CN111384776A - 一种基于vr的变电站三维全景状态监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于VR的变电站三维全景状态监测方法及系统，属于高压开关设备的在线监测技术领域，首先根据变电站的相应电力设备及厂站组件的三维模型建立变电站工作环境的场景，再利用VR技术在建立的场景中建立变电站三维模型，最后在该变电站三维模型中加载并同步显示变电站内电气设备的相关数据信息，实现变电站三维可视化的全景状态监测，能够真实反映变电站的实际情况。本发明的状态监测方法能够提高变电站的质量管理和工作效率，实现变电站的可视化智能管理，使电力系统安全有效的运行，有效保障作业人员的人身安全。

Description

一种基于VR的变电站三维全景状态监测方法及系统

技术领域

本发明属于高压开关设备的在线监测技术领域，具体涉及一种基于VR的变电站三维全景状态监测方法及系统。

背景技术

变电站是重要的电力设施，主要担负着电力系统中变换电压、接受、分配电能，控制电力的流向和调整电压的职责。随着电网规模的增大以及结构的复杂，无人值班的变电站对信息系统的依赖程度也逐渐增强，但是各种信息系统缺乏必要的联系。在变电站的实际运行过程中会出现不同的故障，因此直观便捷的三维可视化为提高变电站的质量管理和工作效率做出很大贡献，也成为一种不可阻挡的趋势。

传统的三维建模方式通过图像以及测量的方式进行立体测量，然后进行建模，模型的真实性较差，缺乏直观有效的手段对变电站的运行参数以及状态参数信息进行有效的展示，进而无法对变电站进行真实可靠地监测，导致变电站的质量管理和工作效率不高，无法保证电力系统的安全运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于VR的变电站三维全景状态监测方法及系统，用于解决无法对变电站进行真实可靠地监测导致变电站的质量管理和工作效率不高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于VR的变电站三维全景状态监测方法，包括以下步骤：

(1)调用变电站的相应电力设备及厂站组件的三维模型，搭建变电站工作环境的场景；

(2)采用VR技术在所述场景中建立变电站三维模型；

(3)获取变电站内电气设备的相关数据信息；

(4)将变电站内电气设备的相关数据信息加载到所述变电站三维模型中并同步显示。

本发明的状态监测方法首先根据变电站的相应电力设备及厂站组件的三维模型建立变电站工作环境的场景，再利用VR技术在建立的场景中建立变电站三维模型，最后在该变电站三维模型中加载并同步显示变电站内电气设备的相关数据信息，实现变电站三维可视化的全景状态监测，能够真实反映变电站的实际情况。本发明的状态监测方法能够提高变电站的质量管理和工作效率，实现变电站的可视化智能管理，使电力系统安全有效的运行，有效保障作业人员的人身安全。

进一步，步骤(2)中，采用VR技术在所述场景中根据变电站的相应电力设备及厂站组件的三维模型以及摆放位置配置文件建立变电站三维模型。该摆放位置配置文件存储有变电站中各电力设备及厂站组件的摆放位置数据，根据上述摆放位置配置文件能够获取各电力设备及厂站组件的摆放位置，再结合相应电力设备及厂站组件的三维模型，能够在场景中建立变电站三维模型。

变电站的相应电力设备及厂站组件的三维模型的获取过程为：先通过三维激光扫描仪获取相应电力设备及厂站组件的点云数据，根据所述点云数据建立所述相应电力设备及厂站组件的三维模型。

进一步，还包括如下步骤，以实现巡检线路的线路巡检：

在变电站三维模型中按顺序设置节点，并标注对应节点所需执行的动作，模拟巡检线路，然后根据模拟得到的巡检线路进行线路巡检。

进一步，实现在变电站三维模型中显示变电站内电气设备的相关数据信息的过程包括：识别用户对所述变电站三维模型中电气设备的选取动作，在相应的数据区内显示被选取的电气设备的相关数据信息，且各数据区内显示的相关数据信息的数据类型不同。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种基于VR的变电站三维全景状态监测系统，包括信息处理模块、数据采集模块和同步显示模块，其中，数据采集模块用于获取变电站内电气设备的相关数据信息；

信息处理模块用于调用变电站的相应电力设备及厂站组件的三维模型，搭建变电站工作环境的场景，采用VR技术在所述场景中建立变电站三维模型，将变电站内电气设备的相关数据信息加载到所述变电站三维模型中；同步显示模块用于同步显示所述变电站三维模型。

本发明的状态监测系统根据变电站的相应电力设备及厂站组件的三维模型建立变电站工作环境的场景，再利用VR技术在建立的场景中建立变电站三维模型，最后在该变电站三维模型中加载并同步显示变电站内电气设备的相关数据信息，实现变电站三维可视化的全景状态监测，能够真实反映变电站的实际情况。本发明的状态监测系统能够提高变电站的质量管理和工作效率，实现变电站的可视化智能管理，使电力系统安全有效的运行，有效保障作业人员的人身安全。该状态监测系统不仅能减少运维检修人员的工作量，还有利于二次设备的安全提升，能产生很大的经济效益。

进一步，上述信息处理模块用于采用VR技术在所述场景中，根据变电站的相应电力设备及厂站组件的三维模型以及摆放位置配置文件建立所述变电站三维模型。该摆放位置配置文件存储有变电站中各电力设备及厂站组件的摆放位置数据，根据上述摆放位置配置文件能够获取各电力设备及厂站组件的摆放位置，再结合相应电力设备及厂站组件的三维模型，能够在场景中建立变电站三维模型。

为实现相应电力设备及厂站组件的三维模型的建立，上述状态监测系统还包括三维激光扫描仪，三维激光扫描仪用于获取相应电力设备及厂站组件的点云数据，根据点云数据建立所述相应电力设备及厂站组件的三维模型。

进一步，为实现巡检线路的线路巡检，所述信息处理模块还用于在变电站三维模型中按顺序设置节点，并标注对应节点所需执行的动作，模拟巡检线路，然后根据模拟得到的巡检线路进行线路巡检。

进一步，所述同步显示模块还用于识别用户对所述变电站三维模型中电气设备的选取动作，在相应的数据区内显示被选取的电气设备的相关数据信息，且各数据区内显示的相关数据信息的数据类型不同。

附图说明

图1是本发明的变电站三维模型的建立流程图；

图2是本发明的变电站三维全景状态监测系统的功能示意图；

图3是本发明的变电站三维全景状态监测系统中数据采集模块示意图；

图4是本发明的变电站三维全景状态监测系统中高压开关设备的分合闸位置的确认流程图；

图5是本发明的粒子群优化神经网络算法流程图。

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的说明。

状态监测系统实施例：

本实施例提出一种基于VR的变电站三维全景状态监测系统，包括三维激光扫描仪，场景数据库，数据采集模块，信息处理模块，以及同步显示模块。

其中，三维激光扫描仪用于获取相应电力设备及厂站组件的点云数据，根据上述点云数据建立相应电力设备及厂站组件的三维模型。场景数据库用于存储变电站的相应电力设备及厂站组件的三维模型，该场景数据库使用静态模型，并载入运行数据，使用动态建模的方法将数据实时的、直观的、动态的展现出来。

数据采集模块用于获取变电站内电气设备的相关数据信息。如图3所示的数据采集模块，包括测量IED(测量智能电子设备)、红外热像仪、局放传感器(即局部放电传感器)、声波传感器、状态监测数据库、环境监测装置、传感器(包括霍尔传感器、旋转编码器、压力传感器、姿态传感器)和视频模块。其中，测量IED、红外热像仪、局放传感器、声波传感器采集的数据用于进行开关运行状态监测，状态监测数据库和环境监测装置采集的数据用于进行设备运行情况的评估，传感器和视频模块采集的数据用于进行开关分合闸位置确认。

采集的变电站内电气设备的相关数据信息包括：测量IED采集的SF6气体密度及温度，红外热像仪采集的高压开关的局部温升信号，局放传感器采集的特高频局部放电信号，声波传感器采集的超声波局部放电信号，霍尔传感器采集的线圈电流信号(即高压开关设备的分合闸线圈电流)，旋转编码器采集的高压开关设备的位移信号，放置于开关触头位置的压力传感器和姿态传感器分别用于采集压力信号，以及姿态信号，和视频模块采集的高压开关设备的分合闸视频信息；还包括状态监测数据库中的状态监测数据，环境监测数据。

信息处理模块用于调用变电站的相应电力设备及厂站组件的三维模型，搭建变电站工作环境的场景，并采用VR(Virtual Reality，虚拟现实)技术在场景中建立变电站三维模型，即根据变电站的相应电力设备及厂站组件的三维模型以及摆放位置配置文件建立变电站三维模型，将该变电站三维模型导入虚拟现实系统(Virtual Reality System,又称虚拟现实平台，即VR-Platform)中。然后将变电站内电气设备的相关数据信息加载到已导入虚拟现实系统的变电站三维模型中，最后通过同步显示模块在虚拟现实系统中同步显示变电站三维模型，变电站三维模型的建立流程如图1所示，VR编辑器拥有很强的虚拟现实技术，尤其是图像处理功能，可以完成各种VR虚拟现实系统的开发，制作出自己的虚拟现实场景，许多VR制作公司有自己的编辑器，例如亚马逊推出的Amazon Sumerian。图1中的后期处理包括界面设计，场景后期处理，交互脚本以及测试修改等。

如图2所示，本发明的状态监测系统主要实现的功能有：厂站自定义布局功能、厂站电力设备状态监测功能、厂站巡检线路规划编辑功能，依次对应为功能A、功能B、功能C。

对于应厂站自定义布局功能：通过三维可视化编辑界面，调用场景数据库中的电力设备及厂站组件的三维模型，通过对应三维模型的选择、拖拽、摆放等形式，建立变电站工作环境的场景。可根据需要查询、导出、导入及删除场景数据库中存储的厂站布局方案，厂站布局方案中包含厂站建筑环境组件(即厂站组件)、电力设备的三维模型及摆放位置配置文件，该摆放位置配置文件存储有变电站中各电力设备及厂站组件的摆放位置数据，同时，厂站布局方案中还包含电力设备的静态信息及实时运行数据，这些数据与厂站布局方案一起被导入或删除。

对于厂站电力设备状态监测功能：用户以第一人称视角行走，模拟人员进入厂站后的行进状态，此时电力设备及建筑会与摄像机产生碰撞，部分区域需要寻找正确路径进入或无法进入，用户在厂站漫游过程中可与其中的电力设备进行交互，查看电力设备信息数据。然后识别用户对变电站三维模型中电气设备的选取动作(比如点击动作)，在相应的数据区内显示被选取的电气设备的相关数据信息。数据区主要包括三个，分别为静态信息数据栏、实时状态数据栏及历史状态查询弹窗，且各数据区内显示的相关数据信息的数据类型不同。

具体的，静态信息数据栏主要用于显示电力设备的名称、型号、编号、性能等基本信息，以及用于显示电力设备的使用情况、寿命、保养、维修等维保数据。实时状态数据栏主要用于显示电力设备当前工作状态、故障状态、输出功率等实时运行数据。历史状态查询弹窗主要用于通过调用电力设备维保数据及运行历史数据生产曲线图与直方图，以供分析评估。

对于厂站巡检线路规划编辑功能：在厂站布局方案的基础上提供一个路线编辑界面，用户通过在变电站三维模型中按顺序设置节点，并标注对应节点所需执行的动作，实现线路设置，模拟巡检线路。厂站巡检线路方案管理功能可对其对应的厂站布局方案所包含的巡检线路进行新建、编辑、删除等管理工作。当为一个厂站布局方案设置好巡检线路后，用户可进入厂站以第一人称视角进行虚拟巡检任务，实现线路巡检，虚拟巡检任务过程中，会提示用户下一步需要前往的地点及所需执行的操作。

高压开关设备的分合闸位置通过两种方式进行获取，第一种方式为通过设置在高压开关设备中的传感器设备检测高压开关设备的分合闸位置，例如通过获取辅助接点、压力传感器、姿态传感器等信息确定高压开关设备的分合闸位置。辅助接点是主开关的一部分，配置于高压开关的电力设备中，作为二次控制回路的分闸、合闸、信号控制以及连锁保护作用，在操作系统中是一个辅助性的分断、接通、连锁功能实现的载体。压力传感器和姿态传感器安装于高压开关设备的分合闸位置处，当开关分合闸到位时，压力传感器检测压力以及姿态传感器检测的触指位置都会改变，进而发出相应检测信号。

第二种方式为根据视频模块采集到的高压开关设备的图像信息判断得到高压开关设备的分合闸位置。如打开VR监控视频获取高压开关设备的监控图像信息确定分合闸位置。

然后，比对第一种方式和第二种方式获取到的高压开关设备的分合闸位置，当比对一致时，输出高压开关设备的分合闸位置，如图4所示。

监测系统可以对开关设备的运行情况进行有效评估，主要是由于引入了粒子群优化的神经网络算法，利用粒子群优化算法的全局搜索能力优化神经网络，如图5所示，神经网络经过优化后，可以利用神经网络对设备运行的历史数据进行网络训练，结果参数存储于状态监测数据库中，根据状态监测数据库的参数结合实时的监测数据得到评估结果。

本发明的状态监测系统根据电站的相应电力设备及厂站组件的三维模型建立变电站工作环境的场景，再利用VR技术在建立的场景中建立变电站三维模型，最后在该变电站三维模型中加载并同步显示变电站内电气设备的相关数据信息，实现变电站三维可视化的全景状态监测，对变电站的整体布局、运行数据以及设备细节进行全面、多方位地呈现，能够逼真、沉浸感强的显现电力设备的运行状态，并真实反映变电站的实际情况。本发明的状态监测系统能够提高变电站的质量管理和工作效率，实现变电站的可视化智能管理，使电力系统安全有效的运行，有效保障作业人员的人身安全。该状态监测系统不仅能减少运维检修人员的工作量，还有利于二次设备的安全提升，能产生很大的经济效益。

本发明的状态监测系统，可以实现对高压开关设备的三维物理模型、接线逻辑、运行状态、检修状态等信息的展示及浏览功能，实现各监测数据与现场实景的联动，包括各电气设备的相关信息、状态监测系统得到的实时数据的综合查询、报警的定位和信息查看。

另外，本实施例中的信息处理模块既可以是计算机，也可以是微处理器，如ARM等，还可以是可编程芯片，如FPGA、DSP等。

状态监测方法实施例：

为了实现变电站的三维全景状态监测，本实施例提出一种基于VR的变电站三维全景状态监测方法，包括以下步骤：

通过三维激光扫描仪获取相应电力设备及厂站组件的点云数据，根据该点云数据建立相应电力设备及厂站组件的三维模型。调用变电站的相应电力设备及厂站组件的三维模型，搭建变电站工作环境的场景。

采用VR技术在变电站工作环境的场景中，根据变电站的相应电力设备及厂站组件的三维模型以及摆放位置配置文件建立变电站三维模型。

获取变电站内电气设备的相关数据信息，识别用户对变电站三维模型中电气设备的选取动作，在相应的数据区内显示被选取的电气设备的相关数据信息，且各数据区内显示的相关数据信息的数据类型不同。具体的电气设备的相关数据信息参见上述状态监测系统实施例，同样，电气设备的相关数据中高压开关设备的分合闸位置的获取方式参见上述状态监测系统实施例。

将变电站内电气设备的相关数据信息加载到变电站三维模型中并同步显示。在需要模拟线路巡检时，在变电站三维模型中按顺序设置节点，并标注对应节点所需执行的动作，模拟巡检线路，然后根据模拟得到的巡检线路进行线路巡检。

本发明的状态监测方法利用VR技术建立了变电站三维模型的虚拟三维场景，且建立的虚拟三维场景逼真、沉浸感强，可实现多角度全方位自由漫游，实现变电站三维可视化的全景状态监测。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。例如，通过比对第一种方式和第二种方式获取到的高压开关设备的分合闸位置为优选实施方式，作为其他实施方式，还可以仅采取第一种方式或第二种方式确定高压开关设备的分合闸位置。

又如，在状态监测系统实施例中，是先将变电站三维模型导入虚拟现实系统，再将变电站内电气设备的相关数据信息加载到已经导入至虚拟现实系统的变电站三维模型中。即该方式为先导入再加载的方式，作为其他实施方式，还可以采用先加载再导入的方式，具体为，先将变电站内电气设备的相关数据信息加载到此时还未导入至虚拟现实系统的变电站三维模型中，然后在将加载完成的变电站三维模型导入至虚拟现实系统。

又如，在状态监测方法实施例中，获取变电站内电气设备的相关数据信息的步骤，与调用变电站的相应电力设备及厂站组件的三维模型，搭建变电站工作环境的场景的步骤，不必有时间的先后顺序；同理，获取变电站内电气设备的相关数据信息的步骤，与采用VR技术在场景中建立变电站三维模型的步骤也不必有时间的先后顺序。

因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于VR的变电站三维全景状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)调用变电站的相应电力设备及厂站组件的三维模型，搭建变电站工作环境的场景；

(2)采用VR技术在所述场景中建立变电站三维模型；

(3)获取变电站内电气设备的相关数据信息；

(4)将变电站内电气设备的相关数据信息加载到所述变电站三维模型中并同步显示。

2.根据权利要求1所述的基于VR的变电站三维全景状态监测方法，其特征在于，步骤(2)中，采用VR技术在所述场景中根据变电站的相应电力设备及厂站组件的三维模型以及摆放位置配置文件建立所述变电站三维模型。

3.根据权利要求1所述的基于VR的变电站三维全景状态监测方法，其特征在于，变电站的相应电力设备及厂站组件的三维模型的获取过程为：通过三维激光扫描仪获取相应电力设备及厂站组件的点云数据，根据所述点云数据建立所述相应电力设备及厂站组件的三维模型。

4.根据权利要求1所述的基于VR的变电站三维全景状态监测方法，其特征在于，所述基于VR的变电站三维全景状态监测方法还包括如下模拟线路巡检步骤：在变电站三维模型中按顺序设置节点，并标注对应节点所需执行的动作，模拟巡检线路，然后根据模拟得到的巡检线路进行线路巡检。

5.根据权利要求1所述的基于VR的变电站三维全景状态监测方法，其特征在于，实现在变电站三维模型中显示变电站内电气设备的相关数据信息的过程包括：识别用户对所述变电站三维模型中电气设备的选取动作，在相应的数据区内显示被选取的电气设备的相关数据信息，且各数据区内显示的相关数据信息的数据类型不同。

6.一种基于VR的变电站三维全景状态监测系统，其特征在于，包括信息处理模块、数据采集模块和同步显示模块，其中，数据采集模块用于获取变电站内电气设备的相关数据信息；

信息处理模块用于调用变电站的相应电力设备及厂站组件的三维模型，搭建变电站工作环境的场景，采用VR技术在所述场景中建立变电站三维模型，将变电站内电气设备的相关数据信息加载到所述变电站三维模型中；同步显示模块用于同步显示所述变电站三维模型。

7.根据权利要求6所述的基于VR的变电站三维全景状态监测系统，其特征在于，所述信息处理模块用于采用VR技术在所述场景中，根据变电站的相应电力设备及厂站组件的三维模型以及摆放位置配置文件建立所述变电站三维模型。

8.根据权利要求6所述的基于VR的变电站三维全景状态监测系统，其特征在于，还包括三维激光扫描仪，用于获取相应电力设备及厂站组件的点云数据，根据所述点云数据建立所述相应电力设备及厂站组件的三维模型。

9.根据权利要求6所述的基于VR的变电站三维全景状态监测系统，其特征在于，所述信息处理模块还用于在变电站三维模型中按顺序设置节点，并标注对应节点所需执行的动作，模拟巡检线路，然后根据模拟得到的巡检线路进行线路巡检。

10.根据权利要求6所述的基于VR的变电站三维全景状态监测系统，其特征在于，所述同步显示模块还用于识别用户对所述变电站三维模型中电气设备的选取动作，在相应的数据区内显示被选取的电气设备的相关数据信息，且各数据区内显示的相关数据信息的数据类型不同。

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