500kV变电站设备3D全景监控及培训系统研究

摘要

变电站作为电能传输的基本环节，其安全可靠运转将对电网的稳定性产生重大影响。随着电网规模逐年增大及电压等级逐步增高，变电站设备数量不断增多，结构也愈发复杂，对展示和分析各种电力设备参数及获取变电站的运行状态，帮助工作人员及时发现并处理故障情况，减小事故危害，提出了新的要求，同时如何迅速有效的提升值班人员的业务素质水平也迫在眉睫。
　　当前变电站监控系统已经能够实现设备的实时监控和数据展示，但参数分布于各类画面，缺乏有效平台进行直观展示，事故发生时，运行人员需要在短时间内进行大量的数据分析与处理，难以对主要信息进行把握。因而变电站系统需要一种可视化的、直观的设备参数展示方式，以提高运行人员工作效率。电力培训能够有效提高工作人员基本素质与操控水平，是降低事故发生的有效手段。但变电站场景的特殊性也决定了无法人为制造事故或停运线路以满足培训人员现场实际操作与设备结构学习的需求，由此仿真培训成为变电站培训的重要发展方向。如果能够搭建一种高逼真度的变电站培训环境，使运行人员能够体验到与实际变电站场景相同的感受，则能够大大提升变电站培训的效果。
　　基于以上两个问题，本文开发了虚拟变电站系统，利用可视化场景对变电站的运行参数以及动作情况进行了直观展示，提高了运行监视水平;并借助高度逼真的虚拟环境帮助培训人员随时随地进行技能学习，降低了培训费用的同时提高了培训效果。本文主要创新点如下:
　　(1)基于虚拟现实技术构建了高度逼真的虚拟3D变电站场景。本文利用3DS MAX软件对变电站中各类设备对象以及环境对象进行了模型搭建与优化，通过组件生成器、组件装配器、场景装配器实现变电站三维场景的构建，并基于Virtools平台通过脚本开发的方式赋予了三维模型电气属性、行为属性等各类属性使变电站场景具备人机交互、动作展示等功能。
　　(2)基于虚拟变电站系统利用最优摄像头算法实现了快速遥视功能。在虚拟变电站场景中选择需要监控的设备或区域后，系统将自动通过所提出的最优选择算法实现最优摄像头以及最优旋转路径的计算，最后通过将动作命令发送至相关摄像头，快速准确地实现目标区域的监控。该过程避免了采用人工手段进行摄像头的选择与旋转，提高了遥视效率。
　　(3)基于虚拟变电站系统实现了直观的变电站设备3D全景监控。利用D5000数据基础平台将各设备实时运行数据作为电气输入量接入对应三维模型，并通过各个模型电气量计算与模型动作的设计实现设备场景、监控信息和设备参数信息的融合，采用多种可视化手段（着色、管道图、挂牌、浮动标签）对各类设备运行信息进行直观化展示，有效提升了运行人员的信息处置决策能力。
　　(4)基于虚拟变电站系统实现了高度逼真的变电站3D仿真培训。对三维模型的动作属性按照对应的真实设备的动作情况进行设计，使设备能够在培训人员发出操作指令时作出相应动作，并能够对错误操作引起的后果进行展示，同时对二次设备场景（包括保护屏柜、二次压板等）进行详细场景建模及设备运行机理仿真（包括指示灯、动作报文等），使学员在与实际工作高度相似的环境中进行技能掌握，提高了培训效果。
　　(5)对沉浸式视景培训系统进行了结构设计。系统采用虚拟现实头盔、动作捕捉器等交互设备把视觉、听觉封闭起来，使培训人员完全沉浸于变电站一二次设备虚拟场景，极大提升培训人员的视觉交互体验，从而进一步提升系统的培训效果。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景及意义

1．2 课题研究现状

1．2．1 变电站监控研究现状

1．2．2 变电站培训研究现状

1．2．3 500kV电压等级变电站对监控及培训系统要求

1．3 论文的主要工作

第二章 虚拟变电站系统的整体框架

2．1 概述

2．2 系统结构

2．3 系统功能框架

2．4 本章小结

第三章 基于虚拟现实技术的变电站模型构建

3．1 虚拟现实技术

3．1．1 虚拟现实概述

3．1．2 虚拟现实系统构成

3．2 虚拟变电站系统模型构建方法

3．2．1 基于3DS MAX的模型构造

3．2．2 虚拟变电站建模技术方案

3．2．3 虚拟变电站设备建模

3．2．4 虚拟变电站模糊场景构建

3．2．5 虚拟变电站模型优化

3．3 本章小结

第四章 虚拟变电站系统场景开发及其功能实现

4．1 Virtools概述

4．2 基于Virtools的变电站虚拟场景构建

4．2．1 系统开发思路

4．2．2 基本模块设计

4．2．3 设备模型属性设计

4．2．4 虚拟设备连接与管理

4．3 全景监控功能实现

4．4 本章小结

第五章 基于虚拟变电站的监控与培训应用研究

5．1 电力设备快速遥视功能设计

5．1．1 遥视功能概述

5．1．2 系统整体结构

5．1．3 最优监控摄像头的选择

5．1．4 监控摄像头旋转角度的确定

5．2 全景监控的可视化功能设计

5．2．1 可视化功能设计的意义

5．2．2 系统整体结构及设计

5．2．3 系统功能的实现

5．3 变电站3D仿真培训系统及仿真示例

5．3．1 变电站3D仿真培训

5．3．2 设备异常及故障跳闸模拟仿真示例

5．4 沉浸式视景培训功能设计

5．4．1 系统概述

5．4．2 系统整体构架

5．4．3 沉浸式显示的实现

5．4．4 动作捕捉器、动作定位器等人机交互设备技术的实现

5．4．5 各模块的数据通讯实现

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间科研成果