基于虛擬現實技術的變電站仿真培訓系統

胡美慧+陳淑婷+郭江濤

摘要：文章主要以虛擬技術的變電站仿真培訓系統為研究對象，首先介紹了系統整體框架，然后分析了系統的物理建模、幾何建模和行為建模，并對虛擬變電站與仿真培訓系統結合方法進行探究，最后闡述了虛擬變電站仿真培訓系統的實現。該系統能夠實現實時交互動態仿真，具有三維顯示的功能，具有較高的研究價值。

關鍵詞：虛擬現實技術；變電站；仿真培訓系統

引言

變電站是電力系統的重要組成部分，在很大程度上影響著電力系統的順利運行，因此，提升變電站人員整體素質很有必要。但是現階段，我國大多數電力企業對變電站人員的培訓水平仍然較低，不能讓變電站人員在運行的設備上進行實際操作，難以真正提升員工的操作水平。因此，建立一個與變電站實際運行相似的仿真培訓系統迫在眉睫。

1基于虛擬現實技術的變電站仿真培訓系統的結構

基于虛擬現實技術的變電站仿真培訓系統應能模擬變電站正常、異常和故障時的各種工況及操作過程，如設備巡視、設備投運、調整變壓器分接頭以及斷路器跳閘等。在虛擬變電站內，如果受訓人員的模擬操作改變了變電站的網絡拓撲結構，電力系統仿真軟件將自動重新計算并將仿真結果立即傳送給虛擬保護自動裝置，再由這些裝置立即進行計算并做出正確反應。這樣，模擬操作的過程和結果就與實際現場基本一致了。

基于虛擬現實技術的變電站仿真培訓系統的整體結構如圖1所示，其主要包括電力系統仿真模塊、信號處理模塊、輸入判斷模塊、虛擬變電站模塊、輸出判斷模塊和用戶交互模塊。

下面將具體分析這幾個模塊：

一，虛擬變電站對于用戶是可見的，用戶能夠直接在虛擬變電站中模擬任何操作；

二，電力系統仿真模塊能夠模仿變電站正常運行、故障檢修等多種情況，并且電力系統仿真模塊能夠不斷輸出電壓和電流信號，在建立電力系統仿真模塊的過程中，應全面分析自動裝置、交直流系統、變電站的一次設備及其操作機構、綜合自動化系統的詳細模型；

三，信號處理模塊對電力系統仿真模塊輸出的信號進行處理，并將其送入輸入判斷模塊；

四，輸入判斷模塊根據處理后的信號，判斷此時虛擬設備的狀態是否發生變化，并將這種變化實時地反映到虛擬變電站中；

五，輸出判斷模塊首先判斷虛擬變電站的網絡拓撲結構是否發生變化，再根據所發生的變化來改變電力系統仿真模塊的計算條件。

六，用戶交互模塊能夠實現與虛擬變電站的交互，其主要用于用戶操作，用戶可以通過該模塊模擬變電站操作，

2虛擬變電站仿真培訓系統設計

2.1幾何建模

虛擬變電站仿真培訓系統中的虛擬設備應真實體現實際設備表面的幾何特征，在具體建模的過程中，通常依據早已明確的“物體-部件-面-點”的接點結構，同時對每個節點進行建模，最后完成所有系統的建模。在變電站的背景模型上，例如樹木、墻面等能夠使用紋理貼圖，這樣不僅能夠在很大程度上降低節點數目，還能夠充分保留虛擬世界的真實感。

2.2物理建模

物理建模就是在建立的幾何模型中，按照物理模型明確對象應具備的具體屬性，同時建立相關的數學模型。

2.3行為模型

行為模型就是虛擬設備應能夠真實體現實際設備運轉等行為，還要確保虛擬設備與實際設備的客觀規律相一致，一般通過采用外部傳感器以及外部接口相連接實現行為模型。

3虛擬變電站與仿真培訓系統結合方法

變電站仿真培訓系統要按照變電站運行者平時的工作進行設計，模擬仿真變電站的運行工況，旨在確保培訓更逼真。以網絡為基礎的三維造型語言中的主流是VRML，能夠給予動畫和三維以及交互作用，但是在具備精確計算要求的復雜領域，其計算能力和描述能力相對較弱，難以滿足復雜領域的要求。所以，為達到后臺仿真和模擬目的，應使用相對較強的數據處理能力語言。該部分已建立變電站仿真培訓系統，并模擬和仿真變電站系統。通過VRML達到虛擬變電站的建模與接口的定義。系統采用avascript以及Java語言編寫腳本，進而拓展VRML的功能，同時采用與實際系統相同的連接方式，進而完成更多的高級應用及交互，圖2為虛擬變電站與仿真培訓系統結構的總體框架，VRML將變電站中的控制變量輸入JAVA程序，通過JAVA程序將控制變量輸入變電站仿真培訓系統，控制變量控制仿真培訓系統并模擬系統的運行狀態，再將仿真數據輸出到Java程序中，控制虛擬變電站其它節點狀態的變化。

4 虛擬變電站與仿真系統的實現

虛擬變電站通過MATLAB虛擬現實工具箱中的VRSink與VRSource子模塊實現與“電力系統仿真”模塊的交互，其中VRSink子模塊負責將信號從“電力系統仿真”模塊輸出到虛擬變電站，VRSource子模塊負責將信號從虛擬變電站輸出到“電力系統仿真”模塊。以虛擬控制屏為例，其仿真系統的結構如圖3所示。其中的電力系統仿真模塊含有分布參數線路、斷路器、電源等子模塊。

用戶通過點擊虛擬控制屏上的控制開關，來實現對仿真系統的控制：輸出判斷模塊判斷控制開關的狀態是否發生變化，并將其實時傳送到電力系統仿真模塊，以控制其斷路器的開合；電力系統仿真模塊根據斷路器的狀態計算電力系統仿真結果；信號處理模塊根據電力系統仿真模塊輸出的電壓及電流等信號，實時計算相應的電壓、電流、無功值、有功值并將其傳遞給輸入判斷模塊；輸入判斷模塊根據輸入的電流值判斷系統的狀態，并控制虛擬控制屏中的紅、綠指示燈的顯示狀態；虛擬電流表、有功表和無功表，將顯示信號處理模塊的計算結果。

結語

文章基于虛擬現實技術設計的變電站仿真培訓系統能夠實現用戶與虛擬變電站之間的交互，該系統能夠以Windows系統作為操作平臺，操作簡單，經濟高效，通過測試可知，文章建立的變電站仿真培訓系統仿真過程較為真實，能夠滿足對員工的培訓需求，幫助員工了解到變電站實際運行過程中可能出現的故障，進而提升變電站員工的實際操作能力。

參考文獻：

[1]吳冰，黃陳，朱喜榮.沉浸式變電站故障仿真系統開發[J/OL].電力系統保護與控制，2017-11-02.

[2]羅艷娟.電網變電站一體化仿真培訓系統的設計與實現[D].湖南大學，2013.

[3]韓俊玲.基于Internet交互式虛擬現實技術變電站仿真培訓系統實現[J].價值工程，2011，30（18）：54-55.

[4]馮岱鵬.地下變電站三維虛擬現實仿真培訓系統的研制[D].上海交通大學，2010.