基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能變電站管理系統(tǒng)研究

董永永,任天磊,呂海玲,李 超,賈光達(dá)

(內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司包頭供電分公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

0 引言

近年來，以計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為支撐[1-2]，智能變電站管理系統(tǒng)[3-4]得到了迅速發(fā)展。傳統(tǒng)變電站的顯示機(jī)制，是在屏幕上實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)方面的展示。操作人員可借助觸摸屏或鍵盤等工具，完成具體信息的輸入，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。通過專用的監(jiān)控計(jì)算機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作的完全或部分自動(dòng)化，并有助于使手動(dòng)控制更加安全和準(zhǔn)確，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和持續(xù)反饋。憑借隨時(shí)可用的實(shí)時(shí)信息和通過計(jì)算機(jī)接口控制多種參數(shù)的能力，自動(dòng)化使操作員能夠同時(shí)監(jiān)控多臺(tái)機(jī)器，從而減少工作人員數(shù)量。然而，許多重要操作無法完全自動(dòng)化，操作員可能需要同時(shí)監(jiān)控大量快速變化的參數(shù)，同時(shí)以視覺方式跟蹤和交互控制正在進(jìn)行的程序組件。

為此，大量學(xué)者針對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)[5](augmented reality，AR)和混合現(xiàn)實(shí)[6](mixed reality，MR)技術(shù)進(jìn)行研究，希望提出1種更加便捷和高效的電力數(shù)據(jù)管控方案。目前，AR技術(shù)已經(jīng)足夠成熟，可以在不同的工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境中使用，并成功應(yīng)用于制造、化工、航空航天等行業(yè)。文獻(xiàn)[7]實(shí)現(xiàn)了AR技術(shù)在變電站二次設(shè)備運(yùn)檢中的應(yīng)用，提高了變電站二次設(shè)備的巡檢工作效率和識(shí)別準(zhǔn)確率。文獻(xiàn)[8]聚焦柔性互聯(lián)變電站方面，以雷電過電壓作為剖析點(diǎn)，引入了AR技術(shù)推動(dòng)仿真探索，實(shí)現(xiàn)了雷電參數(shù)有效模擬，構(gòu)建了線路桿塔模型和柔性互聯(lián)變電站設(shè)備模型。文獻(xiàn)[9]提出了基于AR技術(shù)的變電運(yùn)檢遠(yuǎn)程協(xié)助平臺(tái)，從而解決了變電站運(yùn)檢過程中現(xiàn)場(chǎng)工作人員無法獨(dú)立解決重大技術(shù)問題的難點(diǎn)。上述研究對(duì)AR技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展具有一定推動(dòng)作用，但是僅解決了智能變電站中部分問題。一方面，當(dāng)需要同時(shí)觀察計(jì)算機(jī)屏幕以跟蹤自動(dòng)化值并直觀地觀察變電站運(yùn)行過程時(shí)，傳統(tǒng)工作模式會(huì)分散操作員注意力，容易產(chǎn)生誤操作問題。另一方面，目前很少有文章對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行過程中的AR數(shù)據(jù)可視化過程進(jìn)行研究。

為改善上述問題，本文設(shè)計(jì)了1種基于AR技術(shù)的智能變電站管理系統(tǒng)，可基于變電站數(shù)據(jù)可視化管控方案，實(shí)現(xiàn)以人為中心的智能變電站管理過程。

1 相關(guān)概念

本節(jié)對(duì)智能變電站中涉及的IEC 61850[10]標(biāo)準(zhǔn)與AR技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1.1 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61850是電力設(shè)施中的1種遠(yuǎn)程控制標(biāo)準(zhǔn)，確定了公用設(shè)施子系統(tǒng)的自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)條件，可實(shí)現(xiàn)多供應(yīng)商設(shè)備之間的通信和語義互操作。

IEC 61850提供的數(shù)據(jù)語義與電力設(shè)備功能密切相關(guān)。在構(gòu)建方式層面，該標(biāo)準(zhǔn)引入了面向?qū)ο蟮倪壿嫛Ｆ渲?，變電站中物理設(shè)備由1個(gè)或多個(gè)邏輯設(shè)備(logical device，LD)組成，主要用于控制、保護(hù)和監(jiān)督自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備的虛擬表示。代表許多不同設(shè)備功能的多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)(logical node，LN)可組合成1個(gè)LD。同時(shí)，各個(gè)模型之間的數(shù)據(jù)交換采用抽象通信服務(wù)接口(abstract communication service interface，ACSI)。ACSI模型類定義了IEC 61850設(shè)備使用的抽象通信服務(wù)。因此，任何IEC 61850客戶端軟件都可以通過ACSI模型類構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)化接口，從而為遠(yuǎn)程控制干預(yù)提供了必要的數(shù)據(jù)條件。

IEC 61850數(shù)據(jù)模型類連接方式如圖1所示。

圖1 IEC 61850數(shù)據(jù)模型類連接方式示意圖

1.2 AR技術(shù)

AR技術(shù)的核心是計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)。AR技術(shù)可以通過引入一定的虛擬元素，完成視覺層次上的現(xiàn)實(shí)環(huán)境改變。變電站自動(dòng)化領(lǐng)域引入AR技術(shù)的現(xiàn)實(shí)任務(wù)，便是服務(wù)于可視化，為監(jiān)控提供支撐條件。但隨著自動(dòng)化系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜性的不斷增加，操作員接收的信息量將不斷增加。為此，可通過只顯示必要信息緩解操作員額外的數(shù)據(jù)負(fù)擔(dān)。

2 基于AR的智能變電站管理系統(tǒng)

本文提出的基于AR的智能變電站管理系統(tǒng)基于IEC 61850進(jìn)行通信，同時(shí)利用變電站配置描述語言(substation configuration description language，SCL)和AR標(biāo)記編碼，對(duì)自動(dòng)化裝置等作出識(shí)別。這種識(shí)別的對(duì)象，實(shí)質(zhì)上是IEC 61850給定的規(guī)則與邏輯。同時(shí)，有關(guān)語義注釋過程數(shù)據(jù)的信息由SCL文件提供。接著，將這些信息與變電站設(shè)備(如斷路器、饋線、變壓器、開關(guān)等)上的AR標(biāo)記的解碼數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。因此，通過使用該工作機(jī)制，基于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(supervisory control and data acquisition,SCADA)系統(tǒng)采集的設(shè)備運(yùn)行信息將在與其相關(guān)的變電站設(shè)備上同步顯示，簡(jiǎn)化了變電站監(jiān)控過程。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由設(shè)備控制單元(equipment control unit，ECU)、通信單元和AR組成。ECU的攝像頭掃描AR標(biāo)記，并將其解碼為基于IEC 61850的過程數(shù)據(jù)標(biāo)志符。同時(shí)，標(biāo)志符唯一地表示符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的語義注釋過程數(shù)據(jù)的路徑。采集的數(shù)據(jù)與SCADA系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，且由SCADA負(fù)責(zé)從其內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)。進(jìn)一步，SCADA系統(tǒng)連接智能電子設(shè)備(intelligent electronic devices，IED)，并通過垂直IEC 61850通信收集數(shù)據(jù)?；贏R的智能變電站管理系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 基于AR的智能變電站管理系統(tǒng)示意圖

2.2 系統(tǒng)執(zhí)行

智能變電站環(huán)境中，各種ECU和IED都會(huì)與SCADA對(duì)接。SCADA可以借助IEC 61850通信，針對(duì)IED信息給予動(dòng)態(tài)化的實(shí)時(shí)性捕捉。

首先，選定AR，將該AR標(biāo)記放置在變電站設(shè)備上，從而通過與該設(shè)備相關(guān)的過程數(shù)據(jù)的AR可視化來豐富其內(nèi)容。此外，每個(gè)標(biāo)記有相應(yīng)的IEC 61850標(biāo)志符編碼，可根據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)描述唯一識(shí)別過程數(shù)據(jù)的路徑，從而將標(biāo)志符與變電站設(shè)備的過程數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。為保證數(shù)據(jù)傳輸要求，在內(nèi)部環(huán)境中，要求Wi-Fi與內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)有著充分對(duì)接。而SCADA連接不存在障礙，借助應(yīng)用程序接口(application program interface,API)，可實(shí)現(xiàn)與SCADA應(yīng)用程序相關(guān)的集成與開發(fā)功能。帶有IEC 61850編碼數(shù)據(jù)的AR標(biāo)簽實(shí)例Vumark如圖3所示。

圖3 帶有IEC 61850編碼數(shù)據(jù)的AR標(biāo)簽實(shí)例Vumark圖

其次，可以使用帶攝像頭的應(yīng)用程序移動(dòng)設(shè)備掃描變電站環(huán)境，并基于Vuforia庫(kù)中的實(shí)例完成相機(jī)每1幀圖像的深入處理。當(dāng)發(fā)現(xiàn)標(biāo)記存在時(shí)，Vuforia庫(kù)會(huì)完成Vumark解碼，找出相應(yīng)的字符串信息，明確IEC 61850數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的路徑信息。同時(shí)，利用Wi-Fi可以嘗試與SCADA構(gòu)建關(guān)系。若關(guān)系構(gòu)建實(shí)現(xiàn)，程序會(huì)通過SCADA獲取過程數(shù)據(jù)路徑所攜帶的全部?jī)?nèi)容。之后，SCADA會(huì)面向IED發(fā)出請(qǐng)求，要求其給予所需要設(shè)備信息。在取得這部分信息之后，SCADA會(huì)基于Wi-Fi，面向AR程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳播。應(yīng)用程序保持與SCADA系統(tǒng)的連接，并向其發(fā)送對(duì)所需數(shù)據(jù)所作更改的實(shí)時(shí)更新。需注意，任何時(shí)候與過程數(shù)據(jù)路徑相關(guān)的信息發(fā)生變化時(shí)，SCADA系統(tǒng)都會(huì)通知AR應(yīng)用程序。應(yīng)用程序會(huì)在其顯示屏上更新變化。通過上述方式，變電站IEC 61850數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示并及時(shí)更新。

當(dāng)應(yīng)用程序移動(dòng)設(shè)備獲取所需的數(shù)據(jù)后，就需要在標(biāo)記的視圖上顯示這些數(shù)據(jù)。本研究基于游戲引擎框架Unity實(shí)現(xiàn)圖形顯示。顯示數(shù)據(jù)的直觀方式是在標(biāo)記上覆蓋1個(gè)矩形，并在其上寫入數(shù)據(jù)。此外，使用寫入的信息創(chuàng)建自定義紋理，并使用OpenGL ES2將其應(yīng)用于矩形。在Unity中，將創(chuàng)建1個(gè)默認(rèn)文本對(duì)象，并將其覆蓋在矩形上，且以信息作為其文本。通過Unity技術(shù)可以立即更新所需的數(shù)據(jù)，并向操作員顯示數(shù)據(jù)。

2.3 計(jì)量性能評(píng)估

系統(tǒng)支持相關(guān)邏輯特征計(jì)算，從而量化評(píng)估系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。對(duì)于每次運(yùn)行，令傳輸精度為A(%)，則：

(1)

式中：Np為發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量；E為數(shù)據(jù)包未正確解碼時(shí)的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)。

對(duì)于每一次評(píng)估，令評(píng)估準(zhǔn)確度平均值為μA、標(biāo)準(zhǔn)偏差為σA，則總運(yùn)行次數(shù)的3-sigma不確定性計(jì)算如式(2)所示。

(2)

式中：k為覆蓋系數(shù),k=3，對(duì)應(yīng)于99.7%的置信區(qū)間；N為總運(yùn)行次數(shù)。

同時(shí)，可根據(jù)每次運(yùn)行發(fā)送的不同數(shù)據(jù)包數(shù)量評(píng)估更新時(shí)間。因此，更新時(shí)間平均值μt可通過式(3)計(jì)算：

(3)

式中：μti為每次運(yùn)行評(píng)估的更新時(shí)間平均值；li為每次運(yùn)行的數(shù)據(jù)包數(shù)量。

此外，系統(tǒng)通信不確定性u(píng)t滿足：

(4)

式中：uti為每次運(yùn)行評(píng)估的更新時(shí)間的3-sigma不確定度。

3 案例與分析

3.1 演示系統(tǒng)

一旦攝像頭捕捉到特定的標(biāo)記，便會(huì)給出相關(guān)信息。同時(shí)，操作員可以放大和縮小模型，并將其朝任何方向旋轉(zhuǎn)，從而更好地查看變電站運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 系統(tǒng)性能分析

考慮到系統(tǒng)必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)作出響應(yīng)，則一旦發(fā)生信息更改，用戶要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到更新通知。為測(cè)試AR系統(tǒng)接收SCADA中數(shù)據(jù)更新所需的響應(yīng)時(shí)間，本小節(jié)進(jìn)行了2組通信傳輸試驗(yàn)。第一組試驗(yàn)通過100 MB本地虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(virtual private network，VPN)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的SCADA響應(yīng)時(shí)間。第二組試驗(yàn)5G移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)中介的響應(yīng)時(shí)間。為消除隨機(jī)干擾帶來的誤差，2組試驗(yàn)都將數(shù)據(jù)實(shí)例更改250次，并以SCADA平均響應(yīng)時(shí)間作為最終結(jié)果。2組試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4 2組試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由圖4可知，使用本地VPN的響應(yīng)時(shí)間比使用5G移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)快得多。此外，使用本地VPN的最差響應(yīng)時(shí)間為28 ms，最佳響應(yīng)時(shí)間為6 ms。這表明在實(shí)際數(shù)值發(fā)生更改后，AR系統(tǒng)將在6～28 ms之間收到更新信息。對(duì)5G移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)響應(yīng)時(shí)間的分析表明,其最差的響應(yīng)時(shí)間為113 ms，最好的響應(yīng)時(shí)間為32 ms。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)均處于最差的響應(yīng)時(shí)間時(shí)，5G移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)響應(yīng)時(shí)間約為本地VPN響應(yīng)時(shí)間的5倍以上。分析其原因，主要是5G移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可用性不可控，造成網(wǎng)絡(luò)延遲的不確定性。

4 結(jié)論

本文將變電站內(nèi)部采集的數(shù)據(jù)與SCADA系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，并基于IEC 61850通信，研究了基于AR的智能變電站管理系統(tǒng)。首先，將VR標(biāo)記放置在變電站設(shè)備與具體環(huán)境內(nèi)，使其能夠基于數(shù)據(jù)的傳輸，支撐AR可視化。其次，每個(gè)標(biāo)記有相應(yīng)的IEC 61850標(biāo)志符編碼，可根據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)描述唯一識(shí)別過程數(shù)據(jù)的路徑，從而將標(biāo)志符與變電站設(shè)備的過程數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。最后，基于變電站IEC 61850數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示并及時(shí)更新。本文基于AR技術(shù)的特點(diǎn)，研究了1種將自動(dòng)化數(shù)據(jù)無縫集成到現(xiàn)實(shí)監(jiān)控變電站運(yùn)行工作空間的解決方案，為提升智能變電站監(jiān)控與管理水平提供了借鑒。

未來研究將從電力數(shù)據(jù)隱私保護(hù)、變電站網(wǎng)絡(luò)安全等方面入手，從而進(jìn)一步提升變電站數(shù)據(jù)安全與服務(wù)管理水平。