基于“元宇宙”的變電檢修全過程三維仿真關鍵技術研究

彭秋武 王立漢 李曉洋

(海南電網有限責任公司?？谧冸娺\檢分公司)

0 引言

隨著能源需求的增長和電網規模的不斷擴大, 變電站作為電力系統的重要組成部分, 承擔著電能傳輸和分配的重要任務。然而, 變電站的檢修與運維是一個復雜而繁瑣的過程, 涉及到大量的設備操作和維護工作。傳統的變電站檢修方法存在著工作效率低、操作風險高等問題。近年來, 元宇宙技術作為一種新興的技術, 提供了一種全新的交互和可視化環境, 可以模擬真實世界的場景, 并實現真實感的交互體驗[1]。在變電站檢修領域, 基于元宇宙的三維仿真技術可以提供一個虛擬的環境來模擬變電站的運行和維護過程, 幫助操作人員進行訓練和決策。

研究基于元宇宙的變電檢修全過程三維仿真關鍵技術的意義在于, 它能夠有效地提高變電站檢修的效率和安全性。通過使用這種技術, 操作人員可以在虛擬環境中進行各種操作演練和訓練, 提前熟悉變電站的結構和設備, 減少操作失誤和事故風險。同時, 該技術還可以提供實時的反饋和指導, 幫助操作人員糾正錯誤并提高工作效率。此外, 基于元宇宙的變電檢修全過程三維仿真技術還具有良好的推廣和應用前景。它可以應用于新員工的培訓和教育, 提高他們的操作技能和工作水平。同時, 該技術還可以為變電站運營管理提供決策支持, 模擬不同的工作方案和場景, 評估其對電力系統的影響和可行性。

1 國內外研究現狀與存在問題

基于元宇宙的變電檢修全過程三維仿真關鍵技術是近年來國內外電力領域研究的熱點之一。國內外已有一些研究取得了初步成果, 但也存在一些問題和挑戰。

國外方面, 歐美等發達國家在元宇宙技術應用方面較為領先。他們注重基礎建設和技術創新, 已經開展了一些大規模的變電檢修仿真項目。例如, 美國的一個研究團隊利用元宇宙技術開發了一個可視化的變電檢修仿真系統, 實現了真實場景的三維模擬和虛擬現實交互[2]。他們采用先進的傳感器和數據融合算法, 實現了對檢修過程中的關鍵參數的實時監測和分析。

國內方面, 元宇宙技術在電力領域的應用還處于起步階段。目前, 一些大型電力企業和高校開始關注該技術, 并逐漸開展相關研究。然而, 在國內的研究中仍存在一些問題。首先, 技術研發水平相對滯后,還缺乏成熟的元宇宙建模和仿真平臺。其次, 數據融合與分析方面的研究還相對薄弱, 缺乏對變電站運行數據和實時監測數據的有效利用和分析。

此外, 元宇宙技術的應用還面臨一些技術挑戰和難題。首先, 三維建模和仿真的精度和效率仍需要進一步提高, 以實現更真實、更高效的變電檢修仿真。其次, 虛擬現實交互技術還需要改進, 以提供更具沉浸感和交互性的操作體驗。

2 元宇宙及其在變電檢修中的應用概述

2.1 元宇宙的定義和特點

元宇宙是一個集成虛擬現實、增強現實和物聯網等技術的新興概念, 創造了一個拓展性極高的虛擬世界。它模擬現實世界的數字化空間, 包含各種虛擬對象、場景和人物[3]。與傳統的虛擬現實相比, 元宇宙更加開放、多樣化和互聯互通。元宇宙具有虛實融合、互聯互通、多樣化與開放性、拓展性等特點。虛實融合實現了虛擬內容與現實物體的結合, 互聯互通通過互聯網和物聯網實現用戶實時交流和互動, 多樣化與開放性允許用戶創造和定制虛擬內容, 拓展性使其不斷演化和發展。元宇宙將在娛樂、教育、商業等領域帶來更多應用。

2.2 元宇宙在變電檢修中的潛在應用價值

元宇宙在變電檢修中具有潛在的應用價值, 為變電檢修工作帶來多重益處。首先, 元宇宙技術可以提供安全、沉浸式的培訓環境, 模擬各種檢修場景進行實時訓練, 提高操作人員的技能和安全意識, 降低操作風險。其次, 元宇宙可以模擬并重現變電檢修的全過程, 包括設備狀態檢查、故障分析、修復操作等。通過在元宇宙中進行仿真優化, 可以提前發現潛在問題, 制定更合理高效的檢修方案。第三, 元宇宙系統與傳感器和監測設備集成, 實時獲取設備數據, 并在虛擬環境中以可視化方式展示[4]。操作人員能夠實時監測和決策, 當設備異常時, 元宇宙提供及時警報與指導, 幫助定位和解決問題。最后, 元宇宙為變電檢修團隊提供虛擬的協作平臺, 團隊成員可以在其中遠程協作、共享知識、經驗與操作技巧。這種協作平臺提高團隊協同效率, 加速問題解決速度?？偠灾?元宇宙應用于變電檢修中具有廣闊前景和潛力, 提升安全性、優化檢修過程、實時監測與反饋、促進團隊協作與知識共享等方面發揮重要作用。

3 變電檢修全過程三維仿真關鍵技術綜述

3.1 變電檢修全過程的定義和步驟

變電檢修是對變電站設備進行維修、保養、檢查和測試的全過程操作, 旨在確保設備的正常運行, 保障電力系統的安全和穩定運行。主要步驟包括檢查和準備、設備狀態檢查、故障診斷和分析、維修和更換、檢驗和測試、清理和整理。在變電檢修中, 首先進行檢查和準備工作, 確保設備停電停運, 并準備好所需工具和材料。然后進行設備狀態檢查, 檢查外觀、接線、絕緣狀況等。若發現故障, 進行診斷和分析, 使用測試設備和儀器確定故障原因和位置。接下來進行維修和更換工作, 包括清潔、潤滑、緊固和調整等操作, 以修復設備并更換損壞部件。隨后進行檢驗和測試, 測試設備的電氣參數、絕緣狀況和運行情況, 確保設備正常運行和可靠性[5]。最后進行清理和整理工作, 清理現場, 整理工具和材料, 并記錄檢修過程和結果。這些步驟有助于提高檢修工作的效率和質量。

3.2 三維仿真在變電檢修中的優勢和應用場景

三維仿真在變電檢修中具有顯著的優勢和廣泛的應用場景。首先, 三維仿真可以幫助檢修人員更好地理解和熟悉變電設備的結構和工作原理。通過虛擬的三維環境, 他們可以觀察和分析設備的各個部件、連接方式和運行過程, 全面了解設備的內部和外部結構。其次, 三維仿真可以實現變電檢修過程的虛擬模擬和優化。通過將變電設備的數據和參數導入到三維仿真系統中, 可以模擬和重現整個變電檢修過程。檢修人員可以在虛擬環境中進行各種操作和調試, 通過不斷優化和調整, 找到最合理和高效的檢修方案。此外, 三維仿真還可以實現變電設備的實時數據監測和反饋。通過將傳感器和監測設備與三維仿真系統進行集成, 可以實時獲得變電設備的數據。這些實時數據可以在虛擬環境中以可視化的方式呈現, 幫助檢修人員進行實時監測和決策。通過實時數據的監測和反饋, 可以提高變電設備的運行效率和可靠性, 減少檢修時間和成本[6]。

4 基于元宇宙的變電檢修全過程三維仿真關鍵技術

4.1 建模與仿真技術

建模是元宇宙變電檢修仿真技術的基礎, 其目的是將變電站的各個設備、線路等元素以數字化的形式呈現在虛擬環境中。首先需要對變電站進行詳細的調研和數據收集, 包括設備參數、線路拓撲結構等。然后利用專業的建模軟件, 將這些數據轉化為虛擬元素, 并進行精細化建模。在建模過程中, 需要考慮到元素的形狀、材質、電氣參數等, 以確保數字模型與實際場景的吻合度。

仿真是通過對建模后的變電站進行動態模擬, 以模擬檢修方案和操作流程的執行過程。通過在虛擬環境中模擬各種檢修操作, 如設備的啟停、線路的開關操作等, 可以評估檢修過程中可能出現的風險, 優化檢修策略, 提高檢修效率。同時, 仿真還可以模擬各種復雜情況, 如設備故障、線路短路等, 以培訓操作人員在應急情況下的應對能力[7]。

4.2 虛擬現實交互技術

基于元宇宙的變電檢修全過程三維仿真虛擬現實交互技術, 為電力行業提供了一種創新的檢修手段。它能夠通過高度沉浸的虛擬環境和實時交互, 提高操作人員的準確性和安全性, 同時還能夠模擬各種復雜情況, 以應對緊急情況。其核心是利用虛擬現實設備, 如頭戴式顯示器、手柄等, 將用戶完全沉浸在虛擬環境中。在變電檢修的三維仿真中, 用戶可以通過

虛擬現實交互技術在元宇宙的變電檢修全過程中具有重要的應用價值。首先, 通過虛擬現實技術, 操作人員可以在虛擬環境中進行各種檢修操作, 而無需實際進入變電站, 減少了潛在的安全風險。其次, 虛擬現實技術可以模擬各種復雜場景和情況, 如設備故障、線路短路等, 讓操作人員在虛擬環境中進行演練和訓練, 提高應對緊急情況的能力。此外, 虛擬現實交互技術還可以記錄用戶的操作過程和數據, 用于后續的分析和評估, 以優化檢修方案和提高檢修效率。

4.3 多模態信息融合技術

多模態信息融合技術主要包括圖像、聲音、傳感器數據等多種模態信息的整合和分析。在變電檢修中, 通過采集變電站的圖像信息、設備運行數據、傳感器數據等多種信息源, 利用先進的數據分析技術進行深度學習和模式識別, 實現對變電站狀態和設備性能的綜合評估。多模態信息融合技術可以將變電站的圖像信息與設備參數、線路拓撲結構等數據進行關聯, 生成可以在虛擬環境中呈現的三維模型[8]。通過多維度的圖像采集和處理技術, 可以獲取變電站設備的幾何形狀、材質等信息, 為后續的建模和仿真提供基礎數據。另外, 多模態信息融合技術可以將傳感器數據與虛擬環境進行融合, 實時監測變電站的運行狀態和設備性能。通過傳感器網絡的布置, 可以獲取變電站各個設備的實時運行數據, 如電流、電壓、溫度等。將這些傳感器數據與虛擬環境的模型進行關聯和融合, 可以實時監測設備的狀態變化, 提前預警潛在故障, 為檢修決策提供科學依據。

5 結束語

基于元宇宙的變電檢修全過程三維仿真技術具有明顯的優勢。該技術不僅能夠提供真實感的場景模擬, 使操作人員能夠身臨其境地感受變電檢修的各個環節; 還能夠提供實時的反饋和指導, 幫助操作人員糾正錯誤并提高工作效率。同時, 該技術還具有很高的可擴展性和靈活性, 可以根據需要進行定制和擴展, 滿足不同應用場景的需求。未來, 隨著5G 技術的普及和云計算能力的提升, 基于元宇宙的變電檢修仿真將實現更大規模、更復雜場景的模擬, 為變電檢修工作提供更全面、高效的解決方案。