利用VR/AR技术解决变电站仿真系统滞后问题的研究

利用VR/AR技术解决变电站仿真系统滞后问题的研究

范永涛李雪燕郑志华杜正旺王丽娟蔡大群

1.胜利石油管理局有限公司电力分公司

2.胜利石油管理局有限公司车辆管理中心山东东营257000

摘要：面对变电站接线方式各异、变电站改扩建、设备上百种上千台、设备更新换代、生产运行模式因油气生产而实时在变的情况下，要求变电站工作人员要有极高的工作能力和技术水准，就离不开变电站仿真系统。传统现实仿真变电站系统已经远远滞后于的变电站生产运行，极大影响了工作人员生产能力和安全防控能力的提高。针对这一问题，积极创新变电站仿真系统模式，充分发挥新技术优势，积极利用VR/AR技术构建起传统现实变电站仿真+虚拟现实变电站场景+增强现实虚拟设备的仿真系统，实现传统的数据仿真与数字仿真的现实与虚拟的无缝对接，彻底解决变电站仿真系统滞后问题。

关键词：VR/AR变电站仿真滞后

一、变电站仿真系统现状

1、变电站仿真系统的重要性

生产运行变电站是不能用来进行仿真模拟的，那会直接威胁生产运行和生命财产安全。变电站仿真系统在变电站安全运行方面起到模拟生产运行方式、提高工作人员生产能力和安全防控能力的作用。面对变电站接线方式各异、变电站改扩建、设备上百种上千台、设备更新换代、生产运行模式因油气生产而实时在变的情况下，要求变电站工作人员要有极高的工作能力和技术水准，就离不开变电站仿真系统。变电站工作属于高危工作，一点失误就会危及人身安全或设备安全，轻者损伤重者生命危险；一次小小的工作失误就会破坏油气生产链，造成几百万至上千万的经济损失。变电站工作人员日常除了保障安全运行外就是加强变电站仿真训练，来提高对每座变电站的熟悉程度和工作能力，变电站仿真系统已是变电站安全生产不可缺少的重要环节。

2、传统现实变电站仿真系统滞后的原因

随着设备的不断更新换代，传统现实的变电站仿真系统已滞后生产运行，导致工作人员的生产能力和安全防控能力大大降低，其原因主要有以下几方面：

一是电网性质所决定。公司是国内最大的企业电网，其地位是油气生产的保障性单位，从生产经营角度考虑是非主业性单位、非盈利性单位。

二是投资力度不足。近几年，变电站设备更新换代加快，但在仿真系统投资方面严重不足，按照1∶100比例投资仿真设备，每年需要投资仿真系统100万元左右，对于非主业性、非盈利性单位，这是不现实的。

三是仿真技术创新性滞后。变电站仿真系统还是按照传统现实思维建设1∶1的仿真变电站已经不能满足时代需要，新技术日新月异，新建设的仿真变电站从一开始就滞后于新技术的发展，变电站仿真系统不能与时俱进，缺乏创新性。

3、传统现实变电站仿真系统滞后的危害

变电站仿真系统水平的高低直接决定着变电站生产运行能力的高低。变电站工作人员平时不能在生产运行的变电站进行提高自身的生产能力和安全防控能力，只有通过仿真度极高变电站仿真系统来完成实际生产运行变电站模拟操作、模拟检修、模拟试验、模拟调试、模拟事故处理，最终达到保障变电站的生产运行目的。当变电站仿真系统滞后生产运行，就会造成以下后果：一是工作人员的工作效率大大降低；二是工作人员的工作失误率大大增加；三是变电站安全运行水平难度增大。

二、虚拟技术（VR/AR技术）的功能及应用

VR/AR技术以虚拟方式构造现实场景的虚拟仿真，同时也打通了和现实设备的数据协议，通过AR在虚拟世界环境中可以去调用现实场景中每台设备的生产数据，通过VR虚拟模拟的方式可以实时仿真现实场景状况，解决了虚拟与现实的时间维度和空间维度限制问题，实现与虚拟的无缝对接。近两年，虚拟技术风生水起，迅猛发展，被广泛认为是下一代通用计算平台。在教育、科技、建筑、医疗、军事、交通、航空、游戏、旅游等领域得到充分的创新与发展。随着VR/AR技术的成熟与普及，越来越多行业开始运用。

三、利用VR/AR技术创新变电站仿真系统

根据目前公司现状，利用传统现实变电站仿真系统很难满足，因技术、设备的不断更新换代，所造成的传统现实变电站仿真系统滞后生产运行现状。针对这一问题，我们积极创新变电站仿真系统模式，充分发挥新技术优势，积极利用VR/AR技术解决变电站仿真系统滞后问题，主要创新点有以下三个方面：

1、构建传统现实+虚拟现实+增强现实的变电站仿真系统（图1）。

随着虚拟技术的快速发展，虚拟现实技术（VR）和增强现实技术（AR）具备现实场景和现实设备在虚拟世界重现技术要求，可以应用到变电站仿真系统，弥补传统现实变电站仿真系统更新滞后的问题。构建起传统现实变电站仿真+虚拟现实变电站场景+增强现实虚拟设备的仿真系统，实现传统的数据仿真与数字仿真的现实与虚拟的无缝对接。

2、建立以传统现实变电站为仿真基础，更新变电站生产运行为虚拟现实场景的仿真运行模式。在现有变电站仿真系统基础上，将公司变电站进行生产运行方式分类，统计出具有代表全体性的几种变电站生产运行模型，然后进行虚拟这几种变电站现实场景，按照V-ray格式进行渲染，并将巡检、标准化操作加载到VR场景中，能够通过VR眼镜进行模拟操作和巡检。

3、建立以传统现实变电站设备为现实体验，更新换代设备为虚拟实景增强现实互动体验的仿真方法。建立公司设备更新换代数据库，将设备进行分类，并与生产厂家结合，生产厂家提供设备结构、尺寸、技术参数、工作过程，结合设备实景进行虚拟增强现实仿真，形成实时更新的虚拟设备仿真系统库。在进行变电站生产运行仿真时可根据虚拟变电站现实场景存在的设备类型，从设备仿真系统库中调用相应虚拟设备，连接现实变电站的该设备实时运行参数就可以实现公司所有变电站设备的100%互动体验仿真。

四、技术路线与技术关键

1、技术路线

充分利用仿真软件和信息技术，基于变电站实际，通过开发、构建模拟真实场境3D模型，虚拟仿真真实案例，将案例流程进行模型化，角色化，事件化的仿真模拟，营造变电站工作人员身临其境的体验情景，对于提升工作人员的生产能力和安全防控能力具有针对性、应用性和时效性，彻底颠覆传统现实仿真模式，实现虚拟仿真的规范化操作、可视化监控、交互式体验、游戏化仿真的目标（图2）。

通过3D建模，利用UNITY3D软件，制作出H5格式的基于移动终端的平台，实现虚拟仿真与生产信息化建设融合贯通。

2、技术关键

利用VR/AR技术建立的变电站仿真系统平台主要为3dsMax和Unity3d，且需先将场景模型的材质灯光等更改为V-Ray的材质和灯光及渲染器，内容均采用三维动画的表现形式。将部分场景加载进Unity3d，加入角色，并进行必要的程序设计，生成交互式场景。基本场景及安装过程以三维动画为主，辅助以文字性课件或视频进行说明，在互动操作的环节辅助以一定的程序控制开发。

五、VR/AR技术建立的变电站仿真新系统呈现效果

随着公司变电站集控模式的实施，改变了原来有人值守的模式，原来日常少人维护一座变电站转变为维护多座变电站，变电站的运维方式发生了很大变化，为了使集控人员尽快适应新变化，增强集控人员的生产能力和安全防控能力，将当前先进的VR/AR技术引入到变电站仿真系统工作当中，集控人员进入VR虚拟仿真系统后就像进入实际工作现场，可以进行标准化巡视、标准化操作、标准化事故处理，通过将交互式3D模型投射在AR中，可以把AR虚拟增强现实的变电站设备一步步拆分，让集控人员有最直观的感受，增强现实体验，大大提高了集控人员的基本功训练水平，效果特别显著。呈现效果主要如下：

一是实现公司变电站的全虚拟现实场景仿真的全覆盖，建立了以传统现实变电站为仿真基础，更新变电站生产运行为虚拟现实场景的仿真运行模式。

二是实现公司变电站设备的虚拟增强现实实景仿真全覆盖，建立了以传统现实变电站设备为现实体验，更新换代设备为虚拟实景增强现实互动体验的仿真方法。

三是构建起传统现实+虚拟现实+增强现实的变电站仿真新系统，真正解决了因设备的不断更新换代、技术的不断进步而造成的变电站仿真系统更新滞后生产运行问题。

四是利用VR/AR技术建立的变电站仿真新系统在变电站安全运行方面起到了真实模拟生产运行方式、提高了工作人员生产能力和安全防控能力。

六、VR/AR技术建立的变电站仿真新系统社会效益分析

变电站是能源枢纽中心，在其社会中占据重要地位，关系到社会发展稳定：

一是变电站工作是高风险工作，要求工作人员严细认真，不能出现一丝失误，利用VR/AR技术建立的变电站仿真新系统，提高了变电站工作人员生产能力和安全防控能力，降低了传统现实变电站仿真系统存在的不安全因素，促进了变电站工作人员的健康稳定发展。

二是减少投资，节约了社会资源。利用VR/AR技术建立的变电站仿真新系统，是虚拟现实与增强现实的高度结合，使用一套硬件设备打开自己所需要的虚拟变电站现实场景和增强现实的虚拟设备实景，就可完成变电站倒闸操作、检修、维修、试验、调试、事故处理等等仿真工作。

三是彻底解决变电站仿真系统更新滞后生产运行问题，有利地保障了变电站安全运行，减少了事故灾害、人员伤亡，增强了社会供电可靠能力，促进了社会发展。

从社会健康发展角度来讲，提高变电站仿真水平具有十分显著的社会效益意义。

七、VR/AR技术建立的变电站仿真新系统推广前景

VR/AR技术是虚拟现实技术（VR）和增强现实技术（AR）相互支持、相互补充、相互配合的高度结合技术应用，达到虚拟技术最佳应用效果。

1、电力行业推广前景

在当今新技术爆发时代，新技术应用已经是不可阻挡的潮流，利用VR/AR技术解决变电站仿真系统滞后问题,创新提出利用VR/AR技术构建传统现实+虚拟现实+增强现实的变电站仿真系统，实现传统的数据仿真与数字仿真的现实与虚拟的无缝对接。利用VR/AR技术解决变电站仿真系统滞后生产问题已是整个电力行业面临的必由之路，从电力行业来看是一次革命型创新，极大推动电力仿真进步，为提高电力工作人员的生产能力和安全防控能力有着极大作用，对推动VR/AR技术在电力行业应用有其深远意义。

2、其他行业推广前景

随着5G通讯开始运营，VR/AR技术将会改变我们的生活方式，在VR/AR技术+智慧旅游、VR/AR技术+智慧农业、VR/AR技术+高校及职教、VR/AR技术+新零售、VR/AR技术+智能制造等等行业领域均可借鉴应用，具有普遍的推广价值。