AR技術在電力系統中的應用及其在新能源監測方面的應用前景

王佳寧，紀 秀，徐佳鈺

（1.長春工業大學 電氣與電子工程學院，吉林 長春 130012；2.長春工程學院 電氣與信息工程學院，吉林 長春 130012；3.智能配電網測控與安全運行國家地方聯合工程研究中心，吉林 長春 130012）

0 引 言

增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）理念可以追溯到1968年哈佛大學伊萬·薩瑟蘭（Ivan Sutherland）研發的頭戴式顯示設備“達摩克利斯之劍”[1]。其后，1992年，Tom Caudell和David Mizell第一次提出了“增強現實”這個名詞，從而誕生了AR。此后，1994年出現了AR技術的首次表演；1997年，給AR技術確定了準確的定義；1998年，AR技術被第1次應用于現場直播；2年后出現了首款增強現實游戲；2009年，AR技術第一次被使用在平面媒體雜志中。自2012年開始，增強現實技術進入第二次發展熱潮，如谷歌AR眼鏡開售、AR成功進入兒童教育玩具產業、現象級AR手游Pokémon GO誕生、蘋果公司打造最大AR開發平臺并帶來全新的AR組件ARkit等。現在增強現實技術已被應用在很多領域，主要包括醫療領域、軍事領域、教育領域、游戲領域、旅游領域和建設規劃領域等（見圖1），并且具有很大的實用性。

圖1 AR技術的應用

電力行業發展到今天已成為社會發展不可或缺的重要資源，對于人們的正常生活以及工業、軍事、醫療、建設等領域發展有著極為重要的意義。所以，電力系統及其安全穩定運行在推進國民經濟發展和提高人們生活質量方面具有至關重要的作用。而AR技術和電力系統的結合，將在一定程度上提高電力系統的穩定性和電網工作人員的安全性。

1 AR技術的概念和基本工作原理

AR技術是一種將虛擬信息與真實世界巧妙融合，廣泛運用多媒體、三維建模、實時跟蹤及注冊、智能交互和傳感等多種技術手段，將計算機生成的文字、圖像、三維模型、音樂和視頻等虛擬信息模擬仿真后，應用于真實世界，使得兩種信息互為補充，從而實現對真實世界的“增強”的技術[2]。

AR技術的實現原理如圖2所示，可以清楚地看到各部分組成及其最終顯示的一系列過程。當然，目前AR技術仍有待完善，如幾何一致性、光照一致性及時間一致性問題。

圖2 AR技術原理

在增強現實系統的應用中，最為關鍵的3大技術可總結為三維跟蹤注冊、虛實融合及實時人機交互。三維跟蹤注冊是指將虛擬物體正確放置在現實場景的三維坐標中，獲取指定時間下虛擬物體的二維投影，使虛擬物體與現實世界融合一致。現有的三維跟蹤注冊方法一般分為有標識和無標識兩種[3]。虛實融合技術致力于如何有效增強參與者、真實環境和虛擬環境三者之間的無縫融合，最終達到自然逼真的和諧人機交互，是當前研究的前沿共性技術。而人機交互技術作為連接操作人員與電腦的樞紐同樣非常重要。AR交互是指將使用者的操作指令傳入計算機，再將經過處理的結果通過顯示設備呈現到使用者所佩戴的設備上。

2 AR技術在電力系統中的應用

電力工業發展到今天，已經融入社會生產生活的各個方面，如工業、軍事、科研、醫療等領域失去電力支撐將瞬間癱瘓。電力系統的業務極其繁雜，工作環境存在危險系數，因此保障電力系統安全穩定十分重要。實質上，增強現實可交叉應用于電力復雜業務流程的多個環節，從而進一步保障電力系統各個環節的穩定和安全（見圖3）。

圖3 AR技術電力系統中的應用

2.1 AR技術在電力系統培訓中的應用

目前，AR技術在電力系統的應用中，增強現實培訓系統的研究占了很大的比重。目前，國內外大多數研究中介紹了用于電力系統變電站操作員培訓的虛擬現實環境的體系結構和開發[4]，為用戶提供了一個基于AR的培訓系統。隨著微軟Hololens的發布[5]，這種系統濃縮為一個眼鏡。用戶帶上戴上AR眼鏡后，系統就會識別現場的電力設備，并通過虛擬標簽進行提示，用戶可以根據系統的提示進行每一道流程并與其互動[6]，所有操作都會由系統進行詳細的講解及教授。員工操作失誤后，系統在畫面上發射出電流并伴隨著電流聲，以獨特的畫面警示用戶，加深其操作印象，提高其安全意識。基于AR技術的電力系統培訓在很大程度上解決了電力實操演練中高危險、高成本、不可見等阻礙安全意識和安全技能提升的問題[7]。

電力系統中的變電站作為一種高壓設備存在較高的危險性，但是其是電網不可或缺的一部分，傳統模式下變電站維修過程中發生過一些意外事故，意外原因包括操作失誤、設備老舊等，但更為嚴峻的問題是變電站維修作業過程中人為操作不當[8]。所以，變電站AR培訓顯得尤為重要。在系統中，電工可以安全地進行維護和應急演習[9-13]，從而進一步減少人為操作造成的事故。

2.2 AR技術在變電站運維和管理中的應用

變電站運維的日常工作主要包含運維、倒閘、設備巡視以及設備定期試驗輪換等工作，充滿了復雜性和危險性。在“電網+互聯網”的發展趨勢下，AR技術在變電站設備運維中具有更大的利用空間[14]。因此，將AR技術應用于變電站運維和管理，以簡化工作、減輕危險非常重要。AR技術在變電站運維和管理中的應用體現在很多方面，包括運維過程實時監控[15]、變電站運維實時控制[16]、變電站倒閘及其培訓工作[17]等。

基于AR的變電運維系統使用增強現實技術結合電力系統提供的大量輔助參數，引導現場執行任務的人員更加安全可靠地完成運維管理工作[18]。部分系統提供了實時控制功能[19]，系統中每個虛擬變電站都與一家真正的電力公司的監控、數據采集和控制中心集成在一起。使用的員工可以實時操作，還能使用變電站的不同設備。這就為工作人員繁雜的變電站運維工作提供了一個減輕負擔的方法，不僅能更加高效地完成工作，而且遠程控制可以保證人員安全。

2.3 AR技術在電力系統可視化方面的應用

電力系統極其龐大且錯綜復雜，運行過程中會產生大規模的數據，而電力系統可視化技術正是把這些規模龐大且種類復雜的數據整理成更加清楚、直觀、易于理解的形式并顯示出來的過程。通過觀察這些可視化的數據，工作人員能高效、有針對性地解決電力系統運行中發生的各種問題。電力系統可視化技術為電力系統的設計、處理、分析和檢測提供了一種非常適宜的工具。AR技術的出現更是為電力系統可視化開辟了一個新的發展方向。當前，AR電力系統可視化是將來自電力系統數據庫的數據和變電站的真實圖像與全景增強環境的應用程序相連接，以將信息顯示的方式擴展到支持數據解釋、監視和操縱的電力系統運營商[19]，從而實現可視化。然而，目前傳統參數可視化方法的可視網絡參數種類少，因此完善可視網絡參數較為重要，以增強操作人員對網絡參數的網絡運行狀態的掌控能力，減小電力事故發生的可能性[20]。

此外，大多數變電站通過使用監督控制和數據采集（SCADA）應用程序進行遠程監視和控制。通過使用標準化通信協議，當前的SCADA系統得到了顯著增強，其中最突出的是IEC 61850國際標準。這些增強功能可以改善SCADA系統的不同領域，如通信工程、數據管理及SCADA應用程序中自動化過程數據的可視化。過程數據可視化通常是通過變電站控制中心的人機界面（HMI）屏幕實現的。但是，這種可視化方法有時會使控制和維護程序變慢且易出錯[21-22]。將IEC 61850的功能與增強現實技術相結合，可以增強和促進變電站中以人為中心的活動，并為變電站自動化領域提供增值可視化功能，有效地解決了出現的問題。

2.4 AR技術在電力系統其他領域的應用

AR技術除了應用于上述電力系統的各個方面之外，還可應用于其他方面，如電力系統故障源標識、二次設備定值修改、智能巡檢[23-27]等。基于AR電力系統云平臺和配電網的帶電作業機器人的出現，更是進一步實現了電網運行智能化[28-29]，包括設備檢查、緊急修復、設備維護和電力線路巡檢等操作。

3 AR技術在新能源監測方面的應用前景

隨著電力科技的進步，社會的發展日新月異，人們對于電能質量的要求也越來越高。傳統的電能主要來源于火力發電，然而火力發電污染性大，對于環境保護是一個巨大的挑戰。煤炭能源的儲量是有限的，不可能無節制消耗，所以新能源發電技術得到了廣泛應用。新能源發電以可再生能源為基礎，而且對環境的污染極小[30]，但是應用過程中存在一些難題。新能源發電不僅受到地理條件的限制，而且并網時會對電力系統造成一定的沖擊，影響電網的電壓偏差、電網頻率、電網諧波等，進而影響電網正常運行[31]，而且存在新能源轉化效率低和浪費嚴重問題。例如，我國風力發電規模居世界首位，有效利用時間卻低于世界平均水平[32]。由此可見，新能源監測對于電網平穩運行極為重要和必要。

目前，針對新能源的數據監測和信息共享平臺建設相對滯后。國內外對區域范圍內多個分布式發電項目在線監測分析的研究還處于起步階段，所開發的系統或平臺多偏重數據采集，忽視數據分析。發電項目在線監測和管理系統多是針對單個發電站進行監測，監測對象單一。本文介紹的AR技術與新能源監測技術結合，預計能在一定程度上解決部分問題。基于AR的新能源監測系統應用的技術應側重于AR技術加新能源互聯網[33]，實現新能源監測數據可視化，從而為電網安全可靠運行保駕護航。

4 結 論

近幾年，AR技術的發展再度掀起了高潮，并成功應用到了很多領域。電力系統是關乎國計民生的關鍵一環，與AR結合應用更是“強強聯合”，有效提高了電力系統培訓效率，對于員工來說更是達到了知行合一的目的，增加了電力系統運維工作的安全性，并能實現電力系統的可視化，進而進一步保護電力系統安全可靠運行。而作為電力系統“新起之秀”的新能源發電技術，如果實現與增強現實技術的進一步結合，必將產生更大的效益。可以預見，增強現實技術與電力系統的結合必將擁有更廣闊的應用前景。