基于VR技术的变电站二次回路在线监测方法研究

张志超 刘守瑞 周永强 高翔

摘 要：针对传统的变电站二次回路监测方法存在实时性差、监测过程准确率低的问题，设计了一种基于VR技术的变电站二次回路在线监测方法。首先，利用VR技术模拟变电站实际情况，对环境信息进行三维采集，建立相应的虚拟环境模型，根据其中的各主要状态参量实现变电站监测信息融合;在此基础上，建立回路状态判断指标，对变电站二次回路状态进行判定，得到变电站二次回路安全等级信息。將其与警戒值进行对比，若等级信息超出警戒值，则代表回路中存在故障，需及时处理或检查，若等级信息小于该警戒值则代表回路状态安全，由此实现基于VR技术的变电站二次回路在线监测方法的设计。实验对比结果表明，该监测方法在监测实时性和准确性两个方面具有明显优势，能够及时、准确地发现变电站二次回路中的故障问题，为变电站检修和维护提供支持。

关键词：VR技术;变电站;二次回路;状态监测;实时性;准确性

Abstract：Aiming at the problems of poor real-time performance and low accuracy in the monitoring process of the traditional substation secondary circuit monitoring method， an online monitoring method of substation secondary circuit based on VR technology is designed. Firstly， VR technology is used to simulate the actual situation of substation， collect the environment information in three dimensions， establish the corresponding virtual environment model， and realize the substation monitoring information fusion according to the main state parameters. On this basis， the circuit state judgment index is established to judge the secondary circuit state of the substation， and the safety level information of the secondary circuit of the substation is obtained. If the level information exceeds the warning value， it means that there is a fault in the circuit， which should be timely processed or checked. If the level information is less than the warning value， it means that the state of the circuit is safe. Therefore， the design of online monitoring method for secondary circuit of substation based on VR technology can be realized. The experimental results show that this monitoring method has obvious advantages in real-time monitoring and accuracy monitoring， and can timely and accurately find the fault problems in the secondary circuit of substation， providing support for substation maintenance and repair.

Key words：VR technology; substation; secondary circuit; condition monitoring; real-time; accuracy

现阶段，电力行业的智能化建设水平不断提升，变电站也逐渐实现智能化控制和管理，使得智能电网的运行安全得到极大保障[1]。当变电站运行过程中出现故障时，其中的二次回路会自动报警，维护变电站的稳定运行。但是由于受现场环境的干扰，二次回路报警功能难以有效区分继电保护异常和其它异常情况，导致变电站运行故障无法得到及时告警和排除[2]。因此，亟需一种变电站二次回路监测技术，保证变电站运行的安全性和稳定性。为此，相关专家学者对此进行了研究。

文献[3]中，韩伟等人提出基于短地址关联数据标识的智能变电站虚回路可视化监测方法，该方法针对变电站二次虚回路中存在的问题，通过在短地址上扩展关联数据标识和检索相同的关联数据实现虚端子与变电站设备的智能关联，并实时更新关联数据，实现二次回路数据的实时显示，通过与导入的SCD文件配置数据相比对，实现对二测回路状态的监测。然而该方法运行过程复杂，存在监测实时性较差的问题。文献[4]中，高旭等人提出一种基于综合评价识别法的智能变电站虚回路在线状态监测方法，该方法在变电站全过程模块化管控的基础上，设计SCD文件图形化展示模型，采集变电设备的综合信息。同时利用熵权法和灰色关联法分析变电站二次虚回路中的故障及其类型，实现对二次回路的智能监测，及时消除故障隐患。文献[5]中，夏澍等人提出变电站电能表二次回路故障辨识方法，该方法通过分析实际运行数据总结变电站二次回路常见故障类别，结合相量图推导出在电能表正常状态与故障状态下显示电量间的函数关系，根据电能表故障分析结果和母线平衡报表结果对二次回路进行故障监测和预判。然而上述两种方法监测数据的有效率低，存在监测准确率性差的问题。

VR技术是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，为使用者提供关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，能够及时无限制的观察三维空间内的事物[6]。因此，为解决传统方法中存在的问题，本研究设计一种基于VR技术的变电站二次回路在线监测方法，从提高监测实时性和准确性的角度出发，首先对变电站的監测信息进行有效融合，在此基础上对变电站二次回路信息进行风险评价，设置警戒值，若发生故障则实时报警提醒。研究还通过实验对比结果证明该方法的有效性。

1 变电站监测信息融合

由于变电站中二次回路监测的信息较多，因此，为保证在线监测的准确性，需对变电站监测信息融合。利用VR技术模拟变电站实际情况，对整个变电站环境信息进行三维采集，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型[7]，完成每个设备回路连线和接收压板等各个元素图形样式的绘制，再将各个变电站的二次回路数据连接，生成二次回路展示画面，根据模拟结果对变电站二次回路监测过程进行前期规划。如图1所示为利用VR技术模拟生成的变电站场景。

如表1所示为变电站二次回路监测中的主要状态参量统计结果。

由于待监测的状态量较多，因此，需判断检测状态参数的不同特性，因此对变电站的监测信息进行融合。信息融合的属性与服务如图2所示。

按照层次化建模的思路，将监测信息中的属性划分为四方面，分别为逻辑设备、逻辑节点、数据对象和数据属性[8]，其层次结构如图3所示。

③确定通信服务，将上述得到的属性和服务按照类的形式组织起来，构成确定性的信息交换模型。

在使用信息交换模型时，对每个模块所要实现的功能进行定义，并对所需的数据类型进行定义，根据定义结果，完成对变电站监测信息的融合。

2 变电站二次回路在线监测

对上述变电站监测信息的融合结果，以变电站基本信息为根据对变电站二次回路状态评价，变电站状态信息类别及内容如表2所示。

在此基础上，对变电站二次回路状态结果导入SCD文件中并解析，获取变电站每个装置的相应参数。分析变电站设备的内部数据与外部数据之间的映射关系[15]，以获得更完善的监测信息，实现对变电站二次回路的在线监测。

3 实验对比与分析

为验证所提的基于VR技术的变电站二次回路在线监测方法的整体有效性，需进行如下仿真测试。

3.1 实验平台搭建与实验内容设计

实验采用ARM Cortex-M3内核的微处理器构建硬件平台，包含以太网接口、RS-456接口、采样值传输接口以及GPRS无线传输模块接口、现场采集模块等。监测系统登录界面和系统监测界面分别如图4、图5所示。

通过上述公式实现采样值的处理，并采用一款常用的IEC589报文捕获和解析软件Edifshark解析实验结果。

为保证实验的有效性，将文献[3]中的基于短地址关联数据标识的智能变电站虚回路可视化监测方法、文献[4]中的基于综合评价识别法的智能变电站虚回路在线状态监测方法、文献[5]中的变电站电能表二次回路故障辨识方法作为对比方法，对比四种不同监测方法的实时性和准确性。其中：监测实时性通过监测反应时间来体现，监测准确性通过监测信息召回率体现。

3.2 实验结果分析

不同监测方法监测反应时间统计结果如表3所示。

分析表3可知，随着测试过程迭代次数的变化，不同方法的监测反应时间也不断变化。但利用所提方法进行变电站二次回路监测的反应时间始终保持最少，最多反应用时也仅为7.98×103ms，远远少于另外三种监测方法。因此，可证明所提的基于VR技术的变电站二次回路在线监测方法具有较强的实时性，能够快速对变电站二次回路中的故障做出判断。这是因为所提方法利用VR技术对变电站实际情况展开模拟，根据真实的三维环境信息和设备主要状态参量实现监测信息融合，使信息采集过程更便捷、高效，从而提高了监测的实时性。

在监测过程中，监测的准确性可以通过监测信息召回率进行评价。监测信息召回率与监测准确性成反比，监测信息召回率越高，监测准确性越低。不同监测方法的监测信息召回率对比结果如图6所示。

根据图6所示结果可知，随着测试迭代次数的增加，不同方法的监测信息召回率也在随之变化。当迭代次数较小时，文献[5]方法的监测信息召回率与本文方法相近，但当迭代次数到300次之后，文献[5]方法的监测信息召回率呈现上升趋势，逐渐高于与所提方法。而文献[3]和文献[4]方法的监测信息召回率始终都明显高于所提方法。因此，测试结果可表明所提的基于VR技术的变电站二次回路在线监测方法具有较高的监测准确性。这是因为所提方法在设计科学合理的回路状态判断指标的基础上，根据变电站二次回路状态的判定结果得到二次回路安全等级信息，并分析变电站设备的内部数据与外部数据之间的映射关系，以获得更完善的监测信息，再通过与警戒值的对比判断回路状态的安全性，从而提高了监测结果的准确性。

综上所述，所提的基于VR技术的变电站二次回路在线监测方法在监测实时性和准确性两个方面明显优于传统方法，能够有效提醒工作人员及时处理故障问题，减少变电站故障的发生几率。

4 结 论

变电站作为输配电系统的信息源和执行终端，其主要设备的安全可靠运行必须要得到足够的保障。由于监测数据多、过程复杂，传统的变电站二次回路监测方法的实时性和准确性差，严重影响了变电站的安全运行。为解决这一问题，设计了一种基于VR技术的变电站二次回路在线监测方法，并通过测试对比结果证明了该监测方法的应用优势。

参考文献

[1] 陈福锋， 俞春林， 张尧， 等. 变电站继电保护就地化整体解决方案研究[J]. 电力自动化设备， 2017，37（10）：204-210.

[2] 熊博， 姜春阳， 周峰，等. 计量用电流互感器二次回路状态监测终端及应用[J]. 电网与清洁能源， 2017， 33（3）：60-65.

[3] 韩伟，姜帅，马伟东. 基于短地址关联数据标识的智能变电站虚回路可视化技术研究及应用[J]. 电力科学与技术学报， 2018， 33（4）：97-103.

[4] 高旭，刘宏君，杜丽艳. 基于综合评价识别法的智能变电站虚回路在线状态监测技术研究[J]. 电力系统保护与控制， 2019， 47（3）：188-193.

[5] 夏澍， 徐英成， 王思麒，等. 变电站电能表二次回路故障辨识方法[J]. 电测与仪表， 2017， 54（11）：99-105.

[6] 钱碧甫， 刘主光， 张磊，等. 变电站智能运检VR可视化辅助平台的研究[J]. 电气自动化， 2018， 40（1）：30-32.

[7] 韩伟， 姜帅， 马伟东， 等. 基于短地址关联数据标识的智能变电站虚回路可视化技术研究及应用[J]. 电力科学与技术学报， 2018， 33（4）：97-103.

[8] 赵勤学， 杨俊杰， 楼志斌. 智能变电站安全在线监测系统设计[J]. 电测与仪表， 2017， 54（7）：34-40.

[9] 劉琨， 黄明辉， 李一泉，等. 基于状态信息关联关系的智能变电站继电保护在线监测方法[J]. 现代电力， 2017， 34（6）：85-91.

[10]漆灿， 李庆武， 郑云海，等. 基于智能视觉物联网的变电站红外监测系统[J]. 电力系统保护与控制， 2018， 46（15）：135-141.

[11]肖行诠，张金宝，焦一飞. JSInSAR技术在变电站及电力铁塔形变监测中的应用[J]. 中国电力， 2018， 51（11）：45-52.

[12]徐晓春， 汤同峰， 赵雨田，等. 智能变电站二次设备检修安措规则数据库设计与实现[J]. 电力系统保护与控制， 2017， 45（2）：111-116.

[13]邓科，张海庭，孙振. 智能变电站站控层设备监测系统设计及应用[J]. 电力系统保护与控制， 2018， 46（19）：171-176.

[14]基于检修态切换的智能变电站保护设备检修辅助安全措施[J]. 电力系统自动化， 2019， 43（1）：242-247.

[15]李刚， 黄继东， 倪传坤，等. 智能变电站就地化保护仿真测试系统设计与探讨[J]. 电力系统保护与控制， 2018， 46（17）：161-166.