AR技术在电力系统中的应用及其在新能源监测方面的应用前景

王佳宁，纪 秀，徐佳钰

（1.长春工业大学 电气与电子工程学院，吉林 长春 130012；2.长春工程学院 电气与信息工程学院，吉林 长春 130012；3.智能配电网测控与安全运行国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130012）

0 引 言

增强现实（Augmented Reality，简称AR）理念可以追溯到1968年哈佛大学伊万·萨瑟兰（Ivan Sutherland）研发的头戴式显示设备“达摩克利斯之剑”[1]。其后，1992年，Tom Caudell和David Mizell第一次提出了“增强现实”这个名词，从而诞生了AR。此后，1994年出现了AR技术的首次表演；1997年，给AR技术确定了准确的定义；1998年，AR技术被第1次应用于现场直播；2年后出现了首款增强现实游戏；2009年，AR技术第一次被使用在平面媒体杂志中。自2012年开始，增强现实技术进入第二次发展热潮，如谷歌AR眼镜开售、AR成功进入儿童教育玩具产业、现象级AR手游Pokémon GO诞生、苹果公司打造最大AR开发平台并带来全新的AR组件ARkit等。现在增强现实技术已被应用在很多领域，主要包括医疗领域、军事领域、教育领域、游戏领域、旅游领域和建设规划领域等（见图1），并且具有很大的实用性。

图1 AR技术的应用

电力行业发展到今天已成为社会发展不可或缺的重要资源，对于人们的正常生活以及工业、军事、医疗、建设等领域发展有着极为重要的意义。所以，电力系统及其安全稳定运行在推进国民经济发展和提高人们生活质量方面具有至关重要的作用。而AR技术和电力系统的结合，将在一定程度上提高电力系统的稳定性和电网工作人员的安全性。

1 AR技术的概念和基本工作原理

AR技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合，广泛运用多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互和传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐和视频等虚拟信息模拟仿真后，应用于真实世界，使得两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”的技术[2]。

AR技术的实现原理如图2所示，可以清楚地看到各部分组成及其最终显示的一系列过程。当然，目前AR技术仍有待完善，如几何一致性、光照一致性及时间一致性问题。

图2 AR技术原理

在增强现实系统的应用中，最为关键的3大技术可总结为三维跟踪注册、虚实融合及实时人机交互。三维跟踪注册是指将虚拟物体正确放置在现实场景的三维坐标中，获取指定时间下虚拟物体的二维投影，使虚拟物体与现实世界融合一致。现有的三维跟踪注册方法一般分为有标识和无标识两种[3]。虚实融合技术致力于如何有效增强参与者、真实环境和虚拟环境三者之间的无缝融合，最终达到自然逼真的和谐人机交互，是当前研究的前沿共性技术。而人机交互技术作为连接操作人员与电脑的枢纽同样非常重要。AR交互是指将使用者的操作指令传入计算机，再将经过处理的结果通过显示设备呈现到使用者所佩戴的设备上。

2 AR技术在电力系统中的应用

电力工业发展到今天，已经融入社会生产生活的各个方面，如工业、军事、科研、医疗等领域失去电力支撑将瞬间瘫痪。电力系统的业务极其繁杂，工作环境存在危险系数，因此保障电力系统安全稳定十分重要。实质上，增强现实可交叉应用于电力复杂业务流程的多个环节，从而进一步保障电力系统各个环节的稳定和安全（见图3）。

图3 AR技术电力系统中的应用

2.1 AR技术在电力系统培训中的应用

目前，AR技术在电力系统的应用中，增强现实培训系统的研究占了很大的比重。目前，国内外大多数研究中介绍了用于电力系统变电站操作员培训的虚拟现实环境的体系结构和开发[4]，为用户提供了一个基于AR的培训系统。随着微软Hololens的发布[5]，这种系统浓缩为一个眼镜。用户带上戴上AR眼镜后，系统就会识别现场的电力设备，并通过虚拟标签进行提示，用户可以根据系统的提示进行每一道流程并与其互动[6]，所有操作都会由系统进行详细的讲解及教授。员工操作失误后，系统在画面上发射出电流并伴随着电流声，以独特的画面警示用户，加深其操作印象，提高其安全意识。基于AR技术的电力系统培训在很大程度上解决了电力实操演练中高危险、高成本、不可见等阻碍安全意识和安全技能提升的问题[7]。

电力系统中的变电站作为一种高压设备存在较高的危险性，但是其是电网不可或缺的一部分，传统模式下变电站维修过程中发生过一些意外事故，意外原因包括操作失误、设备老旧等，但更为严峻的问题是变电站维修作业过程中人为操作不当[8]。所以，变电站AR培训显得尤为重要。在系统中，电工可以安全地进行维护和应急演习[9-13]，从而进一步减少人为操作造成的事故。

2.2 AR技术在变电站运维和管理中的应用

变电站运维的日常工作主要包含运维、倒闸、设备巡视以及设备定期试验轮换等工作，充满了复杂性和危险性。在“电网+互联网”的发展趋势下，AR技术在变电站设备运维中具有更大的利用空间[14]。因此，将AR技术应用于变电站运维和管理，以简化工作、减轻危险非常重要。AR技术在变电站运维和管理中的应用体现在很多方面，包括运维过程实时监控[15]、变电站运维实时控制[16]、变电站倒闸及其培训工作[17]等。

基于AR的变电运维系统使用增强现实技术结合电力系统提供的大量辅助参数，引导现场执行任务的人员更加安全可靠地完成运维管理工作[18]。部分系统提供了实时控制功能[19]，系统中每个虚拟变电站都与一家真正的电力公司的监控、数据采集和控制中心集成在一起。使用的员工可以实时操作，还能使用变电站的不同设备。这就为工作人员繁杂的变电站运维工作提供了一个减轻负担的方法，不仅能更加高效地完成工作，而且远程控制可以保证人员安全。

2.3 AR技术在电力系统可视化方面的应用

电力系统极其庞大且错综复杂，运行过程中会产生大规模的数据，而电力系统可视化技术正是把这些规模庞大且种类复杂的数据整理成更加清楚、直观、易于理解的形式并显示出来的过程。通过观察这些可视化的数据，工作人员能高效、有针对性地解决电力系统运行中发生的各种问题。电力系统可视化技术为电力系统的设计、处理、分析和检测提供了一种非常适宜的工具。AR技术的出现更是为电力系统可视化开辟了一个新的发展方向。当前，AR电力系统可视化是将来自电力系统数据库的数据和变电站的真实图像与全景增强环境的应用程序相连接，以将信息显示的方式扩展到支持数据解释、监视和操纵的电力系统运营商[19]，从而实现可视化。然而，目前传统参数可视化方法的可视网络参数种类少，因此完善可视网络参数较为重要，以增强操作人员对网络参数的网络运行状态的掌控能力，减小电力事故发生的可能性[20]。

此外，大多数变电站通过使用监督控制和数据采集（SCADA）应用程序进行远程监视和控制。通过使用标准化通信协议，当前的SCADA系统得到了显著增强，其中最突出的是IEC 61850国际标准。这些增强功能可以改善SCADA系统的不同领域，如通信工程、数据管理及SCADA应用程序中自动化过程数据的可视化。过程数据可视化通常是通过变电站控制中心的人机界面（HMI）屏幕实现的。但是，这种可视化方法有时会使控制和维护程序变慢且易出错[21-22]。将IEC 61850的功能与增强现实技术相结合，可以增强和促进变电站中以人为中心的活动，并为变电站自动化领域提供增值可视化功能，有效地解决了出现的问题。

2.4 AR技术在电力系统其他领域的应用

AR技术除了应用于上述电力系统的各个方面之外，还可应用于其他方面，如电力系统故障源标识、二次设备定值修改、智能巡检[23-27]等。基于AR电力系统云平台和配电网的带电作业机器人的出现，更是进一步实现了电网运行智能化[28-29]，包括设备检查、紧急修复、设备维护和电力线路巡检等操作。

3 AR技术在新能源监测方面的应用前景

随着电力科技的进步，社会的发展日新月异，人们对于电能质量的要求也越来越高。传统的电能主要来源于火力发电，然而火力发电污染性大，对于环境保护是一个巨大的挑战。煤炭能源的储量是有限的，不可能无节制消耗，所以新能源发电技术得到了广泛应用。新能源发电以可再生能源为基础，而且对环境的污染极小[30]，但是应用过程中存在一些难题。新能源发电不仅受到地理条件的限制，而且并网时会对电力系统造成一定的冲击，影响电网的电压偏差、电网频率、电网谐波等，进而影响电网正常运行[31]，而且存在新能源转化效率低和浪费严重问题。例如，我国风力发电规模居世界首位，有效利用时间却低于世界平均水平[32]。由此可见，新能源监测对于电网平稳运行极为重要和必要。

目前，针对新能源的数据监测和信息共享平台建设相对滞后。国内外对区域范围内多个分布式发电项目在线监测分析的研究还处于起步阶段，所开发的系统或平台多偏重数据采集，忽视数据分析。发电项目在线监测和管理系统多是针对单个发电站进行监测，监测对象单一。本文介绍的AR技术与新能源监测技术结合，预计能在一定程度上解决部分问题。基于AR的新能源监测系统应用的技术应侧重于AR技术加新能源互联网[33]，实现新能源监测数据可视化，从而为电网安全可靠运行保驾护航。

4 结 论

近几年，AR技术的发展再度掀起了高潮，并成功应用到了很多领域。电力系统是关乎国计民生的关键一环，与AR结合应用更是“强强联合”，有效提高了电力系统培训效率，对于员工来说更是达到了知行合一的目的，增加了电力系统运维工作的安全性，并能实现电力系统的可视化，进而进一步保护电力系统安全可靠运行。而作为电力系统“新起之秀”的新能源发电技术，如果实现与增强现实技术的进一步结合，必将产生更大的效益。可以预见，增强现实技术与电力系统的结合必将拥有更广阔的应用前景。