海上油氣田電力虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300457)

海上油氣田開發(fā)一般離陸地較遠(yuǎn)，其電力系統(tǒng)有別于陸地電網(wǎng)，由發(fā)電系統(tǒng)、電站控制系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)和負(fù)載組成。滿足正常生產(chǎn)生活的需要并保證供電的穩(wěn)定性和可靠性是海上油氣田安全生產(chǎn)的核心。近年來(lái)，海上油氣田開發(fā)集群化、管網(wǎng)化已經(jīng)成為趨勢(shì)，而電力系統(tǒng)也成功實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)運(yùn)行[1]。隨著技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的自動(dòng)化、信息化水平不斷提高，對(duì)供電的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量提出了更高的要求。國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)對(duì)電網(wǎng)三維可視化展示和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電力系統(tǒng)仿真、搶修和培訓(xùn)中做了詳細(xì)的探討并應(yīng)用[2-5]，取得了較好的效果。對(duì)于海上油氣田電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還未成功應(yīng)用。為此，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行探索研究。

1 系統(tǒng)建設(shè)目的

1)電網(wǎng)安全操作。在智能電網(wǎng)應(yīng)用基礎(chǔ)上，強(qiáng)化電力系統(tǒng)操作人員培訓(xùn)和考核機(jī)制，讓智能電網(wǎng)操作更安全。

2)電力設(shè)備資料管理。通過(guò)獨(dú)特的二、三維轉(zhuǎn)化技術(shù)，把三維的設(shè)備模型和二維的設(shè)備資料(包括圖紙、照片、廠家資料、操作手冊(cè)和維修手冊(cè))關(guān)聯(lián)起來(lái)，通過(guò)三維模型可以查找二維資料，根據(jù)設(shè)備資料也可以定位所在位置，快速找到所需。

3)三維場(chǎng)景進(jìn)行應(yīng)急演練。建立油田群和電力系統(tǒng)虛擬三維場(chǎng)景，集成電力系統(tǒng)應(yīng)急方案，不同職責(zé)的用戶進(jìn)入虛擬場(chǎng)景后，會(huì)有不同的權(quán)限，根據(jù)應(yīng)急方案的分工和職能進(jìn)行應(yīng)急演練，具有身臨其境的感覺(jué)。

4)遠(yuǎn)程技術(shù)支持。可以通過(guò)三維場(chǎng)景結(jié)合音頻進(jìn)行技術(shù)支持；也可以通過(guò)實(shí)時(shí)視頻進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持。通過(guò)聘請(qǐng)技術(shù)專家或相關(guān)專業(yè)人士，遠(yuǎn)程進(jìn)行技術(shù)支持，快速解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

海上油田電力虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)見圖1。

圖1 電力虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)架

以油氣田群平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)和電力系統(tǒng)全部設(shè)備的三維模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行二、三維資料的關(guān)聯(lián)，集成EMS系統(tǒng)中的電力系統(tǒng)運(yùn)行、負(fù)載以及調(diào)度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)中以單獨(dú)的界面進(jìn)行顯示，整合電力系統(tǒng)應(yīng)急計(jì)劃，以真實(shí)的場(chǎng)景進(jìn)行體現(xiàn)應(yīng)急計(jì)劃和方案的執(zhí)行，鍛煉應(yīng)急隊(duì)伍。

海上油田電力虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和多系統(tǒng)集成技術(shù)，滿足電力系統(tǒng)操作票模擬及二、三維資料管理，應(yīng)急演練和遠(yuǎn)程技術(shù)支持等功能需求，為大作業(yè)區(qū)電網(wǎng)建設(shè)和深化應(yīng)用提供擴(kuò)展空間。

海上油田電力虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖2。

圖2 電力虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

系統(tǒng)構(gòu)建在海油局域網(wǎng)內(nèi)，服務(wù)器可以放置在局域網(wǎng)機(jī)房?jī)?nèi)，通過(guò)普通終端或無(wú)線終端訪問(wèn)系統(tǒng)。

3 功能設(shè)計(jì)

海上油氣田電力虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包括三維場(chǎng)景模擬、電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、電力系統(tǒng)資料管理、操作票模擬、應(yīng)急演練和接口管理等功能模塊。系統(tǒng)建成后利用虛擬現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境，能夠?qū)崟r(shí)顯示油田群電網(wǎng)運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)模擬電力系統(tǒng)操作票操作、應(yīng)急演練等功能。

3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景

根據(jù)油氣田資料精確制作油氣田電力設(shè)備三維模型，主要是平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)、MCC和EMCC等電氣設(shè)備。三維場(chǎng)景要真實(shí)展現(xiàn)平臺(tái)設(shè)備的情況，需要細(xì)化到配電盤上的按鈕、指示盤，以及配電盤內(nèi)的斷路器和開關(guān)，力爭(zhēng)做到與現(xiàn)場(chǎng)一致。

在三維場(chǎng)景內(nèi)，可以根據(jù)需要在場(chǎng)景里漫游、定義相機(jī)、放大、縮小，測(cè)量長(zhǎng)度、面積等操作。

在三維場(chǎng)景中，點(diǎn)擊或觸摸相應(yīng)的海上平臺(tái)，在顯示三維模型的同時(shí)，還能夠顯示該平臺(tái)的主要電氣設(shè)備運(yùn)行狀況，比如：運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行功率等。見圖3。

圖3 電力虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)三維場(chǎng)景示意

3.2 電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控

電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊界面見圖4。

圖4 電力虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主界面

通過(guò)系統(tǒng)主界面顯示油氣田具體位置，用不同顏色和不同類型的線條分別表示海底電纜、海底油氣混輸管和注水管等設(shè)備。

通過(guò)與EMS系統(tǒng)集成，顯示油氣田的電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況。包括電纜基本屬性以及電流、電壓、頻率等參數(shù)信息，顯示電流流向，并能顯示電力系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀況。

通過(guò)與EMS系統(tǒng)進(jìn)行集成，獲得發(fā)電機(jī)組、電力調(diào)度、電網(wǎng)運(yùn)行關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)中進(jìn)行顯示，見圖5。

圖5 電力系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)示意

3.3 電力設(shè)備資料管理

在三維場(chǎng)景內(nèi)，選擇電力設(shè)備三維模型，會(huì)提示是否查看相應(yīng)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)、設(shè)備圖紙、廠家資料等。進(jìn)入設(shè)備參數(shù)、圖紙、廠家資料等頁(yè)面后，可以進(jìn)行模糊查詢和通過(guò)樹狀結(jié)構(gòu)目錄進(jìn)行查找，可以分別按照系統(tǒng)和設(shè)備類型進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)三維到二維的轉(zhuǎn)換。同時(shí)也可以根據(jù)相應(yīng)設(shè)備資料查詢結(jié)果，返回到三維場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)二維到三維轉(zhuǎn)換。

3.4 操作票模擬

電力操作票模擬集合了三維虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景、三維化的單線圖和操作票內(nèi)容，根據(jù)操作票內(nèi)容按次序在三維虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中進(jìn)行檢查和操作，并在三維化的單線圖中顯示操作結(jié)果。電力操作票模塊內(nèi)嵌了整個(gè)電力系統(tǒng)邏輯，在操作的過(guò)程中，能夠進(jìn)行自動(dòng)檢查錯(cuò)誤，并主動(dòng)提示，將風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

在三維場(chǎng)景中按照操作票進(jìn)行操作，通過(guò)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊或觸摸控制面板上的按鈕、觀察儀表讀數(shù)、確認(rèn)指示燈狀態(tài)，每操作一步就會(huì)在操作票中進(jìn)行標(biāo)注，在三維單線圖中顯示實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)。

系統(tǒng)能支持多畫面顯示，也可在一個(gè)屏幕上進(jìn)行顯示。實(shí)際操作過(guò)程中一人對(duì)照操作票下指令，一人根據(jù)控制面板上的讀數(shù)進(jìn)行操作，一人查看三維單線圖上的系統(tǒng)狀態(tài)。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，模擬現(xiàn)場(chǎng)操作過(guò)程和電氣重要元器件的動(dòng)作狀態(tài)，并能夠顯示操作時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀態(tài)，比如：抽屜柜、指示燈、儀表盤等。

電力操作票模擬模塊分成培訓(xùn)和考核兩種模式。培訓(xùn)模式用于電力系統(tǒng)操作人員對(duì)系統(tǒng)的培訓(xùn)和模擬，考核模式是根據(jù)對(duì)電力系統(tǒng)操作人員的要求進(jìn)行考評(píng)和打分。

3.5 EMS系統(tǒng)集成

為了能在電力虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)顯示電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，需要與EMS系統(tǒng)進(jìn)行集成，需要將EMS系統(tǒng)中的電壓、電流、頻率等數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M顯示系統(tǒng)中，為了能夠達(dá)到實(shí)時(shí)的效果，系統(tǒng)延時(shí)應(yīng)在30 ms左右。

3.6 電力系統(tǒng)應(yīng)急演練

將油田電力系統(tǒng)應(yīng)急方案集成到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，并與三維場(chǎng)景有機(jī)結(jié)合。通過(guò)建立的不同的應(yīng)急方案進(jìn)行應(yīng)急路線的指定、人員的分配，并能自動(dòng)生成不同的響應(yīng)方案。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景的真實(shí)性，應(yīng)急隊(duì)員無(wú)論是否身在現(xiàn)場(chǎng)，都可以進(jìn)行應(yīng)急演練，根據(jù)指揮人員的命令進(jìn)行操作和行動(dòng)，并隨時(shí)向指揮人員匯報(bào)應(yīng)急情況變化。當(dāng)應(yīng)急演練完成后，所有在系統(tǒng)中的操作都會(huì)有記錄，并根據(jù)系統(tǒng)中已經(jīng)存儲(chǔ)的案例進(jìn)行對(duì)比分析，幫助組織者找到差距，以達(dá)到演練目的。

3.7 遠(yuǎn)程技術(shù)支持

海上油氣田電力虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)預(yù)留與視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成接口，為今后實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程技術(shù)支持成為可能。遠(yuǎn)程技術(shù)支持以真實(shí)三維場(chǎng)景為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，技術(shù)專家可遠(yuǎn)程解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

1)電力操作票操作真實(shí)可靠。在三維場(chǎng)景中按照操作票進(jìn)行操作，通過(guò)控制面板上的按鈕、觀察儀表讀數(shù)、確認(rèn)指示燈狀態(tài)，每操作一步就會(huì)在操作票中進(jìn)行標(biāo)注，在三維單線圖中顯示實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)。

系統(tǒng)支持多畫面顯示，實(shí)際操作過(guò)程中一人對(duì)照操作票下指令，一人根據(jù)控制面板上的讀數(shù)進(jìn)行操作，邊操作邊查看三維單線圖上的系統(tǒng)狀態(tài)，確保操作準(zhǔn)確可靠。

2)系統(tǒng)配置及數(shù)據(jù)監(jiān)視功能。系統(tǒng)配置模塊能夠?qū)ο到y(tǒng)參數(shù)進(jìn)行配置，包括應(yīng)用程序配置和集成配置。應(yīng)用程序配置是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序靈活性的一個(gè)有效手段。通過(guò)配置文件實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用程序參數(shù)、操作習(xí)慣等進(jìn)行配置。

數(shù)據(jù)監(jiān)視的主要任務(wù)是為了保證電力虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與EMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)保持一致，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸中的錯(cuò)誤，并及時(shí)改正。

系統(tǒng)配置模塊和數(shù)據(jù)監(jiān)視模塊能夠提高系統(tǒng)擴(kuò)展適應(yīng)性和運(yùn)行穩(wěn)定性，完全從以實(shí)用性為基礎(chǔ)考慮，讓系統(tǒng)有更長(zhǎng)的生命力。

5 結(jié)論

海上油氣田電力虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的管理和操作提供一個(gè)安全、可靠的工具。能讓油氣田的管理者直觀地了解電力系

統(tǒng)的工作狀態(tài)，參與應(yīng)急演練，并遠(yuǎn)程解決現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題。能夠幫助現(xiàn)場(chǎng)操作人員在虛擬的場(chǎng)景中進(jìn)行模擬操作，提高工作技能，減少現(xiàn)場(chǎng)操作失誤，以免影響安全生產(chǎn)，甚至造成安全事故。

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