基于VR技术的变电设备多危险点可视化定位系统设计

吴忠，冯洋，陈敢，吴龙锋

（国网浙江省电力有限公司衢州供电公司，浙江衢州 324000）

近年来，随着电力系统的发展越来越快，人们对变电检修安全性的要求逐渐升高。目前，电力系统中的变电设备数量较多，应用范围较广，其在正常运行时，会在不同位置出现多个危险点[1]。传统定位系统采用Cricket 定位技术接收无线传输信号，定位变电设备多危险点的位置，但在对变电设备进行现场踏勘时，若停电方式与安全措施布置没有踏勘到位，将导致多危险点定位精度较低，为此，国内的专家学者们展开了一系列的研究。文献[2]提出基于WebVR技术的变电设备多危险点可视化定位系统，采用WebVR技术构建了系统的软硬件，但该系统的计算过程复杂，不易实现。文献[3]提出了基于GSM技术的变电设备多危险点可视化定位系统，但定位结果不准确。

为了解决现有方法的不足，提高变电设备多危险点位置定位的准确率，减少定位时间，该文设计了基于VR 技术的变电设备多危险点可视化定位系统。系统硬件部分包含采集模块、主控模块、通信模块和电路模块。软件部分采用VR 技术构建变电站VR 场景，经过系统初始化，识别变电检修责任链的危险点，最终实现危险点的可视化定位。对比实验结果表明该文设计系统的定位精度和定位时间符合实际需要。

1 系统硬件设计

变电设备多危险点可视化定位系统的硬件采用CPU 结构，以信号处理器为核心设备，以此实现变电设备多危险点数据的采样。系统硬件以模块的形式进行设计，各个模块的设计如下。

1.1 采集模块设计

采集模块内部传感器在进行采集工作时，功耗较低，供电电压较低，最低达到1.3 V，具有多个I/O端口，I/O 端口的电压范围为1.8～3.3 V，且体积较小，控制方式较为简单，能够以高分辨率输出变电设备线路数据。该传感器还可采集变电设备异常线路图像，通过减小光学以及电子缺陷技术提升采集的异常线路图像的质量，可以得到更为清晰的图像。该传感器的工作温度范围为-20～40 ℃，采集模块结构如图1 所示。

图1 采集模块结构

采集模块的外部设有较多接口，如SPI 接口、SDI接口以及串行通信接口等，这些接口用来传输多危险点数据。采集模块的工作原理为：先通过采集模块的外围电路对模块内的传感器设备及各个外设供电，传感器通过子采样方式采集变电设备上出现多危险点的线路数据与图像，再通过SPI 口将数据与图像传输到采集模块内部的处理芯片上，完成图像及数据的采集[4-5]。

1.2 主控模块设计

主控模块是整个硬件系统的核心，通过采集模块采集变电设备多危险点数据与异常线路图像，并传输给通信模块，通信模块再将相关数据与图像传递到上位机中，由定位系统下发的控制指令发送到电力系统网络终端[6-7]。主控模块内部主控制器由控制单元、逻辑单元与处理单元组成，将采集模块采集完成的变电设备多危险点数据与线路图像发送到主控模块后，由主控模块进行处理与控制。通过控制单元完成数据处理结果的缓存，再经过寄存器的读写控制实现变电设备多危险点数据的指令译码与寄存，变电设备多危险点数据与线路图像具有各自的总线通道。因此，虽然寄存方式有所差别，但可同时由主控模块进行处理、控制与缓存[8-9]。

1.3 通信模块设计

通信模块具有丰富的外设与通信接口，包括RAM 存储结构，UAB 接口、SPI接口、SDI接口、串行通信接口等，同时还设有中转站，以此提高对变电设备多危险点的定位精度。通信模块内部主机可协助主控模块对定位系统与从机进行控制，并显示动态的变电设备运行数据，一旦变电设备某个位置出现了危险点，主机会迅速响应，响应过程中产生的通信信号由A/D 转换器转换为数字量，方便电力系统网络终端的实时接收与分析，提高定位准确度[10-11]。

1.4 电路模块设计

定位系统的电路模块主要负责对采集模块、主控模块以及通信模块供电，电路模块的供电电压为16 V，可通过电压转换芯片将16 V 电压转换为各个模块需要的电压，电压转换芯片选用三星公司生产的12 位的SXB5362，该电压转换芯片功耗较低，转换效率较高，并含有高速静态RAM[12-13]。电路模块如图2 所示。

图2 电路模块

电路模块内部部件主要实现对电源芯片、寄存器、控制单元等的读写、控制与缓冲，电路模块含有两个电压互感器与一个电流互感器，电流互感器可将4.8 mA 的电流转换成0～2.5 mA，通过外围逻辑电路的调理后可将其转换成0～4 V 电压，并由采样保持器进行保持。定位系统的电路模块，可向硬件系统的各个模块提供所需电压，保证各个模块的稳定、可靠运行[14]。

2 系统软件设计

VR 技术根据硬件不同可分为沉浸式VR 系统与桌面VR 系统，该文选取的是桌面VR 系统。在设计变电设备多危险点可视化定位系统时，通过VR 技术将计算机与变电设备进行仿真，工作人员通过计算机屏幕观察模拟的变电设备多危险点的定位情况，并操作鼠标与键盘来操作相关的变电设备。基于VR 技术的变电设备多危险点可视化定位系统软件流程如下。

2.1 系统初始化

对变电站设备内部数据进行采集，采用分段开关处理将数据信息传输到主控程序内，分析内部数据信息，采用VR 技术进行模拟，构建VR 长场景，通过VR 场景对出现的不同区域的危险点进行识别，从而实现危险点的定位，完成系统初始化操作[15]。

2.2 识别变电检修责任链的危险点

变电检修责任链包括变电检修责任勘察、班前交底两大模块。

1）变电检修责任链勘察

在VR 场景中，在某个位置出现吊机，操作鼠标模拟勘察场景，危险点包括：

油载开关调芯检修时，需要勘察相邻线路的带电情况，确保吊机处于正确位置，以免发生触电事故。

检修的定向线路需要踏勘到位，检查停电方式与安全措施的布置。

勘察模块中危险点w的识别公式为：

其中，ai表示吊机位置；α表示吊机所在位置与水平方向的角度；β表示勘察模块中危险点的数量。

2）班前交底

在班前交底VR 场景中，需要班组负责人对停电范围、安全措施等危险点进行交底，在工作监护VR场景中，危险点较多，涉及地下电缆的检修、气体成分的监测、登高车斗臂与带电部位的安全距离等，需要对VR 场景中各个模块的危险点进行识别。班前交底模块中进行危险点q识别的公式为：

其中，j表示班前交底模块中危险点的数量；bj表示危险点为j时的变电设备数据；c表示危险点的识别程度。

2.3 危险点的可视化定位

根据不同模块中存在的危险点所在区域进行系统定位。上电自检后，向主控程序发送请求，查看变电设备相关数据是否准时接收。如果超时，需要在VR 场景中重复进行语音提示，若没有，则需查看变电设备是否出现停机或线路不通的情况，如果出现停机情况，需要发送开机请求，并扫描变电设备危险点与相邻危险点的距离，距离d的计算公式为：

其中，δ表示系统参数；D表示扫描出的危险点相对于变电设备的距离；f表示相邻危险点的相对距离[16]。根据计算出的距离获取危险点的具体存在位置，以及危险点的具体类型，在VR 场景中再进行语音提示，并生成三维图像，从而实现变电设备多危险点的可视化定位。

3 实验研究

为验证该文设计的基于VR 技术的变电设备多危险点可视化定位系统的有效性，选用该文设计的定位系统、传统的基于Cricket 定位技术的变电设备多危险点可视化定位系统、文献[2]系统进行实验对比。实验参数设置如表1 所示。

表1 实验参数

为保证实验结果的真实性和可靠性，利用Matlab 软件模拟变电设备的运行环境，预测危险点并进行危险点检测，获取测试危险点的真实位置信息，根据表1 绘制危险点位置分布图，测试危险点在Matlab 软件中的分布示意图如图3 所示。

图3 测试危险点在Matlab软件中的分布示意图

根据上述实验参数，在设置的实验环境中对以上三种多危险点可视化定位系统进行性能检测，采用三种定位系统对测试危险点进行定位，生成危险点分布图，得到的定位结果如图4 所示。

图4 三种多危险点可视化定位系统的定位结果

从图4 可以明显看出，采用该文设计的定位系统获取的危险点分布图与真实分布图最相近，而采用其他两种系统获取的危险点分布图与真实分布图相差较大。

将图4 获得的定位结果与测试危险点的真实位置信息进行对比，计算系统的定位精度，经过计算可知，在相同的定位环境下，基于Cricket 定位技术的定位系统的定位精确率约为65%，基于WebVR 技术的定位系统（文献[2]）的定位精确率约为78%，而该文设计的基于VR 技术的定位系统的定位精确率约为94%，其定位精确率远远高于其他两种定位方法。

针对三种定位系统的定位精确率进行对比后，针对三种定位系统的定位速度进行对比，得到的对比结果如图5 所示。

图5 三种定位系统的定位速度对比结果

根据图5 可知，针对Matlab 软件中模拟的变电设备多危险点，传统变电设备多危险点可视化定位系统的定位时间较长、效率较低，基于Cricket 定位技术的定位系统的定位速度约为每秒0.6 个，基于WebVR 技术的定位速度约为每秒1.1 个，而该文设计的基于VR 技术定位速度约为每秒1.8 个，定位效率更高。因此，该文设计的定位系统的定位效果更好，更适用于变电设备多危险点的定位工作。

4 结束语

该文采用VR 虚拟现实技术，设计了基于VR 技术的变电设备多危险点可视化定位系统，通过系统设计实现了变电设备多危险点的精准定位，有效提升了变电设备运行的稳定性与安全性，对电力安全具有重要意义。