地下变电站的虚拟现实仿真系统设计及应用

邱海锋，叶剑，沈立新，戚伟

（国网浙江杭州市萧山区供电有限公司，浙江杭州，311200）

引言

随着变电站系统自动化进程逐渐提高的过程中，其运行操作也越来越复杂，以此对于工作人员技术及业务的水平也具有及高高的要求。由于地下变电站系统比较特殊，所以在实际运行过程中很难对工作人员进行培训。但是，目前地下变电站仿真系统都是通过物理和计算机硬件、软件平台创建，仿真平面图像显示不足，而且无法实现动画互动和操作，那么就要求利用虚拟环境实现工作人员培训，属于此方面的发展趋势。

1 虚拟地下变电站仿真系统的结构

以系统功能需求为基础，此系统主要分为学院培训及教员两个平台，对于不同设置的管理权限也各有不同。将教员平台除了具有学员平台功能之外，还要求其能够接电气设备，并且具有故障及退出系统的设置功能。教员及学员两个平台使用数据库进行数据、信息之间的交互与传递，以此对培训项目进行有效的设置，而且还能够对培训结果进行有效反馈。在硬件实现的过程中，通过有效配置教员机和学员机，能够通过以太网实现数据共享，并且还能够通过三维仿真进行实现，三维仿真能够实现变电站运行环境及电气设备的模拟[1]。虚拟地下变电站仿真系统的结构，主要包括三大模块，分别为虚拟电气设备模块、虚拟变电站仿真模。

虚拟电气设备模块：此模块主要包括电气控制、行为控制、物理模型及信息控制等模块，其能够实现设备级仿真。其中的物理模型指的是虚拟场景中电气设备模型；电气控制模块指的是设备电气外特性变化；行为空置模块能够对物理模型行为视觉进行控制；信息控制模块能够实现人为干预及系统仿真信息的处理，还能够实现模块信息的处理。

虚拟变电站仿真模块：此模块的主要目的就是对虚拟电气设备外加电压及电流进行计算，属于系统仿真，其参数主要为虚拟电气设备和虚拟变电站结构及故障人为假设；

数据库管理模块：不管是设备仿真还是系统仿真，都要有效管理仿真数据，数据库管理模块就能够实现此功能。数据库主要包括系统、设备两种数据库，对设备仿真及系统仿真共同使用的数据，使用关联方式实现数据库通讯[2]。

2 虚拟地下变电站系统的设计

2.1 建模分析

变电站仿真培训系统使变电站为基础，如果变电站由于容量或者设备问题需要进行更换和扩容的时候，培训系统要根据变电站的实际运行情况进行虚拟扩容和更换，以此能够将变电站运行环境充分的展现出来。传统仿真培训系统大部分都是通过系统维护及升级修改电气设备及删除，以此使培训系统适用性及扩展性有了降低。以建模对象外部、物理和电器等特点不同，从而实现变电站各场景及设备的设计。通过不同模型闯进的需求，有效有效分类变电站的建模对象[3]。

因为地下变电站的工业辅助设备与常规进行对比较为重要，那么就要对此方面实现重点建模。地下变电站工业辅助系统的设备为制冷、通风、排水等系统，其与传统建模对象对比的特点包括：

其一，工业辅助设备大部分都是网状及管状分布，以此提高了地理信息位置处理困难度；

其二，各种的工业辅助设备电气行为和三维模型并没有太大差异，所以就不能够开展统一建模；

其三，辅助设备的主体部分都是利用建筑结构实现，那么就无法对设备进行更换[4]。

2.2 模型的创建

在三维图形程序中需要创建三维模块较为复杂，OSG虽然能够建模，但是其功能并不强大。3DMax的模型创建功能比较强，但是缺少交互性。那么就将两者新湖结合，从而实现模型的创建，并且还能够进行设备交互，实现场景的漫游。

在模型创建过程中，首先要创建其中的设备模型，包括变压器、刀闸等。然后使用3DMax实现场景环境的创建，比如围墙和大门等。最后实现设备摆放，以此使其能够满足实际变电站需求。以此创建虚拟地下变电站模型，其运行效率较高，利用二进制格式实现模型的导出[5]。

2.3 虚拟地下变电站系统的模块设计

变电站中具有大量的电气设备，如果只是实现单一设备设计，那么工程量较大。部分电气设备虽然具有不同的外观，但是其内在电气特性相同。所以，就将虚拟电气设备分为物理、行为及电气三种特性，使用3DMax实现物理特性开发，使用VT实现行为及电气两种特性开发，其设计步骤为：

（1）通过VT实现数据资源库的创建，将不同设备模型在数据资源库中导入，实现模型分类管理；

（2）将电气设备在场景中放入并且通过VT阵列工具创建技术参数表格；

（3），设计信息控制模块。通过虚拟变电站仿真系统实现人工干预，比如键盘及鼠标。使用 Mouse 及 Key模块对鼠标及键盘信息进行接收，使用Send模块将信息对行为控制模块进行传达；

（4）设计电气控制模块。电气控制模块在设计过程中主要包括输入、控制、输出三个模型。输入指的是外界对于电气的刺激，输出指的是电气设备对外展现的电气特性，控制的是对输入刺激及电气设备中参数和输出响应联系的描述。在编程过程中，电气控制模块输入及输出都在外界对于电气设备刺激及电气设备对于外界响应中实现设计，控制功能能够实现多个具有较强通用性接口函数的分解。

其四，设计行为控制模块。行为控制模块也是使用输入、控制、输出方式实现，其中输入指的是信息控制消息，输出指的是用户视觉效果，控制指的是物理模型控制过程中相应的模块。图 4为隔离刀闸开合过程中的脚本，刀臂动作过程时间通过Bezier模块决定，刀臂旋转通过Rotate模块实现，刀臂最大的开合角度通过Multip模块实现。在Wait模块接收拉开刀闸信息之后，通过Bezier、Rptate、Multip三个模块进行计算，学员能够观察到刀臂受到Set模块的控制，从而出现稍微变黑的效果[6]。

3 结束语

地下变电站的运行环境为封闭性，其和常规变电站巡视、操作和故障处理等方面都各有不同，所以其对运行人员操作及技术具有一定的要求。本文对三维模拟地下变电站仿真培训系统使用模块化方式进行开发，实现了地下变电站虚拟现实仿真系统设计。将其在培训过程中使用，能够便于对已经创建的虚拟变电站修改，提高培训系统的灵活性。并且，此系统还能够利用对象化实现开发，其开发周期比较短，而且具有较强的可复用性，是一种理想化三维仿真系统开发的方式。

[1]李桐.变电站三维虚拟仿真系统的研究和应用[D].郑州大学, 2016.

[2]江龙, 张德刚, 李泽河, 等.基于虚拟现实头盔的沉浸式变电站仿真培训系统设计与实现[J].电工技术, 2017, (11).

[3]李鸿佐, 韩冰, 陈盟.基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统的研究[J].建筑工程技术与设计, 2017, (20).

[4]张哲.虚拟现实技术应用于变电站工作的探索[J].科技传播, 2017, 9(7).

[5]耿勇德.虚拟现实在变电站高压电气仿真试验培训中的应用[J].工程技术: 全文版, 2016, (10): 00191-00191.

[6]修圣洁.基于虚拟现实技术的变电站检修系统的设计探究[J].中国科技投资, 2016, (27).