基于物聯(lián)網(wǎng)與三維可視化技術的智能變電站綜合輔助系統(tǒng)研究資料

基于物聯(lián)網(wǎng)與虛擬現(xiàn)實技術的智能變電站綜合輔助系統(tǒng)研究物聯(lián)網(wǎng)技術是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。虛擬現(xiàn)實技術可以定義為對現(xiàn)實世界進行五維時空的仿真，即除了對三維空間和一維時間仿真外，還包含對自然交互方式的仿真。它由計算機生成,通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境的交互式場景仿真，是一種可以創(chuàng)造和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包含一個逼真的三維虛擬環(huán)境和符合人們自然交互習慣的人機交互界面，分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)還要包含用于共享信息的人機交互界面。集成應用物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實技術在變電站輔助控制系統(tǒng)中，將極大的豐富智能變電站輔助控制系統(tǒng)的內(nèi)涵，提升智能變電站全站全景全息的信息化水平，實現(xiàn)安防消防監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、動力監(jiān)測、運行輔助、檢修輔助、運行狀態(tài)監(jiān)視、預報警等系統(tǒng)的集成應用和聯(lián)動控制、資產(chǎn)管理等功能，提高變電站的智能化水平，為電網(wǎng)安全運行提供決策技術支撐。系統(tǒng)整體架構(gòu)1.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能變電站輔助控制與監(jiān)測系統(tǒng)研究智能變電站要求全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡化、信息共享標準化，并可根據(jù)需要支持實時自動控制智能調(diào)節(jié)在線分析決策協(xié)同互動等高級功能。物聯(lián)網(wǎng)是建立于物與物、物與人之間的網(wǎng)絡，它通過裝置在各類物體上的電子標簽、傳感器及二維碼等，經(jīng)過接口與網(wǎng)絡相連，從而給物體賦予智能，可以實現(xiàn)人與物、物與物間的溝通和對話。因此，物聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)對物理世界的高度認知和智能化決策控制對變電站輔助生產(chǎn)系統(tǒng)進行智能運行管理，首先依賴于對輔助生產(chǎn)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)運行參數(shù)的在線監(jiān)測和實時信息掌控，基于此，物聯(lián)網(wǎng)作為智能信息感知末梢，成為推動智能變電站發(fā)展的重要技術手段。1.1研究內(nèi)容1.1.1物聯(lián)網(wǎng)傳感器終端研究物聯(lián)網(wǎng)終端是物聯(lián)網(wǎng)中連接傳感網(wǎng)絡層和傳輸網(wǎng)絡層，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)及向網(wǎng)絡層發(fā)送數(shù)據(jù)的設備。它擔負著數(shù)據(jù)采集、初步處理、加密、傳輸?shù)榷喾N功能。智能傳感器終端由外圍接口模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、網(wǎng)絡傳輸模塊和電源模塊組成。下圖為物聯(lián)網(wǎng)終端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。物聯(lián)網(wǎng)終端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖物聯(lián)網(wǎng)終端基本由外圍感知（傳感）接口，中央處理模塊和外部通訊接口三個部分組成，通過外圍感知接口與傳感設備連接，如RFID讀卡器，紅外感應器，環(huán)境傳感器等，將這些傳感設備的數(shù)據(jù)進行讀取并通過中央處理模塊處理后，按照網(wǎng)絡協(xié)議，通過外部通訊接口，如：GPRS模塊、以太網(wǎng)接口、WIFI等方式發(fā)送到以太網(wǎng)的指定中心處理平臺。1.1.2有線組網(wǎng)方式特點：通信線路穩(wěn)定可靠，維護簡單，但安裝地點易受限制，布線復雜。無線組網(wǎng)方式特點：安裝地點不受限制，無需布線，現(xiàn)場施工方便，但通信易受電磁干擾，抗干擾技術復雜，生產(chǎn)成本高。根據(jù)變電站的實際情況，布點多用量大及用在高壓帶電設備上有絕緣要求的傳感器采用無線傳感器，如用于對環(huán)境溫濕度高壓設備運行溫度感知的傳感器，以此組成無線傳感器網(wǎng)絡WSN（WirelessSensorNetwork）其他輔助生產(chǎn)系統(tǒng)的傳感器布點少無絕緣問題且易于布線采用有線網(wǎng)絡，以降低成本且便于維護。1.1.3接收傳感網(wǎng)測控平臺監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，評估變電站的運行狀態(tài)，自動判出各類異常情況，執(zhí)行判斷結(jié)果，實現(xiàn)輔助系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)聯(lián)動，消除異常情況造成的影響；形成異常情況處理過程報告，及時將結(jié)果上報遠方集控中心；監(jiān)測輔助系統(tǒng)的運行狀態(tài)，執(zhí)行遠方集控中心的各項命令，規(guī)范與監(jiān)控系統(tǒng)的通信規(guī)約。1.2技術路線1.2.1總體方案設計利用物聯(lián)網(wǎng)技術，通過對外界的感知，構(gòu)建傳感測控網(wǎng)絡在傳感測控網(wǎng)絡基礎上建立輔助控制與監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)圖像監(jiān)視安全警衛(wèi)火災報警與消防及采暖通風等功能的集成，實現(xiàn)輔助生產(chǎn)系統(tǒng)智能監(jiān)測智能判斷智能管理智能驗證等功能輔助控制與監(jiān)測系統(tǒng)分層：第一層為遠方集控站管理主機，第二層為站內(nèi)控制主機，第三層為由物聯(lián)網(wǎng)組成的變電站各輔助生產(chǎn)子系統(tǒng)（系統(tǒng)構(gòu)架見圖）。第一層功能：遠方集控站管理主機接收站內(nèi)控制主機處理后的各輔助生產(chǎn)子系統(tǒng)運行工況，包括各種異常情況處理結(jié)果視頻錄像等，同時集控站操作人員下發(fā)各種控制指令，如推畫面啟動風機調(diào)節(jié)空調(diào)溫度等，實現(xiàn)對輔助生產(chǎn)系統(tǒng)遠程控制。第二層功能：站內(nèi)控制主機接收傳感網(wǎng)絡監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，評估輔助生產(chǎn)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，自動判出各類異常情況，執(zhí)行判斷結(jié)果，實現(xiàn)各輔助生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)及相互之間的協(xié)調(diào)聯(lián)動，消除異常情況造成的影響;形成異常情況處理過程報告，及時將結(jié)果上報遠方集控中心，接收并執(zhí)行遠方集控中心下發(fā)的各項指令。第三層功能：由物聯(lián)網(wǎng)組成的變電站各輔助生產(chǎn)子系統(tǒng)，包含感知用傳感器及匯聚節(jié)點（傳感網(wǎng)絡）和執(zhí)行用智能終端（聲光報警智能風機及空調(diào)等）傳感器包括高清攝像機圍墻震動傳感器感溫感煙傳感器無線溫濕度傳感器水位傳感節(jié)器及氣體傳感器等，各傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)經(jīng)匯聚節(jié)點匯聚后上傳至站內(nèi)控制主機，智能終端執(zhí)行站內(nèi)控制主機處理的結(jié)果，如排風抽濕自動調(diào)節(jié)空調(diào)溫度發(fā)出聲光告警信號以及在火災時自動閉鎖風機防止火災蔓延等。1.2.2聯(lián)動方案設計在站內(nèi)控制主機設置一套后臺系統(tǒng)，采用通信協(xié)議實現(xiàn)各輔助生產(chǎn)子系統(tǒng)內(nèi)部及相互之間的協(xié)調(diào)聯(lián)動，方法如下：（1）建立各傳感器的編號及各預置位與代表GOOSE(GenericObjectOrientedSubstationEvent)事件內(nèi)容的變量列表成員之間的映射關系；（2）站內(nèi)控制主機捕獲并解析報文；（3）根據(jù)映射關系找到與事件相關的傳感器，通過多傳感器協(xié)同感知及圖像復核確認該事件；（4）調(diào)用該事件相關控制函數(shù)，實現(xiàn)切換視頻通道啟動或閉鎖終端設備（風機空調(diào)及排水泵等）完成數(shù)據(jù)儲存發(fā)送事件報告及報警等一系列協(xié)調(diào)聯(lián)動功能及各種事件的控制函數(shù)采用軟件編程實現(xiàn)，當多種事件同時發(fā)生時，按照程序預先設定的優(yōu)先級自動處理。協(xié)調(diào)聯(lián)動程序框架圖1.2.3輔助控制與監(jiān)測系統(tǒng)的智能化應用輔助控制與監(jiān)測系統(tǒng)的智能化應用是智能變電站中一個全新的智能化應用領域，也是變電站輔助生產(chǎn)系統(tǒng)適應智能運行管理需要所進行的應用拓展。在智能變電站的演變過程中，根據(jù)技術發(fā)展和管理需要將輔助控制與監(jiān)測系統(tǒng)分成10個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)的典型應用包括：（1）圖像監(jiān)視子系統(tǒng)采用智能高清攝像機結(jié)合圖像識別技術，自動識別跟蹤進入視場范圍內(nèi)的目標，圖像自動彈出在監(jiān)視器的最頂層，值班人員可迅速直觀的看到現(xiàn)場的實際情況。（2）安全警衛(wèi)子系統(tǒng)針對圖像監(jiān)視子系統(tǒng)的不足，組建多類型傳感器(如圍墻震動傳感器)協(xié)同感知網(wǎng)絡，實現(xiàn)全新的目標識別多點融合和協(xié)同感知;聲光報警設備向現(xiàn)場進行聲光告警，值班人員通過麥克風設備向現(xiàn)場通話告警，警告可疑人員;當入侵目標強行翻越圍墻時，啟動電子圍欄擊退入侵目標，電子圍欄可遠程設定投退。（3）火災報警及消防子系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術理念集成現(xiàn)有成熟產(chǎn)品，通過讀取感煙感溫傳感器的信號，結(jié)合圖像識別環(huán)境溫度等信息，實現(xiàn)對變電站火災的智能檢測報警及主變充氮滅火的聯(lián)動處理;實現(xiàn)對各種消防設備的狀態(tài)檢測與故障警報;實現(xiàn)火災時與空調(diào)風機的閉鎖聯(lián)動。（4）采暖通風子系統(tǒng)通過無線溫濕度傳感器監(jiān)測室內(nèi)外的溫濕度情況，經(jīng)無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）傳送至匯聚節(jié)點，再經(jīng)有線網(wǎng)絡上傳站內(nèi)控制主機;主機根據(jù)室內(nèi)外溫濕度狀況對空調(diào)的溫度排風機的風向等進行自動控制;當發(fā)生火災時與火災報警子系統(tǒng)聯(lián)動閉鎖空調(diào)風機，防止火災蔓延。（5）給排水子系統(tǒng)安裝水位傳感器對污水池電纜溝等位置進行水位監(jiān)測，當水位告警時啟動攝像頭聯(lián)動，查看現(xiàn)場情況，遠程查詢積水情況，遠程控制排水泵運行。（6）GIS室SF6泄漏監(jiān)測子系統(tǒng)實現(xiàn)SF6氣體泄露監(jiān)測及智能處理。系統(tǒng)實現(xiàn)的功能有：SF6氣體泄漏的漏點定位監(jiān)測；當SF6濃度超標時發(fā)出告警信號，提示值班人員勿入;啟動風機聯(lián)動，實現(xiàn)風機自動排風;遠程查詢SF6監(jiān)測情況，確保系統(tǒng)安全可靠運行;當巡視人員計劃進入GIS室時，提前遠程開啟風機排風，減少等待時間。（7）智能巡視子系統(tǒng)。在巡視路徑關鍵點設置高清攝像機（與圖像監(jiān)視子系統(tǒng)共享)，巡檢人員身穿帶可識別標志的巡視服裝按設定路徑進行巡視;系統(tǒng)通過智能視頻識別技術，自動識別巡視人員是否經(jīng)過了某個關鍵點，記錄下巡檢人員在經(jīng)過關鍵點的時間與對應視頻信息;根據(jù)預先設定的規(guī)則對本次巡檢的質(zhì)量情況進行判斷，對質(zhì)量欠佳的巡視進行提示。（8）防誤入帶電間隔子系統(tǒng)在遠方或變電站控制室，根據(jù)操作票提供的檢修范圍在系統(tǒng)后臺的電氣平面圖上繪出虛擬的安全措施防護圍欄;安監(jiān)人員在現(xiàn)場布置可識別安全措施圍欄;檢修人員身穿帶可識別標志的檢修服裝進入現(xiàn)場進行檢修操作;現(xiàn)場高清攝像機（與圖像監(jiān)視子系統(tǒng)共享)對可識別安全措施圍欄及檢修人員進行識別，當識別出現(xiàn)場檢修人員進入范圍與虛擬安全措施圍欄范圍不一致時，即判斷為誤入帶電間隔，系統(tǒng)發(fā)出告警信號。（9）高壓設備運行溫度在線監(jiān)測子系統(tǒng)。無線溫度傳感器采用結(jié)構(gòu)膠安裝方式，直接安裝在高壓輸變電設備可能的發(fā)熱處，如:動力電纜電纜接頭刀閘觸點開關靜觸點銅排連接點電抗器電容器外殼和設備安裝環(huán)境內(nèi)與場地，實現(xiàn)溫度和溫升的高可靠實時狀態(tài)監(jiān)測溫度信息經(jīng)無線傳感器網(wǎng)絡（WSN），與采暖通風子系統(tǒng)共享)上傳至站內(nèi)控制主機，主機通過比較設備與環(huán)境的相對溫升室內(nèi)與室外大氣的相對溫升，分析可能的過熱情況，提前發(fā)出預警信號，提醒管理人員進行處理。（10）主變紅外熱成像診斷子系統(tǒng)考慮到以往主變壓器溫度監(jiān)測的缺陷，安裝主變壓器紅外熱成像儀，結(jié)合圖像監(jiān)視子系統(tǒng)的高清攝像機對主變壓器進行實時熱圖像監(jiān)測;主變紅外熱成像診斷子系統(tǒng)提供診斷軟件，進行遠程監(jiān)控測溫分析錄像及報警等一系列操作。2.基于虛擬現(xiàn)實技術的智能變電站三維建模研究二維GIS、數(shù)碼照片和視頻監(jiān)控等可視化技術已經(jīng)成熟應用于變電站的可視化管理，但這些可視化手段并不能直觀、真實地反映變電站密集的設施設備在三維空間的分布情況。在很多行業(yè)的設計、施工和管理過程中，開始采用三維可視化手段來真實表現(xiàn)各種特征、細節(jié)、操作環(huán)境和運行過程，變電站也不例外。常用的三維變電站建模手段主要包括以下兩種：1）利用地面激光雷達掃描變電站，獲取密集的三維點云數(shù)據(jù)，然后使用MicroStation、3DMax等三維建模工具建立變電站三維模型。2）基于設計圖紙和廠家設備圖紙，利用3DMax等三維建模工具，建立各種設備元件模型，組合形成整個變電站三維模型?？梢暬筝^高的時候，還需要采用數(shù)碼相機補拍一些照片用于輔助建模，并作為貼圖紋理。以上兩種方法，均是采用逆向建模的方法。建立的模型非常細致，每個元件都可單獨建模，再輔之以面向?qū)ο蟮木幊痰仁侄?，可形成非常完備和清晰的變電站模型，在此基礎上進行各種操作等應用。但這些方法，建模的工作量大，周期長，只適合應用于要求高、投入大的變電站三維可視化。此外，這些方法建立的三維模型復雜，需要較高配置的電腦和復雜的算法才能實現(xiàn)順暢的瀏覽和操作。2.1研究內(nèi)容系統(tǒng)通過三維建模軟件建立三維場景和精確的設備模型，通過Ogre底層圖形庫，將所建立的三維場景和設備模型顯示出來；通過下一代網(wǎng)絡（NextGenerationNetwork，NGN）技術，將三維變電站模擬仿真系統(tǒng)進行互聯(lián)，并與視頻監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)互通；通過虛擬現(xiàn)實技術，使用戶與三維變電站模擬仿真系統(tǒng)進行交互。具體實現(xiàn)方式為站端的組態(tài)模型、三維交互和動態(tài)展示。2.1.1組態(tài)模型對站內(nèi)各種設備進行建模，通過模型數(shù)據(jù)的累積，形成變電站設備模塊庫；通過組態(tài)方式，模塊化的設計，形成變電站建模編輯組態(tài)軟件，利用各種變電站設備模型方便地構(gòu)建出變電站場景模型。2.1.2三維交互三維場景采用模塊化建模方式，對三維場景中的設備按照對象進行區(qū)分，通過人機界面直接對場景中的設備進行操作。結(jié)合視頻監(jiān)控技術，通過視頻視角與三維場景視角進行映射，實現(xiàn)虛擬場景與現(xiàn)實場景的接口。2.1.3傳感器節(jié)點動態(tài)展示與管理在三維場景中直接展示采集到的監(jiān)控設備數(shù)據(jù)，當發(fā)生報警或狀態(tài)變化時，三維場景以變化的模型狀態(tài)提示用戶，并進行聯(lián)動視頻展示、預置位調(diào)用等功能。2.2技術路線2.2.1基于3Dmax的設備建模2.2.1.1設備分類變電站設備可以分為：一次設備、二次設備、輔助設備。2.2.1.2應用3Dmax進行三維變電站設計的過程和方法3Dmax三維建模軟件具有功能強大、擴展性好、兼容性強的優(yōu)點，其插件的加入更是一大亮點。另外，3Dmax建模軟件還具有操作簡單、容易上手等特點。與其他三維建模軟件的功能和特點相比，3Dmax可以說是最容易上手的三維建模軟件。進行變電站三維化設計，首先應該利用3Dmax模型庫里的標準化模型設計出變電站元器件的整體框架模型；接著再通過編輯樣條線、車削等基本命令來對每個元器件模型進行有針對性及更完善的詳細設計和局部設計；最后通過擠出、編輯網(wǎng)格、外殼、錐化等命令來實現(xiàn)三維立體效果的變電站元器件模型。此外，還通過適當?shù)募尤胼o助線等相關元素，使模型的建立更加方便。（1）構(gòu)建元器件模型的通用圖庫構(gòu)建元器件模型通用圖庫是變電站三維立體化設計的非常必要條件和過程。元器件模型圖庫的建立，不但可以讓三維變電站整體模型規(guī)劃和元器件模型設計簡單充實，而且設計者還可以把想用的元器件模型拷貝至具體的變電站3D環(huán)境中去。與此同時，還可以對同種元器件模型進行篩選，選出最適合的來進行下一步的設計。通過3Dmax對各個視圖進行比較，同時在透視圖中對模型進行旋轉(zhuǎn)、同比例放大、縮小等操作，可實時掌握設計的進程和方向，從而提高設計的準確性和穩(wěn)定性。斷路器模型變壓器模型（2）變電站元器件模型的系統(tǒng)集成與渲染利用3Dmax的模型集成功能，可以依據(jù)現(xiàn)實中變電站元器件之間的電氣主線連接，把設計者的三維變電站元器件設備模型進行連接和集成。通過照明、相機設置等與渲染相關命令操作的實現(xiàn)，可以在細節(jié)上對整體的三維變電站模型進行有針對性的渲染。（3）三維變電站的整體裝配設計在三維變電站的整體裝配設計中，需要建立各個元器件模型之間的連通關系。采用3Dmax動畫功能效果，可讓各個元器件模型有機地結(jié)合并實時的動態(tài)運作。與此同時，設計者也可以對單一的元器件模型進行動畫效果的考察。當發(fā)現(xiàn)安全隱患等問題時，可以及時對模型進行相應的修改。另外，3Dmax還可以對元器件模型進行動態(tài)修改，即設計者可以通過修改參數(shù)來調(diào)整元器件模型的裝配以及各個元器件模型間的屬性值。其他部分由3Dmax自動進行調(diào)節(jié)和變更，使修改設計更加方便快捷。2.2.2基于VRML變電站虛擬基建場景構(gòu)建虛擬環(huán)境的構(gòu)建是實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)的基礎，也是建立虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)的關鍵步驟。虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實技術的核心內(nèi)容，虛擬環(huán)境是建立在建?；A之上的，只有設計出反映研究對象的真實有效的模型，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)才有可信度。虛擬環(huán)境建模的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應的虛擬環(huán)境模型。虛擬環(huán)境建模技術主要包括幾何建模、物理建模和運動建模等。幾何建模是基于幾何信息來描述物體模型的建模方法，是對物體的幾何形狀的表示，研究圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本問題；物理建模涉及到物體的物理屬性，是基于物理方法的建模；運動建模是反映研究對象的物理本質(zhì)及其內(nèi)在的工作機理，主要研究的是物體運動的處理和對其行為的描述。2.2.3組織三維場景節(jié)點系統(tǒng)三維場景節(jié)點組織結(jié)構(gòu)框圖，場景節(jié)點全部建立在一個選擇節(jié)點下面，這樣可以在拾取狀態(tài)下選擇虛擬場景中的任一物體