基于VR技术的电力系统异常情况巡检系统设计

2021-04-09芦佳硕王光华曹磊张彪

计算技术与自动化 2021年1期

芦佳硕　王光华　曹磊　张彪

摘要：为有效提高电力异常情况巡检系统的数据读取效率和系统稳定性，提出了基于VR技术的电力系统异常情况巡检系统。在硬件部分，设计服务器端口模块和数据通信接口模块，实现对电力系统异常情况的检验、采集和传输;在软件部分，制定异常数据巡检流程，输入VR全景巡视信息，通过系统分析实现对异常情况的读取。仿真测试结果显示，相比于其它巡检系统，所提系统对异常数据的读取效率大大提高，巡检过程受外界干扰较小、输出结果有效性更强、系统运行过程稳定性较高。

关键词：VR技术;电力系统;异常情况;巡检;数据读取;信噪比

中图分类号：TM769 文献标识码：A

Design of Power System Anomaly Inspection

System Based on VR Technology

LU Jia-shuo， WANG Guang-hua， CAO Lei， ZHANG Biao

（State Grid Hebei Information & Telecommunication Branch， Baoding， Hebei 050000，China）

Abstract：In order to effectively improve the data reading efficiency and system stability of the power anomaly inspection system， a power anomaly inspection system based on VR technology is proposed. In the hardware part， the server port module and data communication interface module are designed to realize the inspection， collection and transmission of abnormal situations in the power system. In the software part， develop the abnormal data inspection process， input the VR panorama inspection information， and realize the reading of the abnormal situation through system analysis. The simulation results show that compared with other inspection systems， the system's reading efficiency of abnormal data is greatly improved， the inspection process is less disturbed by external interference， the output is more effective， and the system operation process is more stable.

Key words：VR technology; power system; abnormal conditions; inspection; data reading; signal to noise ratio

电力系统是指由发电场站、输电线路、配电场站和用电侧共同组成的综合性的电能生产与消费系统。其功能是将自然能源转化为电能，再通过变电、输送和配电过程供应给电力用户[1]。电力系统维系着众多领域的运行与发展，因此，随着电力供给需求的不断增长，提高电力系统的运行效率已经引起了人们的高度重视。然而，随着电力系统规模的扩大，其结构也愈加复杂，异常情况和事故发生的几率也大大增加[2]。因此，对电力系统的异常情况实施巡检是维护电力系统平稳运行的有效手段之一。

目前，在电力系统巡检领域，已有专家学者提出了一些相对成熟的技术。如文献[3]中设计了一种基于核猫群红外图像异常检测方法的电力智能巡检系统，首先对采集到的电力系统红外图像进行RGB值校正，并将结果映射到Lab空间中得到聚类数据集。利用核猫群聚类方法中对数据进行位置编码，在搜寻模式和追踪模式下不断更新数据位置，并采用核函数引导的相似性度量构造目标函数，通过多次迭代得到电力系统红外图像的多层分割聚类结果，搜索电力系统中的异常信息。文献[4]中设计了一种基于3D末端路径自学习导航的电力巡检系统，该系统首先构建三维路径模型，在此基础上设计了一种末端路径自学习导航算法，对现有的电力巡检系统进行优化，加入移动巡检终端嵌入式软件和服务器端配套软件，实现不同环境下末端路径的自学习，完成对电力系统异常状态的巡检。文献[5]中设计了一种基于图像识别的电力输电线路检测系统，用无人机航摄获得电力线路图像信息，根据输电线路的直线特征，使用Laplacian算子对图像进行边缘检测，在经过闭运算和二值化运算后获得光滑边缘信息，结合优化的霍夫变换提取输电线路主要特征图像，根据其宽度变化判断是否存在异常情况。

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是指将计算机技术和无线传感技术相融合的一种人机交互技术，利用计算机从视觉、听觉、触觉等角度模拟虚拟世界，实现实时、无障碍的三维空间观察[6]。目前，VR技术已广泛应用于医学、航天、室内设计、应急推演、維修制造等领域。

因此，为进一步提升电力巡检系统的实用性，特别是提升系统的数据读取效率和稳定性，将VR技术应用于电力系统异常情况巡检系统，以期提高对电力异常情况巡检的质量和工作效率。

1 硬件结构设计

1.1 系统服务器端设计

系统服务器端口的设计采用JavaEE结构的三层架构形式，三层架构形式可以加快异常数据的传输，有利于提高对异常数据的读取效率。服务器端的三层架构是由异常数据持久层、业务巡检逻辑层和Web层三部分构成[7]，为巡检用户端提供服务，通过HTTP协议实现系统服务器中异常数据的请求，最后返回正确的JSON格式。服务器端的架构结构如图1所示。

通过与电力系统异常情况巡检管理人员的交流，并经过现场电力系统异常情况的现场询问、异常情况观察以及调查[8]，可将异常情况管理部门的主要需求总结为如下几个方面：

·生成一套完整的巡检计划并加以调整;

·在巡检客户端中下载巡检计划和内容;

·巡检现场的异常情况定位、巡检并将异常情况巡检通知单打印出来;

·将异常情况巡检结果上传到系统客户端;

·在巡检结果中抽查巡检质量;

·分析并统计巡检结果。

根据异常情况巡检和管理的需求及系统服务器端口的功能结构，设计服务器功能实现的流程步骤如图2所示。

在系统服务器端口模块中，可以把异常情况的巡视、检修和验收三个环节实现分步执行，也可以根据电力系统异常情况的实际需求合并执行，即在基于VR技术的电力系统异常情况巡检系统中可采用动态与灵活结合的方式设定巡检的工作流程，实现电力系统异常情况的巡检。

1.2 异常数据通信接口模块设计

异常数据通信接口模块主要完成异常情况巡检作业包的下载以及数据的回传。该模块可以满足用户对异常数据的请求，缩短异常数据的读取时间，从而提高数据的读取效率，加快获取电力系统中异常信息的速度。电力系统异常情况巡检系统的内网服务器为巡检工作提供管理服务，包括系统缺陷管理、巡检数据的统计分析、异常情况巡检作业管理等，与工程生产管理系统进行异常数据同步[9]。外网服务器为异常情况巡检提供VR导航管理、电力系统应急指挥、异常情况定位等功能服务。内网服务器与外网服务器间需部署网络隔离装置，通过系统应用层的协议解析以及数据库的访问控制，在实现内外网隔离的基础上，满足外网服务器对内网数据库的正常访问[10]，异常情况巡检终端通过VR技术接入到系统中。通过这一过程，可以降低巡检系统受外界环境的影响，保证系统运行的稳定性和可靠性。网络隔离装置部署情况如图3所示。

利用部署隔离装置将连接电力系统的内外网，完成异常数据通信接口模块设计。异常数据通信接口模块结构功能如图4所示。

异常数据通信接口模块与工程生产管理系统中的缺陷数据实时同步，并具备VR管理功能;异常数据通信接口模块将巡检系统中的异常数据延伸到现场，可以为巡检工作提供定位服务，还可作为异常数据的采集工具[11]。

综上所述，通过HTTP协议实现系统服务器中异常数据的巡检服务请求，设计了服务器端的架构展示图，又基于异常情况管理部门的主要需求，设计了服务器端的功能结构，又结合服务器功能实现的流程步骤，完成了系统服务器端的设计;为了实现异常数据的同步功能，在内外网之间安装了部署隔离装置，完成了电力系统异常数据通信接口模块设计，从而完成系统硬件部分的设计。

2 软件部分设计

2.1 制定异常数据巡检计划

在指定异常数据巡检计划时，将VR技术应用到系统的软件设计中。VR技术可以将异常数据巡检计划储存在服务器中，提高电力系统中异常数据的读取效率。在电力心疼异常情况巡检中，运用VR技术，可以一比一比例模拟电力系统工作环境，自动识别目标设备，将巡检指令以可视化方式提示。如图5所示为VR技术巡检场景。

在电力系统异常情况巡检系统的客户端运行过程中，无论是读取异常数据的内容，还是设置客户端的巡检信息，都是采用VR技术实现异常数据信息的读取[12]。制定异常情况巡检计划与异常维护都属于VR模块程序，VR模块程序的开发按照结构化设计方法，从上到下逐步求精，从巡检系统全局出发，通过对电力系统异常情况巡检结果的处理，实现程序的开发，针对每一个阶段的程序运行过程，规定电力系统异常情况巡检的工作内容和管理目标[13]。在确定了异常数据巡检计划后，将每一个步骤的程序都以子程序的形式进行存放，然后在巡检系统的主程序中被调用，完成电力系统异常情况VR全景巡检。

2.2 电力系统异常情况巡检功能的实现

为加快异常数据信息的读取效率，利用常数据信息提取构成实现电力系统异常情况的巡检。异常数据信息提取主要由三个 EditText、一个 Spinner 和两个 Button 构成，在提取时不允许填写与巡检无关的数据值[14]，有效避免无用信息對提取过程的干扰。电力系统异常数据信息的业务逻辑比较简单，在选择巡检设备类别后点击提交，异常情况巡检系统会先判断是否有空值，然后在判定经纬度是否处于巡检的有效范围内，确认异常数据信息合法后会弹出一个对话框，提示是否确认要将异常数据提交，点击确认后直接连接到服务器将电力系统异常数据信息上传到系统数据库。异常数据信息提取流程如图6所示。

异常数据信息的提取是巡检系统的核心部分。通过VR控件中可以查看异常情况的实时位置，需要巡检的异常数据信息列表也会通过系统的服务器发送到巡检客户端，并在巡检系统中完成解析[15]。在此基础上，将异常情况通过VR技术显示在系统客户端中，每一个客户端都设置了点击事件。点击其中一个客户端后，会进入到一个Web View界面，可查看到异常情况的具体信息和位置。如果异常情况与自身的距离在巡检系统的巡检范围内，而且从未被巡检过，那么就可以点击“开始巡检”按钮进行异常情况的巡检工作，并将巡检结果通过VR设备发送到系统服务器中，当服务器返回异常信息发送成功的消息时，系统就会成功接收到异常数据信息。当“开始巡检”按钮不可点击时，说明该异常数据信息已经被巡检过。电力系统异常数据信息巡检流程如图7所示。

针对每一个阶段的程序运行过程，总结出异常数据巡检计划，并将每一个步骤的程序都以子程序的形式进行存放从而实现系统软件功能的设计。

3 仿真测试及分析验证

为验证所提的基于VR技术的电力系统异常情况巡检系统的整体有效性，需进行如下仿真测试。

3.1 测试环境设置

（1）运行环境：

测试环境：Windows7;测试语言：Java、XML;测试工具：MyEclipse 10、Eclipse with Windows SDK。

（2）对比环境：为保证实验的有效性，增强实验结果的说服力，将文献[3]中的基于核猫群红外图像异常检测方法的电力智能巡检系统、文献[4]中的基于3D末端路径自学习导航的电力巡检系统、文献[5]中的基于图像识别的电力输电线路检测系统作为对比系统。

3.2 测试方案设计

为保证实验的有效性，设计了如下测试流程：

步骤①：在电力系统异常情况巡检系统中添加人员和巡检设备的详细信息，并存入到数据库中;

步骤②：根据巡检设备的详细信息设置相应的射频卡;

步骤③：根据巡检系统的维护计划，调用数据库中人员和巡检设备的数据信息，并根据信息编排巡检计划;

步骤④：采用射频巡检仪来读取射频卡中的异常数据信息，并与读卡时间共同存入到储存卡中;

步骤⑤：将异常情况的巡检结果上传到电力系统异常情况巡检系统中;

步骤⑥：将基于VR技术的电力系统异常情况巡检系统的巡检结果与3种其它巡检系统进行对比，并将巡检设备的运行状态和异常情况录入到系统中;

步骤⑦：统计巡检结果。

3.3 实验结果分析

在上述构建的系统运行环境中进行实验测试，利用所提的基于VR技术的电力系统异常情况巡检系统与3种其它巡检系统布置异常情况采集网络，在此基础上，分析不同系统的数据读取效率，结果如表1所示。

从表1中可以看出，采用其它巡检系统来读取电力系统运行过程中的异常数据时，读取效率维持在67.84%-81.78%之间，而采用本研究所提的基于VR技术的电力系统异常情况巡检系统在读取电力系统运行过程中的异常数据时，读取效率维持在84.56%-86.73%之间，明显高于另外3种巡检系统。因此，可以说明基于VR技术的电力系统异常情况巡检系统具有较高的异常数据读取效率，能够有效实现电力异常信息的采集。

为进一步验证基于VR技术的电力系统异常情况巡检系统的实际应用性能，通过对比巡检系统输出结果的信噪比来验证不同系统的抗干扰能力。不同巡检系统输出结果的信噪比情况如如表2所示。

从表2中可以看出，采用文献[4]和文献[5]系统进行电力异常情况巡检，输出结果的信噪比处于78.59 dB-88.42 dB之间，文献[3]系统输出结果的信噪比比文献[4]和文献[5]系统略高，但这3种系统输出结果的信噪比均低于所提系统。所提系统最高输出结果信噪比可达到96.38 dB。因此，可以说明基于VR技术的电力系统异常情况巡检系统具有较强的抗干扰能力，巡检过程受外界干扰较小，输出结果有效性更强。

4 结论

设计了基于VR技术的电力系统异常情况巡检系统。通过系统服务器端口设计和数据通信接口模块的设计完成系统硬件结构设计;在制定异常数据巡检计划和电力系统异常情况提取的基础上实现系统软件功能的设计。仿真测试结果表明，基于VR技术的电力系统异常情况巡检系统对异常数据的读取效率更高，且系统稳定性更高，具有较明显的应用优势。

参考文献

[1] 刘云平，王皖东，梅平，等. 多区域时滞电力系统稳定判据的优化[J]. 控制理论与应用， 2018（7）：994-1001.

[2] 吴月超，郑南轩，苏华佳，等. 面向智能水电站的在线监测状态实时自动巡检方法与应用[J]. 电力系统自动化， 2017， 41（9）：123-129.

[3] 胡洛娜，彭云竹，石林鑫. 核猫群红外图像异常检测方法在电力智能巡检中的应用[J]. 红外技术， 2018， 40（09）：88-94.

[4] 庄园，李从林，李平. 基于3D末端路径自学习导航的电力巡检系统[J]. 中国电力， 2018， 51（1）：102-109.

[5] 高晓东，郑连勇，王蔚，等. 基于图像识别的无人机输电线路断股检测系统设计[J]. 现代电子技术， 2017， 40（20）：162-164.

[6] 肖峰，高正平，朱海峰，等. 虚拟现实技术在输电线路大跨越高塔组立模拟系统中的应用[J]. 电网与清洁能源， 2018， 34（2）：86-92.

[7] 张传伟，赵东刚，张俊男，等. 无线供电带式输送机巡检系统的设计[J]. 煤炭技术， 2017， 36（10）：254-256.

[8] 彭向阳，金亮，王柯，等. 变电站机器人智能巡检系统设计及应用[J]. 中国电力， 2018， 51（2）：82-89.

[9] 李建峰，段宇涵，王倉继，等. 无人机在输电线路巡检中的应用[J]. 电网与清洁能源， 2017， 33（8）：62-65.

[10]吴立远，毕建刚，常文治，等. 配网架空输电线路无人机综合巡检技术[J]. 中国电力， 2018， 51（1）：97-101.

[11]王万国，田兵，刘越，等. 基于RCNN的无人机巡检图像电力小部件识别研究[J]. 地球信息科学学报， 2017， 19（2）：256-263.