变电站二次系统运维实时仿真平台设计

傅兴强 杨伟荣 李卡 李南君

摘要：本论文结合电网的实际，采用基于三维可视化交互技术，对变电站二次系统智能运维实时仿真平台的设计技术进行论述，从仿真平台系统组成及设计方案、模型三维可视化模型构建等几方面分别进行详细论述。

关键词：二次系统；实时仿真；人机交互；虚拟仿真

中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）07-0193-02

随着电力系统规模的不断扩大，变电站一、二次系统日益复杂，对变电运行、继电保护专业人员的理论素质和技能水平要求也越来越高，同时对二次回路相关专业的培训也提出了更高的要求。变电站二次系统包含二次回路、二次设备等装置，在保证电力系统安全、稳定、可靠运行方面起着举足轻重的作用。但是由于变电站二次回路错综复杂、电气信号相互关联较多，不但对工作人员理论素质和技能水平有较高要求，且常常造成工作人员对二次回路缺乏全貌性的认识，对其连接关系和工作原理掌握不透，不可避免的造成二次回路设计错误、安全措施做不全、做错，检修不到位，缺陷不能及时处理等问题，从而导致设备跳闸、大面积停电、片区解网等事故。针对上述问题，经过充分调研并结合电网的实际，基于三维可视化交互技术，构建一套变电站二次系统智能运维实时仿真平台，此平台将传统复杂的二次回路转化成可视化的空间三维数字模型，以实现变电站二次运维的交互式可视化。同时针对二次故障仿真模拟，建立仿真模拟培训场景，提升运维人员业务操作能力，改进电网生产运行、维护、检修等人员的培训手段，大大缩短培训周期，节省培训费用，提高安全运维水平。

1 实时仿真平台系统结构

变电站二次系统运维实时仿真平台系统结构以对象化三维模型为中心，集成静态数据和动态数据形成变电站二次系统智能运维实时仿真平台的基础数据源。通过建设基于C/S架构平台，实现数据的相互关联检索，并且以三维模型建立二次回路仿真系统，实现二次回路可视化以及二次回路实时仿真，辅助于变电站二次系统的运维管理。

变电站二次系统运维实时仿真平台实现过程中，用先进的对象化三维建模设计思想，以数据为中心，确保建模过程中形成的三维模型和保存在数据库中的数据保持完全统一，实施仿真平台系统涵盖电气一次设备、电气二次设备、二次回路、土建结构、构架、线缆等变电站主要电力和建筑设置。

2 实时仿真平台系统关键技术

2.1 三维模型几何网构建技术

电力系统三维模型几何数据即三维模型顶点，组成了三角形图元，三角形图元再按照一定的排列算法和索引顺序组成最终用于纹理映射的模型网格。网格构建多采用多分辨率算法进行网格简化，根据多细节层次（Levels of Detail，LOD）模型计算后选择最佳LOD等级进行渲染，多分辨率LOD算法可以在实时性和真实性这两个矛盾体上实现一定的平衡。因此，面向并行计算的具有更强几何计算能力和浮点运算能力的GPU逐渐成为了研究热点。

本使用面向GPU的Geomipmapping算法构建模型初始网格。该算法将纹理处理中的Mipmapping技术运用到模型几何数据的多分辨率LOD网格模型中，该模型旨在不同的区域采用不同的LOD等级来表现模型网格。模型网格采用分块的形式组织，每块模型对应一块矩形区域，顶点规模同为，其中为每条边的顶点个数，相邻模型块的边界相互重叠。可见均匀分布的三角形图元组成了每块模型网格，每块以隔行隔列降采样的形式生成多个不同LOD等级的模型块子网格，其中白色和黑色顶点分别代表最高LOD等级和低一级LOD等级的子网格，以到视点的距离为准则在实时渲染时为每个模型块选择适宜的LOD等级。

该算法依照四叉树的机制管理模型块全部LOD等级的子网格。模型块加载的详细步骤如下所示：

Step1.装载模型块最高LOD等级的网格；Step2.计算模型块AABB包围盒；Step3.计算模型块Geomipmapping等级总数；Step4.计算模型块不同Geomipmapping等级切换时的距离函数阈值；Step5.基于四叉树结构存储所有等级的子网格；Step6.对剩下的模型块重复执行Step1至Step5。

2.2 模型纹理映射技术

纹理映射是赋予视景系统逼真感的重要手段，丰富的纹理影像可以细致地展现仿真環境中难以用数学模型计算的复杂光照、阴影和几何细节。本文采用Mipmapping技术实现模型纹理映射，该能够减少图形锯齿现象的发生并加快渲染速度，其贴图文件是由一组被事先计算和优化过的影像组成的。能够显著提高了数据传输和处理效率。当缩小贴图或者距离视点较远时，Mipmapping就会选择适合层级的影像，这样所要读取的像素规模就要远少于普通贴图技术，渲染时间明显缩短。Geomipmapping算法构建的几何网格每个根节点表示覆盖最大模型块的纹理影像，而子节点所覆盖的模型块大小逐级递减，接着为各级纹理建立线性四叉树索引，最后在实时渲染模型时，按照当前渲染的模型几何网格四叉树的索引挑选纹理四叉树中对应的纹理影像进行纹理映射。

3 结语

本文针对变电站二次回路错综复杂、电气信号相互关联较多，在检修过程红不可避免的造成二次回路设计错误、安全措施做不到位，缺陷不能及时处理等问题，采用基于三维可视化交互手段，在深入分析讨论三维模型几何网构建和模型纹理映射等核心技术的技术上，实现了变电站二次系统智能运维实时仿真平台，此平台将传统复杂的二次回路转化成可视化的空间三维数字模型，能够有效提升运维人员业务操作能力，提高安全运维水平。

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