基于AR的变电站设备实体信息获取流程优化系统设计

李杰 1，高树功 2，雷 东 3 （1.昆明理工大学，云南 昆明 650504；2.云南电网有限责任公司红河个旧供电局，云南 红河 661000； 3.云南电网有限责任公司红河供电局，云南 红河 661000）

摘  要：为解决变电站设备实体信息获取流程优化方法未曾利用AR技术采集变电站设备实体信息获取流程，导致信息在传输过程中，存在较高的丢包率，较低的收敛速度、信息获取率。为此，文章提出一种基于AR的变电站设备实体信息获取流程优化系统硬件设计方面，根据信息获取流程优化系统对

硬件需求，在构建系统硬件设计的基础上设计系统硬件框架和电源模块；采用 AR技术采集变电站设备实体信息获取流程，制定变电站设备实体信息获取流程优化规则，促使系统具有优化变电站设备实体信息获取流程功能，完成系统软件设计。确定实验对象和信息传输速度，改变信息传输距离和系统迭代次数，对比信息获取视图、丢包率和信息获取率。实验结果表明：此次设计的变电站设备实体信息获取流程优化系统，可以得到全面的变电站设备实体视图信息且不会受到通信距离的影响，具有较低的丢包率、较高的信息获取率和较快的收敛速度。 关键词：AR 技术；变电站设备；实体信息；流程优化；系统设计；信息采集；收敛速度 中图分类号：TN911⁃34；C931.2    文献标识码：A 文章编号：1004⁃373X（2022）02⁃0129⁃06

0 引 言

目前变电站的数量尤为庞大，加上其复杂的设备结构，人力监控变电站显得十分不现实。为此有学者研究出变电站设备实体信息获取系统，提取变电站设备实体运行信息，获取变电站设备实体运行数据，变电站检测人员只需在变电站控制中心就可以检测到变电站设备运行情况，极大缩减变电站监控人员数量，降低变电站设备维护成本[1⁃2]。但是，在这个过程中，有学者发现，当前的信息获取系统，获取变电站设备实体信息流程不符合各个地区的变电站设备实体，存在信息获取效率低、信息不全面等问题[3]。  目前，国内外研究信息流程优化方法均来自于流程再造概念，并将其分为改造并加以反复验证、改进两种优化方式。针对这一理念，有学者认为流程优化，是对其存在的根本性问题，进行改进，快速解决这一流程造成的问题，从而提高流程的实际应用效果[4]。根据这一理念，国外学者研究出信息流程优化的ESIA规则、Petri网模型、流程可视化和模拟等流程优化方法[5⁃7]。国内学者则根据流程因素、质量、效果、关系模型等方面，优化流程的综合性能[8⁃10]。但是，对于上述信息获取流程优化，缺乏系统、深入的研究成果。为此提出利用AR技术，无缝隙衔接显示世界的能力，将信息获取流程通过计算机的模拟仿真再叠加作用后，展现在人们的眼前，提高信息获取效率和数量。所以，提出基于AR的变电站设备实体信息获取流程优化系统设计。

1 变电站设备实体信息获取流程优化系统硬件设计

1.1 设计时间控制系统硬件框架

此次设计变电站设备实体信息获取流程优化系统，考虑系统在优化变电站设备实体信息获取流程时，需要采集变电站设备实体信息获取流程，在目前变电站设备实体信息获取流程优化系统研究的基础上，设计此次研究的变电站设备实体信息获取流程优化系统硬件框架，如图1所示。

从图1中可以看出，此次设计的系统硬件框架选择32位RISC处理器的STM32F103R8微控制器，作为系统的核心处理器。该处理器具有功能低、高性能模拟技术、JTAG仿真调试等特点[11]，完全可以满足系统优化变电站设备实体信息获取流程功能，且其低功耗，也降低了电源管理难度以及电源需求问题，以便安装在变电站设备实体信息获取系统上，实时优化变电站设备实体信息获取流程。此外，此次设计的优化系统，还增加了 A/D转换模块和储存模块。其中,A/D转换模块会根据传感器模块感知到的变电站设备实体信息获取流程，转换成数字信号量，降低系统对变电站设备实体信息获取流程优化难度；存储模块会将在STM32F103R8微控制器优化后的信息获取流程存储至存储模块，形成存储性记忆，降低同类型信息获取流程优化难度。

1.2  电源模块设计

考虑信息获取流程优化系统，需要安装在变电站设备实体信息获取系统上，难以实时检测系统电量运行情况，所以需要设计电源模块，减小电源的占用空间，确定电源使用时长。此次设计系统的电源，选择电压在4~5V之间的微小型锂离子电池，为此次设计的系统供电，作为系统的电源模块。但是，由于系统框架所采用的元件，所需电压需要维持在3.3V左右，为此采用外形和封装非常小的LT1761ES5⁃3.3电压变换芯片，对此次选择的电源模块电池进行降压、输入电压范围及功率处理。此次设计的系统电源模块电路图如图2所示。

图2中:VIN表示此次系统使用的微小型锂离子电池；GND表示接地；IN表示输入电流；SHDN和BYP表示TLC2950断路器控制芯片的2个接口；VOUT表示3.3V恒定直流电。从如图2所示的系统电源模块电路图中可以看出，芯片安装在电源上，直接控制电压流变化，输出符合系统元件需求的电压。

2 基于 AR 的变电站设备实体信息获取流程优化系统软件设计

在此次设计的变电站设备实体信息获取流程优化系统硬件基础上，采用AR技术，采集变电站设备实体信息获取流程，制定变电站设备实体信息获取流程优化规则，促使系统具有优化变电站设备实体信息获取流程功能，完成变电站设备实体信息获取流程优化系统软件设计。 2.1 基于AR采集信息获取流程 由于变电站设备实体信息获取流程只在信息采集系统软件中运行，处于虚拟状态，极其影响系统优化信息获取流程优化效果[12]，所以利用AR技术的虚实配准功能，将虚拟的信息获取流程转化为显示场景的运行过程，形成如图3所示的变电站设备实体信息获取流程的采集流程，从而降低变电站设备实体信息获取流程优化难度。

从图3中可以看出，此次采集变电站设备实体信息获取流程，使用AR技术，提取变电站设备信息获取系统，获取变电站设备实体信息获取流程。在智能终端中，压缩信息获取流程，通过AR技术对信息获取流程进行虚实配准，从而将信息获取流程实际图像输出到STM32F103R8微控制器中，优化信息获取流程。 图3中,AR技术坐标系建立及转换过程如下:考虑信息获取系统在获取变电站设备信息时，需要采用传感器模块，感知变电站设备运行参数，按照设定的流程将变电站信息传输至控制中心。所以采用相机标定的方式，建立AR技术坐标系，完成信息获取流程的虚实配准。为此假设，信息获取系统获取变电站设备信息不存在镜头畸变，则相机成像的变换模型为： 式中:s表示扭曲参数[13⁃14]，即s=0；M表示信息获取流程的虚拟空间点；A表示相机内参数矩阵；[R|t]表示相机变换参数；R表示外参数；M′表示转换成实际坐标后的真实空间点。将式(1)代入图3中，即能得到变电站设备实体信息获取流程。 2.2 制定信息获取流程优化规则 优化变电站设备实体信息获取流程，及时提高变电站设备实体信息获取效率，为变电站运维人员提供更加精准的数据，确保变电站运行情况，减少运维人员的工作量[15]。所以，变电站设备实体信息获取流程需要具有较低的丢包率、较高的信息获取速度，即减少流程中非增值活动。为此，采用ESIA流程优化的消除、简化、整合和自动化等四个原则，优化变电站设备实体信息获取流程。 其信息获取流程具体优化步骤如下： 1）检查信息获取流程中存在的重复性流程、非必要流程和无畏等待流程，根据检查结果对其进行清除处理； 2）衔接信息获取流程，形成简化后的信息获取流程； 3）查看流程中存在的分散流程以及并行流程，将其串联在一起，最大程度地采用串行流程代替并行流程； 4）利用多项信息获取技术，实现自动获取信息能力，减少数据传递时间。将上述所示的信息获取流程优化步骤转换成系统运行代码如下：

至此，即完成变电站设备实体信息获取流程优化系统软件设计。 此次设计的变电站设备信息获取流程优化系统，在硬件设计的基础上，考虑信息获取流程属于虚拟状态，采用AR技术采集信息获取流程，并确定约束条件，制定信息流程优化规则，从而促使系统具有优化变电站设备实体信息获取流程功能。  

3 系统测试

此次测试设计的变电站设备实体信息获取流程优化系统采用对比实验的方式，验证此次设计的变电站设备实体信息获取流程优化系统。此次系统测试实验，选择某区域变电站设备实体信息获取系统，将设置的信息获取流程作为此次实验的研究对象，选择 Windows 7作为此次软件实验操作环境。将此次设计的变电站设备实体信息获取流程优化系统记为A系统；两种传统的变电站设备实体信息获取流程优化系统分别记为B系统和C系统。确定实验对象和信息传输速度，改变信息传输距离和系统迭代次数，对比信息获取视图、丢包率和信息获取率。 3.1 实验准备 此次试验选择的变电站设备实体信息获取系统，其主要作用是监控110 kV的变电站，使用的监控通信网络为国际通用的IEC 61850规约通信，获取变电站设备实体信息，其信息获取流程如图4所示。

基于图4所示的变电站设备实体信息获取流程，选择Windows 7 64 bit驱动操作三种系统，优化变电站设备实体信息获取流程，其系统的操作环境如表1所示。

基于图4和表1所示的试验对象和系统运行环境，采用Pofiler分析器调试三组系统性能，利用Pofiler分析器检验系统硬件数据的显示能力，查看三组系统在优化变电站设备实体信息获取流程时，三组系统硬件运行情况，对比三组系统优化变电站设备实体信息获取流程效果。

3.2 信息获取视图对比

基于此次实验设置的实验参数，进行第一组对比实验。选择变电站设备中的主变压器主接线作为本组实验对象，如图5a)所示，采用三组系统，分别优化此次实验选择的变电站设备实体信息获取流程，采用优化后的变电站实体信息获取流程，分别获取如图5a)所示的变电站设备主变压器主接线视图信息。 从图5中可以看出，此次实验选择的主变压器主接线为双进线结构。三组系统优化后的变电站设备实体信息获取流程，C系统和B系统都存在主变压器主接线视图信息获取不全面问题，其中B系统仅获取了主变压器主接线单侧进线结构，C系统仅获取了主变压器主接线上部分结构；而A系统优化后的变电站设备实体信息获取流程，获取了变电站设备实体全部视图信息，与主变压器主接线实际结构一致。

由此可见，此次设计的变电站设备实体信息获取流程优化系统可以根据变电站设备运行情况，优化变电站设备实体信息获取流程，得到全面的变电站设备实体视图信息。

3.3 信息获取丢包率对比

基于第一组对比实验结果进行第二组对比实验。提取第一组实验获取主变压器主接线信息时，信息通信速度控制系统获取信息后，传递至变电站信息控制中心，改变变电站设备实体信息获取系统，针对获取的信息通信传递距离，设置其初始距离为120m，每隔 10m检测一次主变压器主接线信息丢包率，共检测5次，并与未优化的变电站设备实体信息获取流程进行对比，其实验结果如表2所示。 从表2中可以看出，三组系统优化后的变电站设备实体信息获取流程，丢包率都呈现出不同程度的下降，但是，其优化效果却存在一定的差异。

其中:C系统对变电站设备实体信息获取流程优化效果最差，当通信距离达到160m时，其丢包率仅优化了11.7%；B系统优化变电站设备实体信息获取流程，当通信距离达到 160m时，丢包率优化了22.4%，其优化效果虽然比C系统强，但是依然存在较高的丢包率；而A系统优化变电站设备实体信息获取流程，当通信距离达到160m时，其丢包率优化了78.1%，优化程度明显高于 B系统和C系统。由此可见，此次设计的变电站设备实体信息获取流程优化系统，优化后的变电站设备实体信息获取流程，在将信息传递给控制中心时，受到通信距离的影响较小，不会产生较高的丢包率。

3.4 信息获取率对比

基于第一组和第二组实验结果，进行第三组对比实验。选择第一组实验中采用的主变压器设备，作为此次实验选择的变电站设备实体信息获取系统的信息获取对象。提取第一组实验中，三组系统优化后的信息获取流程，对于变电站主变压器设备信息获取率，改变系统运行的迭代次数，将系统的初始迭代次数设为10，判断系统识别信息获取的收敛速度，并与未优化的变电站设备实体信息获取流程进行对比 ，其实验结果如图6所示。 从图6中可以看出，三组系统优化后的信息获取率，随着迭代次数的增加，逐渐趋于稳定，但是其优化后的信息获取率却存在一定的差异。其中：B系统信息获取率仅较优化前高了3%，收敛速度优化较为明显；C系统信息获取率仅较优化前高了16%，较B系统信息获取率高了13%，然而其收敛速度优化效果明显没有B系统效果好；而A系统信息获取率仅较优化前高了23%，信息获取流程优化效果明显高于B系统和C系统，且迭代次数未到10次，明显少于B系统和C系统。由此可见，此次设计的变电站设备实体信息获取流程优化系统，优化后的变电站设备实体信息获取流程，信息获取率更高，收敛速度更快。

综合上述三组实验结果可知，此次设计的变电站设备实体信息获取流程优化系统，可以根据变电站设备运行情况，优化变电站设备实体信息获取流程，得到全面的变电站设备实体视图信息，且不会受到通信距离的影响，具有较低的丢包率、较高的信息获取率和较快的收敛速度。

4 结 语

综上所述，此次设计变电站设备实体信息获取流程优化系统，充分利用AR技术以及对现实世界和虚拟世界的衔接能力，形成实际信息获取流程图，提高变电站设备实体信息获取流程实际应用效果。变电站设备实体信息获取流程优化系统，根据变电站设备运行情况优化变电站设备实体信息获取流程，得到全面的变电站设备实体视图信息。但是，此次设计的变电站设备实体信息获取流程优化系统，未曾考虑变电站设备信息获取流程的变化及其复杂程度，因此在今后的研究中，还需深入研究变电站设备信息获取流程变化，以及信息获取流程的复杂程度，进一步提高变电站设备实体信息获取流程优化系统适用性。   参 考 文 献 [1] 肖黎，刘正阳，石悠旖，等 . 基于 Markov 模型对智能变电站二次系统可靠性评估[J].电测与仪表，2018，55（7）：36⁃40. [2] 符天骥，张丹，王建鑫 . 海南琼中抽水蓄能电站转子磁极主引线结构工艺的优化改进[J].水力发电，2019，45（1）：70⁃72. [3] 史连军，庞博，刘敦楠，等 .新电改下北京电力交易中心电力市场综合指数的交易分析[J].电力系统自动化，2019，43（6）：163⁃170. [4] 刘林虎，金黎明，夏清，等 .电力系统输电运行弹性空间建模与效益评估[J].电力系统自动化，2019，43（5）：7⁃13. [5] 冯跃，吴跃康，任杰，等 .基于无线同步技术的数字化变电站二次系统新型测试方法[J].中国测试，2020，46（1）：117⁃123. [6] 王流火，孙帅，王增彬，等 . 变电站设备箱体温、湿度场及凝露的数值模拟[J].高压电器，2020，56（1）：24⁃29. [7] 王帅，姜敏，李江林，等 .全维度智能变电站设备状态监测关键技术研究[J].电测与仪表，2020，57（7）：82⁃86. [8] 吴迪，汤小兵，李鹏，等 .基于深度神经网络的变电站继电保护装置状态监测技术[J].电力系统保护与控制，2020，48（5）：81⁃85. [9] 陈杨，何勇 .基于农村分布式光伏电站勘测的小型无人机倾斜摄影系统及试验[J].农业工程学报，2019，35（22）：305⁃313. [10] 初壮，徐洁，黄大为，等 . 计及电压波动的配电网无功优化运行[J].电测与仪表，2019，56（11）：61⁃67. [11] 王帅，姜敏，李江林，等 . 全维度智能变电站设备状态监测关键技术研究[J].电测与仪表，2020，57（7）：82⁃86. [12] 鲁改凤，欧钰雷，杜帅，等 . 基于改进 HPSO 算法的风电场内部无功优化研究[J].电测与仪表，2020，57（10）：36⁃42. [13] 石文超，吕林，高红均，等 .基于信息间隙决策理论的含 DG 和EV 的主动配电网优化运行[J]. 电力建设，2019，40（10）：64⁃74. [14] 姜爱华，韦化 . 基于通信的大规模空调与电网互动的分布式合作模型及优化控制[J]. 中国电机工程学报，2018，38（21）：6276⁃6283. [15] 王毅，马强，李睿，等 .基于多 Agent架构的电厂化学制水流程优化控制[J].中国科技论文，2018，13（11）：1291⁃1296.  

作者简介：

李  杰（1982—），男，云南石屏人，工程师，研究方向为变电运行检修。

高树功（1978—），男，云南新平人，高级工程师，研究方向为高电压及绝缘技术、变电设备检修。

雷  东（1983—），男，四川井研人，工程师，研究方向为变电一次设备检修试验、电力系统。