現代電網系統的規模和科技程度在不斷提高。電網，又稱電力網，是電力系統中所有電壓變電所以及輸配線路組成的整體。國家電網已經形成了一個完整、穩定的巨大長距離輸電電網架構。國家電網公司所屬的國家電網已成為世界上電壓等級最高、系統規模最大、資源配置能力最強的交直流混合電網，電網的功能、形態和結構正在發生深刻變化。

    電力系統是最復雜的人造系統之一，其具有地理位置分布廣泛、發電用電時平衡、傳輸能量數量龐大、電能傳輸光速可達、通訊調度高度可靠、實時運行從不停止、重大故障瞬間擴大等特點，這些特點決定了電力系統運行時產生的數據數量龐大、增長快速、類型豐富。電網規模在逐年擴大的同時，也對電網的安全性、穩定性和可靠性提出了越來越高的要求。下圖1顯示了電網系統的故障指示器的工作圖。

    無論是電網規劃設計，還是電網節點故障檢測，電網分析人員都需要通過數字仿真技術對電力系統的整體運行情況進行把握和分析。作為納斯達克上市企業“微美全息US.WIMI”旗下研究機構“微美全息科學院”的科學家們認為，電力系統數字仿真已成為電力系統試驗研究、規劃設計和調度運行的重要工具。

    以下是微美全息科學院的科學與技術的融合性觀點，對“虛擬現實技術在電網故障監控上的應用”具有前沿性指導意義。

    1、背景介紹

    隨著智能電網和全國電力系統大區互聯的發展，各種新能源、新設備不斷加入，現有電網規模不斷擴大，電力系統日益復雜，使得對電網進行監視、分析和控制更加困難。而電力系統 仿真得到的結果數據最終需要通過合理的可視化手段和對應的分析方法，才能最終被工作人員所理解。電力仿真數據的可視分析作為分析人員間接了解電網運行狀態的手段，對維 持電網系統得穩定運行起到了關鍵性作用。電網系統在運行過程中，會產生一定的數據分布特征，并且有可能出現局部性波動等異常情況。分析人員會通過捕捉這些特征和異常狀態，進而了解電網的運行狀況，提出針對性的解決方案和應對措施。

圖1：配電網的故障檢測圖

    2. 虛擬現實技術的特點

    虛擬現實技術是一種綜合性技術，其主要技術內涵包括計算機圖形學、多媒體技術、人機交互技術和仿真技術。隨著計算機軟硬件條件的成熟，虛擬現實技術在近幾年出現了爆發式的發展，并且在醫療、教育、娛樂、工業、軍事等多個領域得到了廣泛應用。虛擬現實技術通過建立人工構造的三維虛擬環境，讓用戶以自然的方式與虛擬環境中的物體進行交互作用、相互影響，極大擴展了人類認識世界，模擬和適應世界的能力。

    虛擬現實技術具有沉浸感、交互性和構想性三大特征。用戶可以在計算機生成的虛擬場景中，通過手勢、語言等自然的交互方式進行交流和互動，并且能得到視覺、聽覺、觸覺等多通道的信息反饋，從而感受到與現實世界相似的沉浸感和逼真性。

    近五年來，一些以虛擬現實頭盔為主的虛擬現實硬件設備大量涌現出來。對于高維數據，特別是三維空間數據，虛擬現實技術有著得天獨厚的巨大優勢：

    虛擬現實環境本身就是三維的，用戶在虛擬現實環境下觀察空間數據， 理論上和在現實世界中觀察物體沒有區別。因此，虛擬現實環境能夠給用戶帶來極大的沉浸感；

    虛擬現實系統可以通過檢測用戶的頭部和雙手運動姿態來獲取交互信息。一方面增加了沉浸感，另一方面也提供了更多的人機交互通道：在虛擬現實系統中，用戶可以使用虛擬手和射線去拾取和操縱三維物體。

    3. 虛擬現實技術在電力系統中的應用

    電力系統調控一體的發展，對變電站綜合監控提出了新需求，變電站監控信息的綜合展示越來越重要。目前監控中心對變電站的監視信息主要來自兩個渠道，一是通過SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統采集到的電氣量和設備狀態信息，二是通過視頻監視設備察看現場實時圖像，這兩方面的信息無法直接融合到同一個畫面。

    如今，無人看管變電站越來越多，監控人員很難進入到變電站內了解真實的現場情況，對于變電站實際場景沒有清晰的認識。與此同時，由于監控人員往往需要負責十幾到幾十個站的監控工作，對于各個變 電站的實際情況往往都不了解，變電站的建模需求非常大。

    在變電站仿真領域，已經應用三維建模方式，對變電站的一、二次設備進行詳細建模，并能提供三維的漫游交互環境進行實際設備的查看和操作。但是這種方法建立變電站模型，建模周期長，模型復用性差，不適于大量變電站實際場景的監視，因此無法為調控一體應用提供方便的監視。

    全景建模通過簡單的設備拍攝全景圖片，提供簡單可行的三維全景展示環境，借助相應的計算機技術可以實現全方位互動展示方式。把基于全景圖片的場景快速建模技術和電氣設備信息可視化結合起來，在簡單三維的環境中，實現場景圖像的精確展示，疊加上三維可視化展示內容，實時顯示一次、二次設備的電氣狀態可以為監控人員在同一個畫面中提供全景式的變電站監控平臺，能極大提高變電站監控信息的集成度。Gear VR、Steam VR、HoloLens等。這些虛擬現實頭盔相對于傳統的大型投影屏幕，造價更便宜，使用起來也更為方便，能夠在中高端的PC機甚至各種移動設備上流暢運行。

    目前，這些虛擬現實頭盔設備主要被用于游戲和娛樂領域。虛擬現實頭盔將用戶與外界環境完全隔絕，相對于傳統環繞式投影屏幕，有著更好地沉浸性和真實性。通過運用虛擬現實技術，可為電力工程和電力設備的設計、規劃、項目決策、優化和分析等方面提供非常直觀的參考，可為完善系統、設備的技術方案提供非常有用的技術手段。

    虛擬現實技術與電網系統相結合的案例中，絕大多數都只涉及三維建模、場景漫游、虛擬培訓等內容，很少深入到數據可視分析領域。因此，將沉浸式虛擬現實技術引入到電網系統的數據可視分析領域， 提出了若干種人性化的交互方案，使得電網分析人員能夠以更加自然的交互方式觀察和分析電網數據。下圖4，5為電力系統變壓器及刀閘器件虛擬現實建模圖。

圖2：變壓器模型圖     圖3：刀閘模型圖

    經過較長時間的發展，虛擬現實技術已經逐漸滲透進了電力系統的方方面面，在電力工程設計、仿真培訓以及電力監控等環節都有著廣泛應用。電力工程設計 傳統的電力系統設計主要以二維的圖表為主，在設計和計算校驗的過程中很容易出現不一致或者考慮不夠全面的問題，設計效率和經濟效率都較低。采用虛擬現實技術進行電力系統的設計，就可以讓三維電力單位 模型的設計過程更加直觀和合理，方面檢查。