基于Vega Prime的油浸式電流互感器可視化仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭柯 董秀成 代莎

關(guān)鍵詞： 電流互感器; 多邊形減面算法; 可視化仿真; 虛擬現(xiàn)實(shí); 虛擬組裝; 系統(tǒng)優(yōu)化

中圖分類號(hào)： TN02?34; TM7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）05?0107?04

Design of oil?immersed current transformer visualized simulation system

based on Vega Prime

PENG Ke， DONG Xiucheng， DAI Sha

（School of Electrical Engineering and Electronic Information， Xihua University， Chengdu 610039， China）

Abstract： An oil?immersed current transformer visualized simulation system combining oil?immersed current transformer with virtual reality was designed in this paper. The current transformer is modeled in Solid Works. The MaxScript in 3DS MAX software platform is used to program the Stan Melax polygon reduction algorithm and its improved algorithm. Each assembly unit applied in current transformer is optimized to reduce the triangular facet and point， and improve the optimization speed while maintaining the model features. A visualized simulation system based on multi?threading technology was designed， and its corresponding function was implemented by using 3D visual simulation software platform Vega Prime， and combining development features of MFC application program.

Keywords： current transformer; polygon reduction algorithm; visualized simulation; virtual reality; virtual assembly; system optimization

變電站設(shè)備的運(yùn)行情況直接影響著變電站的安全運(yùn)行。由于變電站設(shè)備具有高危險(xiǎn)性和不可輕易停電等特殊性，傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式在電力系統(tǒng)應(yīng)用的效果不是很理想[1]。

隨著經(jīng)濟(jì)及三維技術(shù)的快速發(fā)展，三維可視化技術(shù)也廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備仿真領(lǐng)域[2]，人們通過(guò)鍵盤和鼠標(biāo)操作就可輕松實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的交互。本文設(shè)計(jì)了電流互感器可視化仿真系統(tǒng)，從視覺和交互方式等方面為變電站運(yùn)行人員構(gòu)建逼真的虛擬環(huán)境，為用戶提供非常直觀的體驗(yàn)，可有效提高培訓(xùn)質(zhì)量。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)總流程圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)分為場(chǎng)景建模和場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)。場(chǎng)景建模主要完成模型的建模、減面算法的應(yīng)用等;場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)主要完成人機(jī)交互的工作，通過(guò)對(duì)Vega Prime的二次開發(fā)調(diào)用API函數(shù)，運(yùn)用VC平臺(tái)里的MFC進(jìn)行編程。

2 ?電流互感器模型的建立

2.1 ?建 ?模

在Solid Works中選取基準(zhǔn)面進(jìn)行草圖繪制，通過(guò)旋轉(zhuǎn)、拉伸、切除等各種特征實(shí)現(xiàn)三維建模。將零部件通過(guò)重合、同軸心、平行等配合約束關(guān)系裝配成電流互感器。

2.2 ?模型優(yōu)化

電流互感器模型含有71 983個(gè)頂點(diǎn)，143 267個(gè)三角面，會(huì)影響軟件的加載時(shí)間、運(yùn)行速度、實(shí)時(shí)渲染的速度和質(zhì)量[3]，需對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，本文采用Stan Melax多邊形減面算法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。Stan Melax多邊形減面算法的主要思想：對(duì)于在同一平面上的表面，只需要很少的多邊形就可以表示[4]，同時(shí)高度彎曲的曲面則需更多的多邊形表示。一條邊是否要坍塌，取決于它的邊長(zhǎng)與曲率值的乘積。Stan Melax對(duì)于頂點(diǎn)的重要度權(quán)值用塌陷值Cost表示，是邊的邊長(zhǎng)與其曲率值的乘積。此算法通過(guò)焊接塌陷值小的點(diǎn)來(lái)完成減面。方程式如下：

運(yùn)用3DS MAX軟件內(nèi)部的MaxScript腳本完成算法的編寫以及界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖2所示。其中，優(yōu)化比例為優(yōu)化后的點(diǎn)數(shù)與優(yōu)化前的點(diǎn)數(shù)的比值。

原算法運(yùn)行一次只能焊接一個(gè)頂點(diǎn)，程序每一次循環(huán)都需要遍歷所有頂點(diǎn)，使得程序運(yùn)行工作量很大，耗時(shí)長(zhǎng)。本文對(duì)該算法進(jìn)行改進(jìn)，使運(yùn)行時(shí)間縮短一半。表1展示的是改進(jìn)算法前后對(duì)小瓷套部件的耗時(shí)比較。

對(duì)比圖3，圖4可知，通過(guò)運(yùn)用該算法，優(yōu)化后的小瓷套模型信息保存完整，且點(diǎn)數(shù)和面數(shù)降低。對(duì)電流互感器的各個(gè)模型進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后總點(diǎn)數(shù)和總面數(shù)見表2。

3 ?110 kV油浸式電流互感器可視化仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的110 kV油浸式電流互感器可視化仿真系統(tǒng)主要包括界面部分、控制區(qū)部分和部件拆卸操作部分。本文通過(guò)Vega Prime軟件平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā)，通過(guò)C++語(yǔ)言應(yīng)用程序接口API調(diào)用Vega Prime的ACF文件，而ACF文件包含并配置了電流互感器模型，通過(guò)代碼編寫能驅(qū)動(dòng)或者設(shè)置這些模型的位置姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)電流互感器的交互效果，使構(gòu)建的電流互感器可視化虛擬環(huán)境更加逼真，更具有沉浸感[5]。

3.1 ?Vega Prime應(yīng)用

Vega Prime是由美國(guó)Multigen?Paradigm公司開發(fā)的一個(gè)實(shí)時(shí)三維驅(qū)動(dòng)的工具包，可以跨平臺(tái)操作，可識(shí)別、驅(qū)動(dòng)、控制與管理由Creator中建立或?qū)С龅哪Ｐ团c場(chǎng)景[6]。一個(gè)典型的Vega Prime應(yīng)用程序的工作流程主要包括如下5個(gè)步驟：

1） 初始化：初始化靜態(tài)變量和模塊界面等[7]。

2） 定義語(yǔ)句：加載已經(jīng)配置好的ACF文件，ACF文件能自動(dòng)轉(zhuǎn)為C++程序[8]。

3） 配置：基于定義的值來(lái)配置系統(tǒng)，設(shè)置對(duì)象類實(shí)例之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并配置激活的模塊[9]。

4） 幀循環(huán)：對(duì)于每個(gè)幀循環(huán)的周期，應(yīng)用程序產(chǎn)生新的一幀，包括載入新場(chǎng)景、將眼點(diǎn)移動(dòng)到新的位置和重新計(jì)算仿真時(shí)間等[9]。

5） 關(guān)閉：清除場(chǎng)景中的對(duì)象內(nèi)存，釋放結(jié)束整個(gè)程序。

3.2 ?基于MFC的Vega Prime應(yīng)用程序

基于MFC對(duì)話框結(jié)構(gòu)的應(yīng)用程序開發(fā)早已成熟，并向用戶提供了大量、功能齊全的API接口函數(shù)，而Vega Prime和C++的API完全兼容[10]。

在MFC對(duì)話框里啟動(dòng)一個(gè)工作者線程，在線程的主函數(shù)里初始化Vega Prime和執(zhí)行主循環(huán)[7]。在MFC框架的視圖類中添加負(fù)責(zé)開啟該線程的成員函數(shù)，利用API函數(shù)AfxBeginThread開啟線程并同時(shí)將該視圖類的指針作為線程函數(shù)的輸入?yún)?shù)傳送到該線程中，將窗口句柄傳給setParent（），便能在該窗口顯示Vega Prime的場(chǎng)景[7]。

4 ?效果展示

對(duì)運(yùn)用減面算法前系統(tǒng)加載時(shí)間與運(yùn)用算法后系統(tǒng)加載時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化前需要等待11 s，而優(yōu)化后等待1 s就可實(shí)現(xiàn)，大大縮短了系統(tǒng)加載時(shí)間，提高了效率。本文所設(shè)計(jì)的電流互感器可視化仿真系統(tǒng)，人機(jī)交互過(guò)程主要靠鼠標(biāo)和鍵盤來(lái)完成，即由鼠標(biāo)和鍵盤輸入信息，然后由電腦顯示器輸出結(jié)果。系統(tǒng)中的交互行為主要包括電流互感器整體和部件的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)、電流互感器的組裝等。

圖5為系統(tǒng)的組裝操作部分，碰撞檢測(cè)通過(guò)設(shè)定物體移動(dòng)范圍來(lái)完成。如圖5所示，被拖拽的物體會(huì)加亮顯示，利用鼠標(biāo)和鍵盤兩種方式將兩個(gè)部件組裝在一起。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的油浸式電流互感器可視化仿真系統(tǒng)為桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。在靜態(tài)的三維可視化基礎(chǔ)上通過(guò)人機(jī)交互技術(shù)，可以完整地展示電流互感器工作原理、工作過(guò)程、檢修和維護(hù)方法，具有極強(qiáng)的實(shí)用性。利用鼠標(biāo)和鍵盤的簡(jiǎn)單操作就能獲取電流互感器的相關(guān)知識(shí)、工作原理、內(nèi)部構(gòu)造等信息，為培訓(xùn)人員提供了方便。同時(shí)，在一般的可視化仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了使用3DS MAX腳本編寫減面算法，提供了優(yōu)化界面，實(shí)時(shí)觀察模型信息的完整度，找出最合適的優(yōu)化比例。通過(guò)對(duì)Stan Melax提出算法的改進(jìn)，在保持模型特征的同時(shí)大大縮短了優(yōu)化時(shí)間，該算法的加入為可視化系統(tǒng)減少了加載時(shí)間，提高了效率。

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