基于Java 3D的變電設(shè)備狀態(tài)展示系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

徐斌+姬波

摘要：電力遠(yuǎn)程Web監(jiān)控指基于瀏覽器對跨地域分布的變電設(shè)備狀態(tài)的集中監(jiān)控。目前多采用2D而非3D展示，原因是缺乏有效的Web 3D框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)有Web 3D技術(shù)繪制效率不足。針對這兩個(gè)問題，本文提出了一個(gè)基于Java 3D技術(shù)的變電設(shè)備狀態(tài)展示系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)。該框架包括技術(shù)支撐層、數(shù)據(jù)層、3D基礎(chǔ)類層、3D業(yè)務(wù)類層和客戶端層五個(gè)層次，具有效率高和可擴(kuò)展可移植的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用表明，基于Java 3D技術(shù)的Web展示框架結(jié)構(gòu)可以有效滿足電力系統(tǒng)Web 3D展示的要求。

關(guān)鍵詞：Web監(jiān)控；變電設(shè)備；設(shè)備狀態(tài)；3D在線展示；場景圖

中圖分類號：TP3917文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：The task of remote Web monitor system in electric system is centralized monitoring the status of crossregional substation equipment.However，true threedimension technology is seldom used in Web exhibition because lack of effective Web 3D framework and low rendering efficiency of current Web 3D technologies.To address the issue，the paper proposes a framework of substation equipment status presentation based on Java 3D.The framework consists of five layers：technology support layer，data layer，3D basis layer，3D business layer and client layer.Practical application shows that the proposed framework can satisfy the requirements of Web 3D presentation with the advantages of high efficiency，expandable and portable.

Key words：Web monitor；transformer；equipment state；3D online exhibition；scene graphs structure

1引言

電力系統(tǒng)中變壓器擔(dān)負(fù)著在各個(gè)電網(wǎng)間進(jìn)行電壓變化和電能轉(zhuǎn)化的核心功能。監(jiān)控變壓器運(yùn)行狀態(tài)信息可以對供電可靠性提供良好的保障[1-3]。配電變壓器運(yùn)行中的狀態(tài)信息監(jiān)測包括監(jiān)測終端、互聯(lián)通信、數(shù)據(jù)存儲和在線展示系統(tǒng)幾部分。其中，在線展示系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著展示變電站數(shù)據(jù)的功能[4，5]，能直觀的將變電設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以列表和圖形方式供用戶瀏覽。隨著互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和硬件平臺的日益發(fā)展，越來越多的監(jiān)控中心對跨地域分布的變電設(shè)備狀態(tài)采用了Web 展示方式。但是目前Web展示中主要采用列表、二維曲線和偽三維圖形方式，較少采用真三維方式。這主要是由于Web 3D圖形繪制效率的制約。眾所周知，Browser/Server系統(tǒng)的執(zhí)行效率一般遠(yuǎn)低于Client/Server系統(tǒng)的執(zhí)行效率。而變壓器狀態(tài)數(shù)據(jù)的大規(guī)模和實(shí)時(shí)性特性，對圖形繪制效率提出了更高要求。因此，本文在分析主流Web 3D技術(shù)的基礎(chǔ)上選定了Java 3D作為低層支撐技術(shù)，并基于Java 3D技術(shù)給出了變電設(shè)備狀態(tài)在線展示系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)。該框架具有效率高和可擴(kuò)展可移植的優(yōu)點(diǎn)，可以有效滿足變電設(shè)備狀態(tài)Web 3D展示的要求。

2Web 3D技術(shù)

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，Web展示中廣泛采用了3D技術(shù)來豐富頁面展示效果。主要技術(shù)包括Flash[6]、JOGL[7]、WebGL[8]和Java3D[9，10]等。

1）Flash：Flash3D是指基于Flash播放器的三維畫面。Flash網(wǎng)頁播放只能基于CPU，而不支持GPU運(yùn)算，因此表現(xiàn)復(fù)雜圖像時(shí)效率較低。同時(shí)，F(xiàn)lash3D只是在2D通過數(shù)學(xué)計(jì)算來模擬的偽3D效果，并不是真正的3D效果；

2）JOGL：JOGL是OpenGL的Java類綁定。JOGL項(xiàng)目是由JavaTM綁定OpenGLAPI（JSR231）而構(gòu)成的，在Java應(yīng)用程序中提供了基于硬件支持的3D圖形；

3）WebGL：WebGL是基于OpenGL底層3D圖形API的跨平臺Web 3D標(biāo)準(zhǔn)，采用HTML5 畫布（Canvas）元素的基于文檔Object的接口來實(shí)現(xiàn)。要求開發(fā)人員熟悉OpenGL ES 2.0技術(shù)；

4）Java3D：Java 3D是基于Java語言的3D領(lǐng)域擴(kuò)展，提供了一組API接口，并運(yùn)行于標(biāo)準(zhǔn)Java虛擬機(jī)。Java 3D是基于已有的Java API的三維拓展，提供了完整且方便的3D圖形庫，其效果并不遜色于其他技術(shù)的3D效果。同時(shí)，Java 3D基于DirectX與OpenGL技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以保證其運(yùn)行效率。Java 3D中對象建模既支持直接API類庫中的方法，還支持其他流行的建模工具，如VRML和TrueSpace。

3系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

31Web 3D技術(shù)選型

通過對前述幾種Web 3D技術(shù)的分析和對變電設(shè)備監(jiān)測在線展示的業(yè)務(wù)分析。我們基于以下原因選用了Java 3D技術(shù)做為框架設(shè)計(jì)的底層技術(shù)。

1）WebGL對IE瀏覽器支持不足，而大多數(shù)電力系統(tǒng)用戶更熟悉和傾向使用IE瀏覽器；

2）Flash難以實(shí)現(xiàn)硬件加速，且對編程人員數(shù)學(xué)功底要求較高。同時(shí)，F(xiàn)lash更擅長表現(xiàn)渲染和美化程度高的界面，而數(shù)據(jù)狀態(tài)展示更注重界面的簡潔和明晰；endprint

3）JOGL更傾向于開發(fā)有較高性能硬件支持的3D圖形，而變電設(shè)備檢測終端基本都是性價(jià)比更高的低端設(shè)備；

4）Java 3D對Java編程人員未設(shè)定任何前提和技術(shù)門檻，簡單易用，可擴(kuò)展可移植性好，并提供了完整的開發(fā)類庫。

Java 3D基于場景圖（Scene Graphs Structure） 概念，極大減少了設(shè)計(jì)和開發(fā)人員對三維空間知識的掌握要求。場景圖是類樹狀結(jié)構(gòu)的具有方向性的不對稱圖形（Directedacyclic Graph，DAG）。圖1中給出了場景圖的三個(gè)層次。

1）根節(jié)點(diǎn)。一個(gè)場景圖擁有唯一的根節(jié)點(diǎn)：虛擬宇宙（Virtual Universe），即一個(gè)擁有一系列對象聚集體的三維空間；

2）非葉子節(jié)點(diǎn)。Virtual Universe擁有場所（Locale）節(jié)點(diǎn)。Locale擁有分支組（Branch Group）節(jié)點(diǎn)。Branch Group擁有變換組（Transform Group）節(jié)點(diǎn)，Transform Group包含三維形體的位置信息。 Transform Group擁有形狀3D（Shape3D）節(jié)點(diǎn)，Shape3D代表三維世界中的形體。觀察平臺（View Platform）節(jié)點(diǎn)定義了觀察視角信息；

3）葉子節(jié)點(diǎn)。包括外觀（Appearance）節(jié)點(diǎn)和幾何體（Geometry）節(jié)點(diǎn)，用來定義三維體的最終顯示效果。

32展示系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

變電設(shè)備狀態(tài)Web在線展示系統(tǒng)是變電設(shè)備故障狀態(tài)檢測與預(yù)警圖形系統(tǒng)的構(gòu)成部分之一，用于顯示設(shè)備狀態(tài)參數(shù)及變化趨勢。其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備狀態(tài)Web展示，以便于遠(yuǎn)端用戶對設(shè)備的運(yùn)行情況實(shí)時(shí)地、直觀地和真實(shí)地全面掌握。Web3D展示系統(tǒng)框架如圖2，共分為五個(gè)層次：

1）技術(shù)支撐層。采用Java3D作為Web3D的技術(shù)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。Java3D運(yùn)行于Java虛擬機(jī)之上；

2）數(shù)據(jù)層。展示數(shù)據(jù)分為在線內(nèi)存數(shù)據(jù)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)庫/數(shù)據(jù)文件中的歷史數(shù)據(jù)兩個(gè)類型；

3）3D基礎(chǔ)類層。負(fù)責(zé)提供Web3D繪制的基礎(chǔ)類，包括3維坐標(biāo)軸、3維長方體、3維直線和3維文字繪制等圖形基類；

4）3D業(yè)務(wù)類層。負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯處理及變電設(shè)備（如變壓器）狀態(tài)的3D展示。常見的展現(xiàn)業(yè)務(wù)包括用于油中氣體分析的油色譜圖和用于變壓器故障診斷的大衛(wèi)立方體等；

5）客戶端。適用于支持Java3D技術(shù)的瀏覽器（主流瀏覽器均支持Java3D）。

33圖形繪制3D基礎(chǔ)類

圖形繪制3D基礎(chǔ)類提供被上層業(yè)務(wù)類調(diào)用的接口，構(gòu)成3D展示的基礎(chǔ)。主要的3D基礎(chǔ)類有以下6個(gè)：CoordinateAxisScene類、CoordinateGrid LineScene類、PDSScene類、QuadShape類、 Draw3DLine類和Draw3DText類。

1）CoordinateAxisScene類。用于繪制三維坐標(biāo)軸（圖3）。主要屬性有vert數(shù)組，代表直線端點(diǎn)；color數(shù)組，代表線條顏色；width變量，代表直線寬度。其主要方法包括CoordinateAxisScene（），用于設(shè)置基本參數(shù)；getScene（），用于獲取當(dāng)前Transform Group對象；

2）CoordinateGrid LineScene類。用于繪制與坐標(biāo)軸平行的網(wǎng)格線，提供用戶觀察數(shù)據(jù)變化趨勢的參考背景線；

3）PDSScene類。用于繪制數(shù)據(jù)對應(yīng)的長方體；

4）QuadShape類。三維曲面基類，繼承于Shape 3D，該類可以被實(shí)例化，是生成長方柱體的基類；

5）Draw3DLine類。繪制3D直線，繼承于Shape 3D，可以直接被實(shí)例化；

6）Draw3DText類。生成三維文字，提供getScene方法繪制文字圖形。

4變壓器狀態(tài)3D展示實(shí)例

本文提出的基于Java 3D的變電設(shè)備狀態(tài)展示系統(tǒng)框架已經(jīng)在某集團(tuán)的變壓器故障診斷系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。該系統(tǒng)需求主要包括：1）展示油色譜監(jiān)測、鐵芯接地監(jiān)測、微水密度監(jiān)測和避雷器監(jiān)測類測點(diǎn)的曲線；2）展示三維局放譜圖；3）展示三維油色譜圖；4）利用大衛(wèi)三角形和大衛(wèi)立方體進(jìn)行變壓器故障診斷等。

41系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能模塊圖如下：

1）數(shù)據(jù)列表。獲取數(shù)據(jù)信息，以列表形式在web頁面上展示；

2）測點(diǎn)曲線。根據(jù)給定的數(shù)據(jù)繪制二維坐標(biāo)折線圖，支持顯示數(shù)據(jù)趨勢；

3）3D局放譜圖。展示局部放電的周波—相位—放電量三維圖；

4）3D油色譜圖。支持2種波形文件格式（第一種為現(xiàn)有的m行*1列的數(shù)據(jù)值格式；第二種為COMTRADE格式）的油色譜三維展示；

5）大衛(wèi)三角形。繪制用于DGA故障診斷的二維大衛(wèi)三角形；

6）大衛(wèi)立方體。繪制用于DGA故障診斷的三維大衛(wèi)立方體；

7）故障診斷。通過DGA數(shù)據(jù)點(diǎn)在大衛(wèi)三角形或大衛(wèi)立方體中的位置信息來給出可能的故障診斷結(jié)果。

所有功能均同時(shí)適用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)展示。區(qū)別是歷史數(shù)據(jù)來源于數(shù)據(jù)表analog，使用JDBC連接訪問。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)則來源于實(shí)時(shí)內(nèi)存庫，使用實(shí)時(shí)庫API訪問。

42局放譜圖實(shí)現(xiàn)

下面以三維局放譜圖為例描述Web 3D展示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。為了滿足局放譜圖展示需求，在框架提供的3D基礎(chǔ)類層的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)業(yè)務(wù)類。局放數(shù)據(jù)讀取類PdsDataReader和局放3D展示類PDSpector。

1）PdsDataReader類。用于讀取數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)立方體的構(gòu)造。一個(gè)局放數(shù)據(jù)文件中包括一個(gè)EVENT 事件中10秒的所有幅值數(shù)據(jù)。每秒鐘的數(shù)據(jù)段包含50個(gè)周期的數(shù)據(jù)，每個(gè)周期分為128相位。 因此每秒數(shù)據(jù)段包含6400個(gè)幅值，10秒共64000個(gè)幅值數(shù)據(jù)。endprint

2）PDSpector類。繼承于Applet類，首先構(gòu)造Canvas3D畫板，并將Virtual Universe添加至該畫板中。然后使用3D基礎(chǔ)類繪制坐標(biāo)軸、網(wǎng)格線和6400個(gè)局放立方體（由于數(shù)據(jù)量龐大，每次只顯示一秒的數(shù)據(jù)）。

圖5展示了3D局放譜圖實(shí)現(xiàn)效果圖，該圖形立體展示了1s內(nèi)的6400個(gè)局部放電幅值大小及其相位關(guān)系。圖形支持放大、縮小和旋轉(zhuǎn)等三維操作，以提供給觀察者全面的觀察視角。同時(shí)提供了前翻和后翻按鈕，以達(dá)到按秒切換數(shù)據(jù)的目的。

5結(jié)論

本文針對電力系統(tǒng)Web監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)備狀態(tài)的三維展示問題，在分析了主流Web 3D技術(shù)的基礎(chǔ)上選定了Java 3D作為變電設(shè)備狀態(tài)展示系統(tǒng)框架的底層支撐技術(shù)。基于Java 3D技術(shù)提出了包括技術(shù)支撐層、數(shù)據(jù)層、3D基礎(chǔ)類層、3D業(yè)務(wù)類層和客戶端層五個(gè)層次的框架結(jié)構(gòu)。并給出了3D基礎(chǔ)類層中負(fù)責(zé)提供Web3D繪制方法的若干基礎(chǔ)類，如3維坐標(biāo)軸類、3維長方體類、3維直線類和3維文字類等。最后，以三維局放譜圖為例描述了框架的實(shí)現(xiàn)過程及實(shí)現(xiàn)效果。實(shí)際應(yīng)用表明，該框架為電力系統(tǒng)Web 3D展示提供了良好的基礎(chǔ)平臺。

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