基于虛擬現實技術的變電站遠程監測與控制

李 偉,耿光超,任志強,楊紅霞

1.國網浙江省電力有限公司培訓中心,浙江 杭州 310015

2.浙江大學電氣工程學院,浙江 杭州 310027

近些年，虛擬現實[1]（VR）、增強現實[2]（AR）技術和設備（例如谷歌眼鏡[3]等）利用上下文信息增強了用戶的真實世界視野，引起了社會的廣泛關注。雖然這些技術存在一些限制，但這些技術將特定領域的可視化從計算機屏幕移向現實世界，有望應用于諸多領域，如設備日常維護等。

目前，以自動化VR 應用較多。如文獻[4]提出約束SLAM（同時定位與映射）框架，用于3D物體的實時增強，并對工業自動化現場作業員的培訓建立原型應用。文獻[5]嘗試利用AR 和觸感技術對感官驅動的行為（如車輛駕駛）進行增強，從而技術控制的感官增強可以影響人類感知并改善動作執行，但這取決于特定目標人群和增強程度，且可能會產生負面影響，如向用戶提供過量信息。

大部分AR/VR 應用并不專注于特定行業，而是探索數據可視化的通用解決方案。但每個應用領域都會帶來包含特定的先決條件的新要求。關于AR 在工業中的應用方面，文獻[6]分析了VR 在工業機器人仿真和制造方面的應用，并對機器人導航規避進行研究分析。文獻[7]認為虛擬3D 可視化適用于制造系統建模，且此類系統通常用于監控和維護，因此可歸類于SCADA 系統。文獻[8]將增強現實技術引入水利水電工程施工仿真中，提出了基于增強現實的心墻堆石壩施工過程可視化仿真方法，該方法主要解決通過視頻監控獲取的三維場景信息與虛擬物體疊加，以解決傳統可視化仿真中地形模型占用過多資源的問題。與之類似還有文獻[9]提出的增強現實的堆石壩工程三維可視化。通過建立了功能AR 或VR 監測應用，利用了靜態相機、AR 標記、開源計算機視覺庫等，很多案列說明這些可以增強傳統SCADA 的功能。

本文提出了過程相關SCADA 數據的可視化方法，使用了VR 可視化技術，可以促進變電站中以人為中心的活動，例如設備日常維護等。為了驗證所提方法，本文還開發了VR 應用，借助VR標記在相應的變電站設備上顯示SCADA 數據，證明了所提可視化方法的獨創性和功效。考慮到軟實時數據傳輸限制，需要適時刷新可視化SCADA 數據。本文對提出的方案進行了全面測試，證明提出的方法論適用于現實變電站。

1 工業系統的虛擬現實和IEC 61850 標準

IEC 61850[10]常被視為電力企業的遠程控制協議，其不僅僅是現場儀器信息檢索的規則和編碼，而且確定了在不同供應商設備之間實施通信和語義互操作性的自動化架構條件。

1.1 IEC 61850 標準

1.1.1 數據模型IEC 61850 提供了與電力企業子系統中的設備功能緊密相連的數據語義。IEC 61850定義的數據模型使用相關過程自動化數據的面向對象的建模。其數據模型分類之間的聯系如圖1 所示。通過最上層的父類、服務器（Server）來表示物理設備（即設備控制器）。Server 包含一個或多個邏輯設備（LD），LD 是用于自動化系統的控制、保護和監視設備的虛擬表示。邏輯節點（LN）表示不同設備功能，多個LN 匯聚在一起構成一個LD。LN 是IEC 61850 數據語義的重要組成部分。

圖1 IEC 61850 數據類模型示意圖Fig.1 Schematic chart of IEC61850 data model

1.1.2 數據交換與管理IEC 61850 提出了描述電力企業（變電站）的子系統中數據交換過程的新范式，即，抽象通信服務接口（ACSI）[11]。ACSI 模型分類定義了IEC 61850 設備所使用的水平和垂直通信抽象信息服務。任何IEC 61850 客戶端軟件都可以利用ACSI 模型類，作為IEC 61850 服務器啟用設備的標準化接口，從而完全利用其遠程控制。

基于系統配置描述語言（SCL）[12]格式化的XML 文檔的交換，是IEC 61850 系統工程的基礎。通信系統和電網拓撲是預定義的，而基于SCL 文檔交換的工程過程則具有一定的靜態型，常用于變電站自動化系統。

1.2 工業系統的虛擬現實

VR是利用虛擬元素在視覺上改變現實世界環境的科學技術。為了將VR更好地應用于能源工業，需要對VR 及其能力進行全面分析。VR 的主要特征為：

1）通過利用跟蹤系統，可以跟蹤用戶的視圖和位置；

2）將虛擬物體放置在現實世界視圖中；

3）放置在現實世界的虛擬物體具有正確位置、方向和尺度；

4）可以實時呈現虛擬物體和現實世界視圖。

在變電站自動化環境中，計算機的主要任務是控制和監視過程，因此，有必要使用先進的可視化技術。其中展示的信息量相當大，且隨著系統規模和復雜度的增加，信息量也將隨時間推移而不斷增長。必須僅展示相關信息，從而減少額外數據對操作人員造成的不必要負擔。

控制計算機在計算機屏幕上顯示過程數據，并使用傳統的輸入機制，例如鍵盤或觸摸屏。典型程序中，通常要求操作員通過機器的安全玻璃來觀察過程，同時操作計算機來控制過程并接收自動化反饋。此類工作流程的問題在于，當操作員需要在觀察計算機屏幕以保持跟蹤自動化數值的同時，還需要在視覺上進行過程觀察時，會造成操作員注意力分散。在機器旁邊放置顯示器可以緩解該問題，但此類程序本質上將過程與其自動化數據相分離。

本文旨在提供無縫解決方案，利用VR 技術的特征，將自動化數據集成到安全玻璃之外的工作區。VR 技術使計算機生成的交互式虛擬對象可以與現實物理環境（包括工業環境）相結合，適用于即時注意力要求很高的工業機器。

研究人員針對特定場景開發了多種類型的VR 標記，其中二維矩陣條形（QR）碼最常用。

一個QR 碼可以編碼最多7089 個數字和4296 個字母數字字符，且可以通過智能手機或PC 應用的攝像頭訪問來簡單讀取，優于其他需要特定掃描儀進行解碼的2D 條形碼。

另一個較為復雜的選擇是Vuforia 庫中的可用標記[13]。Vuforia 中存在一些不同的標記類型，主要為幀標記、圖像目標和Vumarks。本文第一個VR 應用原型在Vuforia 幀標記內使用了QR 碼。QR碼標記如圖2 所示，QR 碼最重要的部分為三個大方格，其中包含帶白色邊框的較小黑色方格，位于QR 碼的三個角，用于確定條碼的位置。幾乎所有VR 標記（包括Vuforia 幀標記）均不編碼數據，因此需要對其進行預注冊。這意味著需要預先決定每個標記的功能。在標記內進行數據編碼能夠免除該步驟，因此，使用QR 碼優于使用其他標記。但QR 碼的問題在于檢測過慢。為此，本文將QR碼置于可快速檢測的Vuforia 幀標記內，如圖3 所示。該形式的另一個優點是能夠在在條碼被損壞或丟失的情況下重建條碼，這一點至關重要，因為相機掃描時鏡頭位置并不完美，會丟失一部分代碼。

圖2 QR 標記和解碼特征說明Fig.2 Direction of QR mark and decode characteristics

圖3 兩種標記融合Fig.3 Integration of two marks

2 應用與分析

本文開發的IEC 61850 虛擬現實應用使用了垂直IEC 61850 通信，同時利用SCL 數據工程和VR標記編碼來識別符合IEC 61850 數據語義規則的變電站自動化設備的組件。其應用框架如4 所示。

圖4 虛擬現實IEC 61850 應用架構Fig.4 Framework of virtual reality IEC61850

2.1 具體實施過程

應用實施包含以下步驟。首先，變電站自動化環境中包含各種設備和一些連接到中央SCADA系統的IED。SCADA 系統通過垂直IEC 61850 通信從IEC 中實時獲取數據，這是VR 應用實施的最關鍵的先決條件。

需要打印標記（圖8 給出了帶IEC 61850 編碼數據的Vumark 的樣例）并置于變電站設備上，以利用與該設備部分相關的過程數據的VR 可視化。標記中編碼了相應的IEC 61850 標識符。標識符對應于其所放置的變電站設備的過程數據。其次，需要帶攝像頭的便攜設備，其中預裝了VR 應用。第三，變電站環境需要通過WiFi 接入內部網絡，需要連接商用SCADA 系統。通過SCADA 制造商提供的API 接口完成SCADA 集成。

一般，可以利用帶攝像頭的設備對變電站環境進行掃描。該應用使用Vuforia 庫的一個實例來處理來自相機的每幀圖像。一旦在幀中檢測到標記，Vuforia 庫也開始處理VuMark，并對VuMark 中編碼的字符串數據進行解碼。該數據為IEC 61850 過程數據路徑，描述與相應設備部分相關的過程數據路徑。現在，應用程序知道了需要在標記的視圖上覆蓋那些信息，但還需要獲取SCADA 信息。其后，通過Wifi 連接到SCADA 系統，一旦成功連接，應用就向SCADA 系統獲取與過程數據路徑相關的所有信息。然后，SCADA 系統與IED 進行通信，并向相應設備請求所需信息。一旦IED 發送數據，則SCADA 系統通過Wifi 將數據轉發至VR 應用。應用保持與SCADA 系統的連接，并通過發送對所需數據所做更改的實時更新來完成任務。每當過程數據路徑的相關信息發生變化時，SCADA 系統就會通知VR 應用，VR 應用則顯示更新該變化。由此實現了變電站IEC 61850 數據的實時顯示。

變電站環境中的任何設備均可依此方式進行建模，并可以在視覺上突出顯示重要部分和額外信息。在進行設備維護時，可以在設備上突出顯示核心元件并加入IEC 61850 實時數據。在設備檢查過程中，操作員可以快速瀏覽所需信息。還可以特定維護程序或學習過程中添加動畫。舉例來說，不熟練的操作員需要通過學習來掌握變電站環境中的不同設備的處理方法。可以使用動畫模型加快培訓過程，提高學習效果。

2.2 原型評價

本文還開發了變電站的詳細模型，每當攝像頭發現具有特定編碼的標記時，就會顯示該模型。該模型如圖5 所示。在模型展示后，用戶可進行放大、縮小或旋轉操作，以得到更好的變電站視圖。該模型中也添加了IEC 61850 實時信息，并突出顯示與數據語義相關的設備部分。該特征用于對變電站某些部分進行監視和微管理，還可被用于遠程控制整個變電站。

本文在現實世界變電站中實施了所提應用原型，以評價所提方案。結果表明，雖然與結合了Vuforia 幀標記的Vumarks 相比速度較慢，但帶即時解碼結果和QR 碼的Vumarks 是IEC 61850 數據語義標記的最佳選擇。隨著應用程序的版本迭代，對IEC 61850 實時數據的使用也將發生變化，從數據文本展示變為使用帶注釋數據的圖形模型。利用IEC 61850數據語義，可以從變電站內的SCADA系統獲取任何所需信息。

圖5 包含多個變壓器的變電站VR 模型Fig.5 VR model of transformers in the substation

圖6 應答測試結果Fig.6 Answer test results

2.3 原型評價虛擬現實與實時通信

實時計算描述了受“實時約束”的硬件和軟件系統，例如從時間到系統響應。實施程序必須保證在特定時間約束內的應答[13]。

在本文測試中，測量VR 應用原型接收到SCADA 系統中數據變化更新所需的時間。測試中進行了兩個實驗：第一個實驗是在100 MB 本地虛擬專用網（VPN）上傳遞數據時的SCADA 應答時間，第二個實驗是使用4G 移動互聯網作為網絡中介傳遞數據時的SCADA 應答時間。兩個實驗中，均通過1000 次的數據實例更改來測量SCADA 變化的應答時間。其測試結果如圖6 所示。圖6 的結果符合預期，本地VPN 的速度比4G 移動互聯網快得多，且峰值的發生頻率遠低于互聯網。本地VPN的最差響應時長為169 ms，最優響應時長約為34 ms，這意味著在物理變化發生后，始終能夠在34 ms至169 ms 之間接收到變化信息。互聯網的最差和最優響應時間分別為478 ms 和69 ms。從兩種場景的比較中可知，4G 移動互聯網的應答時間可能是本地網絡的2 倍，這是因為4G 移動網絡具有不可控性。近似圖比較表明，本地VPN 響應時間平均約為92 ms，4G 移動互聯網響應時間則約為136 ms。

實驗結果顯示，使用本地VPN 時，在1000 個查詢中，652 個查詢在50 ms 至100 ms 之間完成，287 個查詢耗時100 ms 至150 ms 之間，僅10 個查詢耗時150 ms 至200 ms。而在4G 移動網絡上，僅52 個查詢耗時在50 ms 至100 ms 之間，663 個查詢耗時100 ms 至150 ms，252 個查詢耗時160 ms至200 ms，27 個查詢耗時200 ms 至250 ms，1 個查詢耗時250 ms 至300 ms，1 個查詢耗時300 ms至350 ms，最差的3 個查詢耗時450 ms 至500 ms。

圖7 給出了響應時間測試圖。頂部框圖表示互聯網響應時間的四分位數，底部框圖表示本地VPN 網絡的四分位數。黃色垂直線表示中位值。從中可發現，VPN網絡和4G 移動網絡的應答時間的中位值分別為92 ms和136 ms。本地VPN 響應時間的下四分位數為70 ms，而上四分位數則為101 ms。4G 移動互聯網的響應時間的下四分位數和上四分位數分別為112 ms 和154 ms。結果表明，本地VPN 網絡的響應時間中，50%在70 ms和101 ms 之間，而4G 移動互聯網的響應時間中，50%在112 ms 和154 ms 之間。

3 結論

圖7 兩種SCADA 響應時間測試結果圖Fig.7 Test results of two SCDA answer times

本文提出了過程相關SCADA 數據可視化的方法，以虛擬現實和促進電力系統變電站中的監視、控制和以人為中心的維護活動。所提解決方案使用VR 可視化技術以及IEC 61850 定義的標準通信。該應用支持相關地點的自動化數據的可視化，通過結合基于標準的通信提取實時SCADA 信息，并展示在相應設備附近，還支持使用完整3D 設備模型以及動畫小部件，以加速與用戶的交互。在本地虛擬專用網（VPN）和4G 移動互聯網上獲取數據的平均響應時間分別為92 ms 和136 ms。未來，本文將開發促進變電站環境中維護活動的軟件平臺，通過提供自適應工作流程序來提升用戶滿意度。