變電站仿真系統(tǒng)虛擬環(huán)境的研究及應(yīng)用

安徽南瑞繼遠(yuǎn)電網(wǎng)技術(shù)有限公司 華書晶

變電站仿真系統(tǒng)虛擬環(huán)境的研究及應(yīng)用

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簡述了變電站仿真系統(tǒng)的模式，綜合介紹了變電站仿真系統(tǒng)的主要技術(shù)要求和功能，初步對(duì)虛擬環(huán)境在變電站仿真系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行分析，簡要介紹其功能特征和相關(guān)技術(shù)概念。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展為變電站仿真系統(tǒng)的完善和功能開發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，使其更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用、操作靈活、運(yùn)行穩(wěn)定。

變電站仿真；虛擬

0 引言

電網(wǎng)的安全運(yùn)行是影響國計(jì)民生至關(guān)重要的工作。而電網(wǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行要由繼電保護(hù)和其他相關(guān)安全自動(dòng)裝置的正確動(dòng)作來保證。運(yùn)行中的電網(wǎng)不可能也不允許通過直接試驗(yàn)來監(jiān)測和保證運(yùn)行設(shè)備的安全狀態(tài)，所以比較可行的方式就是針對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行事故實(shí)驗(yàn)研究。因此只能采用仿真的方法來進(jìn)行模擬事故試驗(yàn)。除電網(wǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行保障電網(wǎng)安全外，電力系統(tǒng)運(yùn)行人員崗位操作技能也是影響安全的重要因素之一。隨著電網(wǎng)調(diào)度仿真系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，變電站仿真系統(tǒng)應(yīng)時(shí)而生。變電站仿真系統(tǒng)也由最初的帶硬件盤臺(tái)，工作站模式，發(fā)展為采用PC機(jī)，甚至純軟件仿真模式，并針對(duì)變電站特點(diǎn)，增加了智能培訓(xùn)和知識(shí)學(xué)習(xí)功能。

1 變電站仿真系統(tǒng)的模式、系統(tǒng)功能

1.1 變電站仿真系統(tǒng)模式

盤臺(tái)模式：

開關(guān)控制屏、保護(hù)屏、自動(dòng)化屏等硬件按照實(shí)際變電站1:1大小進(jìn)行模擬，組成變電站的主控室和保護(hù)室，再配備相應(yīng)的后臺(tái)計(jì)算機(jī)硬件和仿真軟件，支持和聯(lián)動(dòng)主控室和保護(hù)室的操作和顯示。

純軟件模式：

按照主控室、保護(hù)室、室內(nèi)外電氣設(shè)備等劃分開發(fā)相應(yīng)圖形界面軟件，分布在一臺(tái)或幾臺(tái)計(jì)算計(jì)上，其他仿真模型、教員管理、工程維護(hù)也可分布在一臺(tái)或幾臺(tái)計(jì)算機(jī)上；或者整個(gè)仿真系統(tǒng)由一個(gè)教員機(jī)和多個(gè)學(xué)員機(jī)組成，學(xué)員機(jī)個(gè)數(shù)不受仿真模型計(jì)算速度的限制。

純軟件模式組成靈活，并可應(yīng)用其他新計(jì)算機(jī)技術(shù)，提高仿真效果。

變電站作為電網(wǎng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，不是一個(gè)簡單的孤立系統(tǒng)，而是和電網(wǎng)密不可分的有機(jī)整體，因此變電仿真系統(tǒng)應(yīng)是電網(wǎng)仿真和變電站仿真相結(jié)合的一體化系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)功能

變電站仿真系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)模擬電網(wǎng)運(yùn)行變電站及設(shè)備的全范圍運(yùn)行工況，能實(shí)現(xiàn)模擬變電站的各種正常操作、異常、故障和事故，能正確的反映各類設(shè)備的基本物理規(guī)律和現(xiàn)象，并保證仿真結(jié)果正確，符合現(xiàn)場實(shí)際情況。

變電站仿真系統(tǒng)應(yīng)功能全面、實(shí)用，操作靈活，且運(yùn)行穩(wěn)定。變電站仿真系統(tǒng)的各種動(dòng)、靜態(tài)效果逼真，能為變電運(yùn)行人員的培訓(xùn)提供一個(gè)逼真的運(yùn)行及操作環(huán)境，使變電運(yùn)行人員得到身臨其境的操作演練，從而能提高變電運(yùn)行人員的技能，不斷適應(yīng)電網(wǎng)對(duì)變電運(yùn)行人員越來越高的要求。

變電站仿真系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)站內(nèi)設(shè)備的三維仿真，三維交互式漫游系統(tǒng)能模擬設(shè)備的動(dòng)作過程，及事故時(shí)可能存在的各種包含聲、光、電的事故現(xiàn)象，能模擬常見的設(shè)備運(yùn)行背景環(huán)境（如天氣狀況），能模擬各類設(shè)備異常及相關(guān)報(bào)警信號(hào)。

變電站仿真系統(tǒng)的主要功能是針對(duì)變電站運(yùn)行人員的日常工作需求，為變電站的運(yùn)行人員提供逼真的培訓(xùn)環(huán)境。變電站運(yùn)行人員的日常工作需求主要為以下方面：1）監(jiān)視巡視；2)運(yùn)行操作；3)兩票辦理；4）事故處理演練等。

變電站仿真系統(tǒng)具備智能評(píng)價(jià)的功能，能對(duì)受訓(xùn)人員在仿真培訓(xùn)中的各項(xiàng)操作進(jìn)行評(píng)價(jià)。

仿真系統(tǒng)能對(duì)變電運(yùn)行人員在監(jiān)視巡視、運(yùn)行操作、兩票辦理、事故處理演練等系統(tǒng)模塊中進(jìn)行的仿真操作演練全過程進(jìn)行回放和記錄；能對(duì)受訓(xùn)人員操作演練的過程進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)；能對(duì)操作的關(guān)鍵步驟進(jìn)行量化分值，對(duì)受訓(xùn)人員的操作成績進(jìn)行打分；并能建立受訓(xùn)人員的培訓(xùn)檔案記錄。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在變電站仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用

變電站仿真系統(tǒng)功能之一站內(nèi)設(shè)備的三維仿真，三維交互式漫游系統(tǒng)，利用虛擬環(huán)境來作開發(fā)是發(fā)展必須。虛擬環(huán)境就是對(duì)現(xiàn)場環(huán)境的最真實(shí)仿真，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，配合精密傳感等技術(shù)生成虛擬的三維環(huán)境。在三維環(huán)境中用戶和虛擬環(huán)境中的客體之間可以進(jìn)行自然交互，可以感受和體驗(yàn)如真實(shí)現(xiàn)場實(shí)際操作一般。虛擬環(huán)境形式和來源不限，可以是純粹的數(shù)字空間，也可以是對(duì)海量數(shù)據(jù)庫的計(jì)算分析的可視化，最簡單也可以是對(duì)實(shí)際或歷史的真實(shí)反映。

(1)電力系統(tǒng)虛擬環(huán)境

虛擬環(huán)境主要由硬件及軟件兩部分組成，在相應(yīng)的硬件體系結(jié)構(gòu)上和適合的軟件開發(fā)平臺(tái)及環(huán)境上進(jìn)行具體應(yīng)用開發(fā)。主要由視覺環(huán)境系統(tǒng)、聽覺環(huán)境系統(tǒng)、觸覺環(huán)境系統(tǒng)等感官系統(tǒng)組成，以建造逼真的虛擬感受環(huán)境。

根據(jù)電力系統(tǒng)特點(diǎn)，利用虛擬環(huán)境技術(shù)能逼真反應(yīng)仿真電網(wǎng)的系統(tǒng)接線及各站接線、開關(guān)及刀閘等設(shè)備狀態(tài)，能顯示電網(wǎng)潮流、頻率、電壓及負(fù)荷值，能模擬電網(wǎng)及各電壓等級(jí)變電站的一、二次設(shè)備的全范圍運(yùn)行工況和各種正常操作、異常、故障和事故。實(shí)現(xiàn)在真實(shí)時(shí)空中構(gòu)造出虛擬的電力仿真時(shí)空，并將電力系統(tǒng)模型置于該時(shí)空中模擬運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)逼真可靠實(shí)時(shí)的電力系統(tǒng)虛擬環(huán)境。

(2)軟件開發(fā)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)包含數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、模型標(biāo)定技術(shù)、信息同步技術(shù)、識(shí)別和合成技術(shù)等的融合，開發(fā)重中之重應(yīng)該在各種技術(shù)的集成開發(fā)上。根據(jù)電力系統(tǒng)對(duì)象實(shí)際需求和特點(diǎn)選用適合的虛擬現(xiàn)實(shí)的開發(fā)工具，如VR開發(fā)平臺(tái)，分布式虛擬技術(shù)。重點(diǎn)開發(fā)電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)的三維計(jì)算機(jī)圖形模型，圖形軟件開發(fā)可以選用較成熟的API，OpenGL，或基于 OpenGL開發(fā)的Open Inventor，Word Tool Kit，OpenGVS，dVISE等。

3 結(jié)束語

隨著變電站仿真系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，變電站仿真系統(tǒng)中采用虛擬環(huán)境技術(shù)來實(shí)現(xiàn)各種逼真的動(dòng)、靜態(tài)效果，能為變電運(yùn)行人員的培訓(xùn)提供一個(gè)逼真的運(yùn)行及操作環(huán)境，使變電運(yùn)行人員得到身臨其境的操作演練，變電運(yùn)行人員在短時(shí)間內(nèi)，真實(shí)有效的掌握變電運(yùn)行技能，而且大大降低電網(wǎng)仿真系統(tǒng)建設(shè)成本，減少運(yùn)行費(fèi)用，免維護(hù)、功能擴(kuò)展方便。變電站仿真系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是極其顯著，有效提高變電運(yùn)行人員的技能，不斷適應(yīng)電網(wǎng)對(duì)變電運(yùn)行人員越來越高的要求。

[1]申蔚,夏立友．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M]．北京:希望電子出版社,2002．

[2]張東英,周慶捷,楊以涵．基于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的變電站仿真培訓(xùn)[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化,1998,22(3)．