基于虛擬現(xiàn)實技術的變電站仿真培訓系統(tǒng)

胡美慧+陳淑婷+郭江濤

摘要：文章主要以虛擬技術的變電站仿真培訓系統(tǒng)為研究對象，首先介紹了系統(tǒng)整體框架，然后分析了系統(tǒng)的物理建模、幾何建模和行為建模，并對虛擬變電站與仿真培訓系統(tǒng)結(jié)合方法進行探究，最后闡述了虛擬變電站仿真培訓系統(tǒng)的實現(xiàn)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時交互動態(tài)仿真，具有三維顯示的功能，具有較高的研究價值。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術；變電站；仿真培訓系統(tǒng)

引言

變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分，在很大程度上影響著電力系統(tǒng)的順利運行，因此，提升變電站人員整體素質(zhì)很有必要。但是現(xiàn)階段，我國大多數(shù)電力企業(yè)對變電站人員的培訓水平仍然較低，不能讓變電站人員在運行的設備上進行實際操作，難以真正提升員工的操作水平。因此，建立一個與變電站實際運行相似的仿真培訓系統(tǒng)迫在眉睫。

1基于虛擬現(xiàn)實技術的變電站仿真培訓系統(tǒng)的結(jié)構

基于虛擬現(xiàn)實技術的變電站仿真培訓系統(tǒng)應能模擬變電站正常、異常和故障時的各種工況及操作過程，如設備巡視、設備投運、調(diào)整變壓器分接頭以及斷路器跳閘等。在虛擬變電站內(nèi)，如果受訓人員的模擬操作改變了變電站的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，電力系統(tǒng)仿真軟件將自動重新計算并將仿真結(jié)果立即傳送給虛擬保護自動裝置，再由這些裝置立即進行計算并做出正確反應。這樣，模擬操作的過程和結(jié)果就與實際現(xiàn)場基本一致了。

基于虛擬現(xiàn)實技術的變電站仿真培訓系統(tǒng)的整體結(jié)構如圖1所示，其主要包括電力系統(tǒng)仿真模塊、信號處理模塊、輸入判斷模塊、虛擬變電站模塊、輸出判斷模塊和用戶交互模塊。

下面將具體分析這幾個模塊：

一，虛擬變電站對于用戶是可見的，用戶能夠直接在虛擬變電站中模擬任何操作；

二，電力系統(tǒng)仿真模塊能夠模仿變電站正常運行、故障檢修等多種情況，并且電力系統(tǒng)仿真模塊能夠不斷輸出電壓和電流信號，在建立電力系統(tǒng)仿真模塊的過程中，應全面分析自動裝置、交直流系統(tǒng)、變電站的一次設備及其操作機構、綜合自動化系統(tǒng)的詳細模型；

三，信號處理模塊對電力系統(tǒng)仿真模塊輸出的信號進行處理，并將其送入輸入判斷模塊；

四，輸入判斷模塊根據(jù)處理后的信號，判斷此時虛擬設備的狀態(tài)是否發(fā)生變化，并將這種變化實時地反映到虛擬變電站中；

五，輸出判斷模塊首先判斷虛擬變電站的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構是否發(fā)生變化，再根據(jù)所發(fā)生的變化來改變電力系統(tǒng)仿真模塊的計算條件。

六，用戶交互模塊能夠?qū)崿F(xiàn)與虛擬變電站的交互，其主要用于用戶操作，用戶可以通過該模塊模擬變電站操作，

2虛擬變電站仿真培訓系統(tǒng)設計

2.1幾何建模

虛擬變電站仿真培訓系統(tǒng)中的虛擬設備應真實體現(xiàn)實際設備表面的幾何特征，在具體建模的過程中，通常依據(jù)早已明確的“物體-部件-面-點”的接點結(jié)構，同時對每個節(jié)點進行建模，最后完成所有系統(tǒng)的建模。在變電站的背景模型上，例如樹木、墻面等能夠使用紋理貼圖，這樣不僅能夠在很大程度上降低節(jié)點數(shù)目，還能夠充分保留虛擬世界的真實感。

2.2物理建模

物理建模就是在建立的幾何模型中，按照物理模型明確對象應具備的具體屬性，同時建立相關的數(shù)學模型。

2.3行為模型

行為模型就是虛擬設備應能夠真實體現(xiàn)實際設備運轉(zhuǎn)等行為，還要確保虛擬設備與實際設備的客觀規(guī)律相一致，一般通過采用外部傳感器以及外部接口相連接實現(xiàn)行為模型。

3虛擬變電站與仿真培訓系統(tǒng)結(jié)合方法

變電站仿真培訓系統(tǒng)要按照變電站運行者平時的工作進行設計，模擬仿真變電站的運行工況，旨在確保培訓更逼真。以網(wǎng)絡為基礎的三維造型語言中的主流是VRML，能夠給予動畫和三維以及交互作用，但是在具備精確計算要求的復雜領域，其計算能力和描述能力相對較弱，難以滿足復雜領域的要求。所以，為達到后臺仿真和模擬目的，應使用相對較強的數(shù)據(jù)處理能力語言。該部分已建立變電站仿真培訓系統(tǒng)，并模擬和仿真變電站系統(tǒng)。通過VRML達到虛擬變電站的建模與接口的定義。系統(tǒng)采用avascript以及Java語言編寫腳本，進而拓展VRML的功能，同時采用與實際系統(tǒng)相同的連接方式，進而完成更多的高級應用及交互，圖2為虛擬變電站與仿真培訓系統(tǒng)結(jié)構的總體框架，VRML將變電站中的控制變量輸入JAVA程序，通過JAVA程序?qū)⒖刂谱兞枯斎胱冸娬痉抡媾嘤栂到y(tǒng)，控制變量控制仿真培訓系統(tǒng)并模擬系統(tǒng)的運行狀態(tài)，再將仿真數(shù)據(jù)輸出到Java程序中，控制虛擬變電站其它節(jié)點狀態(tài)的變化。

4 虛擬變電站與仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)

虛擬變電站通過MATLAB虛擬現(xiàn)實工具箱中的VRSink與VRSource子模塊實現(xiàn)與“電力系統(tǒng)仿真”模塊的交互，其中VRSink子模塊負責將信號從“電力系統(tǒng)仿真”模塊輸出到虛擬變電站，VRSource子模塊負責將信號從虛擬變電站輸出到“電力系統(tǒng)仿真”模塊。以虛擬控制屏為例，其仿真系統(tǒng)的結(jié)構如圖3所示。其中的電力系統(tǒng)仿真模塊含有分布參數(shù)線路、斷路器、電源等子模塊。

用戶通過點擊虛擬控制屏上的控制開關，來實現(xiàn)對仿真系統(tǒng)的控制：輸出判斷模塊判斷控制開關的狀態(tài)是否發(fā)生變化，并將其實時傳送到電力系統(tǒng)仿真模塊，以控制其斷路器的開合；電力系統(tǒng)仿真模塊根據(jù)斷路器的狀態(tài)計算電力系統(tǒng)仿真結(jié)果；信號處理模塊根據(jù)電力系統(tǒng)仿真模塊輸出的電壓及電流等信號，實時計算相應的電壓、電流、無功值、有功值并將其傳遞給輸入判斷模塊；輸入判斷模塊根據(jù)輸入的電流值判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，并控制虛擬控制屏中的紅、綠指示燈的顯示狀態(tài)；虛擬電流表、有功表和無功表，將顯示信號處理模塊的計算結(jié)果。

結(jié)語

文章基于虛擬現(xiàn)實技術設計的變電站仿真培訓系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)用戶與虛擬變電站之間的交互，該系統(tǒng)能夠以Windows系統(tǒng)作為操作平臺，操作簡單，經(jīng)濟高效，通過測試可知，文章建立的變電站仿真培訓系統(tǒng)仿真過程較為真實，能夠滿足對員工的培訓需求，幫助員工了解到變電站實際運行過程中可能出現(xiàn)的故障，進而提升變電站員工的實際操作能力。

參考文獻：

[1]吳冰，黃陳，朱喜榮.沉浸式變電站故障仿真系統(tǒng)開發(fā)[J/OL].電力系統(tǒng)保護與控制，2017-11-02.

[2]羅艷娟.電網(wǎng)變電站一體化仿真培訓系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].湖南大學，2013.

[3]韓俊玲.基于Internet交互式虛擬現(xiàn)實技術變電站仿真培訓系統(tǒng)實現(xiàn)[J].價值工程，2011，30（18）：54-55.

[4]馮岱鵬.地下變電站三維虛擬現(xiàn)實仿真培訓系統(tǒng)的研制[D].上海交通大學，2010.