基于VR技術(shù)的變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳忠，馮洋，陳敢，吳龍鋒

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司衢州供電公司，浙江衢州 324000）

近年來(lái)，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展越來(lái)越快，人們對(duì)變電檢修安全性的要求逐漸升高。目前，電力系統(tǒng)中的變電設(shè)備數(shù)量較多，應(yīng)用范圍較廣，其在正常運(yùn)行時(shí)，會(huì)在不同位置出現(xiàn)多個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)定位系統(tǒng)采用Cricket 定位技術(shù)接收無(wú)線(xiàn)傳輸信號(hào)，定位變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)的位置，但在對(duì)變電設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘時(shí)，若停電方式與安全措施布置沒(méi)有踏勘到位，將導(dǎo)致多危險(xiǎn)點(diǎn)定位精度較低，為此，國(guó)內(nèi)的專(zhuān)家學(xué)者們展開(kāi)了一系列的研究。文獻(xiàn)[2]提出基于WebVR技術(shù)的變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)，采用WebVR技術(shù)構(gòu)建了系統(tǒng)的軟硬件，但該系統(tǒng)的計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[3]提出了基于GSM技術(shù)的變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)，但定位結(jié)果不準(zhǔn)確。

為了解決現(xiàn)有方法的不足，提高變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)位置定位的準(zhǔn)確率，減少定位時(shí)間，該文設(shè)計(jì)了基于VR 技術(shù)的變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件部分包含采集模塊、主控模塊、通信模塊和電路模塊。軟件部分采用VR 技術(shù)構(gòu)建變電站VR 場(chǎng)景，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)初始化，識(shí)別變電檢修責(zé)任鏈的危險(xiǎn)點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)點(diǎn)的可視化定位。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的定位精度和定位時(shí)間符合實(shí)際需要。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)的硬件采用CPU 結(jié)構(gòu)，以信號(hào)處理器為核心設(shè)備，以此實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采樣。系統(tǒng)硬件以模塊的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)如下。

1.1 采集模塊設(shè)計(jì)

采集模塊內(nèi)部傳感器在進(jìn)行采集工作時(shí)，功耗較低，供電電壓較低，最低達(dá)到1.3 V，具有多個(gè)I/O端口，I/O 端口的電壓范圍為1.8～3.3 V，且體積較小，控制方式較為簡(jiǎn)單，能夠以高分辨率輸出變電設(shè)備線(xiàn)路數(shù)據(jù)。該傳感器還可采集變電設(shè)備異常線(xiàn)路圖像，通過(guò)減小光學(xué)以及電子缺陷技術(shù)提升采集的異常線(xiàn)路圖像的質(zhì)量，可以得到更為清晰的圖像。該傳感器的工作溫度范圍為-20～40 ℃，采集模塊結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 采集模塊結(jié)構(gòu)

采集模塊的外部設(shè)有較多接口，如SPI 接口、SDI接口以及串行通信接口等，這些接口用來(lái)傳輸多危險(xiǎn)點(diǎn)數(shù)據(jù)。采集模塊的工作原理為：先通過(guò)采集模塊的外圍電路對(duì)模塊內(nèi)的傳感器設(shè)備及各個(gè)外設(shè)供電，傳感器通過(guò)子采樣方式采集變電設(shè)備上出現(xiàn)多危險(xiǎn)點(diǎn)的線(xiàn)路數(shù)據(jù)與圖像，再通過(guò)SPI 口將數(shù)據(jù)與圖像傳輸?shù)讲杉K內(nèi)部的處理芯片上，完成圖像及數(shù)據(jù)的采集[4-5]。

1.2 主控模塊設(shè)計(jì)

主控模塊是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，通過(guò)采集模塊采集變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)數(shù)據(jù)與異常線(xiàn)路圖像，并傳輸給通信模塊，通信模塊再將相關(guān)數(shù)據(jù)與圖像傳遞到上位機(jī)中，由定位系統(tǒng)下發(fā)的控制指令發(fā)送到電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)終端[6-7]。主控模塊內(nèi)部主控制器由控制單元、邏輯單元與處理單元組成，將采集模塊采集完成的變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)數(shù)據(jù)與線(xiàn)路圖像發(fā)送到主控模塊后，由主控模塊進(jìn)行處理與控制。通過(guò)控制單元完成數(shù)據(jù)處理結(jié)果的緩存，再經(jīng)過(guò)寄存器的讀寫(xiě)控制實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)數(shù)據(jù)的指令譯碼與寄存，變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)數(shù)據(jù)與線(xiàn)路圖像具有各自的總線(xiàn)通道。因此，雖然寄存方式有所差別，但可同時(shí)由主控模塊進(jìn)行處理、控制與緩存[8-9]。

1.3 通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊具有豐富的外設(shè)與通信接口，包括RAM 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，UAB 接口、SPI接口、SDI接口、串行通信接口等，同時(shí)還設(shè)有中轉(zhuǎn)站，以此提高對(duì)變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)的定位精度。通信模塊內(nèi)部主機(jī)可協(xié)助主控模塊對(duì)定位系統(tǒng)與從機(jī)進(jìn)行控制，并顯示動(dòng)態(tài)的變電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，一旦變電設(shè)備某個(gè)位置出現(xiàn)了危險(xiǎn)點(diǎn)，主機(jī)會(huì)迅速響應(yīng)，響應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的通信信號(hào)由A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，方便電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)終端的實(shí)時(shí)接收與分析，提高定位準(zhǔn)確度[10-11]。

1.4 電路模塊設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)的電路模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)采集模塊、主控模塊以及通信模塊供電，電路模塊的供電電壓為16 V，可通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片將16 V 電壓轉(zhuǎn)換為各個(gè)模塊需要的電壓，電壓轉(zhuǎn)換芯片選用三星公司生產(chǎn)的12 位的SXB5362，該電壓轉(zhuǎn)換芯片功耗較低，轉(zhuǎn)換效率較高，并含有高速靜態(tài)RAM[12-13]。電路模塊如圖2 所示。

圖2 電路模塊

電路模塊內(nèi)部部件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電源芯片、寄存器、控制單元等的讀寫(xiě)、控制與緩沖，電路模塊含有兩個(gè)電壓互感器與一個(gè)電流互感器，電流互感器可將4.8 mA 的電流轉(zhuǎn)換成0～2.5 mA，通過(guò)外圍邏輯電路的調(diào)理后可將其轉(zhuǎn)換成0～4 V 電壓，并由采樣保持器進(jìn)行保持。定位系統(tǒng)的電路模塊，可向硬件系統(tǒng)的各個(gè)模塊提供所需電壓，保證各個(gè)模塊的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行[14]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

VR 技術(shù)根據(jù)硬件不同可分為沉浸式VR 系統(tǒng)與桌面VR 系統(tǒng)，該文選取的是桌面VR 系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)VR 技術(shù)將計(jì)算機(jī)與變電設(shè)備進(jìn)行仿真，工作人員通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕觀(guān)察模擬的變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)的定位情況，并操作鼠標(biāo)與鍵盤(pán)來(lái)操作相關(guān)的變電設(shè)備。基于VR 技術(shù)的變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)軟件流程如下。

2.1 系統(tǒng)初始化

對(duì)變電站設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采用分段開(kāi)關(guān)處理將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街骺爻绦騼?nèi)，分析內(nèi)部數(shù)據(jù)信息，采用VR 技術(shù)進(jìn)行模擬，構(gòu)建VR 長(zhǎng)場(chǎng)景，通過(guò)VR 場(chǎng)景對(duì)出現(xiàn)的不同區(qū)域的危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)點(diǎn)的定位，完成系統(tǒng)初始化操作[15]。

2.2 識(shí)別變電檢修責(zé)任鏈的危險(xiǎn)點(diǎn)

變電檢修責(zé)任鏈包括變電檢修責(zé)任勘察、班前交底兩大模塊。

1）變電檢修責(zé)任鏈勘察

在VR 場(chǎng)景中，在某個(gè)位置出現(xiàn)吊機(jī)，操作鼠標(biāo)模擬勘察場(chǎng)景，危險(xiǎn)點(diǎn)包括：

油載開(kāi)關(guān)調(diào)芯檢修時(shí)，需要勘察相鄰線(xiàn)路的帶電情況，確保吊機(jī)處于正確位置，以免發(fā)生觸電事故。

檢修的定向線(xiàn)路需要踏勘到位，檢查停電方式與安全措施的布置。

勘察模塊中危險(xiǎn)點(diǎn)w的識(shí)別公式為：

其中，ai表示吊機(jī)位置；α表示吊機(jī)所在位置與水平方向的角度；β表示勘察模塊中危險(xiǎn)點(diǎn)的數(shù)量。

2）班前交底

在班前交底VR 場(chǎng)景中，需要班組負(fù)責(zé)人對(duì)停電范圍、安全措施等危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行交底，在工作監(jiān)護(hù)VR場(chǎng)景中，危險(xiǎn)點(diǎn)較多，涉及地下電纜的檢修、氣體成分的監(jiān)測(cè)、登高車(chē)斗臂與帶電部位的安全距離等，需要對(duì)VR 場(chǎng)景中各個(gè)模塊的危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別。班前交底模塊中進(jìn)行危險(xiǎn)點(diǎn)q識(shí)別的公式為：

其中，j表示班前交底模塊中危險(xiǎn)點(diǎn)的數(shù)量；bj表示危險(xiǎn)點(diǎn)為j時(shí)的變電設(shè)備數(shù)據(jù)；c表示危險(xiǎn)點(diǎn)的識(shí)別程度。

2.3 危險(xiǎn)點(diǎn)的可視化定位

根據(jù)不同模塊中存在的危險(xiǎn)點(diǎn)所在區(qū)域進(jìn)行系統(tǒng)定位。上電自檢后，向主控程序發(fā)送請(qǐng)求，查看變電設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)時(shí)接收。如果超時(shí)，需要在VR 場(chǎng)景中重復(fù)進(jìn)行語(yǔ)音提示，若沒(méi)有，則需查看變電設(shè)備是否出現(xiàn)停機(jī)或線(xiàn)路不通的情況，如果出現(xiàn)停機(jī)情況，需要發(fā)送開(kāi)機(jī)請(qǐng)求，并掃描變電設(shè)備危險(xiǎn)點(diǎn)與相鄰危險(xiǎn)點(diǎn)的距離，距離d的計(jì)算公式為：

其中，δ表示系統(tǒng)參數(shù)；D表示掃描出的危險(xiǎn)點(diǎn)相對(duì)于變電設(shè)備的距離；f表示相鄰危險(xiǎn)點(diǎn)的相對(duì)距離[16]。根據(jù)計(jì)算出的距離獲取危險(xiǎn)點(diǎn)的具體存在位置，以及危險(xiǎn)點(diǎn)的具體類(lèi)型，在VR 場(chǎng)景中再進(jìn)行語(yǔ)音提示，并生成三維圖像，從而實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)的可視化定位。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的基于VR 技術(shù)的變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)的有效性，選用該文設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)、傳統(tǒng)的基于Cricket 定位技術(shù)的變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)、文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性和可靠性，利用Matlab 軟件模擬變電設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，預(yù)測(cè)危險(xiǎn)點(diǎn)并進(jìn)行危險(xiǎn)點(diǎn)檢測(cè)，獲取測(cè)試危險(xiǎn)點(diǎn)的真實(shí)位置信息，根據(jù)表1 繪制危險(xiǎn)點(diǎn)位置分布圖，測(cè)試危險(xiǎn)點(diǎn)在Matlab 軟件中的分布示意圖如圖3 所示。

圖3 測(cè)試危險(xiǎn)點(diǎn)在Matlab軟件中的分布示意圖

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)，在設(shè)置的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中對(duì)以上三種多危險(xiǎn)點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)進(jìn)行性能檢測(cè)，采用三種定位系統(tǒng)對(duì)測(cè)試危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行定位，生成危險(xiǎn)點(diǎn)分布圖，得到的定位結(jié)果如圖4 所示。

圖4 三種多危險(xiǎn)點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)的定位結(jié)果

從圖4 可以明顯看出，采用該文設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)獲取的危險(xiǎn)點(diǎn)分布圖與真實(shí)分布圖最相近，而采用其他兩種系統(tǒng)獲取的危險(xiǎn)點(diǎn)分布圖與真實(shí)分布圖相差較大。

將圖4 獲得的定位結(jié)果與測(cè)試危險(xiǎn)點(diǎn)的真實(shí)位置信息進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算系統(tǒng)的定位精度，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，在相同的定位環(huán)境下，基于Cricket 定位技術(shù)的定位系統(tǒng)的定位精確率約為65%，基于WebVR 技術(shù)的定位系統(tǒng)（文獻(xiàn)[2]）的定位精確率約為78%，而該文設(shè)計(jì)的基于VR 技術(shù)的定位系統(tǒng)的定位精確率約為94%，其定位精確率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩種定位方法。

針對(duì)三種定位系統(tǒng)的定位精確率進(jìn)行對(duì)比后，針對(duì)三種定位系統(tǒng)的定位速度進(jìn)行對(duì)比，得到的對(duì)比結(jié)果如圖5 所示。

圖5 三種定位系統(tǒng)的定位速度對(duì)比結(jié)果

根據(jù)圖5 可知，針對(duì)Matlab 軟件中模擬的變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)，傳統(tǒng)變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)的定位時(shí)間較長(zhǎng)、效率較低，基于Cricket 定位技術(shù)的定位系統(tǒng)的定位速度約為每秒0.6 個(gè)，基于WebVR 技術(shù)的定位速度約為每秒1.1 個(gè)，而該文設(shè)計(jì)的基于VR 技術(shù)定位速度約為每秒1.8 個(gè)，定位效率更高。因此，該文設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)的定位效果更好，更適用于變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)的定位工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文采用VR 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于VR 技術(shù)的變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了變電設(shè)備多危險(xiǎn)點(diǎn)的精準(zhǔn)定位，有效提升了變電設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，對(duì)電力安全具有重要意義。