基于VR技術的變電站二次回路在線監測方法研究

張志超 劉守瑞 周永強 高翔

摘 要：針對傳統的變電站二次回路監測方法存在實時性差、監測過程準確率低的問題，設計了一種基于VR技術的變電站二次回路在線監測方法。首先，利用VR技術模擬變電站實際情況，對環境信息進行三維采集，建立相應的虛擬環境模型，根據其中的各主要狀態參量實現變電站監測信息融合;在此基礎上，建立回路狀態判斷指標，對變電站二次回路狀態進行判定，得到變電站二次回路安全等級信息。將其與警戒值進行對比，若等級信息超出警戒值，則代表回路中存在故障，需及時處理或檢查，若等級信息小于該警戒值則代表回路狀態安全，由此實現基于VR技術的變電站二次回路在線監測方法的設計。實驗對比結果表明，該監測方法在監測實時性和準確性兩個方面具有明顯優勢，能夠及時、準確地發現變電站二次回路中的故障問題，為變電站檢修和維護提供支持。

關鍵詞：VR技術;變電站;二次回路;狀態監測;實時性;準確性

Abstract：Aiming at the problems of poor real-time performance and low accuracy in the monitoring process of the traditional substation secondary circuit monitoring method， an online monitoring method of substation secondary circuit based on VR technology is designed. Firstly， VR technology is used to simulate the actual situation of substation， collect the environment information in three dimensions， establish the corresponding virtual environment model， and realize the substation monitoring information fusion according to the main state parameters. On this basis， the circuit state judgment index is established to judge the secondary circuit state of the substation， and the safety level information of the secondary circuit of the substation is obtained. If the level information exceeds the warning value， it means that there is a fault in the circuit， which should be timely processed or checked. If the level information is less than the warning value， it means that the state of the circuit is safe. Therefore， the design of online monitoring method for secondary circuit of substation based on VR technology can be realized. The experimental results show that this monitoring method has obvious advantages in real-time monitoring and accuracy monitoring， and can timely and accurately find the fault problems in the secondary circuit of substation， providing support for substation maintenance and repair.

Key words：VR technology; substation; secondary circuit; condition monitoring; real-time; accuracy

現階段，電力行業的智能化建設水平不斷提升，變電站也逐漸實現智能化控制和管理，使得智能電網的運行安全得到極大保障[1]。當變電站運行過程中出現故障時，其中的二次回路會自動報警，維護變電站的穩定運行。但是由于受現場環境的干擾，二次回路報警功能難以有效區分繼電保護異常和其它異常情況，導致變電站運行故障無法得到及時告警和排除[2]。因此，亟需一種變電站二次回路監測技術，保證變電站運行的安全性和穩定性。為此，相關專家學者對此進行了研究。

文獻[3]中，韓偉等人提出基于短地址關聯數據標識的智能變電站虛回路可視化監測方法，該方法針對變電站二次虛回路中存在的問題，通過在短地址上擴展關聯數據標識和檢索相同的關聯數據實現虛端子與變電站設備的智能關聯，并實時更新關聯數據，實現二次回路數據的實時顯示，通過與導入的SCD文件配置數據相比對，實現對二測回路狀態的監測。然而該方法運行過程復雜，存在監測實時性較差的問題。文獻[4]中，高旭等人提出一種基于綜合評價識別法的智能變電站虛回路在線狀態監測方法，該方法在變電站全過程模塊化管控的基礎上，設計SCD文件圖形化展示模型，采集變電設備的綜合信息。同時利用熵權法和灰色關聯法分析變電站二次虛回路中的故障及其類型，實現對二次回路的智能監測，及時消除故障隱患。文獻[5]中，夏澍等人提出變電站電能表二次回路故障辨識方法，該方法通過分析實際運行數據總結變電站二次回路常見故障類別，結合相量圖推導出在電能表正常狀態與故障狀態下顯示電量間的函數關系，根據電能表故障分析結果和母線平衡報表結果對二次回路進行故障監測和預判。然而上述兩種方法監測數據的有效率低，存在監測準確率性差的問題。

VR技術是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，為使用者提供關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，能夠及時無限制的觀察三維空間內的事物[6]。因此，為解決傳統方法中存在的問題，本研究設計一種基于VR技術的變電站二次回路在線監測方法，從提高監測實時性和準確性的角度出發，首先對變電站的監測信息進行有效融合，在此基礎上對變電站二次回路信息進行風險評價，設置警戒值，若發生故障則實時報警提醒。研究還通過實驗對比結果證明該方法的有效性。

1 變電站監測信息融合

由于變電站中二次回路監測的信息較多，因此，為保證在線監測的準確性，需對變電站監測信息融合。利用VR技術模擬變電站實際情況，對整個變電站環境信息進行三維采集，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型[7]，完成每個設備回路連線和接收壓板等各個元素圖形樣式的繪制，再將各個變電站的二次回路數據連接，生成二次回路展示畫面，根據模擬結果對變電站二次回路監測過程進行前期規劃。如圖1所示為利用VR技術模擬生成的變電站場景。

如表1所示為變電站二次回路監測中的主要狀態參量統計結果。

由于待監測的狀態量較多，因此，需判斷檢測狀態參數的不同特性，因此對變電站的監測信息進行融合。信息融合的屬性與服務如圖2所示。

按照層次化建模的思路，將監測信息中的屬性劃分為四方面，分別為邏輯設備、邏輯節點、數據對象和數據屬性[8]，其層次結構如圖3所示。

③確定通信服務，將上述得到的屬性和服務按照類的形式組織起來，構成確定性的信息交換模型。

在使用信息交換模型時，對每個模塊所要實現的功能進行定義，并對所需的數據類型進行定義，根據定義結果，完成對變電站監測信息的融合。

2 變電站二次回路在線監測

對上述變電站監測信息的融合結果，以變電站基本信息為根據對變電站二次回路狀態評價，變電站狀態信息類別及內容如表2所示。

在此基礎上，對變電站二次回路狀態結果導入SCD文件中并解析，獲取變電站每個裝置的相應參數。分析變電站設備的內部數據與外部數據之間的映射關系[15]，以獲得更完善的監測信息，實現對變電站二次回路的在線監測。

3 實驗對比與分析

為驗證所提的基于VR技術的變電站二次回路在線監測方法的整體有效性，需進行如下仿真測試。

3.1 實驗平臺搭建與實驗內容設計

實驗采用ARM Cortex-M3內核的微處理器構建硬件平臺，包含以太網接口、RS-456接口、采樣值傳輸接口以及GPRS無線傳輸模塊接口、現場采集模塊等。監測系統登錄界面和系統監測界面分別如圖4、圖5所示。

通過上述公式實現采樣值的處理，并采用一款常用的IEC589報文捕獲和解析軟件Edifshark解析實驗結果。

為保證實驗的有效性，將文獻[3]中的基于短地址關聯數據標識的智能變電站虛回路可視化監測方法、文獻[4]中的基于綜合評價識別法的智能變電站虛回路在線狀態監測方法、文獻[5]中的變電站電能表二次回路故障辨識方法作為對比方法，對比四種不同監測方法的實時性和準確性。其中：監測實時性通過監測反應時間來體現，監測準確性通過監測信息召回率體現。

3.2 實驗結果分析

不同監測方法監測反應時間統計結果如表3所示。

分析表3可知，隨著測試過程迭代次數的變化，不同方法的監測反應時間也不斷變化。但利用所提方法進行變電站二次回路監測的反應時間始終保持最少，最多反應用時也僅為7.98×103ms，遠遠少于另外三種監測方法。因此，可證明所提的基于VR技術的變電站二次回路在線監測方法具有較強的實時性，能夠快速對變電站二次回路中的故障做出判斷。這是因為所提方法利用VR技術對變電站實際情況展開模擬，根據真實的三維環境信息和設備主要狀態參量實現監測信息融合，使信息采集過程更便捷、高效，從而提高了監測的實時性。

在監測過程中，監測的準確性可以通過監測信息召回率進行評價。監測信息召回率與監測準確性成反比，監測信息召回率越高，監測準確性越低。不同監測方法的監測信息召回率對比結果如圖6所示。

根據圖6所示結果可知，隨著測試迭代次數的增加，不同方法的監測信息召回率也在隨之變化。當迭代次數較小時，文獻[5]方法的監測信息召回率與本文方法相近，但當迭代次數到300次之后，文獻[5]方法的監測信息召回率呈現上升趨勢，逐漸高于與所提方法。而文獻[3]和文獻[4]方法的監測信息召回率始終都明顯高于所提方法。因此，測試結果可表明所提的基于VR技術的變電站二次回路在線監測方法具有較高的監測準確性。這是因為所提方法在設計科學合理的回路狀態判斷指標的基礎上，根據變電站二次回路狀態的判定結果得到二次回路安全等級信息，并分析變電站設備的內部數據與外部數據之間的映射關系，以獲得更完善的監測信息，再通過與警戒值的對比判斷回路狀態的安全性，從而提高了監測結果的準確性。

綜上所述，所提的基于VR技術的變電站二次回路在線監測方法在監測實時性和準確性兩個方面明顯優于傳統方法，能夠有效提醒工作人員及時處理故障問題，減少變電站故障的發生幾率。

4 結 論

變電站作為輸配電系統的信息源和執行終端，其主要設備的安全可靠運行必須要得到足夠的保障。由于監測數據多、過程復雜，傳統的變電站二次回路監測方法的實時性和準確性差，嚴重影響了變電站的安全運行。為解決這一問題，設計了一種基于VR技術的變電站二次回路在線監測方法，并通過測試對比結果證明了該監測方法的應用優勢。

參考文獻

[1] 陳福鋒， 俞春林， 張堯， 等. 變電站繼電保護就地化整體解決方案研究[J]. 電力自動化設備， 2017，37（10）：204-210.

[2] 熊博， 姜春陽， 周峰，等. 計量用電流互感器二次回路狀態監測終端及應用[J]. 電網與清潔能源， 2017， 33（3）：60-65.

[3] 韓偉，姜帥，馬偉東. 基于短地址關聯數據標識的智能變電站虛回路可視化技術研究及應用[J]. 電力科學與技術學報， 2018， 33（4）：97-103.

[4] 高旭，劉宏君，杜麗艷. 基于綜合評價識別法的智能變電站虛回路在線狀態監測技術研究[J]. 電力系統保護與控制， 2019， 47（3）：188-193.

[5] 夏澍， 徐英成， 王思麒，等. 變電站電能表二次回路故障辨識方法[J]. 電測與儀表， 2017， 54（11）：99-105.

[6] 錢碧甫， 劉主光， 張磊，等. 變電站智能運檢VR可視化輔助平臺的研究[J]. 電氣自動化， 2018， 40（1）：30-32.

[7] 韓偉， 姜帥， 馬偉東， 等. 基于短地址關聯數據標識的智能變電站虛回路可視化技術研究及應用[J]. 電力科學與技術學報， 2018， 33（4）：97-103.

[8] 趙勤學， 楊俊杰， 樓志斌. 智能變電站安全在線監測系統設計[J]. 電測與儀表， 2017， 54（7）：34-40.

[9] 劉琨， 黃明輝， 李一泉，等. 基于狀態信息關聯關系的智能變電站繼電保護在線監測方法[J]. 現代電力， 2017， 34（6）：85-91.

[10]漆燦， 李慶武， 鄭云海，等. 基于智能視覺物聯網的變電站紅外監測系統[J]. 電力系統保護與控制， 2018， 46（15）：135-141.

[11]肖行詮，張金寶，焦一飛. JSInSAR技術在變電站及電力鐵塔形變監測中的應用[J]. 中國電力， 2018， 51（11）：45-52.

[12]徐曉春， 湯同峰， 趙雨田，等. 智能變電站二次設備檢修安措規則數據庫設計與實現[J]. 電力系統保護與控制， 2017， 45（2）：111-116.

[13]鄧科，張海庭，孫振. 智能變電站站控層設備監測系統設計及應用[J]. 電力系統保護與控制， 2018， 46（19）：171-176.

[14]基于檢修態切換的智能變電站保護設備檢修輔助安全措施[J]. 電力系統自動化， 2019， 43（1）：242-247.

[15]李剛， 黃繼東， 倪傳坤，等. 智能變電站就地化保護仿真測試系統設計與探討[J]. 電力系統保護與控制， 2018， 46（17）：161-166.