基于VR技術(shù)的虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計研究

吳昊亭，林松，肖峰，柯靈強(qiáng)

（1.國家電網(wǎng)有限公司交流建設(shè)分公司，北京 100001；2.北京洛斯達(dá)科技發(fā)展有限公司，北京 100001）

當(dāng)前社會不斷發(fā)展，促使信息技術(shù)也在不斷提升，使得變電站的復(fù)雜程度也在與日俱增。變電站設(shè)施的設(shè)計和開發(fā)是較為復(fù)雜的工程，面對眾多領(lǐng)域和專業(yè)時，由于其知識和技術(shù)存在差異，因此當(dāng)變電站產(chǎn)生問題時，會出現(xiàn)不同的認(rèn)識，導(dǎo)致出現(xiàn)低質(zhì)量的設(shè)計方案。而采用虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）技術(shù)可以模擬不同虛擬場景下的變電站問題，從而形成不同問題變電站可視化場景。針對構(gòu)建的可視化場景，可以實現(xiàn)不同問題變電站的維護(hù)，由此解決變電站產(chǎn)生的問題，避免低質(zhì)量變電站維護(hù)設(shè)計方案的出現(xiàn)?；诖耍瑯?gòu)建與真實環(huán)境相似的虛擬機(jī)變電站系統(tǒng)，可以為設(shè)計、決策和規(guī)劃等部門提供參考依據(jù)，并且成為VR技術(shù)開發(fā)的基礎(chǔ)[1-2]。

VR技術(shù)是較為重要的科技技術(shù)，與計算機(jī)的系統(tǒng)相比，具有交互性、多感知性和沉浸感三個特征[3]。VR技術(shù)又稱之為虛擬現(xiàn)實技術(shù)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能模擬真實世界中的行為，及時地對用戶的語言、姿態(tài)等做出反應(yīng)，運(yùn)用交互設(shè)備可以完成對象交換，使用戶以輕松的方式與虛擬環(huán)境交互，并建立實時交互關(guān)系，生成與現(xiàn)實世界相似的體驗?；赩R技術(shù)的虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)是由計算機(jī)生成的虛擬機(jī)技術(shù)[4]，因此，需要對虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行深入研究。文獻(xiàn)[5]提出基于內(nèi)核級虛擬機(jī)（kernel-based vir?tual machine，KVM）技術(shù)的虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計，監(jiān)控虛擬機(jī)異常，調(diào)試異常狀態(tài)，保護(hù)虛擬機(jī)變電站內(nèi)存的安全，對虛擬機(jī)的監(jiān)控進(jìn)程進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，并測試虛擬機(jī)變電站的溫度，完成虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計，但該方法的有效性較差。文獻(xiàn)[6]提出基于負(fù)載預(yù)測的虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計，通過預(yù)測虛擬機(jī)變電站的負(fù)荷變化，根據(jù)預(yù)測結(jié)果調(diào)度變電站，計算虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)中的負(fù)載物理節(jié)點和比例因子，來分析系統(tǒng)的維護(hù)效率，實現(xiàn)虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計，但該方法的維護(hù)效率低。

針對上述兩種研究結(jié)果存在的問題，提出并設(shè)計了一種基于VR技術(shù)的虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立虛擬機(jī)變電站三維運(yùn)行場景，并貼圖處理建立場景，數(shù)字化表示變電站運(yùn)行，為虛擬機(jī)變電站維護(hù)提供視覺和交互體驗。改變虛擬機(jī)變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行計算，將計算結(jié)果發(fā)送給虛擬機(jī)的保護(hù)裝置，實現(xiàn)最終虛擬機(jī)變電站的整體維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計，具有一定的有效性，能夠確保溫度更加穩(wěn)定，有效提高運(yùn)行效率，從而實現(xiàn)可視化虛擬機(jī)變電站維護(hù)，解決變電站不同原因產(chǎn)生的問題，由此提升系統(tǒng)維護(hù)效果。

1 基于VR技術(shù)的虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 基于VR技術(shù)的虛擬機(jī)變電站三維場景圖設(shè)計

虛擬機(jī)變電站三維場景設(shè)計中，主要利用VR技術(shù)將三維和交互相結(jié)合，增強(qiáng)后續(xù)維護(hù)系統(tǒng)的可操作性，以及變電站三維場景的沉浸感，為變電站維護(hù)帶來技術(shù)飛躍[7]。利用數(shù)據(jù)庫建立虛擬機(jī)變電站的模型和三維場景，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的建筑物高程數(shù)值，分為多個部分去構(gòu)建，最后將多個部分合為一體，完成虛擬機(jī)變電站模型最初的形態(tài)，為變電站三維模型的定位奠定基礎(chǔ)，提高虛擬機(jī)子站維修系統(tǒng)的實效性[8]。為確?；赩R技術(shù)的虛擬機(jī)變電站三維場景可以真實、有效地反映出變電站運(yùn)行狀態(tài)，需要對變電站的三維場景圖進(jìn)行貼圖處理，采用材質(zhì)編輯器對虛擬機(jī)變電站初始模型賦予真實的紋理，通過紋理坐標(biāo)和幾何圖形坐標(biāo)，對變電站各個面進(jìn)行紋理貼圖處理。貼圖處理是對變電站表面的具體表示，可以顯示出變電站三維場景的表面紋理，從而將變電站的運(yùn)行進(jìn)行數(shù)字化表示。

虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行會受貼圖文件尺寸的影響，將虛擬機(jī)變電站的場景導(dǎo)入工程中，為虛擬機(jī)變電站的研究奠定了基礎(chǔ)，虛擬機(jī)變電站的三維場景如圖1所示。

圖1 虛擬機(jī)變電站的三維場景圖Fig.1 3D scene diagram of virtual machine substation

建立虛擬機(jī)變電站的三維模型后，需要對模型的各個方面做渲染處理，通過設(shè)計燈光模擬太陽光的照射，不斷調(diào)節(jié)燈光的位置和亮度，獲得虛擬變電站的系統(tǒng)貼圖，可用來實現(xiàn)虛擬機(jī)的運(yùn)行。在虛擬場景中，視角限制了觀察范圍，不同視角觀察到的部分不同[9]，為了令視覺和運(yùn)行效果達(dá)到平衡，將其進(jìn)行分割，渲染的過程耗時較長，如果同時渲染多個原件，會使虛擬機(jī)變電站的維護(hù)系統(tǒng)崩潰，為預(yù)防工作丟失，在開始新模型呈現(xiàn)之前，每次呈現(xiàn)都需要存盤，因為虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)在最后加載文件名時會被處理，需要檢查變電站三維原件的名字，防止出現(xiàn)錯誤。

渲染結(jié)束后可以將虛擬機(jī)變電站的模型導(dǎo)入到變電站虛擬現(xiàn)實的三維場景中，導(dǎo)入之后，需要檢查虛擬系統(tǒng)中的原件、破面和漏面是否出現(xiàn)不合理現(xiàn)象，出現(xiàn)問題則需要進(jìn)行重新渲染，當(dāng)所有原件都為正確時，則可以在變電站虛擬現(xiàn)實的三維場景中漫游處理。在虛擬機(jī)變電站中，通過設(shè)置交互開關(guān)，操作人員采用自由選擇工作方式，漫游過程可以對整個虛擬機(jī)變電站場景進(jìn)行整體漫游，也可以獨立運(yùn)行。以虛擬機(jī)變電站模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建變電站的空間坐標(biāo)(x,y,z)以及紋理坐標(biāo)(u,v)，分析其對應(yīng)模型中每一點的u,v值，在三維物體上均可以呈現(xiàn)二維圖像，構(gòu)建相應(yīng)的變電站空間坐標(biāo)系和紋理坐標(biāo)，并找出空間與屏幕坐標(biāo)之間的關(guān)系，可以建立兩者之間的關(guān)系，為保證紋理的輸出不失真，定義紋理和屏幕大小時，要保證紋理圖片和屏幕的高、寬比例一致，則有如下表達(dá)式：

式中：(xs,ys,zs)為屏幕坐標(biāo)；a為比例因子。

在發(fā)現(xiàn)了變電站上述坐標(biāo)關(guān)系后，可以將紋理粘貼到指定區(qū)域，調(diào)節(jié)虛擬機(jī)變電站的比例因子，對變電站的維護(hù)效率進(jìn)行實驗，比例因子越大，系統(tǒng)的維護(hù)效率越高。

為使維護(hù)人員有效利用虛擬系統(tǒng)，需要設(shè)置數(shù)據(jù)庫。根據(jù)電力系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)，合理建立數(shù)據(jù)庫，接收實際需要的交互數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)的變化影響最終變電站運(yùn)行效果，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，完成有效、合理的虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計。

1.2 功能模塊設(shè)計

在構(gòu)建虛擬機(jī)變電站的三維場景并將變電站表面進(jìn)行具體貼圖數(shù)字化表示后，設(shè)計用于虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)中最重要的功能模塊。發(fā)生電力故障的原因有很多種：變壓器內(nèi)部和外側(cè)的坑槽中出現(xiàn)機(jī)油，或變壓器的溫度異常，使變壓器出現(xiàn)故障；電壓互感器和電流互感器內(nèi)部溫度過高，或部分線路電壓過高，都會導(dǎo)致電壓互感器和電流互感器出現(xiàn)故障，使整個系統(tǒng)發(fā)生電力故障。全面考慮變電站運(yùn)行系統(tǒng)可能發(fā)生的電力故障和信號處理問題，為運(yùn)行人員及時處理變電站故障、維護(hù)虛擬機(jī)變電站的正常運(yùn)行提供了依據(jù)。據(jù)此，虛擬機(jī)變電站的維修系統(tǒng)模塊，可以模擬變電站正常運(yùn)行、故障和異常時的運(yùn)行過程。在虛擬機(jī)變電站中，如果由于受訓(xùn)人員的模擬操作而改變虛擬機(jī)變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，則電力系統(tǒng)的軟件將重新計算，并將計算結(jié)果發(fā)送給虛擬機(jī)的保護(hù)裝置，由保護(hù)裝置計算并正確反映出來[10-11]，呈現(xiàn)出虛擬機(jī)模擬操作過程與實際過程一致的效果。

虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計如圖2所示。由圖2可知，維護(hù)系統(tǒng)的功能模塊主要包括以下幾個模塊：

圖2 功能模塊圖Fig.2 Function modules diagram

1）電力系統(tǒng)。可輸出變電站運(yùn)行和其他故障情況下的電流和電壓信號，以便對變電站設(shè)備、繼電保護(hù)等裝置進(jìn)行分析。

2）信號處理。對電力系統(tǒng)模塊輸出的信號進(jìn)行處理并發(fā)送到輸入判斷模塊[12]。

3）輸入判斷。利用經(jīng)過處理后的信號來判斷虛擬設(shè)備狀態(tài)的變化，并將其變化反映給虛擬機(jī)變電站。

4）虛擬機(jī)變電站。對用戶來說是可見的模塊，可以直接在此模塊中進(jìn)行各種模擬操作。

5）輸出判斷。通過對虛擬機(jī)變電站模塊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行分析，判斷其結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化，在虛擬機(jī)變電站發(fā)生變化的情況下，電力系統(tǒng)模塊重新計算變電站的潮流。

6）用戶交互。使用該模塊與虛擬機(jī)子站交互，對變電站運(yùn)行進(jìn)行仿真。

分析圖2可知，電力系統(tǒng)模塊可將變電站運(yùn)行和其他故障情況下的電流和電壓信號傳遞到信號處理模塊，信號處理模塊將輸入的電流和電壓信號進(jìn)行處理，傳遞到輸入判斷模塊判斷虛擬設(shè)備狀態(tài)，并將設(shè)備狀態(tài)反映給虛擬機(jī)變電站，用戶通過用戶交互模塊與虛擬機(jī)子站交互，對變電站運(yùn)行進(jìn)行仿真，使用輸出判斷模塊判斷虛擬機(jī)變電站模塊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化，若虛擬機(jī)變電站發(fā)生變化，電力系統(tǒng)模塊則重新計算變電站的潮流。

對虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)功能模塊的描述，為虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計做鋪墊。

1.3 虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)總體構(gòu)成

在構(gòu)建了虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)的主要功能模塊后，結(jié)合包括VR外設(shè)、操作系統(tǒng)等，實現(xiàn)整體的虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計。具體的系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框架圖Fig.3 System frame diagram

VR外設(shè)是虛擬機(jī)變電站交互基礎(chǔ)，保證了虛擬機(jī)子站系統(tǒng)的交互性，其功能是完成系統(tǒng)與虛擬機(jī)外設(shè)的通信。在硬件系統(tǒng)中，采用高運(yùn)算能力的工作站、投影系統(tǒng)、跟蹤裝置等設(shè)備，軟件系統(tǒng)采用數(shù)字化企業(yè)的互動制造應(yīng)用軟件（digital enterprise lean manufacturing interactive application，DELMIA）技術(shù)，分析虛擬機(jī)子站的維護(hù)與建模。其顯示環(huán)境是寬2.5 m、高1.8 m的屏幕，將真實的變電站維護(hù)環(huán)境利用計算機(jī)顯示在屏幕上[13]，通過對變電站的維護(hù)，需要將虛擬環(huán)境和實際環(huán)境有機(jī)地結(jié)合起來，實現(xiàn)VR技術(shù)的虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計[14]。

2 系統(tǒng)測試及分析

本文設(shè)計的維護(hù)系統(tǒng)采用以Windows7為核心的3 GHz CPU，磁盤空間為800 MB，軟件采用C++設(shè)計實現(xiàn)。為了測試本文設(shè)計系統(tǒng)的有效性，先對虛擬機(jī)變電站設(shè)備的溫度進(jìn)行測試，實驗設(shè)計有10個變電站設(shè)備，溫度在30℃～35℃為正常有效，溫度測試結(jié)果如表1所示。

表1 虛擬機(jī)變電站設(shè)備的溫度測試對比結(jié)果Tab.1 Comparison results of temperature test for virtual machine substation equipment

分析表1可知，提出方法中，01號～10號虛擬機(jī)變電站設(shè)備的溫度值均在30℃～35℃范圍內(nèi)，均處于正常狀態(tài)；文獻(xiàn)[15]方法中，01號虛擬機(jī)變電站設(shè)備的溫度為12℃，02號設(shè)備的溫度為8℃，03號～05號變電站設(shè)備的溫度值分別為22℃，10℃和9℃，分析可知前5個虛擬機(jī)變電站設(shè)備的溫度太低，06～10號虛擬機(jī)變電站設(shè)備的溫度分別為71℃，69℃，68℃，52℃，59℃，后5個設(shè)備的溫度太高。對比得知，提出方法的虛擬機(jī)變電站的溫度正常，驗證了基于VR技術(shù)的虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)的有效性。因為所提方法在開始新模型呈現(xiàn)之前，每次呈現(xiàn)都需要存盤，降低了運(yùn)行難度，使虛擬機(jī)變電站的溫度保持正常。

在此基礎(chǔ)上，利用虛擬機(jī)變電站的比例因子a對變電站的維護(hù)效率進(jìn)行實驗，所提方法中，比例因子越大系統(tǒng)的維護(hù)效率越高，實驗對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 虛擬機(jī)變電站的維護(hù)效率Fig.4 Maintenance efficiency of virtual machine substation

分析圖4可知，文獻(xiàn)[16]方法與本文所提出方法恰恰相反，虛擬機(jī)變電站的比例因子為1個時，維護(hù)效率最高為80%，當(dāng)變電站比例因子為6個時，對應(yīng)的維護(hù)效率最低下降到20%，隨著比例因子的增多，維護(hù)效率呈下降趨勢。而本文所設(shè)計系統(tǒng)中，變電站的比例因子為1個時，對應(yīng)的系統(tǒng)維護(hù)效率最高為20%，當(dāng)比例因子增加1個數(shù)目為2時，維護(hù)效率最高也隨之提升到40%，比例因子的數(shù)目增加到4個時，對應(yīng)的系統(tǒng)維護(hù)效率最高為60%，比例因子為5個時，維護(hù)效率最高為80%，當(dāng)比例因子的數(shù)目上升到6個時，對應(yīng)的系統(tǒng)維護(hù)效率最高提升到80%以上，隨著比例因子個數(shù)的增多，維護(hù)效率呈上升趨勢。對比可知，提出方法的虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)的維護(hù)效率更高。因為所提方法通過虛擬機(jī)變電站的維修系統(tǒng)模塊，模擬變電站正常運(yùn)行、故障和異常時的運(yùn)行過程，提高了系統(tǒng)維護(hù)效率。

結(jié)合上述兩個實驗，驗證了研究設(shè)計的基于VR技術(shù)的虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)的有效性，并且對變電站具有較高的維護(hù)效率。

3 結(jié)論

提出了一種基于VR技術(shù)的虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)，充分考慮虛擬機(jī)變電站的功能模塊，并分析系統(tǒng)是否能夠模擬變電站正常和異常時的操作過程。經(jīng)過兩組實驗對比驗證了基于VR技術(shù)的虛擬機(jī)變電站維護(hù)系統(tǒng)的有效性，并具有較高的維護(hù)效率，為虛擬機(jī)變電站的建設(shè)及維護(hù)和VR技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。