變電站二次系統(tǒng)運(yùn)維實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

傅興強(qiáng) 楊偉榮 李卡 李南君

摘要：本論文結(jié)合電網(wǎng)的實(shí)際，采用基于三維可視化交互技術(shù)，對(duì)變電站二次系統(tǒng)智能運(yùn)維實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行論述，從仿真平臺(tái)系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)方案、模型三維可視化模型構(gòu)建等幾方面分別進(jìn)行詳細(xì)論述。

關(guān)鍵詞：二次系統(tǒng)；實(shí)時(shí)仿真；人機(jī)交互；虛擬仿真

中圖分類號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）07-0193-02

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，變電站一、二次系統(tǒng)日益復(fù)雜，對(duì)變電運(yùn)行、繼電保護(hù)專業(yè)人員的理論素質(zhì)和技能水平要求也越來越高，同時(shí)對(duì)二次回路相關(guān)專業(yè)的培訓(xùn)也提出了更高的要求。變電站二次系統(tǒng)包含二次回路、二次設(shè)備等裝置，在保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行方面起著舉足輕重的作用。但是由于變電站二次回路錯(cuò)綜復(fù)雜、電氣信號(hào)相互關(guān)聯(lián)較多，不但對(duì)工作人員理論素質(zhì)和技能水平有較高要求，且常常造成工作人員對(duì)二次回路缺乏全貌性的認(rèn)識(shí)，對(duì)其連接關(guān)系和工作原理掌握不透，不可避免的造成二次回路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、安全措施做不全、做錯(cuò)，檢修不到位，缺陷不能及時(shí)處理等問題，從而導(dǎo)致設(shè)備跳閘、大面積停電、片區(qū)解網(wǎng)等事故。針對(duì)上述問題，經(jīng)過充分調(diào)研并結(jié)合電網(wǎng)的實(shí)際，基于三維可視化交互技術(shù)，構(gòu)建一套變電站二次系統(tǒng)智能運(yùn)維實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，此平臺(tái)將傳統(tǒng)復(fù)雜的二次回路轉(zhuǎn)化成可視化的空間三維數(shù)字模型，以實(shí)現(xiàn)變電站二次運(yùn)維的交互式可視化。同時(shí)針對(duì)二次故障仿真模擬，建立仿真模擬培訓(xùn)場(chǎng)景，提升運(yùn)維人員業(yè)務(wù)操作能力，改進(jìn)電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行、維護(hù)、檢修等人員的培訓(xùn)手段，大大縮短培訓(xùn)周期，節(jié)省培訓(xùn)費(fèi)用，提高安全運(yùn)維水平。

1 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變電站二次系統(tǒng)運(yùn)維實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以對(duì)象化三維模型為中心，集成靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)形成變電站二次系統(tǒng)智能運(yùn)維實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。通過建設(shè)基于C/S架構(gòu)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互關(guān)聯(lián)檢索，并且以三維模型建立二次回路仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)二次回路可視化以及二次回路實(shí)時(shí)仿真，輔助于變電站二次系統(tǒng)的運(yùn)維管理。

變電站二次系統(tǒng)運(yùn)維實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)過程中，用先進(jìn)的對(duì)象化三維建模設(shè)計(jì)思想，以數(shù)據(jù)為中心，確保建模過程中形成的三維模型和保存在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)保持完全統(tǒng)一，實(shí)施仿真平臺(tái)系統(tǒng)涵蓋電氣一次設(shè)備、電氣二次設(shè)備、二次回路、土建結(jié)構(gòu)、構(gòu)架、線纜等變電站主要電力和建筑設(shè)置。

2 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維模型幾何網(wǎng)構(gòu)建技術(shù)

電力系統(tǒng)三維模型幾何數(shù)據(jù)即三維模型頂點(diǎn)，組成了三角形圖元，三角形圖元再按照一定的排列算法和索引順序組成最終用于紋理映射的模型網(wǎng)格。網(wǎng)格構(gòu)建多采用多分辨率算法進(jìn)行網(wǎng)格簡化，根據(jù)多細(xì)節(jié)層次（Levels of Detail，LOD）模型計(jì)算后選擇最佳LOD等級(jí)進(jìn)行渲染，多分辨率LOD算法可以在實(shí)時(shí)性和真實(shí)性這兩個(gè)矛盾體上實(shí)現(xiàn)一定的平衡。因此，面向并行計(jì)算的具有更強(qiáng)幾何計(jì)算能力和浮點(diǎn)運(yùn)算能力的GPU逐漸成為了研究熱點(diǎn)。

本使用面向GPU的Geomipmapping算法構(gòu)建模型初始網(wǎng)格。該算法將紋理處理中的Mipmapping技術(shù)運(yùn)用到模型幾何數(shù)據(jù)的多分辨率LOD網(wǎng)格模型中，該模型旨在不同的區(qū)域采用不同的LOD等級(jí)來表現(xiàn)模型網(wǎng)格。模型網(wǎng)格采用分塊的形式組織，每塊模型對(duì)應(yīng)一塊矩形區(qū)域，頂點(diǎn)規(guī)模同為，其中為每條邊的頂點(diǎn)個(gè)數(shù)，相鄰模型塊的邊界相互重疊。可見均勻分布的三角形圖元組成了每塊模型網(wǎng)格，每塊以隔行隔列降采樣的形式生成多個(gè)不同LOD等級(jí)的模型塊子網(wǎng)格，其中白色和黑色頂點(diǎn)分別代表最高LOD等級(jí)和低一級(jí)LOD等級(jí)的子網(wǎng)格，以到視點(diǎn)的距離為準(zhǔn)則在實(shí)時(shí)渲染時(shí)為每個(gè)模型塊選擇適宜的LOD等級(jí)。

該算法依照四叉樹的機(jī)制管理模型塊全部LOD等級(jí)的子網(wǎng)格。模型塊加載的詳細(xì)步驟如下所示：

Step1.裝載模型塊最高LOD等級(jí)的網(wǎng)格；Step2.計(jì)算模型塊AABB包圍盒；Step3.計(jì)算模型塊Geomipmapping等級(jí)總數(shù)；Step4.計(jì)算模型塊不同Geomipmapping等級(jí)切換時(shí)的距離函數(shù)閾值；Step5.基于四叉樹結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)所有等級(jí)的子網(wǎng)格；Step6.對(duì)剩下的模型塊重復(fù)執(zhí)行Step1至Step5。

2.2 模型紋理映射技術(shù)

紋理映射是賦予視景系統(tǒng)逼真感的重要手段，豐富的紋理影像可以細(xì)致地展現(xiàn)仿真環(huán)境中難以用數(shù)學(xué)模型計(jì)算的復(fù)雜光照、陰影和幾何細(xì)節(jié)。本文采用Mipmapping技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型紋理映射，該能夠減少圖形鋸齒現(xiàn)象的發(fā)生并加快渲染速度，其貼圖文件是由一組被事先計(jì)算和優(yōu)化過的影像組成的。能夠顯著提高了數(shù)據(jù)傳輸和處理效率。當(dāng)縮小貼圖或者距離視點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，Mipmapping就會(huì)選擇適合層級(jí)的影像，這樣所要讀取的像素規(guī)模就要遠(yuǎn)少于普通貼圖技術(shù)，渲染時(shí)間明顯縮短。Geomipmapping算法構(gòu)建的幾何網(wǎng)格每個(gè)根節(jié)點(diǎn)表示覆蓋最大模型塊的紋理影像，而子節(jié)點(diǎn)所覆蓋的模型塊大小逐級(jí)遞減，接著為各級(jí)紋理建立線性四叉樹索引，最后在實(shí)時(shí)渲染模型時(shí)，按照當(dāng)前渲染的模型幾何網(wǎng)格四叉樹的索引挑選紋理四叉樹中對(duì)應(yīng)的紋理影像進(jìn)行紋理映射。

3 結(jié)語

本文針對(duì)變電站二次回路錯(cuò)綜復(fù)雜、電氣信號(hào)相互關(guān)聯(lián)較多，在檢修過程紅不可避免的造成二次回路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、安全措施做不到位，缺陷不能及時(shí)處理等問題，采用基于三維可視化交互手段，在深入分析討論三維模型幾何網(wǎng)構(gòu)建和模型紋理映射等核心技術(shù)的技術(shù)上，實(shí)現(xiàn)了變電站二次系統(tǒng)智能運(yùn)維實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，此平臺(tái)將傳統(tǒng)復(fù)雜的二次回路轉(zhuǎn)化成可視化的空間三維數(shù)字模型，能夠有效提升運(yùn)維人員業(yè)務(wù)操作能力，提高安全運(yùn)維水平。

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