Применение систем виртуального окружения

Эффективная работа диспетчерского персонала является важнейшим фактором в обеспечении надежного функционирования энергосистем. Оценку состояния электроэнергетической системы (ЭЭС) диспетчерский персонал производит по визуализируемой информации. Правильное представление о состоянии управляемого объекта зависит не только от полноты полученной информации, но и от способа ее визуализации диспетчеру.

В последнее десятилетие во всех энергосистемах различных стран мира наблюдается значительный рост математических моделей, описывающих состояние ЭЭС. Возникла необходимость в поиске новых методов представления (визуализации) диспетчерской и технологической информации для оценки состояния наблюдаемой ЭЭС. Математическая модель Единой Национальной Энергетической Системы Российской Федерации включает в себя около 8000 узлов и 12000 ветвей. Также в связи с введением конкурентных рыночных отношений в информационную модель ЭЭС включены новые переменные (локальные цены на выработку, передачу электроэнергии, стоимость потерь и др.) [1]. Крупномасштабные каскадные системные аварии (США и Канада 14 августа 2003 года, системная авария в Финляндии в районе Хельсинки, в Великобритании, 23 сентября 2003 года в Швеции и в Дании, системная авария в Италии и Швейцарии в августе 2003 года, системная авария в России в мае 2005 года), происходящие во всем мире, свидетельствуют об отсутствии оперативной «информативности» диспетчерского персонала.
В связи с этим стал актуальным вопрос поиска и построения принципиально новых информационных решений для отображения информации в условиях ограниченного информационного пространства применяемых в настоящее время технологий – видеостен [2].

Рис. 1. Виртуальная модель участка электроэнергетической системы
Авторами исследуются системы визуализации, представляющие макроскопические и микроскопические данные о состоянии энергосистемы: визуализация потоков мощности в целом (ситуационные схемы), а также визуализация отдельных элементов и их режимных параметров (однолинейные схемы) электроэнергетической системы. Авторами разработан новый подход к построению систем визуализации с применением технологии виртуального окружения (ВО), внедрения результатов которой позволит:
• создать новый класс тренажеров и систем визуализации диспетчерско-технологической информации;
• сократить время обучения оперативного и эксплуатационного персонала;
• уменьшить скорость отработки ориентационно-моторных навыков диспетчерского персонала;
• повысить качество используемых моделей визуализации диспетчерско-технологической информации;
• частично снять ограничения, наложенные на информационное поле используемых технологий, путем «погружения» оператора в виртуальную среду.

Рис. 2 Ситуационная схема наблюдаемой ЭЭС
в среде разрабатываемой СВДТИ
На сегодняшний момент существует широкий спектр систем ВО, различаемых по соотношению реальных и виртуальных объектов и разной степени погружения. Использование систем ВО дает возможность предоставления больших массивов данных, отображающих взаимодействие оператора с трехмерными моделями исследуемых объектов. Применение систем ВО позволяет перейти на более высокий качественный уровень обработки данных, моделирования и проведения экспериментов, разработки сложных машин и механизмов, создание тренажеров и систем управления сложными технологическими процессами [3].
В основу построения системы визуализации диспетчерско-технологической информации (СВДТИ) положены принципы избирательности, иерархичности и функциональности.
Избирательный принцип реализован в виде возможности выбора (вызова) оператором необходимой ему мнемосхемы в зависимости от текущей технологической ситуации и состояния технических средств контроля и управления.
Иерархия СВДТИ заключается в ее построении по принципу «от общего к подчиненному частному» (сеть - подстанция). При этом уровень «сеть» является «корнем» иерархического дерева.
За каждым уровнем СВДТИ закреплено определенное функциональное назначение.

Рис. 3. Однолинейная схема энергоузла с отображением параметров выключателя
На первом уровне (сеть) реализуются только информационные функции (отображение значений основных параметров, характеризующих технологический процесс в целом, обобщенная сигнализация режимных отклонений и нарушения работы оборудования). Мнемосхемы этого уровня содержат объем информации, позволяющий оценить ситуацию в целом.
На втором уровне (подстанция) реализуются информационно-управляющие функции. На этом уровне отображаются:
• состояние коммутационных аппаратов присоединения с точки зрения возможности осуществления переключений;
• электротехнические параметры присоединения, включая, при необходимости, параметры контроля режима.
На этом уровне возможно проведение операций по оперативному переключению коммутационных аппаратов.
Функциональность СВДТИ заключается в:
• наглядном отображении функционально-технической схемы наблюдаемого объекта и информации о состоянии в объеме, необходимом для выполнения оператором возложенных на него функций;
• отображении топологических связей и характера взаимодействия наблюдаемой ЭЭС с другими ЭЭС;
• сигнализации существенных нарушений режима работы ЭЭС;
• обеспечении быстрого выявления возможности локализации и ликвидации системных аварий.
Основу мнемосхем всех уровней СВДТИ составляют трехмерные модели элементов реальной ЭЭС (статические и динамические) - представление контролируемого оборудования, его состояния и состояния технологического процесса, построенное на системе кодирования зрительной информации.
Статические модели СВДТИ выполняют вспомогательную функцию и служат для однозначного восприятия персоналом взаимосвязи между отдельными технологическими участками, технологическими фрагментами и внутри них - между отдельным оборудованием.
Динамические модели в пределах заданной геометрии контура отображают, как правило, состояние оборудования или процесса. Переход из одного состояния в другое или изменение режима работы отображается изменением цвета в пределах контура (цвета заливки), изменением положения символа относительно предшествовавшего, а также изменением взаимного расположения символов.
В основе разработки системы визуализации ситуационно-динамической информации оперативно-диспетчерского управления с применением технологии ВО лежит концепция совмещения ситуационной схемы энергосистемы и однолинейных схем энергоузлов путем внедрения в графическую среду третьего измерения и погружения оператора в виртуальную среду. При этом используется технология ВО. На рисунках 1-3 представлены примеры разработанных виртуальных сред.
Визуализируемая информация о параметрах и состоянии основного оборудования поступает от дискретных, аналоговых датчиков, установленных на реальном оборудовании или от существующих серверов АСУ ТП (SCADA-системы), оперативно-информационных комплексов (ОИК). Использование общедоступных высокопроизводительных персональных компьютеров, элементов ВО, распространенного программного обеспечения (Avango, Open Scene Graph), а также включение в систему оригинальных программных модулей позволило создать программно-аппаратный комплекс, функциональная схема которого приведена на рисунке 4.
Разработка описанного в данной работе системы визуализации на основе технологии ВО представляет собой принципиально новый подход к системам визуализации и обучения в электроэнергетике. Использование таких систем предоставляет возможность:
• создания виртуальных моделей энергообъектов с четкой пространственной привязкой. Благодаря этому, обучающийся персонал, «погружаясь» в виртуальную среду, отрабатывает навыки эксплуатации оборудования, установленного на конкретных энергообъектах;
• использования виртуальных сред при проектировании тепловых и электрических сетей с пространственной привязкой к территориальным особенностям местности;
• создания тренажеров по ремонту и поверке оборудования – в виртуальной среде визуализируются модели оборудования и алгоритмы определенных регламентированных с ним работ;
• создания геоинформационных систем (ГИС) тепловых и электрических сетей с территориальной и глубинной привязкой. Разработка ГИС, основанных на технологии ВО, приведет к резкому уменьшению времени поиска и чтения классических чертежей на бумажных и электронных носителях, времени определения места и способов локализации и ликвидации аварии для оперативно-выездных бригад [4].
Таким образом, применение технологии ВО в области электроэнергетики позволит снять множество ограничений, наложенных на объемы визуализируемой информации, а также является инструментом для быстрого и эффективного развития ориентационно-моторных навыков обучаемого персонала за счет его полного «погружения» в виртуальную среду.

Литература:
1. Visualization of Power System Data/Thomas J. Overbye, Jamie D. Weber//33rd Hawaii International Conference on System Sciences. 2000, p. 31-38.
2. Использование систем виртуального окружения для визуализации информации в сфере управления электроэнергетическими системами/ Брагута М.В., Клименко С.В.// Вестник ИГЭУ. 2008, №4, с. 52-67.
3. Клименко С.В., Никитин И.Н., Никитина Л.Д. Аванго: система разработки виртуальных окружений. - Москва-Протвино: Институт физико-технической информатики, 2006, c. 8.
4. Использование систем виртуального окружения для визуализации систем теплоснабжения/ Брагута М.В //Новости теплоснабжения. 2008, №4 (92), с. 51.