基于虛擬現實的電力設備監控系統設計與實現

游大寧，王順浦，李圖強，張林峰，王明松

（1．國網山東省電力公司，山東濟南250001；2．北京科東電力控制系統有限責任公司，北京100192）

基于虛擬現實的電力設備監控系統設計與實現

游大寧1，王順浦1，李圖強1，張林峰1，王明松2

（1．國網山東省電力公司，山東濟南250001；2．北京科東電力控制系統有限責任公司，北京100192）

針對視頻監控電力設備存在的設備定位時間長、監控效果不理想問題，設計一種基于虛擬現實的電力設備監控系統。采用虛擬現實技術構建與變電站真實場景相同的虛擬現實場景，在虛擬現實場景中確定需要監控的區域和監控效果最好的監控攝像頭，計算監控攝像頭的旋轉角度，并根據計算結果旋轉真實場景的中的最優監控攝像頭，從而及時、準確地觀察電力設備運行狀態。在國網山東省電力公司搭建該系統，運行結果表明系統能夠及時、準確地觀察電力設備運行狀態。

虛擬現實；監控攝像頭；碰撞檢測

0 引言

電力調度中心的監控人員通過SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）對變電站內的電力運行設備進行監視和控制，實現電力運行設備的遙測、遙信、遙控和遙調等功能［1］。但是SCADA系統不能實現電力設備的遙視功能，監控人員需要借助監控攝像頭來觀察電力設備的運行情況。可以采用人工旋轉監控攝像頭的方式尋找需要監控的電力設備，觀察運行狀態。但是這種控制方式往往需要花費很長的時間來尋找電力設備，監控效果有時也不理想。

針對視頻監控電力設備時存在的設備定位時間長、監控效果不理想的問題，設計一種基于虛擬現實的電力設備監控系統。該系統采用虛擬現實技術構造與變電站真實場景相同的虛擬現實場景，在虛擬現實場景中確定需要監控的區域和監控效果最好的監控攝像頭，計算最優監控攝像頭的旋轉角度，根據計算結果旋轉真實場景中的最優監控攝像頭，從而及時、準確地觀察電力設備的運行狀態。

1 系統整體結構

基于虛擬現實的設備監控系統由變電站電氣仿真程序、監控攝像頭控制程序、變電站虛擬現實場景和監控攝像頭4部分組成。結構如圖1所示。變電站電氣仿真程序采用虛擬現實技術仿真變電站構建虛擬變電站場景，確定最優監控攝像頭及其旋轉角度，并將結果信息傳送給監控攝像頭控制程序。監控攝像頭控制程序是監控攝像頭自動控制的程序，接收到變電站電氣仿真程序傳送的數據后，會上下、左右旋轉監控攝像頭，使鏡頭轉向需要監控的電力設備區域。變電站電氣仿真程序和監控攝像頭控制程序是整個系統的后臺，連接變電站虛擬現實場景和監控攝像頭。變電站虛擬場景是變電站仿真場景顯示界面，用于顯示真實變電站內電力設備的位置信息。監控攝像頭是彩色一體化晝夜球型攝像機，能夠實現鏡頭的旋轉、變焦、自動聚焦等功能。

圖1 電力設備監控系統結構

2 系統的實現流程

基于虛擬現實的變電站監控系統的實現流程如圖2所示。首先采用虛擬現實技術［2］構造和顯示與真實變電站場景相同的變電站虛擬現實場景；然后根據虛擬場景提供的場景漫游和設備列表功能，選擇需要監控區域；接著計算每個監控攝像頭與需要監控區域的距離，根據碰撞檢測算法確定監控效果最好的監控攝像頭；計算最優監控攝像頭水平方向和豎直方向的旋轉角度，得到最優的旋轉方式，并將結果傳送給監控攝像頭控制程序；最后監控攝像頭控制程序控制真實變電站中監控攝像頭的旋轉，使其對準需要監控的設備區域。

圖2 電力設備監控系統實現流程

2.1 構造顯示變電站虛擬現實場景

為了能夠及時、準確地獲得電力設備和監控攝像頭的位置信息，采用虛擬現實技術對變電站進行仿真，按照1∶1的比例構建與變電站真實場景完全相同的三維虛擬場景。

變電站虛擬現實場景的構建流程：采用3D MAX SDK提供的二次開發環境將變壓器、電流互感器、電壓互感器等一次設備，以及操作箱、壓板等二次設備的設備實體導出為可以用來搭建變電站虛擬現實場景的三維設備模型；為了避免重復生成三維設備模型，提高虛擬場景的搭建效率，保存導出的三維設備模型，生成三維設備模型庫；從三維模型庫中拾取需要的零件，將其移動到合適的位置來構建變電站虛擬現實場景。

在構建變電站虛擬現實場景時，以變電站中心點作為坐標原點，豎直方向為z軸，水平方向分別為x軸、y軸建立三維坐標系，根據真實變電站場景中設備的位置信息，把相應的三維設備模型放到合適的位置。

構建好變電站虛擬現實場景后，監控人員就可以在變電站虛擬現實場景中選擇需要監控區域。但是變電站虛擬現實場景的顯示需要大量的圖形計算，這對計算機的硬件性能有很高的要求。基于虛擬現實場景顯示時間和系統價格的考慮，采用圖形渲染能力強的HP Z820圖形工作站來運行虛擬現實程序，來完成變電站虛擬現實場景的顯示。變電站虛擬現實場景如圖3、圖4所示。

圖3 變電站開關場虛擬現實場景

圖4 變電站主控室虛擬現實場景

2.2 監控區域的選擇

監控區域的選擇是通過變電站虛擬現實場景中的場景漫游功能［3-4］實現的。監控人員通過鼠標、鍵盤等設備，可以對變電站虛擬場景現實進行第一人稱視角的平移和旋轉，還可以對選中的電力設備進行前后、左右、上下六自由度的漫游。為了方便監控人員找到需要監控的電力設備，在搭建變電站虛擬現實場景時，對經常需要監控的電力設備進行編號，比如變壓器1號主變、2號主變等，來建立設備列表。監控人員通過設備列表中快速定位需要監控的電力設備，然后對該設備進行上下、前后、左右六個自由度的場景漫游，選擇需要監控的設備區域。

2.3 最優監控攝像頭的選擇

變電站內的攝像頭安裝在位置較高、視野開闊的地方，攝像頭的監控區域能夠覆蓋變電站內所有的電力設備。一般來說，監控攝像頭距離監控區域越近監控效果越好，以距離為度量選擇最優監控攝像頭。計算每個攝像頭中心點與監控區域中心點之間的距離，把距離監控區域最近的監控攝像頭作為最優監控攝像頭。但是這樣選擇的監控攝像頭和監控區域之間可能會存在視線阻擋，所以選擇完監控攝像頭后，還要采用包裝盒的碰撞檢測算法［5］對選擇的監控攝像頭進行驗證。驗證方法為：用一個長方體包裹住監控攝像頭三維模型，將長方體沿監控攝像頭中心點與監控區域中心點之間的連線進行移動，移動過程中如果沒有與其他設備的包裝盒發生碰撞，監控攝像頭選擇正確；如果發生了碰撞，最優監控攝像頭選擇錯誤，從其他攝像頭中選擇距離監控區域最近的監控攝像頭重新進行驗證。確定最優監控攝像頭的基本流程如圖5所示。

圖5 確定最優監控攝像頭流程

2.4 監控攝像頭旋轉角度的確定

在變電站虛擬現實場景中確定好最優的監控攝像頭后，需要計算該監控攝像頭的旋轉角度，并傳送給監控攝像頭控制程序，來旋轉真實場景中的監控攝像頭。監控攝像頭從一個位置旋轉到另一個位置可以有多種運動方式，但歸根到底都是水平運動和俯仰運動。只需要計算出監控攝像頭水平方向和豎直方向的旋轉角度，就可以將監控攝像頭對準需要監控的位置。

圖6 監控攝像頭的兩種旋轉方式

圖6給出了監控攝像頭的監控區域從監控位置A（x1，y1，z1）到監控位置B（x2，y2，z2）的兩種旋轉方式。圖6（a）首先將監控攝像頭從位置A（x1，y1，z1）沿水平方向旋轉α角度到位置A′（x1′，y1′，z1′），然后沿豎直方向旋轉β角度到位置B（x2，y2，z2）。圖6（b）首先將監控攝像頭從位置A（x1，y1，z1）沿豎直方向旋轉α角度到位置A′（x1′，y1′，z1′），然后沿水平方向旋轉β角度到位置B（x2，y2，z2）。

根據余弦定理，分別計算兩種旋轉方式的α和β大小。

取α+β值較小的旋轉方式作為最優旋轉方式。將最優監控攝像頭及其最優旋轉方式的水平方向和豎直方向的旋轉角度傳送給監控攝像頭控制程序，來旋轉真實場景中的最優監控攝像頭，使其對準需要監控區域。

3 系統的運行結果

按照上述開發流程，在國網山東省電力公司調度中心搭建電力設備監控系統。采用OpenGL和VC++編寫變電站電氣仿真程序和攝像頭自動控制程序，并在HP Z820圖形工作站上運行。對國網山東省電力公司32個變電站的電力設備運行狀態進行實時監控，效果如圖7所示。運行結果表明，本系統能夠及時、準確地觀察電力設備運行狀態，能夠實現電力運行設備的遙視功能。

圖7 電力設備監控系統

4 結語

虛擬現實技術作為一門新型的技術，正被廣泛應用于電力仿真領域。構建基于虛擬現實的電力設備監控系統，通過在虛擬現實場景中選擇監控區域和監控效果最好的攝像頭，計算得到最優監控攝像頭的旋轉角度，按相同的方式旋轉真實場景中的最優監控攝像頭，來對電力設備的運行狀態進行實時觀察，實現電力運行設備的遙視功能。電力設備監控系統可以與SCADA系統相互結合，接收SCADA系統中各電力設備的運行數據，在虛擬現實場景中模擬各電力設備的運行狀態，這是本系統今后改進的方向。

［1］王明俊.我國電網調度自動化的發展——從SCADA至EMS［J］.電網技術，2004，30（4）：43-46.

［2］何敏，呂崇德.新一代的電站仿真［J］.系統仿真學報，2001，13（1）：83-85.

［3］龔慶武，姜芳芳，陳義飛.基于虛擬現實技術的變電站仿真培訓系統［J］.電網技術，2005，29（24）：74-77.

［4］張小超，王精業.虛擬場景漫游系統的體系結構分析［J］.系統仿真學報，2005，17（4）：917-919.

［5］馬登武，葉文，李瑛.基于包裝盒的碰撞檢測算法綜述［J］.系統仿真學報，2006，18（4）：1 058-1 064.

［6］王志強，洪嘉振，楊輝.碰撞檢測問題研究綜述［J］.軟件學報，1999，10（5）：545-551.

［7］石教英.虛擬現實基礎及實用算法［M］.北京：科學出版社，2002.

The Design and Implementation of Power Equipment Monitoring System Based on Virtual Reality Technology

In order to solve the problems of long device positioning time and undesirable monitoring performance when monitoring the power equipment，a power equipment monitoring system based on virtual reality technology is proposed.Using virtual reality technology，a virtual reality scene the same as substation real scene is built.In this scene，the monitoring area can be selected，the optimal surveillance camera and its angle of rotation can be determined.According to the results，the optimal surveillance camera in real scene can be rotated.Therefor，it is possible to obtain power equipment operational status timely and accurately.We build this system in Shandong Electric Power Company，and the running results show that the system can monitor power equipment timely and accurately.

virtual reality；surveillance cameras；collision detection

TM277

：A

：1007－9904（2014）04－0005－04

2014-03-24

游大寧（1977—），男，高級工程師，主要從事電力系統運行與控制工作。