AR技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及其在新能源監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用前景

王佳寧，紀(jì) 秀，徐佳鈺

（1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.長(zhǎng)春工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；3.智能配電網(wǎng)測(cè)控與安全運(yùn)行國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR）理念可以追溯到1968年哈佛大學(xué)伊萬(wàn)·薩瑟蘭（Ivan Sutherland）研發(fā)的頭戴式顯示設(shè)備“達(dá)摩克利斯之劍”[1]。其后，1992年，Tom Caudell和David Mizell第一次提出了“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”這個(gè)名詞，從而誕生了AR。此后，1994年出現(xiàn)了AR技術(shù)的首次表演；1997年，給AR技術(shù)確定了準(zhǔn)確的定義；1998年，AR技術(shù)被第1次應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)直播；2年后出現(xiàn)了首款增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲；2009年，AR技術(shù)第一次被使用在平面媒體雜志中。自2012年開(kāi)始，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)入第二次發(fā)展熱潮，如谷歌AR眼鏡開(kāi)售、AR成功進(jìn)入兒童教育玩具產(chǎn)業(yè)、現(xiàn)象級(jí)AR手游Pokémon GO誕生、蘋(píng)果公司打造最大AR開(kāi)發(fā)平臺(tái)并帶來(lái)全新的AR組件ARkit等?，F(xiàn)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已被應(yīng)用在很多領(lǐng)域，主要包括醫(yī)療領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、教育領(lǐng)域、游戲領(lǐng)域、旅游領(lǐng)域和建設(shè)規(guī)劃領(lǐng)域等（見(jiàn)圖1），并且具有很大的實(shí)用性。

圖1 AR技術(shù)的應(yīng)用

電力行業(yè)發(fā)展到今天已成為社會(huì)發(fā)展不可或缺的重要資源，對(duì)于人們的正常生活以及工業(yè)、軍事、醫(yī)療、建設(shè)等領(lǐng)域發(fā)展有著極為重要的意義。所以，電力系統(tǒng)及其安全穩(wěn)定運(yùn)行在推進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高人們生活質(zhì)量方面具有至關(guān)重要的作用。而AR技術(shù)和電力系統(tǒng)的結(jié)合，將在一定程度上提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電網(wǎng)工作人員的安全性。

1 AR技術(shù)的概念和基本工作原理

AR技術(shù)是一種將虛擬信息與真實(shí)世界巧妙融合，廣泛運(yùn)用多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)、智能交互和傳感等多種技術(shù)手段，將計(jì)算機(jī)生成的文字、圖像、三維模型、音樂(lè)和視頻等虛擬信息模擬仿真后，應(yīng)用于真實(shí)世界，使得兩種信息互為補(bǔ)充，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界的“增強(qiáng)”的技術(shù)[2]。

AR技術(shù)的實(shí)現(xiàn)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(guò)程。當(dāng)然，目前AR技術(shù)仍有待完善，如幾何一致性、光照一致性及時(shí)間一致性問(wèn)題。

圖2 AR技術(shù)原理

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用中，最為關(guān)鍵的3大技術(shù)可總結(jié)為三維跟蹤注冊(cè)、虛實(shí)融合及實(shí)時(shí)人機(jī)交互。三維跟蹤注冊(cè)是指將虛擬物體正確放置在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的三維坐標(biāo)中，獲取指定時(shí)間下虛擬物體的二維投影，使虛擬物體與現(xiàn)實(shí)世界融合一致?，F(xiàn)有的三維跟蹤注冊(cè)方法一般分為有標(biāo)識(shí)和無(wú)標(biāo)識(shí)兩種[3]。虛實(shí)融合技術(shù)致力于如何有效增強(qiáng)參與者、真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境三者之間的無(wú)縫融合，最終達(dá)到自然逼真的和諧人機(jī)交互，是當(dāng)前研究的前沿共性技術(shù)。而人機(jī)交互技術(shù)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(jì)算機(jī)，再將經(jīng)過(guò)處理的結(jié)果通過(guò)顯示設(shè)備呈現(xiàn)到使用者所佩戴的設(shè)備上。

2 AR技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

電力工業(yè)發(fā)展到今天，已經(jīng)融入社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，如工業(yè)、軍事、科研、醫(yī)療等領(lǐng)域失去電力支撐將瞬間癱瘓。電力系統(tǒng)的業(yè)務(wù)極其繁雜，工作環(huán)境存在危險(xiǎn)系數(shù)，因此保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定十分重要。實(shí)質(zhì)上，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可交叉應(yīng)用于電力復(fù)雜業(yè)務(wù)流程的多個(gè)環(huán)節(jié)，從而進(jìn)一步保障電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的穩(wěn)定和安全（見(jiàn)圖3）。

圖3 AR技術(shù)電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 AR技術(shù)在電力系統(tǒng)培訓(xùn)中的應(yīng)用

目前，AR技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)的研究占了很大的比重。目前，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)研究中介紹了用于電力系統(tǒng)變電站操作員培訓(xùn)的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的體系結(jié)構(gòu)和開(kāi)發(fā)[4]，為用戶提供了一個(gè)基于AR的培訓(xùn)系統(tǒng)。隨著微軟Hololens的發(fā)布[5]，這種系統(tǒng)濃縮為一個(gè)眼鏡。用戶帶上戴上AR眼鏡后，系統(tǒng)就會(huì)識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)的電力設(shè)備，并通過(guò)虛擬標(biāo)簽進(jìn)行提示，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的提示進(jìn)行每一道流程并與其互動(dòng)[6]，所有操作都會(huì)由系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的講解及教授。員工操作失誤后，系統(tǒng)在畫(huà)面上發(fā)射出電流并伴隨著電流聲，以獨(dú)特的畫(huà)面警示用戶，加深其操作印象，提高其安全意識(shí)。基于AR技術(shù)的電力系統(tǒng)培訓(xùn)在很大程度上解決了電力實(shí)操演練中高危險(xiǎn)、高成本、不可見(jiàn)等阻礙安全意識(shí)和安全技能提升的問(wèn)題[7]。

電力系統(tǒng)中的變電站作為一種高壓設(shè)備存在較高的危險(xiǎn)性，但是其是電網(wǎng)不可或缺的一部分，傳統(tǒng)模式下變電站維修過(guò)程中發(fā)生過(guò)一些意外事故，意外原因包括操作失誤、設(shè)備老舊等，但更為嚴(yán)峻的問(wèn)題是變電站維修作業(yè)過(guò)程中人為操作不當(dāng)[8]。所以，變電站AR培訓(xùn)顯得尤為重要。在系統(tǒng)中，電工可以安全地進(jìn)行維護(hù)和應(yīng)急演習(xí)[9-13]，從而進(jìn)一步減少人為操作造成的事故。

2.2 AR技術(shù)在變電站運(yùn)維和管理中的應(yīng)用

變電站運(yùn)維的日常工作主要包含運(yùn)維、倒閘、設(shè)備巡視以及設(shè)備定期試驗(yàn)輪換等工作，充滿了復(fù)雜性和危險(xiǎn)性。在“電網(wǎng)+互聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展趨勢(shì)下，AR技術(shù)在變電站設(shè)備運(yùn)維中具有更大的利用空間[14]。因此，將AR技術(shù)應(yīng)用于變電站運(yùn)維和管理，以簡(jiǎn)化工作、減輕危險(xiǎn)非常重要。AR技術(shù)在變電站運(yùn)維和管理中的應(yīng)用體現(xiàn)在很多方面，包括運(yùn)維過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控[15]、變電站運(yùn)維實(shí)時(shí)控制[16]、變電站倒閘及其培訓(xùn)工作[17]等。

基于AR的變電運(yùn)維系統(tǒng)使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合電力系統(tǒng)提供的大量輔助參數(shù)，引導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行任務(wù)的人員更加安全可靠地完成運(yùn)維管理工作[18]。部分系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)控制功能[19]，系統(tǒng)中每個(gè)虛擬變電站都與一家真正的電力公司的監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和控制中心集成在一起。使用的員工可以實(shí)時(shí)操作，還能使用變電站的不同設(shè)備。這就為工作人員繁雜的變電站運(yùn)維工作提供了一個(gè)減輕負(fù)擔(dān)的方法，不僅能更加高效地完成工作，而且遠(yuǎn)程控制可以保證人員安全。

2.3 AR技術(shù)在電力系統(tǒng)可視化方面的應(yīng)用

電力系統(tǒng)極其龐大且錯(cuò)綜復(fù)雜，運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模的數(shù)據(jù)，而電力系統(tǒng)可視化技術(shù)正是把這些規(guī)模龐大且種類復(fù)雜的數(shù)據(jù)整理成更加清楚、直觀、易于理解的形式并顯示出來(lái)的過(guò)程。通過(guò)觀察這些可視化的數(shù)據(jù)，工作人員能高效、有針對(duì)性地解決電力系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)生的各種問(wèn)題。電力系統(tǒng)可視化技術(shù)為電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、處理、分析和檢測(cè)提供了一種非常適宜的工具。AR技術(shù)的出現(xiàn)更是為電力系統(tǒng)可視化開(kāi)辟了一個(gè)新的發(fā)展方向。當(dāng)前，AR電力系統(tǒng)可視化是將來(lái)自電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)和變電站的真實(shí)圖像與全景增強(qiáng)環(huán)境的應(yīng)用程序相連接，以將信息顯示的方式擴(kuò)展到支持?jǐn)?shù)據(jù)解釋、監(jiān)視和操縱的電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商[19]，從而實(shí)現(xiàn)可視化。然而，目前傳統(tǒng)參數(shù)可視化方法的可視網(wǎng)絡(luò)參數(shù)種類少，因此完善可視網(wǎng)絡(luò)參數(shù)較為重要，以增強(qiáng)操作人員對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的掌控能力，減小電力事故發(fā)生的可能性[20]。

此外，大多數(shù)變電站通過(guò)使用監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA）應(yīng)用程序進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議，當(dāng)前的SCADA系統(tǒng)得到了顯著增強(qiáng)，其中最突出的是IEC 61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這些增強(qiáng)功能可以改善SCADA系統(tǒng)的不同領(lǐng)域，如通信工程、數(shù)據(jù)管理及SCADA應(yīng)用程序中自動(dòng)化過(guò)程數(shù)據(jù)的可視化。過(guò)程數(shù)據(jù)可視化通常是通過(guò)變電站控制中心的人機(jī)界面（HMI）屏幕實(shí)現(xiàn)的。但是，這種可視化方法有時(shí)會(huì)使控制和維護(hù)程序變慢且易出錯(cuò)[21-22]。將IEC 61850的功能與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，可以增強(qiáng)和促進(jìn)變電站中以人為中心的活動(dòng)，并為變電站自動(dòng)化領(lǐng)域提供增值可視化功能，有效地解決了出現(xiàn)的問(wèn)題。

2.4 AR技術(shù)在電力系統(tǒng)其他領(lǐng)域的應(yīng)用

AR技術(shù)除了應(yīng)用于上述電力系統(tǒng)的各個(gè)方面之外，還可應(yīng)用于其他方面，如電力系統(tǒng)故障源標(biāo)識(shí)、二次設(shè)備定值修改、智能巡檢[23-27]等?；贏R電力系統(tǒng)云平臺(tái)和配電網(wǎng)的帶電作業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)，更是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)運(yùn)行智能化[28-29]，包括設(shè)備檢查、緊急修復(fù)、設(shè)備維護(hù)和電力線路巡檢等操作。

3 AR技術(shù)在新能源監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用前景

隨著電力科技的進(jìn)步，社會(huì)的發(fā)展日新月異，人們對(duì)于電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的電能主要來(lái)源于火力發(fā)電，然而火力發(fā)電污染性大，對(duì)于環(huán)境保護(hù)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。煤炭能源的儲(chǔ)量是有限的，不可能無(wú)節(jié)制消耗，所以新能源發(fā)電技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。新能源發(fā)電以可再生能源為基礎(chǔ)，而且對(duì)環(huán)境的污染極小[30]，但是應(yīng)用過(guò)程中存在一些難題。新能源發(fā)電不僅受到地理?xiàng)l件的限制，而且并網(wǎng)時(shí)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成一定的沖擊，影響電網(wǎng)的電壓偏差、電網(wǎng)頻率、電網(wǎng)諧波等，進(jìn)而影響電網(wǎng)正常運(yùn)行[31]，而且存在新能源轉(zhuǎn)化效率低和浪費(fèi)嚴(yán)重問(wèn)題。例如，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電規(guī)模居世界首位，有效利用時(shí)間卻低于世界平均水平[32]。由此可見(jiàn)，新能源監(jiān)測(cè)對(duì)于電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行極為重要和必要。

目前，針對(duì)新能源的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和信息共享平臺(tái)建設(shè)相對(duì)滯后。國(guó)內(nèi)外對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)多個(gè)分布式發(fā)電項(xiàng)目在線監(jiān)測(cè)分析的研究還處于起步階段，所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)或平臺(tái)多偏重?cái)?shù)據(jù)采集，忽視數(shù)據(jù)分析。發(fā)電項(xiàng)目在線監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)多是針對(duì)單個(gè)發(fā)電站進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)對(duì)象單一。本文介紹的AR技術(shù)與新能源監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合，預(yù)計(jì)能在一定程度上解決部分問(wèn)題?；贏R的新能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)應(yīng)側(cè)重于AR技術(shù)加新能源互聯(lián)網(wǎng)[33]，實(shí)現(xiàn)新能源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化，從而為電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行保駕護(hù)航。

4 結(jié) 論

近幾年，AR技術(shù)的發(fā)展再度掀起了高潮，并成功應(yīng)用到了很多領(lǐng)域。電力系統(tǒng)是關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的關(guān)鍵一環(huán)，與AR結(jié)合應(yīng)用更是“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”，有效提高了電力系統(tǒng)培訓(xùn)效率，對(duì)于員工來(lái)說(shuō)更是達(dá)到了知行合一的目的，增加了電力系統(tǒng)運(yùn)維工作的安全性，并能實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的可視化，進(jìn)而進(jìn)一步保護(hù)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。而作為電力系統(tǒng)“新起之秀”的新能源發(fā)電技術(shù)，如果實(shí)現(xiàn)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步結(jié)合，必將產(chǎn)生更大的效益。可以預(yù)見(jiàn)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與電力系統(tǒng)的結(jié)合必將擁有更廣闊的應(yīng)用前景。