遥视系统在智能变电站仿真培训系统的设计与开发

张秀娥， 李 兵， 吴德华， 姚 麒， 于 传， 王群京

(1.大同电力高级技工学校， 山西 大同 037009；2.合肥盛柏科技有限公司， 安徽 合肥 230088；3.国网安徽省电力公司培训中心， 安徽 合肥 230022；4.安徽大学， 安徽 合肥 230601)

遥视系统在智能变电站仿真培训系统的设计与开发

张秀娥1， 李 兵1， 吴德华1， 姚 麒2， 于 传3， 王群京4

(1.大同电力高级技工学校， 山西 大同 037009；2.合肥盛柏科技有限公司， 安徽 合肥 230088；3.国网安徽省电力公司培训中心， 安徽 合肥 230022；4.安徽大学， 安徽 合肥 230601)

文章介绍了遥视系统在智能变电站中的应用情况以及在智能变电站仿真培训系统中的应用，提出了遥视系统设计和开发的思路与实现方案，实现了智能变电站交互式、可视化全场景的仿真培训。

智能变电站；仿真培训系统；遥视系统；全场景

0 引言

随着智能电网技术的快速发展，电子式互感器、智能高压电器、光纤以太网络和IEC61850通信标准[1]等技术在智能变电站中逐步得到了推广应用，然而现场运行人员对于智能变电站的新技术、新设备却缺乏了解，大多数运行维护人员没有掌握智能变电站的运行和检修技术，因此急需对变电站运维人员进行全面的智能变电站实训[2]。现有的面向传统变电站的培训系统远远不能满足智能电网发展的要求，山西电网公司大同电力技工学校在充分调研的情况下，与合肥盛柏科技有限公司合作，研制和开发了“交互式、可视化智能变电站仿真培训系统”。本套仿真系统不仅可以模拟智能变电站的正常运行和操作过程，还能针对智能电网中新型智能装置和技术进行培训，使变电站运行维护人员全面掌握智能变电站新技术。

交互式、可视化智能变电站全数字仿真培训系统基于三维虚拟技术建立智能站设备场景，为运行人员提供了功能全面、逼真度高的培训平台，提高了运行人员的综合业务能力，使其能够快速提高在各种事故下的正确分析、准确判断和快速应变的处理能力,为电网的安全、稳定、可靠、经济运行打下了一个良好的基础。

1 遥视系统应用介绍

1.1 遥视系统综述

目前变电站已实现了将生产现场的设备运行数据、状态传送到远方的调度(集控)中心，同时调度(集控)中心也可对现场设备进行控制和调节，即:遥测、遥信、遥控和遥调，这就是常称的“四遥”[3]。随着无人值守变电站管理模式的推广和变电站自动化技术改造的不断深入，传统的“四遥”功能已不能满足变电站运行管理和设备维护的需要，这就需要在“四遥”基础上增加“第五遥”，即:遥视[4]。遥视是对“四遥”的补充和完善，弥补了SCADA系统在监控方面的一些盲点。遥视系统综合利用了视频技术、计算机技术、通信技术和网络技术，将变电站内采用摄像机拍摄的视频图像远距离传输到调度(或集控)中心，运行管理人员可以借此对变电站电气设备的运行环境进行监视。

智能变电站遥视系统不仅能为监控中心提供变电站各类设备运行状况的实时图像，实现电网的可视化监控与调度，提高变电站运行和维护的安全性与可靠性；还能记录现场的各类事故和报警信息，为事故分析提供第一手资料。因此，变电站遥视系统已经成为无人、甚至有人值班变电站必备的建设项目。

1.2 遥视系统在智能变电站的应用情况

智能变电站辅助控制系统独立于站内计算机监控系统，专门用于实现对变电站各种辅助生产系统的整合、优化、管理及控制。其高度集成了视频监控系统、安全防范系统、环境监控系统。

变电站视频监控系统是智能化变电站辅助系统中一个重要的子系统，主要负责对全站重要电气设备、安装地点及变电站环境、变电站安全进行全天候的视频监视。其监视区域包括变电站主控室、二次设备室、高压室、电缆层等室内设备，及变电站大门、进站道路、巡视小道、主控楼门窗等室外区域[5,6]。对外观运行状态进行视频监控的变电站重要设备包括：断路器、敞开式隔离刀闸的分、合闸状态，变压器油位等。视频监控系统主要组成有硬盘录像机、摄像机、智能分析服务器等，设备通过工业以太网交换机向外传递数据。 常规变电站倒闸操作由于设备、技术、管理等方面的限制，只能实现单对象的选择-返校-执行操作控制方式，这种方式虽然在一定程度上保证操作的安全性，但劳动强度大、操作周期过程用时长，操作风险高，给运行人员带来了较大的压力，也从一定程度上增加了误操作的可能，影响了电网的安全运行水平。在智能变电站中，随着遥视技术的应用，这种方式正在逐渐改变。倒闸操作时，直接在监控后台上进行遥控，通过遥视系统进行现场设备分合闸确认，不需要现场与控制室来回的奔跑。而采用智能化技术研制的监控系统内嵌的程序化控制操作(顺控操作)能够有效的减少操作时间，减少停电时间，降低经济损失和对生产生活造成的不便，还能够有效降低倒闸操作误操作的概率，从而降低电网事故率，防止大面积停电，避免造成恶劣的社会负面效应[7,8]。

以往变电站内各系统相互独立，遥视系统只能借助综合自动化系统的通信管理机或者监控主机转发“四遥”信息。这不免带来了不少工作量且增加了原有系统的复杂性，因而难以得到综合自动化厂商的全力配合，导致遥视系统获取信息的完整性、实时性得不到保证，联动的效果受到了限制。在智能变电站中，与综合自动化系统的联动是遥视系统的一项重要应用。它要求遥视系统能够获取并解析综合自动化系统的“四遥”信息，当发生遥信变位、事故告警等事件后，能快速驱动摄像机转向相关的一次、二次设备并进行记录。如何获取“四遥”信息并建立它们与摄像机的对应关系则是实现该项功能的关键。

1.3 遥视系统在智能站仿真培训系统中的应用介绍

变电站仿真培训系统已经成为培训变电站值班员的重要手段，在提高变电运行人员的技术水平、确保电力企业安全生产方面起到积极作用。在之前，遥视系统是一套独立的系统，由于仿真对象的限制，遥视系统在变电站仿真培训系统中并没有实际的开发与应用。随着智能化变电站的建设，程序化控制技术的使用，在倒闸操作或顺控操作过程中，需要通过遥视系统对现场设备状态进行监视检查，这就促成了遥视系统在仿真培训系统中的开发与应用，同时在智能化仿真培训过程中，通过遥视系统还可以实现教师机对学员机三维巡视路线和操作过程的监视。

之前的模拟变电站倒闸操作过程中，在监控系统进行开关、隔离刀闸的遥控，不仅需要从监控上看到被遥控设备状态的变化，还必须到现场查看设备的机械状态的变化。在仿真培训过程中，一方面需要在监控仿真软件上操作，另一方面在现场虚拟设备场景软件上通过巡视小道找到被操作的设备进行机械位置状态查看，确保开关、隔离刀闸合到位或分到位。而遥视系统的应用，实现了智能变电交互式、可视化全场景的仿真培训，就可以直接在遥视系统软件上通过视频监视窗口查看现场的设备变化情况，直接明了，符合现场实际。

2 遥视系统的开发

2.1 遥视系统设计思路

由于“交互式、可视化智能化变电站仿真培训系统”中的智能变电站三维场景采用自主研发的基于OpenGL底层开发的虚拟场景支撑平台，其遥视系统画面也应基于此平台进行设计和实施，从而实现三维场景系统和遥视系统的一键切换。变电站虚拟场景通过鼠标和键盘进行交互式操作与漫游，以当前摄像机镜头作为当前操作人视角，没有加入虚拟人物角色，而遥视系统则加入了采用MDL骨骼模型建立的虚拟人物角色，实现了人物在三维虚拟场景中漫游。

受监视屏幕大小和摄像机数目限制，系统可以按照实际的摄像机镜头位置拆分屏幕窗口，可以实现单窗口及多窗口布局监视。系统将三维场景内虚拟人物的动作行为和位置信息上传到遥视服务器，转发和传递给遥视系统，从而对遥视系统中摄像机镜头下虚拟人物的形态进行控制。通过漫游视角的切换实现人物的转向，通过漫游移动速度的快慢实现虚拟人物走动和跑步行为。

建立摄像机云台控制器部门从而控制和调整摄像机镜头的拍摄角度，通过控制摄像机焦距从而拉近和拉远拍摄物体远近和清晰度。建立学员机遥视管理端口，通过在学员列表内切换任意学员IP，对每一个学员机的行为过程进行监视。

2.2 遥视系统实现方案

变电站仿真系统需要满足大规模培训的需要，在局域网内数据带宽便成为仿真系统中的重要指标。变电站遥视系统采用多路流媒体实时传输，网络带宽占用率高。在基于变电站虚拟三维现场环境下的遥视系统仿真如果采用在变电站虚拟三维现场运行时渲染多路摄像机并实现流媒体传输，会造成以下问题：

(1)多路摄像机渲染会按摄像机数量的倍数占用主画面的渲染效率；

(2)多路摄像机渲染并截取的流媒体图像的实时压缩算法会严重增加CPU负担；

(3)多路摄像机的流媒体图像网络传输会占用极大的网络资源；

(4)变电站虚拟三维场景采用第一人称视角模式，缺少人物角色信息，在多摄像机渲染过程中无法展现作业人员的操作位置和过程；

(5)CPU资源的占用，使得变电站虚拟三维现场主画面渲染的帧速率下降，严重时会造成卡顿的现象，影响学员在三维虚拟现场的人机交互操作；

(6)网络负担的增加，会影响变电站仿真数据传输的实时性，在大规模培训中有可能造成网络瘫痪。

基于以上问题，变电站仿真中基于变电站虚拟三维现场的遥视系统仿真确定采用实现方案如下：

(1)读取虚拟三维场景模型时，直接采用多摄像机渲染方式渲染摄像机画面。

(2)当读取变电站仿真系统实时运行状态时，驱动设备动画。

(3)添加人物角色及动作动画，学员在变电站虚拟现场的操作命令向对应的遥视仿真系统传送，并驱动人物动画，展现作业人员的作业行为。

2.3 遥视系统实现过程

2.3.1 变电站虚拟三维场景

以智能变电站真实设备和环境为原型，通过三维技术，建立智能变电站的三维模型，搭建三维场景，采用OpengGL为开发平台，3DMAX绘制3DS文件为模型格式，读取与变电站虚拟三维现场相一致的虚拟三维场景配置，实现3DMAX坐标系与OPENGL坐标系映射，组建三维场景。

采用基于减面算法的层次细节模型、显示列表提高渲染效。采用区域检测，隐藏摄像机视角外不可见模型，减少场景复杂度，提高渲染效率。

2.3.2 虚拟人行为仿真

虚拟人模型使用3DMAX绘制MDL人物骨骼动画模型文件格式，依据智能变电站作业人员行为动作特点绘制人物行为动画，如行走、跑动、下蹲、开关柜门、点击按钮等动作行为。

依据变电站虚拟三维作业场景中的操作行为实现相应的操作定义，如三维场景内设备的巡视、检查，设备的倒闸操作，工器具的检查与使用等行为，遥视仿真软件中依据不同的操作定义改变虚拟人的位置和调用相应的虚拟人行为动画在遥视监视软件中实时显示其动作行为。

2.3.3 碰撞检测

通过物体间的碰撞检测，使虚拟人可以在三维场景内平滑的移动，防止虚拟人在场景中漫游行走时出现穿墙、穿过设备等不符合现实规律的现象，通过对楼梯、人字梯等物体的碰撞检测实现虚拟人攀爬和上下台阶等。

场景采用均匀网格划分空间的层次结构。模型使用多层次模型设备包围盒划分整体和细节区域。采用区域检测与多层次模型包围盒干涉检测实现从碰撞方位的大致确定到精确碰撞的检测，提高检测效率。

2.3.4 数据驱动

为了减少仿真培训时数据通讯的负担，此遥视仿真软件没有采用现实中直接通过安装摄像机从对所拍摄的位置进行监视视频数据传递，而是直接从变电站仿真系统服务器读取实时运算数据，通过设备状态的变化驱动变电站设备的动画展示。依据相应监控的变电站虚拟三维作业场景中视角变化、摄像机位置变化、设备操作命令等操作定义在遥视软件监视画面上驱动相应的虚拟人动作行为和设备操作动作展示。

2.3.5 多摄像机管理

以所建智能变电站三维场景为虚拟监视环境，确定各个摄像机三维坐标安放位置和视角信息，实时调取和读取需要遥视摄像机预置位置和视角信息分割三维视图、按照摄像机拍摄参数划分各摄像机渲染区域。通过模拟摄像机参数特性和变电站现场的遥视软件的监视和操作界面，模拟其遥视过程，实现各摄像机视角的调整和焦距的调整。

2.4 设计方案的优点与不足

2.4.1 方案优点

(1)按照现场布置，遥视仿真机非学员操作计算机，遥视仿真的系统开销不会影响学员在三维虚拟现场的操作。

(2)不需要采用视频压缩算法。

(3)采用操作命令方式传输，学员在虚拟三维现场的操作采用命令方式传输，且操作行为非实时连贯，极大地节省了网络开销。

2.4.2 方案不足

需要加载与监控目标变电站虚拟三维场景一致的三维场景，监控多个变电站场景需要预先加载多个变电站场景模型，增加遥视仿真机器内存开销。

3 方案的应用

以220kV开源路智能变电站为仿真对象，开发了一套完整虚拟变电站运行的仿真培训系统。能对变电站现场的状态实时监视、设备状态的调整、设备运行异常状态的巡视、各种事故的模拟及处理，全面支持变电站虚拟场景的性能调试和优化。

图1为220kV开源路智能变电站的三维场景运行画面。

图2为切换到遥视系统的运行画面，虚拟了四个不同的摄像机视角。

云台调节可以调整摄像头的视角和焦距，如图3。

4 结束语

遥视系统作为智能化变电站仿真培训系统中一个全新的模块，它因实事而产生；作为智能变电站辅助控制系统的一部分，其实现的角色也将更加重要；随着智能化技术的发展，其在仿真系统的功能将更加丰富，其功能也将在以后更加的完善。

[1] 张全元，李洪波.电力行业仿真培训教材(变电类)[M].北京：中国电力出版社，2011:3.

[2]Jianqing Zhang and Carl A. Gunter.IEC 61850 - Communication Networks and Systems in Substations: An Overview of Computer Science[R]. University of Illinois, 2011.

[3]钟连宏，梁异先.智能变电站技术与应用[M].北京:中国电力出版社. 2010:23.

[4]桑艳艳，郑三立.省级变电站遥视系统的研究与实现[J].电力系统及其自动化学报，2009,21(1):73-77.

[5]苏永春，辛建波，窦晓波.数字化变电站保护与视系统联动控制方案[J].中国电力，2010,43(4):33-37.

[6]侯思祖，田新成，陆旭，等.变电站视频监控系统设计研究[J].继电器,2007,35(9):60-64.

[7]Eager D,VernonM,ZahorjanJ.Bandwidthskimming: a technique for cost-effective video-on-demand[C]∥Multimedia Computing and Networking 2000,SanJose, CA,USA,2000:206.

[8]魏本刚，等.基于智能巡检的智能化变电站状态监测系统设计方案[J].华东电力，2012(6):999-1001.

[责任编辑：朱子]

Design and Development of Remote Monitoring System in Smart Substation Digital Simulation Training System

ZHANGXiu-e1,LIBing1,WUDe-hua1,YAOQi2,YUChuan3,WANGQun-jing4

(1.DatongElectricPowerSeniorTechnicalSchool,Datong037009,China;2.HefeiSimpleTechnologyCompany,Hefei230088,China;3.TrainingCenterofStateGridAnhuiElectricPowerCorporation,Hefei230022,China;4.AnhuiUniversity,Hefei230601,China)

Based on the introduction of the application of remote monitoring system in smart substation, its application in smart substation digital simulation training system is described in the paper. Then the idea and implementation scheme for design and development of remote monitoring system are put forward according to its application, to achieve interactivity and visualization as well as the whole scene of the simulation training in the smart substation.

smart substation; digital simulation training system; remote monitoring system; whole scene

2015-08-03

张秀娥(1956-)，女，高级讲师，研究方向：智能电网及智能变电站。 吴德华(1983-)，男，硕士，讲师，研究方向：智能电网及智能变电站。 于 传(1983-)，男，硕士，讲师，从事变电运行及电力系统培训和智能电网研究。

G807.4

A

1672-9706(2015)03- 0121- 05