游大寧，王順浦，李圖強(qiáng)，張林峰，王明松

（1．國網(wǎng)山東省電力公司，山東濟(jì)南250001；2．北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京100192）

基于虛擬現(xiàn)實的電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

游大寧1，王順浦1，李圖強(qiáng)1，張林峰1，王明松2

（1．國網(wǎng)山東省電力公司，山東濟(jì)南250001；2．北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京100192）

針對視頻監(jiān)控電力設(shè)備存在的設(shè)備定位時間長、監(jiān)控效果不理想問題，設(shè)計一種基于虛擬現(xiàn)實的電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建與變電站真實場景相同的虛擬現(xiàn)實場景，在虛擬現(xiàn)實場景中確定需要監(jiān)控的區(qū)域和監(jiān)控效果最好的監(jiān)控攝像頭，計算監(jiān)控攝像頭的旋轉(zhuǎn)角度，并根據(jù)計算結(jié)果旋轉(zhuǎn)真實場景的中的最優(yōu)監(jiān)控攝像頭，從而及時、準(zhǔn)確地觀察電力設(shè)備運行狀態(tài)。在國網(wǎng)山東省電力公司搭建該系統(tǒng)，運行結(jié)果表明系統(tǒng)能夠及時、準(zhǔn)確地觀察電力設(shè)備運行狀態(tài)。

虛擬現(xiàn)實；監(jiān)控攝像頭；碰撞檢測

0 引言

電力調(diào)度中心的監(jiān)控人員通過SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）對變電站內(nèi)的電力運行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，實現(xiàn)電力運行設(shè)備的遙測、遙信、遙控和遙調(diào)等功能［1］。但是SCADA系統(tǒng)不能實現(xiàn)電力設(shè)備的遙視功能，監(jiān)控人員需要借助監(jiān)控攝像頭來觀察電力設(shè)備的運行情況?？梢圆捎萌斯ばD(zhuǎn)監(jiān)控攝像頭的方式尋找需要監(jiān)控的電力設(shè)備，觀察運行狀態(tài)。但是這種控制方式往往需要花費很長的時間來尋找電力設(shè)備，監(jiān)控效果有時也不理想。

針對視頻監(jiān)控電力設(shè)備時存在的設(shè)備定位時間長、監(jiān)控效果不理想的問題，設(shè)計一種基于虛擬現(xiàn)實的電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)造與變電站真實場景相同的虛擬現(xiàn)實場景，在虛擬現(xiàn)實場景中確定需要監(jiān)控的區(qū)域和監(jiān)控效果最好的監(jiān)控攝像頭，計算最優(yōu)監(jiān)控攝像頭的旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)計算結(jié)果旋轉(zhuǎn)真實場景中的最優(yōu)監(jiān)控攝像頭，從而及時、準(zhǔn)確地觀察電力設(shè)備的運行狀態(tài)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

基于虛擬現(xiàn)實的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)由變電站電氣仿真程序、監(jiān)控攝像頭控制程序、變電站虛擬現(xiàn)實場景和監(jiān)控攝像頭4部分組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。變電站電氣仿真程序采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)仿真變電站構(gòu)建虛擬變電站場景，確定最優(yōu)監(jiān)控攝像頭及其旋轉(zhuǎn)角度，并將結(jié)果信息傳送給監(jiān)控攝像頭控制程序。監(jiān)控攝像頭控制程序是監(jiān)控攝像頭自動控制的程序，接收到變電站電氣仿真程序傳送的數(shù)據(jù)后，會上下、左右旋轉(zhuǎn)監(jiān)控攝像頭，使鏡頭轉(zhuǎn)向需要監(jiān)控的電力設(shè)備區(qū)域。變電站電氣仿真程序和監(jiān)控攝像頭控制程序是整個系統(tǒng)的后臺，連接變電站虛擬現(xiàn)實場景和監(jiān)控攝像頭。變電站虛擬場景是變電站仿真場景顯示界面，用于顯示真實變電站內(nèi)電力設(shè)備的位置信息。監(jiān)控攝像頭是彩色一體化晝夜球型攝像機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)鏡頭的旋轉(zhuǎn)、變焦、自動聚焦等功能。

圖1 電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的實現(xiàn)流程

基于虛擬現(xiàn)實的變電站監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)流程如圖2所示。首先采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)［2］構(gòu)造和顯示與真實變電站場景相同的變電站虛擬現(xiàn)實場景；然后根據(jù)虛擬場景提供的場景漫游和設(shè)備列表功能，選擇需要監(jiān)控區(qū)域；接著計算每個監(jiān)控攝像頭與需要監(jiān)控區(qū)域的距離，根據(jù)碰撞檢測算法確定監(jiān)控效果最好的監(jiān)控攝像頭；計算最優(yōu)監(jiān)控攝像頭水平方向和豎直方向的旋轉(zhuǎn)角度，得到最優(yōu)的旋轉(zhuǎn)方式，并將結(jié)果傳送給監(jiān)控攝像頭控制程序；最后監(jiān)控攝像頭控制程序控制真實變電站中監(jiān)控攝像頭的旋轉(zhuǎn)，使其對準(zhǔn)需要監(jiān)控的設(shè)備區(qū)域。

圖2 電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)流程

2.1 構(gòu)造顯示變電站虛擬現(xiàn)實場景

為了能夠及時、準(zhǔn)確地獲得電力設(shè)備和監(jiān)控攝像頭的位置信息，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對變電站進(jìn)行仿真，按照1∶1的比例構(gòu)建與變電站真實場景完全相同的三維虛擬場景。

變電站虛擬現(xiàn)實場景的構(gòu)建流程：采用3D MAX SDK提供的二次開發(fā)環(huán)境將變壓器、電流互感器、電壓互感器等一次設(shè)備，以及操作箱、壓板等二次設(shè)備的設(shè)備實體導(dǎo)出為可以用來搭建變電站虛擬現(xiàn)實場景的三維設(shè)備模型；為了避免重復(fù)生成三維設(shè)備模型，提高虛擬場景的搭建效率，保存導(dǎo)出的三維設(shè)備模型，生成三維設(shè)備模型庫；從三維模型庫中拾取需要的零件，將其移動到合適的位置來構(gòu)建變電站虛擬現(xiàn)實場景。

在構(gòu)建變電站虛擬現(xiàn)實場景時，以變電站中心點作為坐標(biāo)原點，豎直方向為z軸，水平方向分別為x軸、y軸建立三維坐標(biāo)系，根據(jù)真實變電站場景中設(shè)備的位置信息，把相應(yīng)的三維設(shè)備模型放到合適的位置。

構(gòu)建好變電站虛擬現(xiàn)實場景后，監(jiān)控人員就可以在變電站虛擬現(xiàn)實場景中選擇需要監(jiān)控區(qū)域。但是變電站虛擬現(xiàn)實場景的顯示需要大量的圖形計算，這對計算機(jī)的硬件性能有很高的要求?；谔摂M現(xiàn)實場景顯示時間和系統(tǒng)價格的考慮，采用圖形渲染能力強(qiáng)的HP Z820圖形工作站來運行虛擬現(xiàn)實程序，來完成變電站虛擬現(xiàn)實場景的顯示。變電站虛擬現(xiàn)實場景如圖3、圖4所示。

圖3 變電站開關(guān)場虛擬現(xiàn)實場景

圖4 變電站主控室虛擬現(xiàn)實場景

2.2 監(jiān)控區(qū)域的選擇

監(jiān)控區(qū)域的選擇是通過變電站虛擬現(xiàn)實場景中的場景漫游功能［3-4］實現(xiàn)的。監(jiān)控人員通過鼠標(biāo)、鍵盤等設(shè)備，可以對變電站虛擬場景現(xiàn)實進(jìn)行第一人稱視角的平移和旋轉(zhuǎn)，還可以對選中的電力設(shè)備進(jìn)行前后、左右、上下六自由度的漫游。為了方便監(jiān)控人員找到需要監(jiān)控的電力設(shè)備，在搭建變電站虛擬現(xiàn)實場景時，對經(jīng)常需要監(jiān)控的電力設(shè)備進(jìn)行編號，比如變壓器1號主變、2號主變等，來建立設(shè)備列表。監(jiān)控人員通過設(shè)備列表中快速定位需要監(jiān)控的電力設(shè)備，然后對該設(shè)備進(jìn)行上下、前后、左右六個自由度的場景漫游，選擇需要監(jiān)控的設(shè)備區(qū)域。

2.3 最優(yōu)監(jiān)控攝像頭的選擇

變電站內(nèi)的攝像頭安裝在位置較高、視野開闊的地方，攝像頭的監(jiān)控區(qū)域能夠覆蓋變電站內(nèi)所有的電力設(shè)備。一般來說，監(jiān)控攝像頭距離監(jiān)控區(qū)域越近監(jiān)控效果越好，以距離為度量選擇最優(yōu)監(jiān)控攝像頭。計算每個攝像頭中心點與監(jiān)控區(qū)域中心點之間的距離，把距離監(jiān)控區(qū)域最近的監(jiān)控攝像頭作為最優(yōu)監(jiān)控攝像頭。但是這樣選擇的監(jiān)控攝像頭和監(jiān)控區(qū)域之間可能會存在視線阻擋，所以選擇完監(jiān)控攝像頭后，還要采用包裝盒的碰撞檢測算法［5］對選擇的監(jiān)控攝像頭進(jìn)行驗證。驗證方法為：用一個長方體包裹住監(jiān)控攝像頭三維模型，將長方體沿監(jiān)控攝像頭中心點與監(jiān)控區(qū)域中心點之間的連線進(jìn)行移動，移動過程中如果沒有與其他設(shè)備的包裝盒發(fā)生碰撞，監(jiān)控攝像頭選擇正確；如果發(fā)生了碰撞，最優(yōu)監(jiān)控攝像頭選擇錯誤，從其他攝像頭中選擇距離監(jiān)控區(qū)域最近的監(jiān)控攝像頭重新進(jìn)行驗證。確定最優(yōu)監(jiān)控攝像頭的基本流程如圖5所示。

圖5 確定最優(yōu)監(jiān)控攝像頭流程

2.4 監(jiān)控攝像頭旋轉(zhuǎn)角度的確定

在變電站虛擬現(xiàn)實場景中確定好最優(yōu)的監(jiān)控攝像頭后，需要計算該監(jiān)控攝像頭的旋轉(zhuǎn)角度，并傳送給監(jiān)控攝像頭控制程序，來旋轉(zhuǎn)真實場景中的監(jiān)控攝像頭。監(jiān)控攝像頭從一個位置旋轉(zhuǎn)到另一個位置可以有多種運動方式，但歸根到底都是水平運動和俯仰運動。只需要計算出監(jiān)控攝像頭水平方向和豎直方向的旋轉(zhuǎn)角度，就可以將監(jiān)控攝像頭對準(zhǔn)需要監(jiān)控的位置。

圖6 監(jiān)控攝像頭的兩種旋轉(zhuǎn)方式

圖6給出了監(jiān)控攝像頭的監(jiān)控區(qū)域從監(jiān)控位置A（x1，y1，z1）到監(jiān)控位置B（x2，y2，z2）的兩種旋轉(zhuǎn)方式。圖6（a）首先將監(jiān)控攝像頭從位置A（x1，y1，z1）沿水平方向旋轉(zhuǎn)α角度到位置A′（x1′，y1′，z1′），然后沿豎直方向旋轉(zhuǎn)β角度到位置B（x2，y2，z2）。圖6（b）首先將監(jiān)控攝像頭從位置A（x1，y1，z1）沿豎直方向旋轉(zhuǎn)α角度到位置A′（x1′，y1′，z1′），然后沿水平方向旋轉(zhuǎn)β角度到位置B（x2，y2，z2）。

根據(jù)余弦定理，分別計算兩種旋轉(zhuǎn)方式的α和β大小。

取α+β值較小的旋轉(zhuǎn)方式作為最優(yōu)旋轉(zhuǎn)方式。將最優(yōu)監(jiān)控攝像頭及其最優(yōu)旋轉(zhuǎn)方式的水平方向和豎直方向的旋轉(zhuǎn)角度傳送給監(jiān)控攝像頭控制程序，來旋轉(zhuǎn)真實場景中的最優(yōu)監(jiān)控攝像頭，使其對準(zhǔn)需要監(jiān)控區(qū)域。

3 系統(tǒng)的運行結(jié)果

按照上述開發(fā)流程，在國網(wǎng)山東省電力公司調(diào)度中心搭建電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。采用OpenGL和VC++編寫變電站電氣仿真程序和攝像頭自動控制程序，并在HP Z820圖形工作站上運行。對國網(wǎng)山東省電力公司32個變電站的電力設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，效果如圖7所示。運行結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠及時、準(zhǔn)確地觀察電力設(shè)備運行狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)電力運行設(shè)備的遙視功能。

圖7 電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

4 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一門新型的技術(shù)，正被廣泛應(yīng)用于電力仿真領(lǐng)域。構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實的電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，通過在虛擬現(xiàn)實場景中選擇監(jiān)控區(qū)域和監(jiān)控效果最好的攝像頭，計算得到最優(yōu)監(jiān)控攝像頭的旋轉(zhuǎn)角度，按相同的方式旋轉(zhuǎn)真實場景中的最優(yōu)監(jiān)控攝像頭，來對電力設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行實時觀察，實現(xiàn)電力運行設(shè)備的遙視功能。電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可以與SCADA系統(tǒng)相互結(jié)合，接收SCADA系統(tǒng)中各電力設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，在虛擬現(xiàn)實場景中模擬各電力設(shè)備的運行狀態(tài)，這是本系統(tǒng)今后改進(jìn)的方向。

［1］王明俊.我國電網(wǎng)調(diào)度自動化的發(fā)展——從SCADA至EMS［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2004，30（4）：43-46.

［2］何敏，呂崇德.新一代的電站仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2001，13（1）：83-85.

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［7］石教英.虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)及實用算法［M］.北京：科學(xué)出版社，2002.

The Design and Implementation of Power Equipment Monitoring System Based on Virtual Reality Technology

In order to solve the problems of long device positioning time and undesirable monitoring performance when monitoring the power equipment，a power equipment monitoring system based on virtual reality technology is proposed.Using virtual reality technology，a virtual reality scene the same as substation real scene is built.In this scene，the monitoring area can be selected，the optimal surveillance camera and its angle of rotation can be determined.According to the results，the optimal surveillance camera in real scene can be rotated.Therefor，it is possible to obtain power equipment operational status timely and accurately.We build this system in Shandong Electric Power Company，and the running results show that the system can monitor power equipment timely and accurately.

virtual reality；surveillance cameras；collision detection

TM277

：A

：1007－9904（2014）04－0005－04

2014-03-24

游大寧（1977—），男，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)運行與控制工作。