基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：以沈陽(yáng)市供電公司東陵分公司上伯關(guān)變電站為研究對(duì)象，采用３Ｄ ｍａｘ構(gòu)建基本電力模型并利用ＶＲＰ平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)集成，構(gòu)建真實(shí)的虛擬變電站系統(tǒng)，從而將變電站系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行模式以動(dòng)態(tài)的形式清晰地展現(xiàn)在電腦屏幕上。并就系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中電氣元件三維建模、虛擬漫游技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題作了具體分析。

關(guān)鍵詞：變電站；虛擬現(xiàn)實(shí)；電氣元件；三維模型；渲染；貼圖

中圖分類(lèi)號(hào)：ＴＭ７４３ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ 文章編號(hào)：0439－８114（２０12）01－0156-03

Substation System Design Based on Virtual Reality Technology

ＳＯＮＧ Ｐｉｎｇ，ＹＡＮＧ Ｔａｏ

（Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０８６６， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｓｈａｎｇｂｏｇｕａｎ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｒｕｎ ｂｙ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｄｏｎｇｌｉｎｇ Ｂｒａｎｃｈ ａｓ ａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ， ａ ｒｅａｌ ｖｉｒｔｕａｌ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ３Ｄ ｍａｘ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ＶＲＰ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍ ｏｆ ａ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｍｏｎｉｔｏｒ ｃｌｅａｒｌｙ． A ｄｅｔａｉｌｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ were made in the ｃｒｉｔｉｃａｌ ｉｓｓｕｅｓ ｏｆ ３Ｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ， ｖｉｒｔｕａｌ ｔｏｕｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｃｒｅａｔｉｏｎ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ； ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ； ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔ； ３Ｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ； ｒｏｍａｎｃｉｎｇ； ｍａｐｐｉｎｇ

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，使得電力設(shè)施的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)成為一項(xiàng)復(fù)雜的工程，然而面對(duì)多個(gè)領(lǐng)域與專(zhuān)業(yè)，由于其行業(yè)的知識(shí)儲(chǔ)備及技術(shù)差異使得對(duì)同一問(wèn)題的認(rèn)識(shí)有很大的不同，這樣在設(shè)計(jì)階段很難發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而導(dǎo)致難以產(chǎn)生高質(zhì)量的方案。所以構(gòu)建逼真于真實(shí)環(huán)境的虛擬變電站系統(tǒng)，將各種數(shù)據(jù)進(jìn)行組合測(cè)試，可以為設(shè)計(jì)、規(guī)劃、決策等部門(mén)提供直觀的參考依據(jù)，成為電力工程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的有效輔助［１］。

變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分，變電站的安全可靠運(yùn)行對(duì)維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。除了取決于設(shè)備的安全可靠性之外，更重要的是取決于操作人員的技術(shù)水平。然而電力系統(tǒng)的特點(diǎn)是無(wú)法在真實(shí)的環(huán)境中對(duì)操作人員進(jìn)行培訓(xùn)、考核，所以構(gòu)建逼真于真實(shí)環(huán)境的變電站系統(tǒng)，模擬真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境，并設(shè)置異常、事故，在仿真系統(tǒng)上對(duì)各類(lèi)異常、故障反復(fù)操作練習(xí)，將其作為新員工培訓(xùn)、老員工考核的重要工具。

１ 虛擬變電站系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容

以沈陽(yáng)市供電公司東陵分公司上伯關(guān)變電站為研究對(duì)象，構(gòu)建虛擬變電站系統(tǒng)。在模擬系統(tǒng)中進(jìn)行相應(yīng)的操作練習(xí)，提高培訓(xùn)效率。系統(tǒng)中設(shè)置異常、故障操作，提高運(yùn)行人員正確判斷和處理事故的能力，從而保證電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。對(duì)于變電運(yùn)行人員，系統(tǒng)的模擬功能主要有以下幾個(gè)方面。

１）正常操作訓(xùn)練。斷路器操作、隔離開(kāi)關(guān)操作、壓板操作、保護(hù)投停、電壓互感器的切換，電容器的投停等。

２）故障演習(xí)訓(xùn)練。斷路器故障：拒動(dòng)、誤動(dòng)、偷跳；隔離開(kāi)關(guān)故障：帶負(fù)荷拉合隔離開(kāi)關(guān)、帶電合接地隔離開(kāi)關(guān)；變壓器故障：相間短路、接地短路、匝間短路、變壓器過(guò)負(fù)荷、變壓器油溫過(guò)高；母線(xiàn)故障：母線(xiàn)短路、母線(xiàn)接地；線(xiàn)路故障：近區(qū)短路、接地、斷線(xiàn)等［２］。

此外還有電容器故障、繼電保護(hù)故障以及其他故障等。

對(duì)于管理層，通過(guò)虛擬場(chǎng)景能實(shí)時(shí)了解到現(xiàn)場(chǎng)工作情況，對(duì)工作中的盲點(diǎn)能及時(shí)提出決策性改進(jìn)方案，對(duì)電網(wǎng)建設(shè)提供有力的支持。實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)使用者的交互操作，設(shè)定各元件模型可以接受參數(shù)，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)，建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為電網(wǎng)規(guī)劃提供可靠數(shù)據(jù)支持。

２ 虛擬變電站系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有變電站的實(shí)際情況，確定虛擬系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，在計(jì)算機(jī)中虛擬設(shè)計(jì)各電氣元件模型，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化、渲染處理，在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中進(jìn)行集成開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)實(shí)際可用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

２．１ 虛擬變電站電氣元件及平臺(tái)的構(gòu)建

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)現(xiàn)階段的實(shí)際概念就是：虛擬現(xiàn)實(shí)＝三維＋交互。故三維模型的建立在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)建中有著舉足輕重的作用，模型構(gòu)建得是否合理是決定虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

建立３Ｄ設(shè)備模型可以采用通用的建模及動(dòng)畫(huà)軟件３DＭａｘ，現(xiàn)在建模的方法有很多種：多邊形建模、ＮＵＲＢＳ建模、細(xì)分曲面建模，對(duì)于電力設(shè)備元件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)際需求采用多邊形建模。根據(jù)實(shí)際電氣設(shè)備的物理形狀、大小設(shè)計(jì)合理斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、壓板、電壓互感器等獨(dú)立的電氣元件。精確的模型構(gòu)建可以盡量真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)的工作環(huán)境，但虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的模型面數(shù)過(guò)多又會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行速度急劇下降或根本無(wú)法運(yùn)行［３］。所以在建模過(guò)程中應(yīng)遵循以下原則：盡量采用簡(jiǎn)單模型、減少模型分段、刪除場(chǎng)景中不可見(jiàn)的面、減少細(xì)條形面而盡量采用三角形面。為了能使最終的系統(tǒng)正常運(yùn)行，一般保證模型面數(shù)小于５００萬(wàn)，模型個(gè)數(shù)小于３ ０００。但模型個(gè)數(shù)、面數(shù)、貼圖大小彼此是相互關(guān)聯(lián)的，也不能一概而論。

為了使虛擬系統(tǒng)具有更逼真的效果，需要對(duì)建好的模型元件進(jìn)行貼圖處理。貼圖是對(duì)物體表面的描述，它可以將表面的紋理真實(shí)地顯示出來(lái)，對(duì)變電站虛擬平臺(tái)的各元件可以采用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行實(shí)物拍攝，也可以自行手工設(shè)計(jì)。但貼圖文件的大小同樣影響系統(tǒng)的運(yùn)行效果，為了壓縮貼圖資源可以建議采用以下方法：盡量重復(fù)利用某些貼圖、對(duì)于較大貼圖將其裁剪成小的貼圖防止影響加載速度，在不影響系統(tǒng)效果的前提下壓縮貼圖文件［４］。最后對(duì)模型進(jìn)行燈光設(shè)置，使其效果更真實(shí)。圖１為變壓器元件模型的三維效果圖。

各種具有特定功能的虛擬元件模型建造成功后，對(duì)其進(jìn)行虛擬平臺(tái)搭建，此時(shí)搭建過(guò)程與構(gòu)建真實(shí)平臺(tái)過(guò)程完全一致。采用之前創(chuàng)建的虛擬元件，仿照實(shí)際的電力系統(tǒng)進(jìn)行模型間的關(guān)聯(lián)［５］，將所有模型元件放置在正確的位置，圖２展現(xiàn)的就是將所有電氣模型搭建成虛擬平臺(tái)之后的整體效果圖。

２．２ 虛擬變電站系統(tǒng)的構(gòu)建

當(dāng)三維電氣平臺(tái)搭建成功之后，此時(shí)需要對(duì)所有三維元件模型的每一個(gè)面進(jìn)行渲染處理，得到最終的虛擬系統(tǒng)貼圖，這些貼圖將用于最終的虛擬系統(tǒng)運(yùn)行。為了在視覺(jué)效果與運(yùn)行效果之間達(dá)到平衡，一般選擇５１２像素進(jìn)行貼圖渲染。由于渲染過(guò)程一般需要耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，一次渲染過(guò)多元件會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，為防止之前所做的工作被毀掉，這里建議一次渲染一個(gè)電氣元件或更少的模型，在每次渲染成功存盤(pán)之后再進(jìn)行新的模型渲染。由于系統(tǒng)最終加載貼圖時(shí)會(huì)根據(jù)圖形文件的名字進(jìn)行處理，所以在進(jìn)行渲染之前應(yīng)檢查所有三維元件的命名，將重名元件進(jìn)行更改，防止貼圖錯(cuò)誤［６］。

渲染結(jié)束之后就可以把模型導(dǎo)入虛擬場(chǎng)景中了，現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)有很多種，這里采用ＶＲＰ系統(tǒng)平臺(tái)。導(dǎo)入虛擬系統(tǒng)平臺(tái)之后首先檢查系統(tǒng)中是否有不合理部分，例如漏面、破面、元件結(jié)合不成功等，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題需要返回３D Ｍａｘ系統(tǒng)中進(jìn)行更改并重新渲染，當(dāng)保證所有三維模型元件均正確之后就可以在場(chǎng)景中進(jìn)行漫游處理了。這里可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置“自動(dòng)”、“手動(dòng)”、“鳥(niǎo)瞰”等漫游模式，并設(shè)置交互開(kāi)關(guān)，使操作者可以自行選擇操作模式［７］。漫游可以是對(duì)整個(gè)變電站場(chǎng)景的整體漫游，也可以是對(duì)單獨(dú)電氣元件的具體操作設(shè)置，最終達(dá)到在虛擬平臺(tái)中對(duì)運(yùn)行人員的操作技術(shù)培訓(xùn)。

為了使虛擬系統(tǒng)對(duì)變電站系統(tǒng)規(guī)劃人員具有指導(dǎo)意義，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)定，根據(jù)電力元件能夠接收的數(shù)據(jù)參數(shù)搭建合理的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際需要接收相應(yīng)的交互數(shù)據(jù)，根據(jù)所輸數(shù)據(jù)的不同，運(yùn)行的最終效果，操作者對(duì)最終整合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而指導(dǎo)實(shí)際的開(kāi)發(fā)，設(shè)置更合理、更有效的變電站系統(tǒng)。

３ 小結(jié)

通過(guò)對(duì)上伯關(guān)變電站的真實(shí)模擬，構(gòu)建虛擬變電站仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)變電站系統(tǒng)正常操作訓(xùn)練以及故障模擬訓(xùn)練，系統(tǒng)接收交互數(shù)據(jù)，對(duì)零散數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，將其結(jié)果作為變電站系統(tǒng)構(gòu)建的理論指導(dǎo)。針對(duì)系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中一些關(guān)鍵技術(shù)作了研究和探討，結(jié)合實(shí)際給出切實(shí)可行的系統(tǒng)構(gòu)建方法以及加速算法，希望對(duì)變電站三維建模及虛擬現(xiàn)實(shí)仿真打下一定的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

［１］ 劉昭睿． 變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與調(diào)試工具的研究［Ｄ］． 北京：華北電力大學(xué)，２００７．

［２］ 韓曉玲． 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展趨向淺析［Ｊ］． 電腦知識(shí)與技術(shù)， ２００７（２）：５４９－５５０．

［３］ 姜芳芳，來(lái)文青，龔慶武，等． 虛擬現(xiàn)實(shí)在變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中的應(yīng)用［Ｊ］． 高電壓技術(shù)，２００５，３１（７）：６８－７０．

［４］ 湯曉安． 基于幾何與圖像的混合建模與繪制技術(shù)研究［Ｄ］． 長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，２００１．

［５］ 林向義． 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電力培訓(xùn)中的應(yīng)用［Ｊ］． 計(jì)算機(jī)仿真，２００５，２２（４）：２４１－２４３，２６８．

［６］ 張家祥，方凌江，毛全勝． 基于ＭＡＴＬＡＢ６．Ｘ的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)——虛擬現(xiàn)實(shí)［Ｍ］． 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，２００９．

［７］ ＢＡＬＩＪＥＰＡＬＬＩ Ｎ，ＶＥＮＫＡＴＡ Ｓ Ｓ，ＣＨＲＩＳＴＩＥ Ｒ Ｄ． Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｉｎｄｉｃｅｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，２００４，１９（４）：１９５０－１９５５．