基于虚拟成像技术的变电站运维系统设计

2019-09-13肖东裕谢旭琛王慧豪王军玉

通信电源技术 2019年8期

肖东裕，谢旭琛，王慧豪，朱筠，王军玉

（广东电网有限公司惠州供电局，广东惠州 516001）

0 引言

由于社会经济的飞速发展，电力需求的日益增长，且变电站是电力传输网的关键节点，所以变电站的建设也随之跟进提速。变电站作为电网中最为昂贵、复杂的厂站，其设备运维检修工作量与日俱增，工作难度及技术难度也同步提高。由于变电站建设技术的提高和变电站用地的征用困难等，新建变电站一次设备大量采用HGIS、GIS及导线构架式多层挂接等技术，如图1和图2所示。此类技术的应用使变电站增加了在垂直空间上的利用率，减少了对土地面积的需求，但同时也增加了变电站检修维护的难度。

图1 GIS设备

图2 多层导线构架

目前，变电站运维工作均由驻站运行人员或者所辖中心站的运行人员管理，对人员素质要求极为严格。相关人员都是经过长期电力专业知识的学习、培训，才能胜任复杂的变电站运维工作。但变电站现场运维工作使用纸质操作指引、平面的设备图纸及平面告示板等二维平面图纸资料来开展。此类资料不直观、难懂且容易脱落，往往不能保证操作、安全交底及新员工培训相关业务的顺利开展。特别是停电检修作业时，初次进入变电站的施工人员及新员工实习生就成为了作业中的风险点。因此，本文设计的系统主要用于解决变电站平面图纸资料不直观的缺点，满足变电站运维培训、施工作业安全交底可视化、直观化的需求。

1 系统原理

系统要将变电站设备运维信息直观可视化，最直接的做法是将资料图从二维空间升至人眼所观察的三维空间。系统对比了现今AR、VR及全息投影等虚拟成像技术，综合考虑变电站现场、成本实施难度等要素后，在系统原理上选用全息投影技术。

全息投影技术（3D front-projected holographic display）也称虚拟成像技术，主要利用了光的干涉和衍射原理，将已经获取的三维影像信息的投影对象，利用发光装置“映射”到指定的位置，再现物体真实的三维图像的技术[1]。但目前该技术在实际应用上还不太成熟，对于投影对象的细节或者成本方面都不适合本系统，所以系统采用在技术应用上更成熟的伪全息投影技术。伪全息技术实际是通过将光直射或反射到一种透明介质，给观察者一种物体凭空出现在透明介质上的视觉假象，从而达到与3D效果。伪全息投影技术的分类方式表1所示[2]。

表1 伪全息投影技术分类

2 系统整体设计

根据系统主要需求，整体设计构架如图3所示。系统通过运维人员在计算机终端播放视频源，计算机内包含多视频播放器，以输出四路视频信号，视频信号通过多屏显卡以及VGA接口连接到投影机（投影仪或显示器），然后投影机从4个相互垂直的方向上对虚拟成像展示柜进行映射，从而在展示柜中展示虚拟成像的变电站设备，以供变电站人员使用到运维工作中。

图3 系统整体构架

2.1 硬件设计

2.1.1 全息展柜

本系统的硬件设计中，根据所在场地变电站培训室，选择了四面贴全息膜的金字塔展柜，展柜选用材质较轻的亚克力板，并在板面粘贴全息薄膜。薄膜选用幻影成像膜，是一种高性能双面显示投影膜。膜层主要成分是一种感光材料，可让观察者对出现在膜上的虚拟影像产生很好的立体纵深感。

2.1.2 投影仪

投影方式选择正面投影。因为考虑培训室光线度较亮，对投影设备流明度要求较高，所以选择了投影仪作为全息图像投影设备，投影仪要求流明度在3 000以上，共4台在4个方向上进行对展柜进行投影。

2.1.3 计算机及相应配件

系统需要一台计算机对视频源进行存储播放，要求该电脑具备i3以上处理器、4G以上内存、500G以上硬盘及商用多屏显卡（6屏）。该计算机通过VGA数据传输接口对四台投影仪进行视频信号输出。

2.2 软件设计

系统视频源需要的3D图像素材，采用3D-MAX软件制作模型获取，模型包括需要细节精致的主变等设备模型及可制作得相对粗糙的各电压等级场地模型。此外，4个投影仪还需要一个与显卡相匹配的多影像播放管理软件（AZ PLAYER NEO）。

3 系统成效

系统的建立对变电站内的各项运维工作起到了很好的辅助作用。对于培训方面，日常工作中平面的设备图纸不直观、部分设备带电运行无法就近观察等难以凭空形容讲述的对象，可以通过虚拟成像系统直观、立体、清晰地对新员工等受陪人员展示，大大提高了培训效率。同时，3D模型还可以用于设备分析、缺陷分析等。对于安全管理，系统可以用于各个电压等级区域的安全交底，利用各个场地的模拟沙盘模型，让施工队在进入场地施工前，从三维空间上认清带电区域以及作用的安全空间，特别是对吊车、升降平台及登高等需要在垂直空间上移动的作业，提供多一层可视化的安全保障。系统建立的模型也可以迁移到日后AR、VR等其他变电站运维设备。