500 kV變電站軟導(dǎo)線布局三維仿真

林妙涵， 王庭桉， 肖仙富， 黃宴委

(1. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院， 福建 福州 350116； 2. 福建省送變電工程公司， 福建 福州 350013)

500 kV變電站軟導(dǎo)線布局三維仿真

林妙涵1， 王庭桉1， 肖仙富2， 黃宴委1

(1. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院， 福建 福州 350116； 2. 福建省送變電工程公司， 福建 福州 350013)

采用層次化設(shè)計(jì)方式研制一套500 kV變電站軟導(dǎo)線布局三維仿真系統(tǒng). 首先建立場(chǎng)景模型和設(shè)備模型作為物理模型， 其次建立數(shù)據(jù)模型、 軟導(dǎo)線數(shù)學(xué)模型和連接模型構(gòu)成規(guī)則模型， 最后通過(guò)系統(tǒng)整合生成500 kV變電站軟導(dǎo)線布局三維仿真圖. 系統(tǒng)僅由7個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置模塊就能快速準(zhǔn)確地生成500 kV變電站軟導(dǎo)線三維仿真效果圖， 達(dá)到可編程設(shè)計(jì)目的. 由園頂、 燕墩等500 kV變電站數(shù)據(jù)驗(yàn)證該仿真系統(tǒng)軟件是可行、 正確的.

500 kV變電站； 軟導(dǎo)線； 三維仿真； 層次化設(shè)計(jì)； 可編程設(shè)計(jì)

0 引言

電力行業(yè)中， 隨著電網(wǎng)電壓等級(jí)的不斷提高和規(guī)模的擴(kuò)大使得電力系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜化， 對(duì)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)運(yùn)行、 檢修等環(huán)節(jié)提出了更高的要求， 電力人員在實(shí)際動(dòng)手操作之前必須掌握電力系統(tǒng)知識(shí)與技術(shù). 由于電力系統(tǒng)自身的特殊性， 即不能將運(yùn)行的電力系統(tǒng)當(dāng)作試驗(yàn)品進(jìn)行實(shí)物操作試驗(yàn)， 使得利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)模擬設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)十分重要[1-2]. 變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分， 具有電壓等級(jí)不同、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 設(shè)備眾多、 集成度高等特點(diǎn)， 建立變電站三維仿真系統(tǒng)具有很大的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[3]. 目前， 加拿大等國(guó)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)； 國(guó)內(nèi)也有不少關(guān)于500 kV變電站仿真系統(tǒng)[4-7]. 這些三維仿真系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是通過(guò)建立通用虛擬的變電站用于培訓(xùn)電力人員掌握變電站設(shè)備的知識(shí)與技術(shù)， 但還無(wú)法作為設(shè)計(jì)工具來(lái)模擬仿真各個(gè)具體實(shí)際的500 kV變電站， 對(duì)改擴(kuò)建變電工程在實(shí)際施工前進(jìn)行虛擬仿真展示， 難以滿足方案設(shè)計(jì)、 施工、 線路檢修等需求， 不能起到將“設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)犯在計(jì)算上”， 降低變電站設(shè)計(jì)錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)的作用.

500 kV變電站設(shè)備多， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 具有其特別之處： ① 主體占地面積一般在5 000 m2以上， 且層數(shù)眾多， 各層軟導(dǎo)線連接方式不同； ② 設(shè)備多； ③ 軟導(dǎo)線連接方式多樣化. 500 kV變電站的設(shè)計(jì)施工圖是由基于AutoCAD的十幾張二維平面圖紙組成， 導(dǎo)線布局得不到直觀立體的三維效果， 二維平面圖的空間表現(xiàn)能力和分析能力具有局限性. 作為2013年國(guó)家電網(wǎng)項(xiàng)目《500 kV變電工程軟導(dǎo)線裝配三維仿真測(cè)控系統(tǒng)研制》子課題， 以福建省園頂、 燕墩500 kV變電站工程為藍(lán)本， 提煉500 kV變電站軟導(dǎo)線布局設(shè)計(jì)規(guī)則， 建立3Dmax設(shè)備模型， 應(yīng)用OpenGL圖像圖形顯示技術(shù)和VC++編制人機(jī)交互界面， 旨在研制500 kV變電站軟導(dǎo)線布局三維仿真軟件， 以達(dá)到無(wú)需專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)仿真人員， 僅由幾個(gè)參數(shù)設(shè)置步驟就可迅速生成不同500 kV變電站軟導(dǎo)線布局場(chǎng)景， 達(dá)到參數(shù)可編程設(shè)計(jì)的目的. 該軟件用于變電站的設(shè)計(jì)和建站前的仿真、 校驗(yàn)和整改， 能很好地將變電站全景展示出來(lái)， 由園頂和燕墩500 kV變電站數(shù)據(jù)驗(yàn)證該軟件的可行性和通用性.

1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

圖1 軟件系統(tǒng)功能構(gòu)架Fig.1 Software functional structure

500 kV變電站導(dǎo)線布局三維仿真系統(tǒng)的目的是虛擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)變電站設(shè)計(jì)效果， 主要功能包括參數(shù)設(shè)置、 信息顯示、 運(yùn)行效率、 人機(jī)交互界面等等. 如圖1所示， 軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)分為3個(gè)層次： 物理模型、 規(guī)則模型和系統(tǒng)功能. 物理模型主要包括設(shè)備模型(變電站設(shè)備)和場(chǎng)景模型(地面、 天空、 周?chē)h(huán)境等)的建模. 其中設(shè)備模型主要為人形架、 橫梁、 管母線、 絕緣子、 塔架、 GIS、 軟導(dǎo)線等等； 規(guī)則模型包括軟導(dǎo)線空間形態(tài)數(shù)學(xué)模型、 軟導(dǎo)線連接模型、 管母線連接模型、 數(shù)據(jù)模型. 物理模型和規(guī)則模型共同組成模型庫(kù). 系統(tǒng)功能包括人機(jī)界面、 參數(shù)設(shè)置、 運(yùn)行效率、 信息顯示、 狀態(tài)顯示、 錯(cuò)誤提示、 場(chǎng)景漫游、 鼠標(biāo)功能、 鍵盤(pán)功能、 數(shù)據(jù)管理等等.

1.1 物理模型

軟件系統(tǒng)采用構(gòu)建一個(gè)立方體的思路實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)拔锝＃?在整個(gè)立方體空間中為變電站的模型， 把天空的圖像貼在立方體的頂面， 地面的圖像貼在底面， 剩下的四面貼上周?chē)h(huán)境的圖像， 觀察點(diǎn)設(shè)在立方體中， 可達(dá)到如臨其境的效果.

1.1.1 場(chǎng)景模型

場(chǎng)景模型是為了配合變電站而構(gòu)建的虛擬環(huán)境部分， 包括圍墻、 天空、 周?chē)拔铩?GIS(gas insulated substation)、 固定水泥地基、 地面及其過(guò)道等. 這些模型有益于增強(qiáng)變電站的真實(shí)感、 層次感， 達(dá)到美觀和逼真效果. 地面、 走道及圍墻模型是根據(jù)500 kV變電站屋外配電裝置CAD平面布置圖， 由線路串?dāng)?shù)、 各線路的長(zhǎng)及前后兩排的寬， 得出矩形地面的面積， 在矩形邊沿處建立一定高度的圍墻， 在四面圍墻向里一段距離構(gòu)建走道， 由GIS的縱向間距建立起固定作用的水泥地基. 變電站的周?chē)h(huán)境相當(dāng)復(fù)雜， 對(duì)于周?chē)拔锏慕渭兊赜肙penGL提供的諸如點(diǎn)、 線、 面、 體等函數(shù)建立周?chē)h(huán)境中的草地、 樹(shù)木、 天空等模型， 既增加了建模的工程量， 也達(dá)不到逼真的效果， 還會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行的效率. 紋理貼圖把圖像映射到三維物體上， 達(dá)到模擬現(xiàn)實(shí)世界和提高三維場(chǎng)景渲染速度的效果[8-9].

1.1.2 設(shè)備模型

圖2 GIS模型Fig.2 The model of GIS

變電站屋外配電裝置中有眾多設(shè)備， 如塔架、 人形架、 橫梁、 絕緣子、 GIS等， 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)拍照結(jié)合設(shè)備安裝圖紙等比例， 依次建立各設(shè)備模型存于系統(tǒng)中. 具體介紹其中GIS模型的建立和具體實(shí)現(xiàn). 變電站GIS是由短路器、 隔離開(kāi)關(guān)、 套管等高壓電器而組成的高壓配電裝置， 是一種金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備. 其模型見(jiàn)圖2. 模型創(chuàng)建具體過(guò)程為： ① 利用3Dmax軟件繪制模型； ② 將繪制好的的模型導(dǎo)入三維仿真軟件中； ③ 根據(jù)模型設(shè)置光照、 顏色； ④ 將模型按照一定的尺寸放大縮小并安置在程序計(jì)算給定的空間坐標(biāo)點(diǎn)上. 以下為步驟執(zhí)行代碼：

void CSCDlg::Drawgis(floatx, floaty, floatz, floatz1)

{

glPushMatrix();

glColor3ub(48, 3, 3);

glTranslatef(x,y,z);

glRotated(90, 1.0, 0.0, 0.0);

Drawgiss(x,y,z) ;

glPopMatrix();

}

1.2 規(guī)則模型1.2.1 數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)模型主要是對(duì)構(gòu)建變電站屋外配電裝置所需要的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置， 需要的參數(shù)有地面的長(zhǎng)和 寬，各串線路的前、 后排的長(zhǎng)及寬， 各層橫梁高度， 管母線高度. 四層線路三相導(dǎo)線之間的間距設(shè)定后， 對(duì)GIS的相間距、 排間距及GIS接線柱的高度進(jìn)行設(shè)定， 最后設(shè)置各串前、 后單元的線路名稱(chēng)及第一串和最后一串的左、 右線路名稱(chēng). 由這些數(shù)據(jù)及導(dǎo)線屬性參數(shù)， 如比載、 彈性系數(shù)等， 還有絕緣子串比載、 水平投影長(zhǎng)度、 垂直投影長(zhǎng)度等， 可生成變電站屋外配電部分三維模擬圖， 與實(shí)際尺寸成比例地展現(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)效果.

1.2.2 數(shù)學(xué)模型

軟導(dǎo)線在不同連接方式下由重力作用時(shí)所呈現(xiàn)特有的曲線形態(tài)， 其應(yīng)力、 弧垂等因素影響著電力運(yùn)行的安全與可靠性， 應(yīng)盡量模擬其真實(shí)情況. 在OpenGL中， 導(dǎo)線懸垂曲線二維數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為三維數(shù)學(xué)模型之后， 才能體現(xiàn)出其空間效果.

當(dāng)h/l≤0.15時(shí)， 采用平拋物線方程； 當(dāng)h/l>0.15時(shí)， 應(yīng)考慮用斜拋物線方程. 其中，γ表示輸電線比載;σo表示輸電線最低點(diǎn)的應(yīng)力. 絕緣子串和導(dǎo)線使用相同的數(shù)學(xué)模型， 不同的是絕緣子串的比載比導(dǎo)線的比載大， 這一參數(shù)的不同使二者顯示不同的弧形[10].

1.2.3 連接模型

500 kV變電站主體一般由前后兩排構(gòu)成， 每排七串， 每串層數(shù)2、 3、 4層不等. 第一層設(shè)定為管母線， 2、 3、 4層均為軟導(dǎo)線層. 地面層為GIS， 每串在地面上設(shè)置4排3列GIS. 因此， 連接模型就是提取變電站中各層軟導(dǎo)線連接方式規(guī)則， 包括跳線、 引下線、 等高線、 不等高線的連接方式， 也使得連接模型為變電站屋外配電裝置三維建模中最重要也是最復(fù)雜的環(huán)節(jié)， 必須保證設(shè)計(jì)的正確性、 連接的多樣性、 可設(shè)置性及設(shè)置后相互之間的協(xié)調(diào)性， 以達(dá)到適用于不同變電站的效果， 便于推廣應(yīng)用. 在同一變電站中， 主變之間的同一層導(dǎo)線連接規(guī)則是相同的， 而同一主變中不同層導(dǎo)線連接規(guī)則是不同的， 因此只要掌握同一主變每層的線路連接規(guī)則， 就能進(jìn)一步推導(dǎo)出整個(gè)變電站的線路連接規(guī)則.

1.3 系統(tǒng)整合

500 kV變電站導(dǎo)線布局情況復(fù)雜， 設(shè)施種類(lèi)多. 采取歸類(lèi)處理的方法， 把不同的連接方式、 不同物體的模型、 顏色的配置、 背景圖片等都建立模型庫(kù)， 方便調(diào)用和整體搭建， 將軟件系統(tǒng)整合能夠簡(jiǎn)潔代碼量， 提高執(zhí)行效率. 利于系統(tǒng)的優(yōu)化及進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)， 需要解決如下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù).

1.3.1 運(yùn)行效率

在歸類(lèi)處理， 使用模型庫(kù)的情況下， 對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)， 這些措施還無(wú)法使系統(tǒng)在畫(huà)面更新時(shí)達(dá)到流暢顯示的效果. 針對(duì)這一問(wèn)題， 系統(tǒng)使用了OpenGL提供的雙緩沖技術(shù)和顯示列表技術(shù).

1.3.2 人機(jī)交互界面

500 kV變電站導(dǎo)線布局三維仿真系統(tǒng)的人機(jī)交互界面如圖3所示， 具有良好的操作性、 可控性. 使用的控件如下： 編輯框、 組框、 按鈕、 復(fù)選框及靜態(tài)文本. 該軟件不需要專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)仿真人員， 只需設(shè)置一些簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)參數(shù)， 就能夠準(zhǔn)確、 快速、 方便地實(shí)現(xiàn)變電站屋外配電裝置三維仿真. 在圖3中所需設(shè)置的參數(shù)有地面參數(shù)、 各線路單元參數(shù)、 相序及連接方式、 線路單元、 層數(shù)、 GIS等. 系統(tǒng)生成模型只需要7個(gè)步驟的參數(shù)設(shè)置， 如圖4所示， 即可得500 kV變電站導(dǎo)線布局的三維模型效果.

圖3 人機(jī)交互界面Fig.3 Man-machine interface

圖4 參數(shù)設(shè)置流程圖Fig.4 Flow chart of parameters

由于500 kV變電站導(dǎo)線的布局相當(dāng)復(fù)雜， 要設(shè)置眾多條件， 如相序排列、 第二層線路引下線方式. 三維場(chǎng)景構(gòu)建好之后， 為了便于用戶觀察軟導(dǎo)線線路分布， 選擇顯示幾處線路， 是否顯示信息標(biāo)注、 圍墻和周?chē)尘岸加玫搅藦?fù)選框進(jìn)行選擇， 導(dǎo)致界面應(yīng)用了大量的復(fù)選框. 按鈕的用處主要是執(zhí)行用戶的命令， 當(dāng)所有的設(shè)置完成之后， 點(diǎn)擊隱藏設(shè)置按鈕， 相關(guān)控件就會(huì)隱藏， “隱藏設(shè)置”按鈕隨即變成“顯示設(shè)置”按鈕， 只剩下觀察時(shí)需要用到的控件， 當(dāng)要更改設(shè)置時(shí)， 點(diǎn)擊“顯示設(shè)置按鈕”， 相關(guān)控件會(huì)重新出現(xiàn). 每次設(shè)置完成之后點(diǎn)擊“更新”按鈕， 會(huì)出現(xiàn)500 kV變電站導(dǎo)線布局的三維模型， 界面上的前、 后、 左、 右、 俯視圖按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)其多方位的觀察.

2 仿真效果及系統(tǒng)驗(yàn)證

以園頂500 kV變電站為基礎(chǔ)， 完成三維仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì). 園頂變電站結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置如圖3所示， 圖5為根據(jù)該參數(shù)設(shè)置得到的園頂變電站導(dǎo)線布局三維模擬效果圖. 該仿真系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單， 三維模型構(gòu)建快， 設(shè)置好參數(shù)后瞬時(shí)得到效果， 畫(huà)面逼真， 且具有友好的人機(jī)交互.

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的通用性， 用500 kV燕墩變電站做進(jìn)一步的驗(yàn)證， 重新設(shè)置500 kV燕墩變電站結(jié)構(gòu)參數(shù)， 得到三維仿真模擬效果如圖6所示. 從圖5與圖6對(duì)比可知兩個(gè)變電站之間各組主變的層數(shù)不同， 主變間隔斷面橫截面的相間距不同， 軟導(dǎo)線各層相間距不同. 因此該系統(tǒng)參數(shù)可根據(jù)不同的變電站施工圖紙?jiān)O(shè)置， 生成不同的500 kV變電站三維仿真效果圖， 可適用于不同500 kV變電站的設(shè)計(jì).

圖5 園頂500 kV變電站三維仿真Fig.5 Simulations of 500 kV substation in Yuanding

圖6 燕墩500 kV變電站三維仿真Fig.6 Simulations of 500 kV substation in Yandun

3 結(jié)語(yǔ)

500 kV變電站導(dǎo)線布局三維仿真系統(tǒng)以結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)理念， 將系統(tǒng)分為三個(gè)層次, 即物理模型、 規(guī)則模型和系統(tǒng)功能. 物理模型包括設(shè)備模型和場(chǎng)景模型； 規(guī)則模型包括數(shù)據(jù)模型、 數(shù)學(xué)模型和連接模型； 系統(tǒng)功能需要解決運(yùn)行效率、 軟件界面、 逼真效果、 場(chǎng)景漫游等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù). 該仿真系統(tǒng)軟件操作方便， 無(wú)需專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)人員, 僅需設(shè)置幾個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)就能完美生成500 kV變電站軟導(dǎo)線布局三維仿真圖， 虛擬效果畫(huà)面逼真. 通過(guò)園頂、 燕墩等500 kV變電站數(shù)據(jù)驗(yàn)證該仿真系統(tǒng)軟件是可行、 正確的， 達(dá)到適用于不同500 kV變電站的可編程設(shè)計(jì)功能.

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(責(zé)任編輯： 洪江星)

Three-dimension simulations of flexible wire in 500 kV substation

LIN Miaohan1, WANG Ting’an1, XIAO Xianfu2, HUANG Yanwei1

(1. College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China；2. Fujian Province Transmission Engineering Company， Fuzhou, Fujian 350013, China)

A three-dimension simulation system of flexible wire in 500 kV substation is developed by using the hierarchical design idea. Firstly, setup the physical modes including scene model and equipment model. Secondly, setup the rule modes including data modes, flexible wire math modes and connection modes. Finally, design the simulation system functions to display the layout of flexible wire by the three-dimension in 500 kV substations. This system has the advantage of the programmable design by only need 7 structure parameters to set. In a word, this simulation system is verified to be accurate and executable by the datum of 500 kV substations in Yuanding and Yandun.

500 kV substations； flexible wire； three-dimension simulation； hierarchical design； programmable design

10.7631/issn.1000-2243.2015.04.0495

1000-2243(2015)04-0495-05

2014-06-23

黃宴委(1976-)， 博士， 副教授， 主要從事電機(jī)控制、 變電站軟導(dǎo)線三維仿真研究， sjtu_huanghao@sina.com

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015J01245)

TP311

A