游大宁，王顺浦，李图强，张林峰，王明松

（1．国网山东省电力公司，山东济南250001；2．北京科东电力控制系统有限责任公司，北京100192）

基于虚拟现实的电力设备监控系统设计与实现

游大宁1，王顺浦1，李图强1，张林峰1，王明松2

（1．国网山东省电力公司，山东济南250001；2．北京科东电力控制系统有限责任公司，北京100192）

针对视频监控电力设备存在的设备定位时间长、监控效果不理想问题，设计一种基于虚拟现实的电力设备监控系统。采用虚拟现实技术构建与变电站真实场景相同的虚拟现实场景，在虚拟现实场景中确定需要监控的区域和监控效果最好的监控摄像头，计算监控摄像头的旋转角度，并根据计算结果旋转真实场景的中的最优监控摄像头，从而及时、准确地观察电力设备运行状态。在国网山东省电力公司搭建该系统，运行结果表明系统能够及时、准确地观察电力设备运行状态。

虚拟现实；监控摄像头；碰撞检测

0 引言

电力调度中心的监控人员通过SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）对变电站内的电力运行设备进行监视和控制，实现电力运行设备的遥测、遥信、遥控和遥调等功能［1］。但是SCADA系统不能实现电力设备的遥视功能，监控人员需要借助监控摄像头来观察电力设备的运行情况。可以采用人工旋转监控摄像头的方式寻找需要监控的电力设备，观察运行状态。但是这种控制方式往往需要花费很长的时间来寻找电力设备，监控效果有时也不理想。

针对视频监控电力设备时存在的设备定位时间长、监控效果不理想的问题，设计一种基于虚拟现实的电力设备监控系统。该系统采用虚拟现实技术构造与变电站真实场景相同的虚拟现实场景，在虚拟现实场景中确定需要监控的区域和监控效果最好的监控摄像头，计算最优监控摄像头的旋转角度，根据计算结果旋转真实场景中的最优监控摄像头，从而及时、准确地观察电力设备的运行状态。

1 系统整体结构

基于虚拟现实的设备监控系统由变电站电气仿真程序、监控摄像头控制程序、变电站虚拟现实场景和监控摄像头4部分组成。结构如图1所示。变电站电气仿真程序采用虚拟现实技术仿真变电站构建虚拟变电站场景，确定最优监控摄像头及其旋转角度，并将结果信息传送给监控摄像头控制程序。监控摄像头控制程序是监控摄像头自动控制的程序，接收到变电站电气仿真程序传送的数据后，会上下、左右旋转监控摄像头，使镜头转向需要监控的电力设备区域。变电站电气仿真程序和监控摄像头控制程序是整个系统的后台，连接变电站虚拟现实场景和监控摄像头。变电站虚拟场景是变电站仿真场景显示界面，用于显示真实变电站内电力设备的位置信息。监控摄像头是彩色一体化昼夜球型摄像机，能够实现镜头的旋转、变焦、自动聚焦等功能。

图1 电力设备监控系统结构

2 系统的实现流程

基于虚拟现实的变电站监控系统的实现流程如图2所示。首先采用虚拟现实技术［2］构造和显示与真实变电站场景相同的变电站虚拟现实场景；然后根据虚拟场景提供的场景漫游和设备列表功能，选择需要监控区域；接着计算每个监控摄像头与需要监控区域的距离，根据碰撞检测算法确定监控效果最好的监控摄像头；计算最优监控摄像头水平方向和竖直方向的旋转角度，得到最优的旋转方式，并将结果传送给监控摄像头控制程序；最后监控摄像头控制程序控制真实变电站中监控摄像头的旋转，使其对准需要监控的设备区域。

图2 电力设备监控系统实现流程

2.1 构造显示变电站虚拟现实场景

为了能够及时、准确地获得电力设备和监控摄像头的位置信息，采用虚拟现实技术对变电站进行仿真，按照1∶1的比例构建与变电站真实场景完全相同的三维虚拟场景。

变电站虚拟现实场景的构建流程：采用3D MAX SDK提供的二次开发环境将变压器、电流互感器、电压互感器等一次设备，以及操作箱、压板等二次设备的设备实体导出为可以用来搭建变电站虚拟现实场景的三维设备模型；为了避免重复生成三维设备模型，提高虚拟场景的搭建效率，保存导出的三维设备模型，生成三维设备模型库；从三维模型库中拾取需要的零件，将其移动到合适的位置来构建变电站虚拟现实场景。

在构建变电站虚拟现实场景时，以变电站中心点作为坐标原点，竖直方向为z轴，水平方向分别为x轴、y轴建立三维坐标系，根据真实变电站场景中设备的位置信息，把相应的三维设备模型放到合适的位置。

构建好变电站虚拟现实场景后，监控人员就可以在变电站虚拟现实场景中选择需要监控区域。但是变电站虚拟现实场景的显示需要大量的图形计算，这对计算机的硬件性能有很高的要求。基于虚拟现实场景显示时间和系统价格的考虑，采用图形渲染能力强的HP Z820图形工作站来运行虚拟现实程序，来完成变电站虚拟现实场景的显示。变电站虚拟现实场景如图3、图4所示。

图3 变电站开关场虚拟现实场景

图4 变电站主控室虚拟现实场景

2.2 监控区域的选择

监控区域的选择是通过变电站虚拟现实场景中的场景漫游功能［3-4］实现的。监控人员通过鼠标、键盘等设备，可以对变电站虚拟场景现实进行第一人称视角的平移和旋转，还可以对选中的电力设备进行前后、左右、上下六自由度的漫游。为了方便监控人员找到需要监控的电力设备，在搭建变电站虚拟现实场景时，对经常需要监控的电力设备进行编号，比如变压器1号主变、2号主变等，来建立设备列表。监控人员通过设备列表中快速定位需要监控的电力设备，然后对该设备进行上下、前后、左右六个自由度的场景漫游，选择需要监控的设备区域。

2.3 最优监控摄像头的选择

变电站内的摄像头安装在位置较高、视野开阔的地方，摄像头的监控区域能够覆盖变电站内所有的电力设备。一般来说，监控摄像头距离监控区域越近监控效果越好，以距离为度量选择最优监控摄像头。计算每个摄像头中心点与监控区域中心点之间的距离，把距离监控区域最近的监控摄像头作为最优监控摄像头。但是这样选择的监控摄像头和监控区域之间可能会存在视线阻挡，所以选择完监控摄像头后，还要采用包装盒的碰撞检测算法［5］对选择的监控摄像头进行验证。验证方法为：用一个长方体包裹住监控摄像头三维模型，将长方体沿监控摄像头中心点与监控区域中心点之间的连线进行移动，移动过程中如果没有与其他设备的包装盒发生碰撞，监控摄像头选择正确；如果发生了碰撞，最优监控摄像头选择错误，从其他摄像头中选择距离监控区域最近的监控摄像头重新进行验证。确定最优监控摄像头的基本流程如图5所示。

图5 确定最优监控摄像头流程

2.4 监控摄像头旋转角度的确定

在变电站虚拟现实场景中确定好最优的监控摄像头后，需要计算该监控摄像头的旋转角度，并传送给监控摄像头控制程序，来旋转真实场景中的监控摄像头。监控摄像头从一个位置旋转到另一个位置可以有多种运动方式，但归根到底都是水平运动和俯仰运动。只需要计算出监控摄像头水平方向和竖直方向的旋转角度，就可以将监控摄像头对准需要监控的位置。

图6 监控摄像头的两种旋转方式

图6给出了监控摄像头的监控区域从监控位置A（x1，y1，z1）到监控位置B（x2，y2，z2）的两种旋转方式。图6（a）首先将监控摄像头从位置A（x1，y1，z1）沿水平方向旋转α角度到位置A′（x1′，y1′，z1′），然后沿竖直方向旋转β角度到位置B（x2，y2，z2）。图6（b）首先将监控摄像头从位置A（x1，y1，z1）沿竖直方向旋转α角度到位置A′（x1′，y1′，z1′），然后沿水平方向旋转β角度到位置B（x2，y2，z2）。

根据余弦定理，分别计算两种旋转方式的α和β大小。

取α+β值较小的旋转方式作为最优旋转方式。将最优监控摄像头及其最优旋转方式的水平方向和竖直方向的旋转角度传送给监控摄像头控制程序，来旋转真实场景中的最优监控摄像头，使其对准需要监控区域。

3 系统的运行结果

按照上述开发流程，在国网山东省电力公司调度中心搭建电力设备监控系统。采用OpenGL和VC++编写变电站电气仿真程序和摄像头自动控制程序，并在HP Z820图形工作站上运行。对国网山东省电力公司32个变电站的电力设备运行状态进行实时监控，效果如图7所示。运行结果表明，本系统能够及时、准确地观察电力设备运行状态，能够实现电力运行设备的遥视功能。

图7 电力设备监控系统

4 结语

虚拟现实技术作为一门新型的技术，正被广泛应用于电力仿真领域。构建基于虚拟现实的电力设备监控系统，通过在虚拟现实场景中选择监控区域和监控效果最好的摄像头，计算得到最优监控摄像头的旋转角度，按相同的方式旋转真实场景中的最优监控摄像头，来对电力设备的运行状态进行实时观察，实现电力运行设备的遥视功能。电力设备监控系统可以与SCADA系统相互结合，接收SCADA系统中各电力设备的运行数据，在虚拟现实场景中模拟各电力设备的运行状态，这是本系统今后改进的方向。

［1］王明俊.我国电网调度自动化的发展——从SCADA至EMS［J］.电网技术，2004，30（4）：43-46.

［2］何敏，吕崇德.新一代的电站仿真［J］.系统仿真学报，2001，13（1）：83-85.

［3］龚庆武，姜芳芳，陈义飞.基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统［J］.电网技术，2005，29（24）：74-77.

［4］张小超，王精业.虚拟场景漫游系统的体系结构分析［J］.系统仿真学报，2005，17（4）：917-919.

［5］马登武，叶文，李瑛.基于包装盒的碰撞检测算法综述［J］.系统仿真学报，2006，18（4）：1 058-1 064.

［6］王志强，洪嘉振，杨辉.碰撞检测问题研究综述［J］.软件学报，1999，10（5）：545-551.

［7］石教英.虚拟现实基础及实用算法［M］.北京：科学出版社，2002.

The Design and Implementation of Power Equipment Monitoring System Based on Virtual Reality Technology

In order to solve the problems of long device positioning time and undesirable monitoring performance when monitoring the power equipment，a power equipment monitoring system based on virtual reality technology is proposed.Using virtual reality technology，a virtual reality scene the same as substation real scene is built.In this scene，the monitoring area can be selected，the optimal surveillance camera and its angle of rotation can be determined.According to the results，the optimal surveillance camera in real scene can be rotated.Therefor，it is possible to obtain power equipment operational status timely and accurately.We build this system in Shandong Electric Power Company，and the running results show that the system can monitor power equipment timely and accurately.

virtual reality；surveillance cameras；collision detection

TM277

：A

：1007－9904（2014）04－0005－04

2014-03-24

游大宁（1977—），男，高级工程师，主要从事电力系统运行与控制工作。