基于物联网与三维可视化技术的智能变电站综合辅助系统研究.doc

基于物联网与虚拟现实技术的智能变电站综合辅助系统研究物联网技术是通过射频识别（RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议,把任何物体与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。虚拟现实技术可以定义为对现实世界进行五维时空的仿真,即除了对三维空间和一维时间仿真外，还包含对自然交互方式的仿真。它由计算机生成，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的交互式场景仿真，是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系统. 一个完整的虚拟现实系统包含一个逼真的三维虚拟环境和符合人们自然交互习惯的人机交互界面，分布式虚拟现实系统还要包含用于共享信息的人机交互界面。集成应用物联网、虚拟现实技术在变电站辅助控制系统中，将极大的丰富智能变电站辅助控制系统的内涵，提升智能变电站全站全景全息的信息化水平,实现安防消防监控、环境监控、动力监测、运行辅助、检修辅助、运行状态监视、预报警等系统的集成应用和联动控制、资产管理等功能，提高变电站的智能化水平，为电网安全运行提供决策技术支撑.系统整体架构1.基于物联网技术的智能变电站辅助控制与监测系统研究智能变电站要求全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化,并可根据需要支持实时自动控制智能调节在线分析决策协同互动等高级功能。物联网是建立于物与物、物与人之间的网络,它通过装置在各类物体上的电子标签、传感器及二维码等,经过接口与网络相连，从而给物体赋予智能，可以实现人与物、物与物间的沟通和对话。因此，物联网可实现对物理世界的高度认知和智能化决策控制 对变电站辅助生产系统进行智能运行管理，首先依赖于对辅助生产系统各个环节运行参数的在线监测和实时信息掌控，基于此，物联网作为智能信息感知末梢 ，成为推动智能变电站发展的重要技术手段.1.1研究内容1。1。1物联网传感器终端研究物联网终端是物联网中连接传感网络层和传输网络层，实现采集数据及向网络层发送数据的设备。它担负着数据采集、初步处理、加密、传输等多种功能.智能传感器终端由外围接口模块、数据处理模块、网络传输模块和电源模块组成。下图为物联网终端的内部结构图.物联网终端的内部结构图物联网终端基本由外围感知（传感）接口,中央处理模块和外部通讯接口三个部分组成，通过外围感知接口与传感设备连接，如RFID读卡器，红外感应器，环境传感器等，将这些传感设备的数据进行读取并通过中央处理模块处理后，按照网络协议，通过外部通讯接口，如：GPRS模块、以太网接口、WIFI等方式发送到以太网的指定中心处理平台。1。1.2传感网络组网方案研究有线组网方式特点：通信线路稳定可靠，维护简单，但安装地点易受限制，布线复杂。无线组网方式特点：安装地点不受限制，无需布线，现场施工方便，但通信易受电磁干扰，抗干扰技术复杂,生产成本高.根据变电站的实际情况，布点多用量大及用在高压带电设备上有绝缘要求的传感器采用无线传感器,如用于对环境温湿度高压设备运行温度感知的传感器，以此组成无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）其他辅助生产系统的传感器布点少无绝缘问题且易于布线采用有线网络，以降低成本且便于维护。1。1。3传感器协调联动方案研究接收传感网测控平台监测到的数据,评估变电站的运行状态，自动判出各类异常情况，执行判断结果,实现辅助系统间的协调联动，消除异常情况造成的影响；形成异常情况处理过程报告,及时将结果上报远方集控中心；监测辅助系统的运行状态，执行远方集控中心的各项命令，规范与监控系统的通信规约。1。2技术路线1.2。1总体方案设计利用物联网技术，通过对外界的感知，构建传感测控网络 在传感测控网络基础上建立辅助控制与监测系统,实现图像监视安全警卫火灾报警与消防及采暖通风等功能的集成，实现 辅助生产系统智能监测智能判断智能管理智能验证等功能 辅助控制与监测系统分层： 第一层为远方集控站管理主机，第二层为站内控制主机，第三层为由物联网组成的变电站各辅助生产子系统（系统构架见图）.第一层功能：远方集控站管理主机接收站内控制主机处理后的各辅助生产子系统运行工况，包括各种异常情况处理结果视频录像等,同时集控站操作人员下发各种控制指令，如推画面启动风机调节空调温度等，实现对辅助生产系统远程控制。第二层功能：站内控制主机接收传感网络监测到的数据,评估辅助生产系统的运行状态，自动判出各类异常情况，执行判断结果,实现各辅助生产系统内及相互之间的协调联动，消除异常情况造成的影响； 形成异常情况处理过程报告，及时将结果上报远方集控中心,接收并执行远方集控中心下发的各项指令.第三层功能：由物联网组成的变电站各辅助生产子系统，包含感知用传感器及汇聚节点(传感网络）和执行用智能终端（声光报警智能风机及空调等）传感器包括高清摄像机围墙 震动传感器感温感烟传感器无线温湿度传感器水位传感节器及气体传感器等，各传感器监测的数据经汇聚节点汇聚后上传至站内控制主机，智能终端执行站内控制主机处理的结果，如排风抽湿自动调节空调温度发出声光告警信号以及在火灾时自动闭锁风机防止火灾蔓延等.1。2.2联动方案设计在站内控制主机设置一套后台系统，采用通信协议实现各辅助生产子系统内部及相互之间的协调联动，方法如下:（1)建立各传感器的编号及各预置位与代表GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event) 事件内容的变量列表成员之间的映射关系;（2)站内控制主机捕获并解析报文;（3）根据映射关系找到与事件相关的传感器，通过多传感器协同感知及图像复核确认该事件；（4）调用该事件相关控制函数,实现切换视频通道启动或闭锁终端设备（风机空调及排水泵等）完成数据储存发送事件报告及报警等一系列协调联动功能及各种事件的控制函数采用软件编程实现,当多种事件同时发生时,按照程序预先设定的优先级自动处理.协调联动程序框架图1。2。3辅助控制与监测系统的智能化应用辅助控制与监测系统的智能化应用是智能变电站中一个全新的智能化应用领域,也是变电站辅助生产系统适应智能运行管理需要所进行的应用拓展。在智能变电站的演变过程中，根据技术发展和管理需要将辅助控制与监测系统分成10个子系统,各子系统的典型应用包括：（1)图像监视子系统采用智能高清摄像机结合图像识别技术,自动识别跟踪进入视场范围内的目标，图像自动弹出在监视器的最顶层,值班人员可迅速直观的看到现场的实际情况.(2）安全警卫子系统针对图像监视子系统的不足,组建多类型传感器( 如围墙震动传感器） 协同感知网络，实现全新的目标识别多点融合和协同感知； 声光报警设备向现场进行声光告警，值班人员通过麦克风设备向现场通话告警，警告可疑人员; 当入侵目标强行翻越围墙时，启动电子围栏击退入侵目标，电子围栏可远程设定投退。（3）火灾报警及消防子系统以物联网技术理念集成现有成熟产品，通过读取感烟感温传感器的信号，结合图像识别环境温度等信息,实现对变电站火灾的智能检测报警及主变充氮灭火的联动处理； 实现对各种消防设备的状态检测与故障警报; 实现火灾时与空调风机的闭锁联动.(4）采暖通风子系统通过无线温湿度传感器监测室内外的温湿度情况,经无线传感器网络（WSN）传送至汇聚节点,再经有线网络上传站内控制主机； 主机根据室内外温湿度状况对空调的温度排风机的风向等进行自动控制； 当发生火灾时与火灾报警子系统联动闭锁空调风机,防止火灾蔓延。（5）给排水子系统 安装水位传感器对污水池电缆沟等位置进行水位监测,当水位告警时启动摄像头联动，查看现场情况，远程查询积水情况，远程控制排水泵运行。（6）GIS室SF6泄漏监测子系统实现SF6气体泄露监测及智能处理。系统实现的功能有:SF6气体泄漏的漏点定位监测;当SF6浓度超标时发出告警信号,提示值班人员勿入； 启动风机联动，实现风机自动排风； 远程查询SF6监测情况,确保系统安全可靠运行; 当巡视人员计划进入GIS室时,提前远程开启风机排风，减少等待时间。（7)智能巡视子系统.在巡视路径关键点设置高清摄像机（与图像监视子系统共享) ,巡检人员身穿带可识别标志的巡视服装按设定路径进行巡视； 系统通过智能视频识别技术,自动识别巡视人员是否经过了某个关键点,记录下巡检人员在经过关键点的时间与对应视频信息； 根据预先设定的规则对本次巡检的质量情况进行判断，对质量欠佳的巡视进行提示。（8）防误入带电间隔子系统 在远方或变电站控制室，根据操作票提供的检修范围在系统后台的电气平面图上绘出虚拟的安全措施防护围栏； 安监人员在现场布置可识别安全措施围栏； 检修人员身穿带可识别标志的检修服装进入现场进行检修操作； 现场高清摄像机（与图像监视子系统共享) 对可识别安全措施围栏及检修人员进行识别，当识别出现场检修人员进入范围与虚拟安全措施围栏范围不一致时，即判断为误入带电间隔，系统发出告警信号。（9）高压设备运行温度在线监测子系统.无线温度传感器采用结构胶安装方式，直接安装在高压输变电设备可能的发热处,如： 动力电缆电缆接头刀闸触点开关静触点铜排连接点电抗器电容器外壳和设备安装环境内与场地,实现温度和温升的高可靠实时状态监测 温度信息经无线传感器网络(WSN),与采暖通风子系统共享） 上传至站内控制主机，主机通过比较设备与环境的相对温升室内与室外大气的相对温升，分析可能的过热情况，提前发出预警信号，提醒管理人员进行处理。（10)主变红外热成像诊断子系统 考虑到以往主变压器温度监测的缺陷,安装主变压器红外热成像仪，结合图像监视子系统的高清摄像机对主变压器进行实时热图像监测; 主变红外热成像诊断子系统提供诊断软件，进行远程监控测温分析录像及报警等一系列操作.2。基于虚拟现实技术的智能变电站三维建模研究二维GIS、数码照片和视频监控等可视化技术已经成熟应用于变电站的可视化管理,但这些可视化手段并不能直观、真实地反映变电站密集的设施设备在三维空间的分布情况。在很多行业的设计、施工和管理过程中，开始采用三维可视化手段来真实表现各种特征、细节、操作环境和运行过程，变电站也不例外。常用的三维变电站建模手段主要包括以下两种： 1)利用地面激光雷达扫描变电站，获取密集的三维点云数据,然后使用MicroStation、3DMax等三维建模工具建立变电站三维模型. 2)基于设计图纸和厂家设备图纸，利用3DMax等三维建模工具，建立各种设备元件模型，组合形成整个变电站三维模型。可视化要求较高的时候，还需要采用数码相机补拍一些照片用于辅助建模，并作为贴图纹理. 以上两种方法，均是采用逆向建模的方法.建立的模型非常细致，每个元件都可单独建模,再辅之以面向对象的编程等手段，可形成非常完备和清晰的变电站模型，在此基础上进行各种操作等应用.但这些方法,建模的工作量大，周期长,只适合应用于要求高、投入大的变电站三维可视化。此外，这些方法建立的三维模型复杂，需要较高配置的电脑和复杂的算法才能实现顺畅的浏览和操作。2.1研究内容系统通过三维建模软件建立三维场景和精确的设备模型,通过Ogre底层图形库，将所建立的三维场景和设备模型显示出来；通过下一代网络（Next Generation Network，NGN）技术，将三维变电站模拟仿真系统进行互联，并与视频监控系统、生产管理信息系统互通;通过虚拟现实技术，使用户与三维变电站模拟仿真系统进行交互.具体实现方式为站端的组态模型、三维交互和动态展示.2。1.1组态模型对站内各种设备进行建模,通过模型数据的累积，形成变电站设备模块库；通过组态方式，模块化的设计，形成变电站建模编辑组态软件，利用各种变电站设备模型方便地构建出变电站场景模型.2。1。2三维交互三维场景采用模块化建模方式,对三维场景中的设备按照对象进行区分，通过人机界面直接对场景中的设备进行操作。结合视频监控技术,通过视频视角与三维场景视角进行映射,实现虚拟场景与现实场景的接口。2.1。3传感器节点动态展示与管理在三维场景中直接展示采集到的监控设备数据，当发生报警或状态变化时，三维场景以变化的模型状态提示用户,并进行联动视频展示、预置位调用等功能。2.2技术路线2.2。1基于3Dmax的设备建模2。2.1。1设备分类变电站设备可以分为：一次设备、二次设备、辅助设备。2.2.1.2应用3Dmax 进行三维变电站设计的过程和方法3Dmax 三维建模软件具有功能强大、 扩展性好、兼容性强的优点，其插件的加入更是一大亮点.另外,3Dmax 建模软件还具有操作简单、 容易上手等特点。与其他三维建模软件的功能和特点相比,3Dmax 可以说是最容易上手的三维建模软件.进行变电站三维化设计，首先应该利用3Dmax模型库里的标准化模型设计出变电站元器件的整体框架模型；接着再通过编辑样条线、车削等基本命令来对每个元器件模型进行有针对性及更完善的详细设计和局部设计;最后通过挤出、编辑网格、外壳、锥化等命令来实现三维立体效果的变电站元器件模型。此外，还通过适当的加入辅助线等相关元素,使模型的建立更加方便。（1）构建元器件模型的通用图库构建元器件模型通用图库是变电站三维立体化设计的非常必要条件和过程. 元器件模型图库的建立,不但可以让三维变电站整体模型规划和元器件模型设计简单充实，而且设计者还可以把想用的元器件模型拷贝至具体的变电站3D 环境中去。 与此同时,还可以对同种元器件模型进行筛选，选出最适合的来进行下一步的设计. 通过 3Dmax 对各个视图进行比较，同时在透视图中对模型进行旋转、同比例放大、缩小等操作,可实时掌握设计的进程和方向，从而提高设计的准确性和稳定性。断路器模型 变压器模型（2）变电站元器件模型的系统集成与渲染利用 3Dmax 的模型集成功能， 可以依据现实中变电站元器件之间的电气主线连接，把设计者的三维变电站元器件设备模型进行连接和集成。 通过照明、相机设置等与渲染相关命令操作的实现，可以在细节上对整体的三维变电站模型进行有针对性的渲染。（3）三维变电站的整体装配设计在三维变电站的整体装配设计中，需要建立各个元器件模型之间的连通关系. 采用 3Dmax动画功能效果，可让各个元器件模型有机地结合并实时的动态运作。与此同时，设计者也可以对单一的元器件模型进行动画效果的考察。 当发现安全隐患等问题时，可以及时对模型进行相应的修改。另外,3Dmax 还可以对元器件模型进行动态修改,即设计者可以通过修改参数来调整元器件模型的装配以及各个元器件模型间的属性值。 其他部分由3Dmax 自动进行调节和变更，使修改设计更加方便快捷。2.2。2基于VRML变电站虚拟基建场景构建虚拟环境的构建是实现虚拟现实仿真系统的基础,也是建立虚拟现实仿真系统的关键步骤。虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容，虚拟环境是建立在建模基础之上的，只有设计出反映研究对象的真实有效的模型,虚拟现实系统才有可信度.虚拟环境建模的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型.虚拟环境建模技术主要包括几何建模、物理建模和运动建模等.几何建模是基于几何信息来描述物体模型的建模方法，是对物体的几何形状的表示，研究图形数据结构的基本问题；物理建模涉及到物体的物理属性，是基于物理方法的建模;运动建模是反映研究对象的物理本质及其内在的工作机理，主要研究的是物体运动的处理和对其行为的描述.2。2.3组织三维场景节点系统三维场景节点组织结构框图，场景节点全部建立在一个选择节点下面，这样可以在拾取状态下选择虚拟场景中的任一物体,使选中的物体与场景中的其它物体区分开来，并可以在指定物体对象上执行特定的动作。场景结构图的第二层包括视点节点、光照节点、根节点、背景节点和事件响应节点。视点节点,定义整个三维场景的全局视点，通过对视点节点属性的设置,用户可以从不同视角对场景进行观察，由于它对整个三维场景图都产生影响，所以将它置于场景结构的最前面。光照节点，定义整个三维场景的光照方案，Open Inventor提供了三种类型的光源：点光源、平行光源和聚光灯光源,具体的光照方案可以是其中的一种或多种光源的组合，并可调节光照的亮度和颜色。根节点主要由环境模型节点背景节点，定义虚拟场景中的背景设计方案,背景有颜色渐变，贴图背景等，在此采用设置场景背景颜色参数方式。事件响应节点,用来处理诸如鼠标单击、键盘按键等用户动作和系统及其它交互设备发出的事件.2。2。4基于物联网和三维可视化的变电站一体化管理平台研究变电站三维全景可视化管理系统的逻辑框架分为基础设施、数据库、基础软件平台和应用系统四部分，功能框架分为辖区地图浏览、变电站分布于总体信息、三维全景漫游、设备与台账连接查询定位、台账录入、台账查询统计、巡检日志、全景量测几个部分.以模型、数据库、图纸、文件等形式为载体建立变电站以及设备的三维模型,实现变电站三维全景展示.根据三维模型提供的接口，经过汇总和二次加工的状态信息以三维可视化的方式进行展现。集三维立体模型、安防信息（监控图像、门禁、电子围栏等）、自动化检测信息、环境动力监控信息、电网运行数据等于一体,进行三维或二维可视化的状态信息展示.通过站内一层、站内二层、站内三层、室外区域帮助用户快速熟悉变电站虚拟场景，直观的了解整个变电站的布置情况。