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摘要：針對傳統(tǒng)定位系統(tǒng)對變電設(shè)備多危險點(diǎn)定位精度較差、定位時間長的問題，設(shè)計了一種新的基于VR技術(shù)變電設(shè)備多危險點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件由采集模塊、主控模塊、通信模塊和電路模塊組成。系統(tǒng)軟件設(shè)計通過引入可視化技術(shù)構(gòu)建變電站VR場景，通過初始化系統(tǒng)、識別變電檢修責(zé)任鏈的危險點(diǎn)以及定位不同模塊的危險點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)危險點(diǎn)的可視化定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于VR技術(shù)的變電設(shè)備多危險點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)定位精確率約為94%，定位速度約為每秒1.8個，表明該系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地確定危險點(diǎn)，縮短定位時間。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；變電設(shè)備；多危險點(diǎn)；可視化定位

近年來，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展越來越快，人們對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，會在不同位置出現(xiàn)多個危險點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)定位系統(tǒng)采用Cricket定位技術(shù)接收無線傳輸信號，定位變電設(shè)備多危險點(diǎn)的位置，但在對變電設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場踏勘時，若停電方式與安全措施布置沒有踏勘到位，將導(dǎo)致多危險點(diǎn)定位精度較低，為此，國內(nèi)的專家學(xué)者們展開了一系列的研究。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)的計算過程復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。獻(xiàn)[3]提出了基于GSM技術(shù)的變電設(shè)備多危險點(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)備多危險點(diǎn)位置定位的準(zhǔn)確率，減少定位時間，該文設(shè)計了基于VR技術(shù)的變電設(shè)備多危險點(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場景，經(jīng)過系統(tǒng)初始化，識別變電檢修責(zé)任鏈的危險點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)危險點(diǎn)的可視化定位。對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該文設(shè)計系統(tǒng)的定位精度和定位時間符合實(shí)際需要。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計

變電設(shè)備多危險點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)的硬件采用CPU結(jié)構(gòu)，以信號處理器為核心設(shè)備，以此實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備多危險點(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，各個模塊的設(shè)計如下。

1.1采集模塊設(shè)計

采集模塊內(nèi)部傳感器在進(jìn)行采集工作時，功耗較低，供電電壓較低，最低達(dá)到1.3V，具有多個I/O端口，I/O端口的電壓范圍為1.8~3.3V，且體積較小，控制方式較為簡單，能夠以高分辨率輸出變電設(shè)備線路數(shù)據(jù)。該傳感器還可采集變電設(shè)備異常線路圖像，通過減小光學(xué)以及電子缺陷技術(shù)提升采集的異常線路圖像的質(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。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，這些接口用來傳輸多危險點(diǎn)數(shù)據(jù)。采集模塊的工作原理為：先通過采集模塊的外圍電路對模塊內(nèi)的傳感器設(shè)備及各個外設(shè)供電，傳感器通過子采樣方式采集變電設(shè)備上出現(xiàn)多危險點(diǎn)的線路數(shù)據(jù)與圖像，再通過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

主控模塊是整個硬件系統(tǒng)的核心，通過采集模塊采集變電設(shè)備多危險點(diǎn)數(shù)據(jù)與異常線路圖像，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)備多危險點(diǎn)數(shù)據(jù)與線路圖像發(fā)送到主控模塊后，由主控模塊進(jìn)行處理與控制。通過控制單元完成數(shù)據(jù)處理結(jié)果的緩存，再經(jīng)過寄存器的讀寫控制實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備多危險點(diǎn)數(shù)據(jù)的指令譯碼與寄存，變電設(shè)備多危險點(diǎn)數(shù)據(jù)與線路圖像具有各自的總線通道。因此，雖然寄存方式有所差別，但可同時由主控模塊進(jìn)行處理、控制與緩存[8-9]。

1.3通信模塊設(shè)計

通信模塊具有豐富的外設(shè)與通信接口，包括RAM存儲結(jié)構(gòu)，UAB接口、SPI接口、SDI接口、串行通信接口等，同時還設(shè)有中轉(zhuǎn)站，以此提高對變電設(shè)備多危險點(diǎn)的定位精度。通信模塊內(nèi)部主機(jī)可協(xié)助主控模塊對定位系統(tǒng)與從機(jī)進(jìn)行控制，并顯示動態(tài)的變電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，一旦變電設(shè)備某個位置出現(xiàn)了危險點(diǎn)，主機(jī)會迅速響應(yīng)，響應(yīng)過程中產(chǎn)生的通信信號由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)時接收與分析，提高定位準(zhǔn)確度[10-11]。

1.4電路模塊設(shè)計

定位系統(tǒng)的電路模塊主要負(fù)責(zé)對采集模塊、主控模塊以及通信模塊供電，電路模塊的供電電壓為16V，可通過電壓轉(zhuǎn)換芯片將16V電壓轉(zhuǎn)換為各個模塊需要的電壓，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。電路模塊內(nèi)部部件主要實(shí)現(xiàn)對電源芯片、寄存器、控制單元等的讀寫、控制與緩沖，電路模塊含有兩個電壓互感器與一個電流互感器，電流互感器可將4.8mA的電流轉(zhuǎn)換成0~2.5mA，通過外圍邏輯電路的調(diào)理后可將其轉(zhuǎn)換成0~4V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)的各個模塊提供所需電壓，保證各個模塊的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行[14]。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

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)計變電設(shè)備多危險點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)時，通過VR技術(shù)將計算機(jī)與變電設(shè)備進(jìn)行仿真，工作人員通過計算機(jī)屏幕觀察模擬的變電設(shè)備多危險點(diǎn)的定位情況，并操作鼠標(biāo)與鍵盤來操作相關(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

對變電站設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采用分段開關(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長場景，通過VR場景對出現(xiàn)的不同區(qū)域的危險點(diǎn)進(jìn)行識別，從而實(shí)現(xiàn)危險點(diǎn)的定位，完成系統(tǒng)初始化操作[15]。

2.2識別變電檢修責(zé)任鏈的危險點(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場景中，在某個位置出現(xiàn)吊機(jī)，操作鼠標(biāo)模擬勘察場景，危險點(diǎn)包括：油載開關(guān)調(diào)芯檢修時，需要勘察相鄰線路的帶電情況，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。勘察模塊中危險點(diǎn)w的識別公式為：w=aitanα2(1-cosα)cosβ2（1）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點(diǎn)的數(shù)量。2）班前交底在班前交底VR場景中，需要班組負(fù)責(zé)人對停電范圍、安全措施等危險點(diǎn)進(jìn)行交底，在工作監(jiān)護(hù)VR場景中，危險點(diǎn)較多，涉及地下電纜的檢修、氣體成分的監(jiān)測、登高車斗臂與帶電部位的安全距離等，需要對VR場景中各個模塊的危險點(diǎn)進(jìn)行識別。班前交底模塊中進(jìn)行危險點(diǎn)q識別的公式為：q=∑j=1nbj+c（2）其中，j表示班前交底模塊中危險點(diǎn)的數(shù)量；bj表示危險點(diǎn)為j時的變電設(shè)備數(shù)據(jù)；c表示危險點(diǎn)的識別程度。

2.3危險點(diǎn)的可視化定位

根據(jù)不同模塊中存在的危險點(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)送請求，查看變電設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)時接收。如果超時，需要在VR場景中重復(fù)進(jìn)行語音提示，若沒有，則需查看變電設(shè)備是否出現(xiàn)停機(jī)或線路不通的情況，如果出現(xiàn)停機(jī)情況，需要發(fā)送開機(jī)請求，并掃描變電設(shè)備危險點(diǎn)與相鄰危險點(diǎn)的距離，距離d的計算公式為：d=δ2Df（3）其中，δ表示系統(tǒng)參數(shù)；D表示掃描出的危險點(diǎn)相對于變電設(shè)備的距離；f表示相鄰危險點(diǎn)的相對距離[16]。根據(jù)計算出的距離獲取危險點(diǎn)的具體存在位置，以及危險點(diǎn)的具體類型，在VR場景中再進(jìn)行語音提示，并生成三維圖像，從而實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備多危險點(diǎn)的可視化定位。

3實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證該文設(shè)計的基于VR技術(shù)的變電設(shè)備多危險點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)的有效性，選用該文設(shè)計的定位系統(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)對比。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。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)測危險點(diǎn)并進(jìn)行危險點(diǎn)檢測，獲取測試危險點(diǎn)的真實(shí)位置信息，根據(jù)表1繪制危險點(diǎn)位置分布圖，測試危險點(diǎn)在Matlab軟件中的分布示意圖如圖3所示。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)，在設(shè)置的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中對以上三種多危險點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)進(jìn)行性能檢測，采用三種定位系統(tǒng)對測試危險點(diǎn)進(jìn)行定位，生成危險點(diǎn)分布圖，得到的定位結(jié)果如圖4所示。從圖4可以明顯看出，采用該文設(shè)計的定位系統(tǒng)獲取的危險點(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)果與測試危險點(diǎn)的真實(shí)位置信息進(jìn)行對比，計算系統(tǒng)的定位精度，經(jīng)過計算可知，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。針對三種定位系統(tǒng)的定位精確率進(jìn)行對比后，針對三種定位系統(tǒng)的定位速度進(jìn)行對比，得到的對比結(jié)果如圖5所示。根據(jù)圖5可知，針對Matlab軟件中模擬的變電設(shè)備多危險點(diǎn)，傳統(tǒng)變電設(shè)備多危險點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)的定位時間較長、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，基于WebVR技術(shù)的定位速度約為每秒1.1個，而該文設(shè)計的基于VR技術(shù)定位速度約為每秒1.8個，定位效率更高。因此，該文設(shè)計的定位系統(tǒng)的定位效果更好，更適用于變電設(shè)備多危險點(diǎn)的定位工作。

4結(jié)束語

該文采用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計了基于VR技術(shù)的變電設(shè)備多危險點(diǎn)可視化定位系統(tǒng)，通過系統(tǒng)設(shè)計實(shí)現(xiàn)了變電設(shè)備多危險點(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，對電力安全具有重要意義。

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作者：吳忠 馮洋 陳敢 吳龍鋒 單位：國網(wǎng)浙江省電力有限公司衢州供電公司