基于Java 3D的變電設備狀態展示系統框架設計

徐斌+姬波

摘要：電力遠程Web監控指基于瀏覽器對跨地域分布的變電設備狀態的集中監控。目前多采用2D而非3D展示，原因是缺乏有效的Web 3D框架結構設計和現有Web 3D技術繪制效率不足。針對這兩個問題，本文提出了一個基于Java 3D技術的變電設備狀態展示系統的框架結構。該框架包括技術支撐層、數據層、3D基礎類層、3D業務類層和客戶端層五個層次，具有效率高和可擴展可移植的優點。實際應用表明，基于Java 3D技術的Web展示框架結構可以有效滿足電力系統Web 3D展示的要求。

關鍵詞：Web監控；變電設備；設備狀態；3D在線展示；場景圖

中圖分類號：TP3917文獻標識碼：A

Abstract：The task of remote Web monitor system in electric system is centralized monitoring the status of crossregional substation equipment.However，true threedimension technology is seldom used in Web exhibition because lack of effective Web 3D framework and low rendering efficiency of current Web 3D technologies.To address the issue，the paper proposes a framework of substation equipment status presentation based on Java 3D.The framework consists of five layers：technology support layer，data layer，3D basis layer，3D business layer and client layer.Practical application shows that the proposed framework can satisfy the requirements of Web 3D presentation with the advantages of high efficiency，expandable and portable.

Key words：Web monitor；transformer；equipment state；3D online exhibition；scene graphs structure

1引言

電力系統中變壓器擔負著在各個電網間進行電壓變化和電能轉化的核心功能。監控變壓器運行狀態信息可以對供電可靠性提供良好的保障[1-3]。配電變壓器運行中的狀態信息監測包括監測終端、互聯通信、數據存儲和在線展示系統幾部分。其中，在線展示系統擔負著展示變電站數據的功能[4，5]，能直觀的將變電設備實時數據以列表和圖形方式供用戶瀏覽。隨著互聯網絡和硬件平臺的日益發展，越來越多的監控中心對跨地域分布的變電設備狀態采用了Web 展示方式。但是目前Web展示中主要采用列表、二維曲線和偽三維圖形方式，較少采用真三維方式。這主要是由于Web 3D圖形繪制效率的制約。眾所周知，Browser/Server系統的執行效率一般遠低于Client/Server系統的執行效率。而變壓器狀態數據的大規模和實時性特性，對圖形繪制效率提出了更高要求。因此，本文在分析主流Web 3D技術的基礎上選定了Java 3D作為低層支撐技術，并基于Java 3D技術給出了變電設備狀態在線展示系統的框架設計。該框架具有效率高和可擴展可移植的優點，可以有效滿足變電設備狀態Web 3D展示的要求。

2Web 3D技術

隨著互聯網的發展，Web展示中廣泛采用了3D技術來豐富頁面展示效果。主要技術包括Flash[6]、JOGL[7]、WebGL[8]和Java3D[9，10]等。

1）Flash：Flash3D是指基于Flash播放器的三維畫面。Flash網頁播放只能基于CPU，而不支持GPU運算，因此表現復雜圖像時效率較低。同時，Flash3D只是在2D通過數學計算來模擬的偽3D效果，并不是真正的3D效果；

2）JOGL：JOGL是OpenGL的Java類綁定。JOGL項目是由JavaTM綁定OpenGLAPI（JSR231）而構成的，在Java應用程序中提供了基于硬件支持的3D圖形；

3）WebGL：WebGL是基于OpenGL底層3D圖形API的跨平臺Web 3D標準，采用HTML5 畫布（Canvas）元素的基于文檔Object的接口來實現。要求開發人員熟悉OpenGL ES 2.0技術；

4）Java3D：Java 3D是基于Java語言的3D領域擴展，提供了一組API接口，并運行于標準Java虛擬機。Java 3D是基于已有的Java API的三維拓展，提供了完整且方便的3D圖形庫，其效果并不遜色于其他技術的3D效果。同時，Java 3D基于DirectX與OpenGL技術的實現可以保證其運行效率。Java 3D中對象建模既支持直接API類庫中的方法，還支持其他流行的建模工具，如VRML和TrueSpace。

3系統框架設計

31Web 3D技術選型

通過對前述幾種Web 3D技術的分析和對變電設備監測在線展示的業務分析。我們基于以下原因選用了Java 3D技術做為框架設計的底層技術。

1）WebGL對IE瀏覽器支持不足，而大多數電力系統用戶更熟悉和傾向使用IE瀏覽器；

2）Flash難以實現硬件加速，且對編程人員數學功底要求較高。同時，Flash更擅長表現渲染和美化程度高的界面，而數據狀態展示更注重界面的簡潔和明晰；endprint

3）JOGL更傾向于開發有較高性能硬件支持的3D圖形，而變電設備檢測終端基本都是性價比更高的低端設備；

4）Java 3D對Java編程人員未設定任何前提和技術門檻，簡單易用，可擴展可移植性好，并提供了完整的開發類庫。

Java 3D基于場景圖（Scene Graphs Structure） 概念，極大減少了設計和開發人員對三維空間知識的掌握要求。場景圖是類樹狀結構的具有方向性的不對稱圖形（Directedacyclic Graph，DAG）。圖1中給出了場景圖的三個層次。

1）根節點。一個場景圖擁有唯一的根節點：虛擬宇宙（Virtual Universe），即一個擁有一系列對象聚集體的三維空間；

2）非葉子節點。Virtual Universe擁有場所（Locale）節點。Locale擁有分支組（Branch Group）節點。Branch Group擁有變換組（Transform Group）節點，Transform Group包含三維形體的位置信息。 Transform Group擁有形狀3D（Shape3D）節點，Shape3D代表三維世界中的形體。觀察平臺（View Platform）節點定義了觀察視角信息；

3）葉子節點。包括外觀（Appearance）節點和幾何體（Geometry）節點，用來定義三維體的最終顯示效果。

32展示系統框架設計

變電設備狀態Web在線展示系統是變電設備故障狀態檢測與預警圖形系統的構成部分之一，用于顯示設備狀態參數及變化趨勢。其最終目標是實現變電設備狀態Web展示，以便于遠端用戶對設備的運行情況實時地、直觀地和真實地全面掌握。Web3D展示系統框架如圖2，共分為五個層次：

1）技術支撐層。采用Java3D作為Web3D的技術實現基礎。Java3D運行于Java虛擬機之上；

2）數據層。展示數據分為在線內存數據中的實時數據和離線數據庫/數據文件中的歷史數據兩個類型；

3）3D基礎類層。負責提供Web3D繪制的基礎類，包括3維坐標軸、3維長方體、3維直線和3維文字繪制等圖形基類；

4）3D業務類層。負責業務邏輯處理及變電設備（如變壓器）狀態的3D展示。常見的展現業務包括用于油中氣體分析的油色譜圖和用于變壓器故障診斷的大衛立方體等；

5）客戶端。適用于支持Java3D技術的瀏覽器（主流瀏覽器均支持Java3D）。

33圖形繪制3D基礎類

圖形繪制3D基礎類提供被上層業務類調用的接口，構成3D展示的基礎。主要的3D基礎類有以下6個：CoordinateAxisScene類、CoordinateGrid LineScene類、PDSScene類、QuadShape類、 Draw3DLine類和Draw3DText類。

1）CoordinateAxisScene類。用于繪制三維坐標軸（圖3）。主要屬性有vert數組，代表直線端點；color數組，代表線條顏色；width變量，代表直線寬度。其主要方法包括CoordinateAxisScene（），用于設置基本參數；getScene（），用于獲取當前Transform Group對象；

2）CoordinateGrid LineScene類。用于繪制與坐標軸平行的網格線，提供用戶觀察數據變化趨勢的參考背景線；

3）PDSScene類。用于繪制數據對應的長方體；

4）QuadShape類。三維曲面基類，繼承于Shape 3D，該類可以被實例化，是生成長方柱體的基類；

5）Draw3DLine類。繪制3D直線，繼承于Shape 3D，可以直接被實例化；

6）Draw3DText類。生成三維文字，提供getScene方法繪制文字圖形。

4變壓器狀態3D展示實例

本文提出的基于Java 3D的變電設備狀態展示系統框架已經在某集團的變壓器故障診斷系統中得到了應用。該系統需求主要包括：1）展示油色譜監測、鐵芯接地監測、微水密度監測和避雷器監測類測點的曲線；2）展示三維局放譜圖；3）展示三維油色譜圖；4）利用大衛三角形和大衛立方體進行變壓器故障診斷等。

41系統功能

系統功能模塊圖如下：

1）數據列表。獲取數據信息，以列表形式在web頁面上展示；

2）測點曲線。根據給定的數據繪制二維坐標折線圖，支持顯示數據趨勢；

3）3D局放譜圖。展示局部放電的周波—相位—放電量三維圖；

4）3D油色譜圖。支持2種波形文件格式（第一種為現有的m行*1列的數據值格式；第二種為COMTRADE格式）的油色譜三維展示；

5）大衛三角形。繪制用于DGA故障診斷的二維大衛三角形；

6）大衛立方體。繪制用于DGA故障診斷的三維大衛立方體；

7）故障診斷。通過DGA數據點在大衛三角形或大衛立方體中的位置信息來給出可能的故障診斷結果。

所有功能均同時適用于實時數據和歷史數據展示。區別是歷史數據來源于數據表analog，使用JDBC連接訪問。實時數據則來源于實時內存庫，使用實時庫API訪問。

42局放譜圖實現

下面以三維局放譜圖為例描述Web 3D展示系統實現方法。為了滿足局放譜圖展示需求，在框架提供的3D基礎類層的基礎上，實現了兩個業務類。局放數據讀取類PdsDataReader和局放3D展示類PDSpector。

1）PdsDataReader類。用于讀取數據和數據立方體的構造。一個局放數據文件中包括一個EVENT 事件中10秒的所有幅值數據。每秒鐘的數據段包含50個周期的數據，每個周期分為128相位。 因此每秒數據段包含6400個幅值，10秒共64000個幅值數據。endprint

2）PDSpector類。繼承于Applet類，首先構造Canvas3D畫板，并將Virtual Universe添加至該畫板中。然后使用3D基礎類繪制坐標軸、網格線和6400個局放立方體（由于數據量龐大，每次只顯示一秒的數據）。

圖5展示了3D局放譜圖實現效果圖，該圖形立體展示了1s內的6400個局部放電幅值大小及其相位關系。圖形支持放大、縮小和旋轉等三維操作，以提供給觀察者全面的觀察視角。同時提供了前翻和后翻按鈕，以達到按秒切換數據的目的。

5結論

本文針對電力系統Web監控系統中設備狀態的三維展示問題，在分析了主流Web 3D技術的基礎上選定了Java 3D作為變電設備狀態展示系統框架的底層支撐技術。基于Java 3D技術提出了包括技術支撐層、數據層、3D基礎類層、3D業務類層和客戶端層五個層次的框架結構。并給出了3D基礎類層中負責提供Web3D繪制方法的若干基礎類，如3維坐標軸類、3維長方體類、3維直線類和3維文字類等。最后，以三維局放譜圖為例描述了框架的實現過程及實現效果。實際應用表明，該框架為電力系統Web 3D展示提供了良好的基礎平臺。

參考文獻

[1]駱思佳，黃文武，馮杰.電力變壓器狀態多層次評估模式的研究[J].變壓器，2013，50（3）：32-36.

[2]石鑫，朱永利，薩初日拉，等.基于深度信念網絡的電力變壓器故障分類建模[J].電力系統保護與控制，2016，（1）：71-76.

[3]陸杰，張淼，趙宏飛，等.基于振動的電力變壓器狀態監測系統設計[J].電力系統及其自動化學報，2016，（4）：73-77.

[4]RAJI M，RAJU R.Failure analysis of power transformer for effective maintenance planning in electric utilities[J].Engineering Failure Analysis，2015，（55）：182-192.

[5]路光輝，姬波，龔東武，等.變壓器故障診斷的可視化模型[J].計算機工程與設計，2013，34（5）：1841-1845.

[6]吳淑娟，董少春，尹宏偉，等.基于Google Earth API的采煤沉陷區三維WebGIS平臺設計與實現[J].實驗室研究與探索，2015，34（3）：101-107.

[7]MILLER J R.Metaview：A Tool for Learning About Viewing in 3D[C].43rd ACM Technical Symposium on Computer Science Education （SIGCSE 2012），Raleigh，NC，FEB 29MAR 03，2012，pp 135-140.

[8]Jinseung Y，DukYun N，Hoon R et al.Interactive Remote Web Visualization for Simulation Service of Engineering Education and Research on the Web[J].Journal of Next Generation Information Technology，2013，4（9）：77-82.

[9]JARA C A，ESQUEMBRE F，CHRISTIAN W，et al.A new 3D Visualization Java Framework based on Physics Principles[J].Computer Physics Communications，2012，183（2） ：231-244.

[10]呂蓬，李磊，謝三德.基于Java 3D的地形可視化及關鍵技術研究[J].測繪與空間地理信息，2012，35（10）：74-76.endprint