海上油氣田電力虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)設計

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(中海油能源發(fā)展采油服務公司，天津 300457)

海上油氣田開發(fā)一般離陸地較遠，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，海上油氣田開發(fā)集群化、管網(wǎng)化已經(jīng)成為趨勢，而電力系統(tǒng)也成功實現(xiàn)了并網(wǎng)運行[1]。隨著技術的發(fā)展，電力系統(tǒng)的自動化、信息化水平不斷提高，對供電的穩(wěn)定性和供電質量提出了更高的要求。國內(nèi)一些研究機構對電網(wǎng)三維可視化展示和虛擬現(xiàn)實技術在電力系統(tǒng)仿真、搶修和培訓中做了詳細的探討并應用[2-5]，取得了較好的效果。對于海上油氣田電力系統(tǒng)來說，虛擬現(xiàn)實技術還未成功應用。為此，對虛擬現(xiàn)實技術在電力系統(tǒng)中的應用進行探索研究。

1 系統(tǒng)建設目的

1)電網(wǎng)安全操作。在智能電網(wǎng)應用基礎上，強化電力系統(tǒng)操作人員培訓和考核機制，讓智能電網(wǎng)操作更安全。

2)電力設備資料管理。通過獨特的二、三維轉化技術，把三維的設備模型和二維的設備資料(包括圖紙、照片、廠家資料、操作手冊和維修手冊)關聯(lián)起來，通過三維模型可以查找二維資料，根據(jù)設備資料也可以定位所在位置，快速找到所需。

3)三維場景進行應急演練。建立油田群和電力系統(tǒng)虛擬三維場景，集成電力系統(tǒng)應急方案，不同職責的用戶進入虛擬場景后，會有不同的權限，根據(jù)應急方案的分工和職能進行應急演練，具有身臨其境的感覺。

4)遠程技術支持?？梢酝ㄟ^三維場景結合音頻進行技術支持；也可以通過實時視頻進行現(xiàn)場技術支持。通過聘請技術專家或相關專業(yè)人士，遠程進行技術支持，快速解決現(xiàn)場實際問題。

2 系統(tǒng)架構

海上油田電力虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)技術架構見圖1。

圖1 電力虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)技術構架

以油氣田群平臺的主要結構和電力系統(tǒng)全部設備的三維模型為基礎，進行二、三維資料的關聯(lián)，集成EMS系統(tǒng)中的電力系統(tǒng)運行、負載以及調(diào)度實時數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)中以單獨的界面進行顯示，整合電力系統(tǒng)應急計劃，以真實的場景進行體現(xiàn)應急計劃和方案的執(zhí)行，鍛煉應急隊伍。

海上油田電力虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)采用三維虛擬現(xiàn)實技術和多系統(tǒng)集成技術，滿足電力系統(tǒng)操作票模擬及二、三維資料管理，應急演練和遠程技術支持等功能需求，為大作業(yè)區(qū)電網(wǎng)建設和深化應用提供擴展空間。

海上油田電力虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)采用B/S架構，網(wǎng)絡架構見圖2。

圖2 電力虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)網(wǎng)絡構架

系統(tǒng)構建在海油局域網(wǎng)內(nèi)，服務器可以放置在局域網(wǎng)機房內(nèi)，通過普通終端或無線終端訪問系統(tǒng)。

3 功能設計

海上油氣田電力虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括三維場景模擬、電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、電力系統(tǒng)資料管理、操作票模擬、應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)實三維場景真實模擬現(xiàn)場操作環(huán)境，能夠實時顯示油田群電網(wǎng)運行情況，實現(xiàn)模擬電力系統(tǒng)操作票操作、應急演練等功能。

3.1 虛擬現(xiàn)實場景

根據(jù)油氣田資料精確制作油氣田電力設備三維模型，主要是平臺主體結構、MCC和EMCC等電氣設備。三維場景要真實展現(xiàn)平臺設備的情況，需要細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，力爭做到與現(xiàn)場一致。

在三維場景內(nèi)，可以根據(jù)需要在場景里漫游、定義相機、放大、縮小，測量長度、面積等操作。

在三維場景中，點擊或觸摸相應的海上平臺，在顯示三維模型的同時，還能夠顯示該平臺的主要電氣設備運行狀況，比如：運行狀態(tài)、運行時間、運行功率等。見圖3。

圖3 電力虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)三維場景示意

3.2 電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)監(jiān)控

電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊界面見圖4。

圖4 電力虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主界面

通過系統(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備。

通過與EMS系統(tǒng)集成，顯示油氣田的電力系統(tǒng)運行狀況。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)關鍵設備的運行狀況。

通過與EMS系統(tǒng)進行集成，獲得發(fā)電機組、電力調(diào)度、電網(wǎng)運行關鍵指標數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)中進行顯示，見圖5。

圖5 電力系統(tǒng)關鍵指標示意

3.3 電力設備資料管理

在三維場景內(nèi)，選擇電力設備三維模型，會提示是否查看相應設備的技術參數(shù)、設備圖紙、廠家資料等。進入設備參數(shù)、圖紙、廠家資料等頁面后，可以進行模糊查詢和通過樹狀結構目錄進行查找，可以分別按照系統(tǒng)和設備類型進行，實現(xiàn)三維到二維的轉換。同時也可以根據(jù)相應設備資料查詢結果，返回到三維場景中，實現(xiàn)二維到三維轉換。

3.4 操作票模擬

電力操作票模擬集合了三維虛擬現(xiàn)實場景、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)實場景中進行檢查和操作，并在三維化的單線圖中顯示操作結果。電力操作票模塊內(nèi)嵌了整個電力系統(tǒng)邏輯，在操作的過程中，能夠進行自動檢查錯誤，并主動提示，將風險降到最低。

在三維場景中按照操作票進行操作，通過用鼠標點擊或觸摸控制面板上的按鈕、觀察儀表讀數(shù)、確認指示燈狀態(tài)，每操作一步就會在操作票中進行標注，在三維單線圖中顯示實時的數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)。

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

利用虛擬現(xiàn)實技術，模擬現(xiàn)場操作過程和電氣重要元器件的動作狀態(tài)，并能夠顯示操作時現(xiàn)場的實際狀態(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和考核兩種模式。培訓模式用于電力系統(tǒng)操作人員對系統(tǒng)的培訓和模擬，考核模式是根據(jù)對電力系統(tǒng)操作人員的要求進行考評和打分。

3.5 EMS系統(tǒng)集成

為了能在電力虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中實時顯示電力系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，需要與EMS系統(tǒng)進行集成，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，為了能夠達到實時的效果，系統(tǒng)延時應在30 ms左右。

3.6 電力系統(tǒng)應急演練

將油田電力系統(tǒng)應急方案集成到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，并與三維場景有機結合。通過建立的不同的應急方案進行應急路線的指定、人員的分配，并能自動生成不同的響應方案。

利用虛擬現(xiàn)實三維場景的真實性，應急隊員無論是否身在現(xiàn)場，都可以進行應急演練，根據(jù)指揮人員的命令進行操作和行動，并隨時向指揮人員匯報應急情況變化。當應急演練完成后，所有在系統(tǒng)中的操作都會有記錄，并根據(jù)系統(tǒng)中已經(jīng)存儲的案例進行對比分析，幫助組織者找到差距，以達到演練目的。

3.7 遠程技術支持

海上油氣田電力虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)預留與視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成接口，為今后實現(xiàn)遠程技術支持成為可能。遠程技術支持以真實三維場景為基礎，結合現(xiàn)場實時視頻監(jiān)控，技術專家可遠程解決現(xiàn)場實際問題。

4 系統(tǒng)特點

1)電力操作票操作真實可靠。在三維場景中按照操作票進行操作，通過控制面板上的按鈕、觀察儀表讀數(shù)、確認指示燈狀態(tài)，每操作一步就會在操作票中進行標注，在三維單線圖中顯示實時的數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)。

系統(tǒng)支持多畫面顯示，實際操作過程中一人對照操作票下指令，一人根據(jù)控制面板上的讀數(shù)進行操作，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)配置模塊能夠對系統(tǒng)參數(shù)進行配置，包括應用程序配置和集成配置。應用程序配置是實現(xiàn)應用程序靈活性的一個有效手段。通過配置文件實現(xiàn)對應用程序參數(shù)、操作習慣等進行配置。

數(shù)據(jù)監(jiān)視的主要任務是為了保證電力虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)與EMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)保持一致，數(shù)據(jù)傳輸準確，及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸中的錯誤，并及時改正。

系統(tǒng)配置模塊和數(shù)據(jù)監(jiān)視模塊能夠提高系統(tǒng)擴展適應性和運行穩(wěn)定性，完全從以實用性為基礎考慮，讓系統(tǒng)有更長的生命力。

5 結論

海上油氣田電力虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的設計旨在能夠為電力系統(tǒng)的管理和操作提供一個安全、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)，參與應急演練，并遠程解決現(xiàn)場出現(xiàn)的問題。能夠幫助現(xiàn)場操作人員在虛擬的場景中進行模擬操作，提高工作技能，減少現(xiàn)場操作失誤，以免影響安全生產(chǎn)，甚至造成安全事故。

[1] 陳永強.綏中36-1海上油田群電站并網(wǎng)發(fā)電機控制研究[D].天津:天津大學，2012.

[2] 任元會，卞鎧生，姚家袆.工業(yè)與民用配電設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2005.

[3] 王麗麗，彭 巖，張 亮,等.電網(wǎng)三維可視化展示技術研究[J].科技創(chuàng)新導報，2013,29(7).

[4] 趙鳳芝，俞蓮蓮.基于虛擬現(xiàn)實技術的油田生產(chǎn)仿真系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機系統(tǒng)應用，2006,(11):6-9.

[5] 李天宇，張 揚.虛擬現(xiàn)實技術在電力應急搶修演練中的應用[J].現(xiàn)代計算機，2013,36:71-71.