220kV变电站三维仿真系统的应用

王 彦 尹福荣 李红军 张志生

(云南电网公司西双版纳供电局，云南 景洪 666100)

1 前言

220kV景洪变电站是版纳电网与省网相连的枢纽变电站，本站三维仿真系统是一个通过三维建模技术、虚拟现实技术、多媒体表现技术及C++程序开发应用相结合的一个综合风险辨识管理及变电仿真的应用平台。变电站三维仿真与安全风险可视化结合的应用研究作为一个风险管理及仿真培训与一体的综合平台，以安全风险可视化管理应用为主要目的，通过风险数据管理与三维虚拟场景结合，可视化动态显示设备危险点及危险信息，并与生产管理信息系统建立实时数据链接，在查看设备危险点信息时同时可查看设备台账及缺陷信息。

该系统针对目前变电运行设备操作培训提出了可视化及模拟真实操作的解决方案。通过桌面应用系统真实再现变电站运行情况，包括现场一次设备、二次保护、开关室等运行工作中经常操作设备。并与电力业务相结合，形成真实的变电站仿真培训系统。

2 系统总体设计

2.1 平台技术构架

对应于系统业务架构的设置，系统的技术结构划分为表现层、业余逻辑层和数据访问层三层。

数据库访问层:数据库访问层根据访问的数据源的特性采用三种不同的数据访问技术，包括WebServices数据访问接口、ADO数据库访问技术和MSXML文件解析器。其中WebServices主要针对生产管理信息系统的设备台账、缺陷等基础数据，以确保设备基础数据接口的规范性和安全性，采用开源的C++WebServices开发工具gSoap来实现。对于访问本地的Oracle数据库，系统采用了微软的数据源存取组件ADO(ActiveX Data Objects)。系统的本地数据采用XML文件保存，这部分数据通过XML解析工具存取。

业务逻辑层:业务逻辑层由MFC和脚本语言两个部分配合实现，MFC应用程序框架包含了丰富的基础类和灵活的消息处理机制，主要负责处理后台、二维界面和部分三维场景的业务逻辑以及总体流程的控制。VRP虚拟现实平台脚本语言配合MFC框架实现三维场景切换、动画播放和模型动作等功能。

界面展现层:界面展现层二维部分包括二维界面、浏览器界面、flash播放界面三部分，其中二维界面通过Windows底层SDK工具包提供的图形设备接口 (GDI)实现，并通过MFC的消息处理机制响应用户的界面请求。浏览器界面和flash播放界面通过调用Windows提供的ActiveX控件实现Web界面的展现和flash文件的播放。三维界面通过将VRP虚拟现实三维图形引擎嵌入到MFC框架中实现。

2.2 系统功能框架

图1 系统业务构架图

1)数据层:数据层分为外部数据和本地数据两部分，外部数据包括设备台账、设备缺陷数据，这两类数据通过数据整合平台的WebServices服务接口从生产管理信息系统读取，本地数据主要指与系统业务逻辑相关的基础数据以及用户针对某些功能创建的数据，包括设备风险数据、模型数据、案例数据和逻辑数据，其中风险数据和逻辑数据通过由用户维护，其他数据固化在系统中。外部数据通过信息管理模块获取并通过界面层的二维展现模块展现，现场模拟和仿真培训模块从本地数据获取各功能所需的数据进行初始化、解析和处理等操作。

2)逻辑层:逻辑层主要包括一次设备电气逻辑、二次设备操作逻辑以及一两次设备关联逻辑，这些逻辑作为设备对象的附加属性存在并影响设备对象的行为以及用户的操作。

3)业务层:除信息管理模块外业务层的其他模块建立在逻辑层的基础之上，实现现场模拟和仿真培训等功能。

4)界面层:界面层分为二维界面和三维界面两种表现形式，除表现功能外界面层还需向业务层传递用户的操作事件并根据业务层请求做相应的改变。

2.3 系统网络拓扑设计

本系统采用C/S模式，所有业务功能在客户端实现，服务端维护客户端的共享数据。网络中涉及三种类型的节点，客户端、本地数据库和生产管理信息系统。其中客户端作为数据访问的主体访问其余两个节点，本地数据库存储所有共享数据以及设备台账和缺陷数据的副本，生产管理信息系统则作为设备台账和缺陷数据的数据源。本地数据库和客户端使用供电局内部网络互联，同时客户端通过供电局内部网网关连接生产管理信息系统，本地数据库和生产信息管理系统的数据同步需通过客户端实现。

图2 网络设计方案图

3 采用的关键技术

1)环境建模技术:利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型，在计算机中变电运行人员与该模型可以进行交互，并产生与变电运行中真实世界中相同的反馈信息，例如天气情况变化、设备事故现象等。

2)立体显示技术:在虚拟现实技术中的变电站三维场景显示的图像要随观察者眼睛位置的变化而变化。能快速生成图像以获和实时感，系统生成的画面达到30帧/秒以上。有了这样的图像生成能力。

3)交互技术:系统通过获取实际三维环境的三维数据，包括设备台账信息、设备风险信息、设备操作等，在虚拟场景中通过人机交互与游戏交互技术，使用户很快能获得自己所需信息。

4)系统集成技术:由于虚拟现实系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术为重中之重:包括信息同步技术、模型标定技术、数据转换技术、识别和合成技术等等。

5)特点:

a.建立三维虚拟现实场景。

b.建立风险辨识管理库。

c.虚拟现实技术与多媒体技术集合应用。

d.动态生成现场工作布置环境。

e.实现培训题库管理。

4 结论

综上所述，220kV变电站三维仿真系统通过使用虚拟现实技术与风险安全库管理结合应用，在变电站场景中直观展现出了变电运行中设备的风险序数、风险类型、风险情况及措施等，使变电运行人员在工作前清楚的分辨出未来工作中的风险情况，提前做好安全准备。系统利用虚拟现实良好的表现效果，与电力业务进行结合，再现了变电运行中各种工作状况，包括设备巡视、工作现场模拟、事故处理等。为变电运行人员的培训提供很好的基础。今后将继续对变电站三维仿真与安全风险可视化结合的应用研究的实用性、稳定性、全面性及可拓展性等方面做持续改进，持续优化系统功能，变电站三维仿真与安全风险可视化结合的应用研究将为数字化电网的建设奠定坚实的信息化基础。

［1］廖小平等.图形驱动式变电系统通用设计平台的研究与开发［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2003，15:1321～1328.

［2］王邦志.变电仿真培训系统的设计与应用 ［J］.水利电力科技，2000，24(1):38～41.

［3］杨继勋.变电站工程三维设计系统［J］.山东工业大学硕士论文，2000.

［4］傅展.一个桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统的设计与实现 ［J］.计算机学报，1998，21(9):793～799.

［5］王毅刚等.基于可见性预处理和细节简化的虚拟环境快速漫游算法 ［J］.计算机学报，1998，21(9):787～792.