动目标配戴的移动定位传感器，根据所述无线实时定位模块提供的定位数据实现实时跟踪监测，结合设备带电状况和安全距离判断移动目标位置的安全性；

所述移动目标信息查询模块，用于随时查询移动目标对象在物理空间的定位信息以及各种相关信息，包括工程车辆的型号、尺寸大小，人员的工号、部门、身高等信息；

所述目标历史数据查询模块，用于查询目标对象现场作业的历史记录，比如巡检记录、维修记录等；

所述安全区域预警设置模块，用于根据变电站的运行工况进行带电区域的计算和在三维虚拟场景中设置带电的输电线路与母线，从而计算出虚拟变电站中带电危险区域；

所述设备信息查询模块，用于随时查询设备的各种信息，包括设备的厂家型号、技术参数、带电状态等；

所述告警管理模块，用于设置告警信息、查看历史告警信息；

所述漫游模块，用于为所述的变电站三维实景仿真系统提供三维虚拟变电站的漫游功能，可以快速浏览变电站的三维场景，包括放大、缩小、镜头切换、设备定位、隐藏、半透明等；

所述作业推演模块，用于为所述的变电站三维实景仿真系统提供变电站现场作业的仿真推演功能，包括车辆、工作人员在虚拟作业推演过程中进行软实时碰撞监控，维修设施现场摆放与车辆移动、操作的优化方案；

所述制定现场作业指导方案模块，用于记录作业推演的最优方案，作为现场作业的具体实施的作业指导方案；

所述带电危险区域的风险管控模块，用于根据移动目标安全监控模块提供的空间位置坐标，计算出移动目标对应的虚拟模型在三维实景变电站中所处的位置，与带电危险区域进行软碰撞检测，进入危险区域就报警，从而实现风险管控；

所述用户管理模块，用于增加、删除、修改用户信息定以及定义用户角色；

所述系统设置模块，用于实现平台功能的配置，包括变电站电压等级等信息配置；

所述日志查询模块，用于记录用户操作日志、并提供查询界面。

作为本发明的进一步改进，所述无线实时定位模块，包括前端现场监测器、后台无线定位主站、以及三维定位引擎；

所述前端现场监控器由布置于变电站内的若干个UWB固定式定位传感器和UWB移动式定位传感器组成，负责前端现场定位数据的采集，信号以数字信号方式通过以太网传动到所述后台无线定位主站；

所述后台无线定位主站，接收所述固定式实时定位传感器和移动式实时定位传感器采集的数据并计算出移动式实时定位传感器在变电站中的空间位置坐标；

所述三维定位引擎与所述后台无线定位主站连接，负责计算出所述移动式实时定位传感器在变电站虚拟三维模型中的空间坐标，以及在虚拟场景中的移动轨迹，为所述带电区域风险管控模块的软碰撞检测提供准确的数据。通过采用上述无线实时定位模块，有效提高了定位精度和通信速度，保证了变电站的三维实景模型与物理变电站一比一对应，误差控制在厘米级。

本发明还提供一种变电站三维实景仿真系统的实现方法，包括如下步骤：

步骤1)、采用三维激光扫描仪对变电站进行精确的三维激光扫描，保证变电站的三维实景模型与物理变电站一比一对应，误差在厘米级，生成变电站的点云图；

步骤2)、根据步骤1所述的变电站的点云图研究UWB空间无线定位技术的部署方案，确定固定式实时定位传感器的数量、安装地点，以及定位精度；

步骤3)、通过无线定位技术确定现场作业人员或巡检人员在变电站中的位置坐标，确定其在变电站三维实景模型中的坐标；

步骤4)、对现场作业设备和作业流程进行建模仿真，结合变电站风险区域评估算法，实现变电站现场作业方案的推演和安全风险评估；对巡检作业进行模拟仿真，结合变电站风险区域评估算法实现变电站巡检风险管控。

总之，通过本发明提供的变电站三维实景仿真系统及实现方法，具有以下有益效果：

日常巡检及检修可视化管理。通过对巡检及检修人员定时定位并结合三维技术，以实现巡检及检修工作状态的三维动态显示；

根据实时定位数据和设定数据，实时监控巡检及检修工作的完成情况，避免工作中发生遗漏和违章操作；

安全警戒报警，根据现场环境和相关规定，设定检修人员、手持工具、大型机械活动臂与带电设备安全距离，为其提供三维空间内的安全防护。当进入设定安全距离时，向现场工作人员和监控人员进行报警，以保证作业人员的人身安全；

智能记录管理。将工作人员实时监控数据进行存储，并实时绘制运动目标的移动轨迹，进行分类管理，并与记录的同步三维仿真数据叠加，形成历史工作画面。

附图说明：

图1为本发明一种变电站三维实景仿真系统及实现方法的模块组织图。

图2为本发明一种变电站三维实景仿真系统及实现方法的无线实时定位模块组织图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种变电站三维实景仿真系统，包括安全区域监控单元，三维可视化展示单元，以及系统管理单元；所述安全区域监控单元，利用高精度实时定位技术对变电站中的移动目标进行实时跟踪监测，结合变电站中的设备带电状况和安全距离判断移动目标位置的安全性，包括无线实时定位模块、移动目标安全监控模块、移动目标信息查询模块、目标历史数据查询模块、安全区域预警设置模块、设备信息查询模块以及告警管理模块；所述三维可视化展示单元，用来展示浏览变电站的精确三维模型，与所述安全区域监控单元结合，获取人员在变电站现场的实时位置，并实时更新变电站虚拟三维场景，使变电站虚拟三维场景中人员位置与现实场景中的人员位置保持同步，包括漫游模块、作业推演模块、制定现场作业指导方案模块以及带电危险区域的风险管控模块；所述系统管理单元，对于系统管理员，用来增加、删除、修改其他用户信息，定义系统用户角色，查看日志信息，对于普通用户，用来更改个人资料、密码，用户需登录后才能对系统进行控制和操作，包括用户管理模块、系统设置模块以及日志查询模块。

所述无线实时定位模块，为所述变电站三维实景仿真系统提供实时定位数据，由后台无线定位主站、三维定位引擎、UWB固定式定位传感器、UWB移动式定位传感器组成，后台无线定位主站实时接收UWB固定式定位传感器和UWB移动式定位传感器的数据，通过三维定位引擎的特定数学模型运算，得出移动目标的实时三维坐标信息，送后台安全区域监控单元处理。采集数据需要在变电站范围内部署UWB固定式定位传感器，每60米*60米的正方形区域内部署四个，每个角一个，15米以上高度部署1个。相邻区域重复的基点可以复用。检修人员、工程车辆、施工设施等根据要求配戴或安装UWB移动式定位传感器。UWB移动式定位传感器与UWB固定式定位传感器通过UWB技术进行实时通信，由定位引擎计算移动式传感器的坐标位置；所述移动目标安全监控模块，用于通过移动目标配戴的移动定位传感器，根据所述无线实时定位模块提供的定位数据实现实时跟踪监测，结合设备带电状况和安全距离判断移动目标位置的安全性；所述移动目标信息查询模块，用于随时查询移动目标对象在物理空间的定位信息以及各种相关信息，包括工程车辆的型号、尺寸大小，人员的工号、部门、身高等信息；所述目标历史数据查询模块，用于查询目标对象现场作业的历史记录，比如巡检记录、维修记录等；所述安全区域预警设置模块，用于根据变电站的运行工况进行带电区域的计算和在三维虚拟场景中设置带电的输电线路与母线，从而计算出虚拟变电站中带电危险区域；所述设备信息查询模块，用于随时查询设备的各种信息，包括设备的厂家型号、技术参数、带电状态等；所述告警管理模块，用于设置告警信息、查看历史告警信息。

所述漫游模块，用于为所述的变电站三维实景仿真系统提供三维虚拟变电站的漫游功能，可以快速浏览变电站的三维场景，包括放大、缩小、镜头切换、设备定位、隐藏、半透明等；所述作业推演模块，用于为所述的变电站三维实景仿真系统提供变电站现场作业的仿真推演功能，包括车辆、工作人员在虚拟作业推演过程中进行软实时碰撞监控，维修设施现场摆放与车辆移动、操作的优化方案；所述制定现场作业指导方案模块，用于记录作业推演的最优方案，作为现场作业的具体实施的作业指导方案；所述带电危险区域的风险管控模块，用于根据移动目标安全监控模块提供的空间位置坐标，计算出移动目标对应的虚拟模型在三维实景变电站中所处的位置，与带电危险区域进行软碰撞检测，进入危险区域就报警，从而实现风险管控；所述的三维可视化展示单元在统一的三维坐标体系建立基础上，在三维场景中查看人员信息和设备的状态等信息，一旦目标在场景中出现了违反预定义规则的行为，系统就会自动发出报警信息。在发明所提供的系统中用户可以划定危险区域或界限，也可以通过变电站实时运行工况计算带电危险区域，在此基础上实现变电站的作业推演与现场作业风险管控。作业推演在变电站的精确三维实景模型上进行，模拟现场作业工作人员、工程车辆、施工设施在变电站的活动轨迹，保证整个作业过程都在安全区域内完成，可以模拟工程车辆的关键动作，包括转弯、吊臂的伸展等等，并指定现场作业指导方案。仿真过程中，系统能够检测目标越线或进入带电危险区域，及时报警。

现场作业风险管控功能首先要求实现变电站精确三维实景模型与物理变电站三维空间坐标的对应，然后通过无线定位技术确定现场作业人员、工程车辆、施工设施等在变电站中的位置坐标，确定其在变电站三维实景模型中的坐标，实时判断是否进入带电危险区域，并能及时报警。现场工作人员可以采用作业推演指导方案对现场作业进行指导，一旦人员、车辆或设施进入带电危险区域，监控系统实时报警，保证现场施工按照指导方案安全可靠地进行。所述的三维可视化展示系统通过对巡检作业进行模拟仿真，结合变电站风险区域评估算法实现巡检风险管控。

所述用户管理模块，用于增加、删除、修改用户信息定以及定义用户角色；所述系统设置模块，用于实现平台功能的配置，包括变电站电压等级等信息配置；所述日志查询模块，用于记录用户操作日志、并提供查询界面。

本发明还提供一种变电站三维实景仿真系统的实现方法，包括如下步骤：

步骤1)、采用三维激光扫描仪对变电站进行精确的三维激光扫描，保证变电站的三维实景模型与物理变电站一比一对应，误差在厘米级，生成变电站的点云图；

步骤2)、根据步骤1所述的变电站的点云图研究UWB空间无线定位技术的部署方案，确定固定式实时定位传感器的数量、安装地点，以及定位精度；

步骤3)、通过无线定位技术确定现场作业人员或巡检人员在变电站中的位置坐标，确定其在变电站三维实景模型中的坐标；

步骤4)对现场作业设备和作业流程进行建模仿真，结合变电站风险区域评估算法，实现变电站现场作业方案的推演和安全风险评估；对巡检作业进行模拟仿真，结合变电站风险区域评估算法实现变电站巡检风险管控。

本发明提供的一种变电站三维实景仿真系统及实现方法能够通过对巡检及检修人员实时定位并结合三维技术，以实现巡检及检修工作状态的三维动态显示。根据实时定位数据和设定数据，实时监控巡检及检修工作的完成情况，避免工作中发生遗漏和违章操作。根据现场环境和相关规定，设定检修人员、手持工具、大型机械活动臂与带电设备安全距离，为其提供三维空间内的安全防护。当进入设定安全距离时，向现场工作人员和监控人员进行报警，以保证作业人员的人身安全。将工作人员实时监控数据进行存储，并实时绘制运动目标的移动轨迹，进行分类管理，并与记录的同步三维仿真数据叠加，形成历史工作画面。

Claims (3)

1.一种变电站三维实景仿真系统，其特征在于：包括安全区域监控单元，三维可视化展示单元，以及系统管理单元；

所述安全区域监控单元，利用高精度实时定位技术对变电站中的移动目标进行实时跟踪监测，结合变电站中的设备带电状况和安全距离判断移动目标位置的安全性，包括无线实时定位模块、移动目标安全监控模块、移动目标信息查询模块、目标历史数据查询模块、安全区域预警设置模块、设备信息查询模块以及告警管理模块；

所述三维可视化展示单元，用来展示浏览变电站的精确三维模型，与所述安全区域监控单元结合，获取人员在变电站现场的实时位置，并实时更新变电站虚拟三维场景，使变电站虚拟三维场景中人员位置与现实场景中的人员位置保持同步，包括漫游模块、作业推演模块、制定现场作业指导方案模块以及带电危险区域的风险管控模块；

所述系统管理单元，对于系统管理员，用来增加、删除、修改其他用户信息，定义系统用户角色，查看日志信息，对于普通用户，用来更改个人资料、密码，用户需登录后才能对系统进行控制和操作，包括用户管理模块、系统设置模块以及日志查询模块；

所述无线实时定位模块，为所述变电站三维实景仿真系统提供实时定位数据；

所述移动目标安全监控模块，用于通过移动目标配戴的移动定位传感器，根据所述无线实时定位模块提供的定位数据实现实时跟踪监测，结合设备带电状况和安全距离判断移动目标位置的安全性；

所述移动目标信息查询模块，用于随时查询移动目标对象在物理空间的定位信息以及各种相关信息，包括工程车辆的型号、尺寸大小，人员的工号、部门、身高等信息；

所述目标历史数据查询模块，用于查询目标对象现场作业的历史记录，比如巡检记录、维修记录；

所述安全区域预警设置模块，用于根据变电站的运行工况进行带电区域的计算和在三维虚拟场景中设置带电的输电线路与母线，从而计算出虚拟变电站中带电危险区域；

所述设备信息查询模块，用于随时查询设备的各种信息，包括设备的厂家型号、技术参数、带电状态等；

所述告警管理模块，用于设置告警信息、查看历史告警信息；

所述漫游模块，用于为所述的变电站三维实景仿真系统提供三维虚拟变电站的漫游功能，可以快速浏览变电站的三维场景，包括放大、缩小、镜头切换、设备定位、隐藏、半透明；

所述作业推演模块，用于为所述的变电站三维实景仿真系统提供变电站现场作业的仿真推演功能，包括车辆、工作人员在虚拟作业推演过程中进行软实时碰撞监控，维修设施现场摆放与车辆移动、操作的优化方案；

所述制定现场作业指导方案模块，用于记录作业推演的最优方案，作为现场作业的具体实施的作业指导方案；

所述带电危险区域的风险管控模块，用于根据移动目标安全监控模块提供的空间位置坐标，计算出移动目标对应的虚拟模型在三维实景变电站中所处的位置，与带电危险区域进行软碰撞检测，进入危险区域就报警，从而实现风险管控；

所述用户管理模块，用于增加、删除、修改用户信息以及定义用户角色；

所述系统设置模块，用于实现平台功能的配置，包括变电站电压等级等信息配置；

所述日志查询模块，用于记录用户操作日志、并提供查询界面。

2.根据权利要求1所述的一种变电站三维实景仿真系统，其特征在于：所述无线实时定位模块，包括前端现场监测器、后台无线定位主站、以及三维定位引擎；

所述前端现场监控器由布置于变电站内的若干个UWB固定式定位传感器和UWB移动式定位传感器组成，负责前端现场定位数据的采集，信号以数字信号方式通过以太网传送到所述后台无线定位主站；

所述后台无线定位主站，接收所述固定式实时定位传感器和移动式实时定位传感器采集的数据并计算出移动式实时定位传感器在变电站中的空间位置坐标；

所述三维定位引擎与所述后台无线定位主站连接，负责计算出所述移动式实时定位传感器在变电站虚拟三维模型中的空间坐标，以及在虚拟场景中的移动轨迹，为所述带电区域风险管控模块的软碰撞检测提供准确的数据。

3.一种如权利要求1或2任一项所述的变电站三维实景仿真系统的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)、采用三维激光扫描仪对变电站进行精确的三维激光扫描，保证变电站的三维实景模型与物理变电站一比一对应，误差在厘米级，变电站的点云图；

步骤2)、根据步骤1所述的变电站的点云图研究UWB空间无线定位技术的部署方案，确定固定式实时定位传感器的数量、安装地点，以及定位精度；

步骤3)、通过无线定位技术确定现场作业人员或巡检人员在变电站中的位置坐标，确定其在变电站三维实景模型中的坐标；

步骤4)对现场作业设备和作业流程进行建模仿真，结合变电站风险区域评估算法，实现变电站现场作业方案的推演和安全风险评估；对巡检作业进行模拟仿真，结合变电站风险区域评估算法实现变电站巡检风险管控。