地下變電站的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

邱海鋒，葉劍，沈立新，戚偉

（國(guó)網(wǎng)浙江杭州市蕭山區(qū)供電有限公司，浙江杭州，311200）

引言

隨著變電站系統(tǒng)自動(dòng)化進(jìn)程逐漸提高的過(guò)程中，其運(yùn)行操作也越來(lái)越復(fù)雜，以此對(duì)于工作人員技術(shù)及業(yè)務(wù)的水平也具有及高高的要求。由于地下變電站系統(tǒng)比較特殊，所以在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中很難對(duì)工作人員進(jìn)行培訓(xùn)。但是，目前地下變電站仿真系統(tǒng)都是通過(guò)物理和計(jì)算機(jī)硬件、軟件平臺(tái)創(chuàng)建，仿真平面圖像顯示不足，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)互動(dòng)和操作，那么就要求利用虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)工作人員培訓(xùn)，屬于此方面的發(fā)展趨勢(shì)。

1 虛擬地下變電站仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

以系統(tǒng)功能需求為基礎(chǔ)，此系統(tǒng)主要分為學(xué)院培訓(xùn)及教員兩個(gè)平臺(tái)，對(duì)于不同設(shè)置的管理權(quán)限也各有不同。將教員平臺(tái)除了具有學(xué)員平臺(tái)功能之外，還要求其能夠接電氣設(shè)備，并且具有故障及退出系統(tǒng)的設(shè)置功能。教員及學(xué)員兩個(gè)平臺(tái)使用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)、信息之間的交互與傳遞，以此對(duì)培訓(xùn)項(xiàng)目進(jìn)行有效的設(shè)置，而且還能夠?qū)ε嘤?xùn)結(jié)果進(jìn)行有效反饋。在硬件實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，通過(guò)有效配置教員機(jī)和學(xué)員機(jī)，能夠通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，并且還能夠通過(guò)三維仿真進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，三維仿真能夠?qū)崿F(xiàn)變電站運(yùn)行環(huán)境及電氣設(shè)備的模擬[1]。虛擬地下變電站仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，主要包括三大模塊，分別為虛擬電氣設(shè)備模塊、虛擬變電站仿真模。

虛擬電氣設(shè)備模塊：此模塊主要包括電氣控制、行為控制、物理模型及信息控制等模塊，其能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備級(jí)仿真。其中的物理模型指的是虛擬場(chǎng)景中電氣設(shè)備模型；電氣控制模塊指的是設(shè)備電氣外特性變化；行為空置模塊能夠?qū)ξ锢砟Ｐ托袨橐曈X(jué)進(jìn)行控制；信息控制模塊能夠?qū)崿F(xiàn)人為干預(yù)及系統(tǒng)仿真信息的處理，還能夠?qū)崿F(xiàn)模塊信息的處理。

虛擬變電站仿真模塊：此模塊的主要目的就是對(duì)虛擬電氣設(shè)備外加電壓及電流進(jìn)行計(jì)算，屬于系統(tǒng)仿真，其參數(shù)主要為虛擬電氣設(shè)備和虛擬變電站結(jié)構(gòu)及故障人為假設(shè)；

數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊：不管是設(shè)備仿真還是系統(tǒng)仿真，都要有效管理仿真數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊就能夠?qū)崿F(xiàn)此功能。數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括系統(tǒng)、設(shè)備兩種數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)設(shè)備仿真及系統(tǒng)仿真共同使用的數(shù)據(jù)，使用關(guān)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)通訊[2]。

2 虛擬地下變電站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 建模分析

變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)使變電站為基礎(chǔ)，如果變電站由于容量或者設(shè)備問(wèn)題需要進(jìn)行更換和擴(kuò)容的時(shí)候，培訓(xùn)系統(tǒng)要根據(jù)變電站的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行虛擬擴(kuò)容和更換，以此能夠?qū)⒆冸娬具\(yùn)行環(huán)境充分的展現(xiàn)出來(lái)。傳統(tǒng)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)大部分都是通過(guò)系統(tǒng)維護(hù)及升級(jí)修改電氣設(shè)備及刪除，以此使培訓(xùn)系統(tǒng)適用性及擴(kuò)展性有了降低。以建模對(duì)象外部、物理和電器等特點(diǎn)不同，從而實(shí)現(xiàn)變電站各場(chǎng)景及設(shè)備的設(shè)計(jì)。通過(guò)不同模型闖進(jìn)的需求，有效有效分類變電站的建模對(duì)象[3]。

因?yàn)榈叵伦冸娬镜墓I(yè)輔助設(shè)備與常規(guī)進(jìn)行對(duì)比較為重要，那么就要對(duì)此方面實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)建模。地下變電站工業(yè)輔助系統(tǒng)的設(shè)備為制冷、通風(fēng)、排水等系統(tǒng)，其與傳統(tǒng)建模對(duì)象對(duì)比的特點(diǎn)包括：

其一，工業(yè)輔助設(shè)備大部分都是網(wǎng)狀及管狀分布，以此提高了地理信息位置處理困難度；

其二，各種的工業(yè)輔助設(shè)備電氣行為和三維模型并沒(méi)有太大差異，所以就不能夠開(kāi)展統(tǒng)一建模；

其三，輔助設(shè)備的主體部分都是利用建筑結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，那么就無(wú)法對(duì)設(shè)備進(jìn)行更換[4]。

2.2 模型的創(chuàng)建

在三維圖形程序中需要?jiǎng)?chuàng)建三維模塊較為復(fù)雜，OSG雖然能夠建模，但是其功能并不強(qiáng)大。3DMax的模型創(chuàng)建功能比較強(qiáng)，但是缺少交互性。那么就將兩者新湖結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)模型的創(chuàng)建，并且還能夠進(jìn)行設(shè)備交互，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的漫游。

在模型創(chuàng)建過(guò)程中，首先要?jiǎng)?chuàng)建其中的設(shè)備模型，包括變壓器、刀閘等。然后使用3DMax實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景環(huán)境的創(chuàng)建，比如圍墻和大門等。最后實(shí)現(xiàn)設(shè)備擺放，以此使其能夠滿足實(shí)際變電站需求。以此創(chuàng)建虛擬地下變電站模型，其運(yùn)行效率較高，利用二進(jìn)制格式實(shí)現(xiàn)模型的導(dǎo)出[5]。

2.3 虛擬地下變電站系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)

變電站中具有大量的電氣設(shè)備，如果只是實(shí)現(xiàn)單一設(shè)備設(shè)計(jì)，那么工程量較大。部分電氣設(shè)備雖然具有不同的外觀，但是其內(nèi)在電氣特性相同。所以，就將虛擬電氣設(shè)備分為物理、行為及電氣三種特性，使用3DMax實(shí)現(xiàn)物理特性開(kāi)發(fā)，使用VT實(shí)現(xiàn)行為及電氣兩種特性開(kāi)發(fā)，其設(shè)計(jì)步驟為：

（1）通過(guò)VT實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源庫(kù)的創(chuàng)建，將不同設(shè)備模型在數(shù)據(jù)資源庫(kù)中導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)模型分類管理；

（2）將電氣設(shè)備在場(chǎng)景中放入并且通過(guò)VT陣列工具創(chuàng)建技術(shù)參數(shù)表格；

（3），設(shè)計(jì)信息控制模塊。通過(guò)虛擬變電站仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人工干預(yù)，比如鍵盤及鼠標(biāo)。使用 Mouse 及 Key模塊對(duì)鼠標(biāo)及鍵盤信息進(jìn)行接收，使用Send模塊將信息對(duì)行為控制模塊進(jìn)行傳達(dá)；

（4）設(shè)計(jì)電氣控制模塊。電氣控制模塊在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要包括輸入、控制、輸出三個(gè)模型。輸入指的是外界對(duì)于電氣的刺激，輸出指的是電氣設(shè)備對(duì)外展現(xiàn)的電氣特性，控制的是對(duì)輸入刺激及電氣設(shè)備中參數(shù)和輸出響應(yīng)聯(lián)系的描述。在編程過(guò)程中，電氣控制模塊輸入及輸出都在外界對(duì)于電氣設(shè)備刺激及電氣設(shè)備對(duì)于外界響應(yīng)中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，控制功能能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)具有較強(qiáng)通用性接口函數(shù)的分解。

其四，設(shè)計(jì)行為控制模塊。行為控制模塊也是使用輸入、控制、輸出方式實(shí)現(xiàn)，其中輸入指的是信息控制消息，輸出指的是用戶視覺(jué)效果，控制指的是物理模型控制過(guò)程中相應(yīng)的模塊。圖 4為隔離刀閘開(kāi)合過(guò)程中的腳本，刀臂動(dòng)作過(guò)程時(shí)間通過(guò)Bezier模塊決定，刀臂旋轉(zhuǎn)通過(guò)Rotate模塊實(shí)現(xiàn)，刀臂最大的開(kāi)合角度通過(guò)Multip模塊實(shí)現(xiàn)。在Wait模塊接收拉開(kāi)刀閘信息之后，通過(guò)Bezier、Rptate、Multip三個(gè)模塊進(jìn)行計(jì)算，學(xué)員能夠觀察到刀臂受到Set模塊的控制，從而出現(xiàn)稍微變黑的效果[6]。

3 結(jié)束語(yǔ)

地下變電站的運(yùn)行環(huán)境為封閉性，其和常規(guī)變電站巡視、操作和故障處理等方面都各有不同，所以其對(duì)運(yùn)行人員操作及技術(shù)具有一定的要求。本文對(duì)三維模擬地下變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)使用模塊化方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了地下變電站虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)。將其在培訓(xùn)過(guò)程中使用，能夠便于對(duì)已經(jīng)創(chuàng)建的虛擬變電站修改，提高培訓(xùn)系統(tǒng)的靈活性。并且，此系統(tǒng)還能夠利用對(duì)象化實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)，其開(kāi)發(fā)周期比較短，而且具有較強(qiáng)的可復(fù)用性，是一種理想化三維仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的方式。

[1]李桐.變電站三維虛擬仿真系統(tǒng)的研究和應(yīng)用[D].鄭州大學(xué), 2016.

[2]江龍, 張德剛, 李澤河, 等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔的沉浸式變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電工技術(shù), 2017, (11).

[3]李鴻佐, 韓冰, 陳盟.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研究[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì), 2017, (20).

[4]張哲.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于變電站工作的探索[J].科技傳播, 2017, 9(7).

[5]耿勇德.虛擬現(xiàn)實(shí)在變電站高壓電氣仿真試驗(yàn)培訓(xùn)中的應(yīng)用[J].工程技術(shù): 全文版, 2016, (10): 00191-00191.

[6]修圣潔.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電站檢修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探究[J].中國(guó)科技投資, 2016, (27).