基于虛擬現(xiàn)實的變壓器教學(xué)仿真

王大虎 劉標(biāo) 徐炎軍

摘 要： 針對現(xiàn)有電力系統(tǒng)實物教學(xué)危險性高的問題，以220 kV變壓器為仿真對象，通過采用3DMAX軟件建模，利用Unity3D引擎，搭建了變壓器教學(xué)仿真系統(tǒng)，通過虛擬現(xiàn)實設(shè)備實現(xiàn)了變電站設(shè)備3D交互等功能，學(xué)員可以根據(jù)知識水平進(jìn)行學(xué)習(xí)，彌補(bǔ)了電力系統(tǒng)教學(xué)只采用單一的文字或簡單掛圖等缺點，在保障學(xué)員安全的基礎(chǔ)上，讓學(xué)員能夠?qū)ψ儔浩鬟M(jìn)行操作。經(jīng)測試，該系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)有效的工具，既能提高教學(xué)水平，又能減少投入教學(xué)的時間和金錢，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 電力系統(tǒng)； 仿真教學(xué)； 交互； 變壓器

中圖分類號：TM743 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2019）03-71-04

Transformer teaching simulation by virtual reality

Wang Dahu， Liu Biao， Xu Yanjun

（School of Electrical Engineering And Automation， Henan Polytechnic University， Jiaozuo， Henan 454003， China）

Abstract： The existing physical teaching of power system involves the risk of danger. Using 220 kV transformer as the simulation object，modeling by using 3DMAX software， the Unity3D engine is adopted to build the transformer. The teaching simulation system realizes the functions of 3D interaction of substation equipment through virtual reality equipment. Students can learn according to the knowledge level， which makes up for the shortcomings of power system teaching using only a single text or simple wall chart. On the basis of ensuring the safety of trainees， the trainee is able to operate the transformer. After testing， the system is a cost-effective tool that not only improves the teaching level， but also reduces the time and money spent on teaching and achieves the desired teaching results.

Key words： power system； simulation teaching； interaction； transformer

0 引言

電力是現(xiàn)代社會的一個關(guān)鍵因素，支持文化和工業(yè)發(fā)展。缺電會對經(jīng)濟(jì)和社會產(chǎn)生重大影響。隨著電網(wǎng)的越來越大，電力系統(tǒng)越來復(fù)雜，對電力系統(tǒng)操作人員的要求也越來越高；為了確保持續(xù)供電，變電站必須高效的運(yùn)行，變電站的維護(hù)涉及高風(fēng)險，帶電線路的維護(hù)具有極大地危險性，為了保障人員安全和降低對設(shè)備的損害，擁有訓(xùn)練有素并且技術(shù)較高的工作人員非常重要，這就對電力系統(tǒng)的教學(xué)提出了較高的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)教學(xué)主要是課堂教學(xué)為主，通過一些手冊、圖片以及短視頻等來學(xué)習(xí)，內(nèi)容枯燥乏味，學(xué)員學(xué)習(xí)興趣低下、理解困難，教學(xué)效果不理想[1]；利用Quest3D實現(xiàn)變電站仿真，利用該軟件實現(xiàn)變電站一些簡單的功能；但是，教學(xué)效率低下[2]；提出沉浸式仿真系統(tǒng)的方案，為變電站教學(xué)帶入了現(xiàn)場感，但研發(fā)難度大；針對以上不足，開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實的變壓器教學(xué)仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以保證學(xué)員在模擬的工作環(huán)境中進(jìn)行訓(xùn)練，在保障學(xué)員安全性的基礎(chǔ)上，學(xué)員能夠?qū)ψ儔浩鬟M(jìn)行操作，在進(jìn)行故障處理的過程，會給出學(xué)員成績，并指出學(xué)員的一些錯誤操作，并對錯誤操作進(jìn)行糾正，既加強(qiáng)了學(xué)員故障處理能力，激發(fā)了學(xué)員學(xué)習(xí)的興趣，提升了教學(xué)效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 功能需求分析

變壓器教學(xué)仿真系統(tǒng)主要利用虛擬仿真技術(shù)較為真實的實現(xiàn)仿真操作，降低相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)的困難，使得較為枯燥的專業(yè)知識學(xué)習(xí)變?yōu)榭梢暬?、可交互的學(xué)習(xí)過程。該系統(tǒng)采用某220kV變電站為原型，主要對其變壓器設(shè)備實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)原理展示、動畫教學(xué)演示以及實際操作交互仿真三個主要的功能。變壓器教學(xué)仿真系統(tǒng)功能設(shè)計圖，如圖1所示。

1.2 技術(shù)路線

系統(tǒng)開發(fā)需要前期的準(zhǔn)備工作，需要在現(xiàn)場等地方獲得模型素材、模型數(shù)據(jù)等實現(xiàn)變壓器模型的構(gòu)造，素材相片需要經(jīng)過圖像處理后可以作為模型材質(zhì)貼圖、特效貼圖以及背景貼圖等；制作好的模型可以通過3DMAX軟件，根據(jù)實際需求制作動畫。在虛擬場景開發(fā)時，使用unity3D中實現(xiàn)結(jié)構(gòu)原理展示、動畫教學(xué)演示以及實際操作交互仿真等三個主要的功能，如圖2所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 三維建模

三維模型的建立是系統(tǒng)開發(fā)的前提，模型的真實化處理是使培訓(xùn)獲得真實感的必要條件[3]。在建模過程中，對于模型復(fù)雜、面數(shù)眾多的物體，可以適當(dāng)?shù)膭h除被遮擋的模型面，減少因模型面多而造成的卡頓，對于一些不重要的模型可以用簡化模型來替代；所謂紋理映射是采用將二維紋理照片映射到三維實體表面的方法描述場景細(xì)節(jié)，使用很少的多邊形即可獲得真實感三維場景[5]。通過使用現(xiàn)場的照片經(jīng)過處理后，以貼圖的形式賦予設(shè)備模型表面，降低模型的驅(qū)動開銷，既能簡化模型面數(shù)，優(yōu)化電腦性能消耗，又能降低工作量，節(jié)省大量人力時間；陰影烘焙技術(shù)就是通過把大量的需要計算光照信息通過生成紋理貼圖來減少對電腦性能的消耗，降低電腦的負(fù)載，同時又能夠較好地顯示模型的紋理、陰影等細(xì)節(jié)，這樣既能有較好的仿真效果，也能減少卡頓，提高系統(tǒng)流暢性。貼圖前后效果對比圖如圖3、圖4。

2.2 系統(tǒng)交互

2.2.1 設(shè)備裝拆

變壓器主要由器身（鐵芯、繞組、絕緣、引線）、變壓器油箱和冷卻裝置、調(diào)壓裝置、保護(hù)裝置（吸濕器、安全氣道、氣體繼電器、儲油柜及測溫裝置等）和出線套管等組成[6]。通過對變壓器設(shè)備的拆裝，學(xué)員可以更清晰了解變壓器內(nèi)部構(gòu)造以及運(yùn)行原理等，提高學(xué)員學(xué)員興趣。在虛擬場景中，主要通過手柄與3D模型的碰撞檢測來實現(xiàn)各種交互功能，當(dāng)手柄與物體接觸，能夠觸發(fā)調(diào)用OnTriggerEnter（）函數(shù)，同時，按下pad按鍵可以拾起3D模型，部分設(shè)備拆裝交互算法如下：

2.2.2 設(shè)備交互

在變壓器運(yùn)行過程中，我們可以通過對其二次側(cè)設(shè)備進(jìn)行操作，來達(dá)到控制變壓器運(yùn)行的效果，同時，也可以通過二次側(cè)設(shè)備對變壓器進(jìn)行監(jiān)測，從而達(dá)到實時了解變壓器的運(yùn)行狀態(tài)。如圖7（a）（b），開關(guān)的操作會改變電壓表、電流表顯示數(shù)值，來模擬真實電路操作。

為了提高仿真程度，通過系統(tǒng)中加入粒子特效，能夠較為真實的模仿系統(tǒng)事故，提高教學(xué)效果，因為粒子特效范圍較大，需要對粒子特效的范圍、高低等進(jìn)行設(shè)置來達(dá)到和現(xiàn)實一致的效果。在使用滅火設(shè)備滅火時，粒子范圍降低，直到火焰被熄滅；同時可以聽見滅火設(shè)備噴氣的聲音；變壓器設(shè)備故障主要包括靜態(tài)和動態(tài)。靜態(tài)故障主要包括外絕緣破裂、端子箱標(biāo)牌掉落、設(shè)備出現(xiàn)滲油漏油等現(xiàn)象[7]。動態(tài)故障主要是指場景設(shè)備有明顯的動作表現(xiàn)的現(xiàn)象，例如，變壓器著火噴油等。本系統(tǒng)主要模仿變壓器著火以及使用滅火裝置滅火的交互仿真。根據(jù)虛擬仿真設(shè)備跟隨系統(tǒng)的提示對故障設(shè)備進(jìn)行正確的處理。同時在考核時通過學(xué)員對場景的現(xiàn)象進(jìn)行處理，提交數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)根據(jù)教員設(shè)置的故障的信息表以及學(xué)員的操作信息等進(jìn)行處理，最后給出學(xué)員的考核成績。故障模擬仿真以及滅火操作如圖8所示。

3 系統(tǒng)測試

在變壓器仿真教學(xué)系統(tǒng)中主要的功能實現(xiàn)后，就可以添加一個登陸界面，不同的學(xué)員可以通過登陸界面登陸；由于電腦顯示器分辨率不同，可以設(shè)置成不同分辨率，本系統(tǒng)主要以1080p分辨率為主，進(jìn)入主界面后，學(xué)員通過視頻動畫和設(shè)備拆裝了解變壓器的原理，這是掌握實際操作的基礎(chǔ)，學(xué)員只有學(xué)習(xí)并掌握后才能夠進(jìn)入故障考核，在故障考核中只有操作正確才能進(jìn)入下一步操作，否則系統(tǒng)會提示無效操作；系統(tǒng)需要多次的運(yùn)行系統(tǒng)并測試，修復(fù)系統(tǒng)BuG直到系統(tǒng)穩(wěn)定，本系統(tǒng)主要在windows系統(tǒng)下運(yùn)行，需要通過U3D平臺打包成.exe格式即可。

4 結(jié)論

基于Unity3D虛擬仿真技術(shù)，通過使用3DMAX三維建模軟件以及Photoshop圖像處理軟件開發(fā)的變壓器仿真教學(xué)系統(tǒng)，在教學(xué)過程在，通過使用沉浸式系統(tǒng)仿真技術(shù)，通過使用虛擬三維模型代替枯燥實物圖片，能夠引發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，又能夠降低購買教學(xué)儀器的費(fèi)用，在保障學(xué)員安全性的前提下，使得學(xué)員能夠進(jìn)行真實的系統(tǒng)操作；系統(tǒng)實現(xiàn)了變壓器視頻動畫、設(shè)備交互、故障處理以及考核平臺等功能，彌補(bǔ)了變電站仿真系統(tǒng)沉浸感不足、設(shè)備交互簡單、學(xué)員教學(xué)效果評價體系不全等缺點，在保障學(xué)員安全性的基礎(chǔ)上，針對不同水平的學(xué)員制定不同的教學(xué)方案，提高了教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 王大虎，高會爭，陳俠.基于quest3D的變電站仿真教學(xué)系統(tǒng)[J].

中國電力，2016.49（9）：62-65

[2] 陳永波，林昌年，李軍鋒等.沉浸式變電站仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)

計與實現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015.39（7）：2034-2038

[3] 吳冰，黃陳，朱喜榮.沉浸式變電站故障仿真系統(tǒng)開發(fā)[J].電力

系統(tǒng)保護(hù)與控制，2017.45（21）：102-108

[4] 王大虎，陳俠，高會爭.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在PLC燃?xì)忮仩t教學(xué)系

統(tǒng)中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2017.29（12）：3010-3015

[5] 王大虎，劉海洋，王敬沖.基于虛擬現(xiàn)實的采煤機(jī)教學(xué)系統(tǒng)開

發(fā)[J]，計算機(jī)仿真，2015.32（6）：262-283

[6] 王大虎，盧正帥，賈倩.電磁流量計的三維可視化研究[J].實驗

室研究與探索，2017.36（1）：104-107

[7] 霍宇平，張秀娥，李兵等.運(yùn)動捕捉技術(shù)在變電站虛擬環(huán)境中的

應(yīng)用研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2015.7（39）：2034-2039

[8] Q/GDW 17799.1-2013，國家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程

變電部分[S].中國電力出版社，2014.

[9] 王星捷，李春花.基于Unity3D平臺的三維虛擬城市研究與

應(yīng)用[J].計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2013.23（4）：241-244

[10] 李蔚清，吳慧中，林昌年.變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)虛擬環(huán)境的

研究與實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2016.18（1）：123-126

[11] 張照彥，段新會，王興武等.虛擬現(xiàn)實在變電站仿真中的應(yīng)

用[J].計算機(jī)仿真，2008.25（2）：252-256

[12] 楊旭超.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計探究[J].計

算機(jī)時代，2016.12（21）：72-80

[13] 凌財進(jìn)，曾婷.增強(qiáng)現(xiàn)實在混合教學(xué)課堂的應(yīng)用探索[J].計算

機(jī)時代，2016.7（24）：81-84