基于增强现实的智能变电站管理系统研究
时间：2023-06-18 20:25:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
董永永,任天磊,吕海玲,李 超,贾光达
(内蒙古电力(集团)有限责任公司包头供电分公司，内蒙古 包头 014030)
近年来，以计算机、网络、通信、大数据、物联网等技术为支撑[1-2]，智能变电站管理系统[3-4]得到了迅速发展。传统变电站的显示机制，是在屏幕上实现过程数据方面的展示。操作人员可借助触摸屏或键盘等工具，完成具体信息的输入，实现人机交互。通过专用的监控计算机，可以实现复杂操作的完全或部分自动化，并有助于使手动控制更加安全和准确，从而实现自动化和持续反馈。凭借随时可用的实时信息和通过计算机接口控制多种参数的能力，自动化使操作员能够同时监控多台机器，从而减少工作人员数量。然而，许多重要操作无法完全自动化，操作员可能需要同时监控大量快速变化的参数，同时以视觉方式跟踪和交互控制正在进行的程序组件。
为此，大量学者针对增强现实[5](augmented reality，AR)和混合现实[6](mixed reality，MR)技术进行研究，希望提出1种更加便捷和高效的电力数据管控方案。目前，AR技术已经足够成熟，可以在不同的工业自动化环境中使用，并成功应用于制造、化工、航空航天等行业。文献[7]实现了AR技术在变电站二次设备运检中的应用，提高了变电站二次设备的巡检工作效率和识别准确率。文献[8]聚焦柔性互联变电站方面，以雷电过电压作为剖析点，引入了AR技术推动仿真探索，实现了雷电参数有效模拟，构建了线路杆塔模型和柔性互联变电站设备模型。文献[9]提出了基于AR技术的变电运检远程协助平台，从而解决了变电站运检过程中现场工作人员无法独立解决重大技术问题的难点。上述研究对AR技术在电力系统中的应用和发展具有一定推动作用，但是仅解决了智能变电站中部分问题。一方面，当需要同时观察计算机屏幕以跟踪自动化值并直观地观察变电站运行过程时，传统工作模式会分散操作员注意力，容易产生误操作问题。另一方面，目前很少有文章对电力设备运行过程中的AR数据可视化过程进行研究。
为改善上述问题，本文设计了1种基于AR技术的智能变电站管理系统，可基于变电站数据可视化管控方案，实现以人为中心的智能变电站管理过程。
本节对智能变电站中涉及的IEC 61850[10]标准与AR技术进行简要介绍。
1.1 IEC 61850标准
IEC 61850是电力设施中的1种远程控制标准，确定了公用设施子系统的自动化体系结构条件，可实现多供应商设备之间的通信和语义互操作。
IEC 61850提供的数据语义与电力设备功能密切相关。在构建方式层面，该标准引入了面向对象的逻辑。其中，变电站中物理设备由1个或多个逻辑设备(logical device，LD)组成，主要用于控制、保护和监督自动化系统设备的虚拟表示。代表许多不同设备功能的多个逻辑节点(logical node，LN)可组合成1个LD。同时，各个模型之间的数据交换采用抽象通信服务接口(abstract communication service interface，ACSI)。ACSI模型类定义了IEC 61850设备使用的抽象通信服务。因此，任何IEC 61850客户端软件都可以通过ACSI模型类构成标准化接口，从而为远程控制干预提供了必要的数据条件。
IEC 61850数据模型类连接方式如图1所示。
图1 IEC 61850数据模型类连接方式示意图
1.2 AR技术
AR技术的核心是计算机相关技术。AR技术可以通过引入一定的虚拟元素，完成视觉层次上的现实环境改变。变电站自动化领域引入AR技术的现实任务，便是服务于可视化，为监控提供支撑条件。但随着自动化系统规模和复杂性的不断增加，操作员接收的信息量将不断增加。为此，可通过只显示必要信息缓解操作员额外的数据负担。
本文提出的基于AR的智能变电站管理系统基于IEC 61850进行通信，同时利用变电站配置描述语言(substation configuration description language，SCL)和AR标记编码，对自动化装置等作出识别。这种识别的对象，实质上是IEC 61850给定的规则与逻辑。同时，有关语义注释过程数据的信息由SCL文件提供。接着，将这些信息与变电站设备(如断路器、馈线、变压器、开关等)上的AR标记的解码数据相关联。因此，通过使用该工作机制，基于数据采集与监控(supervisory control and data acquisition,SCADA)系统采集的设备运行信息将在与其相关的变电站设备上同步显示，简化了变电站监控过程。
2.1 系统结构
系统由设备控制单元(equipment control unit，ECU)、通信单元和AR组成。ECU的摄像头扫描AR标记，并将其解码为基于IEC 61850的过程数据标志符。同时，标志符唯一地表示符合IEC 61850标准的语义注释过程数据的路径。采集的数据与SCADA系统的过程数据相关联，且由SCADA负责从其内部数据库实时获取数据。进一步，SCADA系统连接智能电子设备(intelligent electronic devices，IED)，并通过垂直IEC 61850通信收集数据。基于AR的智能变电站管理系统如图2所示。
图2 基于AR的智能变电站管理系统示意图
2.2 系统执行
智能变电站环境中，各种ECU和IED都会与SCADA对接。SCADA可以借助IEC 61850通信，针对IED信息给予动态化的实时性捕捉。
首先，选定AR，将该AR标记放置在变电站设备上，从而通过与该设备相关的过程数据的AR可视化来丰富其内容。此外，每个标记有相应的IEC 61850标志符编码，可根据IEC 61850标准描述唯一识别过程数据的路径，从而将标志符与变电站设备的过程数据相对应。为保证数据传输要求，在内部环境中，要求Wi-Fi与内部网络有着充分对接。而SCADA连接不存在障碍，借助应用程序接口(application program interface,API)，可实现与SCADA应用程序相关的集成与开发功能。带有IEC 61850编码数据的AR标签实例Vumark如图3所示。
图3 带有IEC 61850编码数据的AR标签实例Vumark图
其次，可以使用带摄像头的应用程序移动设备扫描变电站环境，并基于Vuforia库中的实例完成相机每1帧图像的深入处理。当发现标记存在时，Vuforia库会完成Vumark解码，找出相应的字符串信息，明确IEC 61850数据对应的路径信息。同时，利用Wi-Fi可以尝试与SCADA构建关系。若关系构建实现，程序会通过SCADA获取过程数据路径所携带的全部内容。之后，SCADA会面向IED发出请求，要求其给予所需要设备信息。在取得这部分信息之后，SCADA会基于Wi-Fi，面向AR程序进行数据传播。应用程序保持与SCADA系统的连接，并向其发送对所需数据所作更改的实时更新。需注意，任何时候与过程数据路径相关的信息发生变化时，SCADA系统都会通知AR应用程序。应用程序会在其显示屏上更新变化。通过上述方式，变电站IEC 61850数据可实现实时显示并及时更新。
当应用程序移动设备获取所需的数据后，就需要在标记的视图上显示这些数据。本研究基于游戏引擎框架Unity实现图形显示。显示数据的直观方式是在标记上覆盖1个矩形，并在其上写入数据。此外，使用写入的信息创建自定义纹理，并使用OpenGL ES2将其应用于矩形。在Unity中，将创建1个默认文本对象，并将其覆盖在矩形上，且以信息作为其文本。通过Unity技术可以立即更新所需的数据，并向操作员显示数据。
2.3 计量性能评估
系统支持相关逻辑特征计算，从而量化评估系统响应时间。对于每次运行，令传输精度为A(%)，则：
(1)
式中：Np为发送的数据包数量；
E为数据包未正确解码时的错误计数。
对于每一次评估，令评估准确度平均值为μA、标准偏差为σA，则总运行次数的3-sigma不确定性计算如式(2)所示。
(2)
式中：k为覆盖系数,k=3，对应于99.7%的置信区间；
N为总运行次数。
同时，可根据每次运行发送的不同数据包数量评估更新时间。因此，更新时间平均值μt可通过式(3)计算：
(3)
式中：μti为每次运行评估的更新时间平均值；
li为每次运行的数据包数量。
此外，系统通信不确定性ut满足：
(4)
式中：uti为每次运行评估的更新时间的3-sigma不确定度。
3.1 演示系统
一旦摄像头捕捉到特定的标记，便会给出相关信息。同时，操作员可以放大和缩小模型，并将其朝任何方向旋转，从而更好地查看变电站运行状态。
3.2 系统性能分析
考虑到系统必须在规定时间内作出响应，则一旦发生信息更改，用户要在规定时间内收到更新通知。为测试AR系统接收SCADA中数据更新所需的响应时间，本小节进行了2组通信传输试验。第一组试验通过100 MB本地虚拟专用网络(virtual private network，VPN)传输数据时的SCADA响应时间。第二组试验5G移动互联网作为网络中介的响应时间。为消除随机干扰带来的误差，2组试验都将数据实例更改250次，并以SCADA平均响应时间作为最终结果。2组试验统计结果如图4所示。
图4 2组试验统计结果
由图4可知，使用本地VPN的响应时间比使用5G移动互联网快得多。此外，使用本地VPN的最差响应时间为28 ms，最佳响应时间为6 ms。这表明在实际数值发生更改后，AR系统将在6～28 ms之间收到更新信息。对5G移动互联网响应时间的分析表明,其最差的响应时间为113 ms，最好的响应时间为32 ms。当网络均处于最差的响应时间时，5G移动互联网响应时间约为本地VPN响应时间的5倍以上。分析其原因，主要是5G移动互联网网络可用性不可控，造成网络延迟的不确定性。
本文将变电站内部采集的数据与SCADA系统过程数据相关联，并基于IEC 61850通信，研究了基于AR的智能变电站管理系统。首先，将VR标记放置在变电站设备与具体环境内，使其能够基于数据的传输，支撑AR可视化。其次，每个标记有相应的IEC 61850标志符编码，可根据IEC 61850标准描述唯一识别过程数据的路径，从而将标志符与变电站设备的过程数据相对应。最后，基于变电站IEC 61850数据传输机制，可实现数据的实时显示并及时更新。本文基于AR技术的特点，研究了1种将自动化数据无缝集成到现实监控变电站运行工作空间的解决方案，为提升智能变电站监控与管理水平提供了借鉴。
未来研究将从电力数据隐私保护、变电站网络安全等方面入手，从而进一步提升变电站数据安全与服务管理水平。
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