基于Vega Prime的油浸式电流互感器可视化仿真系统设计

彭柯 董秀成 代莎

关键词： 电流互感器; 多边形减面算法; 可视化仿真; 虚拟现实; 虚拟组装; 系统优化

中图分类号： TN02?34; TM7                      文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2019）05?0107?04

Design of oil?immersed current transformer visualized simulation system

based on Vega Prime

PENG Ke， DONG Xiucheng， DAI Sha

（School of Electrical Engineering and Electronic Information， Xihua University， Chengdu 610039， China）

Abstract： An oil?immersed current transformer visualized simulation system combining oil?immersed current transformer with virtual reality was designed in this paper. The current transformer is modeled in Solid Works. The MaxScript in 3DS MAX software platform is used to program the Stan Melax polygon reduction algorithm and its improved algorithm. Each assembly unit applied in current transformer is optimized to reduce the triangular facet and point， and improve the optimization speed while maintaining the model features. A visualized simulation system based on multi?threading technology was designed， and its corresponding function was implemented by using 3D visual simulation software platform Vega Prime， and combining development features of MFC application program.

Keywords： current transformer; polygon reduction algorithm; visualized simulation; virtual reality; virtual assembly; system optimization

变电站设备的运行情况直接影响着变电站的安全运行。由于变电站设备具有高危险性和不可轻易停电等特殊性，传统的培训方式在电力系统应用的效果不是很理想[1]。

随着经济及三维技术的快速发展，三维可视化技术也广泛应用于电力设备仿真领域[2]，人们通过键盘和鼠标操作就可轻松实现与系统的交互。本文设计了电流互感器可视化仿真系统，从视觉和交互方式等方面为变电站运行人员构建逼真的虚拟环境，为用户提供非常直观的体验，可有效提高培训质量。

1  系统总体设计

系统设计总流程图如图1所示。整个系统分为场景建模和场景驱动。场景建模主要完成模型的建模、减面算法的应用等;场景驱动主要完成人机交互的工作，通过对Vega Prime的二次开发调用API函数，运用VC平台里的MFC进行编程。

2  电流互感器模型的建立

2.1  建  模

在Solid Works中选取基准面进行草图绘制，通过旋转、拉伸、切除等各种特征实现三维建模。将零部件通过重合、同轴心、平行等配合约束关系装配成电流互感器。

2.2  模型优化

电流互感器模型含有71 983个顶点，143 267个三角面，会影响软件的加载时间、运行速度、实时渲染的速度和质量[3]，需对模型进行优化，本文采用Stan Melax多边形减面算法对其进行改进。Stan Melax多边形减面算法的主要思想：对于在同一平面上的表面，只需要很少的多边形就可以表示[4]，同时高度弯曲的曲面则需更多的多边形表示。一条边是否要坍塌，取决于它的边长与曲率值的乘积。Stan Melax对于顶点的重要度权值用塌陷值Cost表示，是边的边长与其曲率值的乘积。此算法通过焊接塌陷值小的点来完成减面。方程式如下：

运用3DS MAX软件内部的MaxScript脚本完成算法的编写以及界面的优化设计，如图2所示。其中，优化比例为优化后的点数与优化前的点数的比值。

原算法运行一次只能焊接一个顶点，程序每一次循环都需要遍历所有顶点，使得程序运行工作量很大，耗时长。本文对该算法进行改进，使运行时间缩短一半。表1展示的是改进算法前后对小瓷套部件的耗时比较。

對比图3，图4可知，通过运用该算法，优化后的小瓷套模型信息保存完整，且点数和面数降低。对电流互感器的各个模型进行优化，优化前后总点数和总面数见表2。

3  110 kV油浸式电流互感器可视化仿真系统的实现

本文设计的110 kV油浸式电流互感器可视化仿真系统主要包括界面部分、控制区部分和部件拆卸操作部分。本文通过Vega Prime软件平台进行相应的开发，通过C++语言应用程序接口API调用Vega Prime的ACF文件，而ACF文件包含并配置了电流互感器模型，通过代码编写能驱动或者设置这些模型的位置姿态，从而实现电流互感器的交互效果，使构建的电流互感器可视化虚拟环境更加逼真，更具有沉浸感[5]。

3.1  Vega Prime应用

Vega Prime是由美国Multigen?Paradigm公司开发的一个实时三维驱动的工具包，可以跨平台操作，可识别、驱动、控制与管理由Creator中建立或导出的模型与场景[6]。一个典型的Vega Prime应用程序的工作流程主要包括如下5个步骤：

1） 初始化：初始化静态变量和模块界面等[7]。

2） 定义语句：加载已经配置好的ACF文件，ACF文件能自动转为C++程序[8]。

3） 配置：基于定义的值来配置系统，设置对象类实例之间的关联关系，并配置激活的模块[9]。

4） 帧循环：对于每个帧循环的周期，应用程序产生新的一帧，包括载入新场景、将眼点移动到新的位置和重新计算仿真时间等[9]。

5） 关闭：清除场景中的对象内存，释放结束整个程序。

3.2  基于MFC的Vega Prime应用程序

基于MFC对话框结构的应用程序开发早已成熟，并向用户提供了大量、功能齐全的API接口函数，而Vega Prime和C++的API完全兼容[10]。

在MFC对话框里启动一个工作者线程，在线程的主函数里初始化Vega Prime和执行主循环[7]。在MFC框架的视图类中添加负责开启该线程的成员函数，利用API函数AfxBeginThread开启线程并同时将该视图类的指针作为线程函数的输入参数传送到该线程中，将窗口句柄传给setParent（），便能在该窗口显示Vega Prime的场景[7]。

4  效果展示

对运用减面算法前系统加载时间与运用算法后系统加载时间进行对比，优化前需要等待11 s，而优化后等待1 s就可实现，大大缩短了系统加载时间，提高了效率。本文所设计的电流互感器可视化仿真系统，人机交互过程主要靠鼠标和键盘来完成，即由鼠标和键盘输入信息，然后由电脑显示器输出结果。系统中的交互行为主要包括电流互感器整体和部件的移动和转动、电流互感器的组装等。

图5为系统的组装操作部分，碰撞检测通过设定物体移动范围来完成。如图5所示，被拖拽的物体会加亮显示，利用鼠标和键盘两种方式将两个部件组装在一起。

5  结  语

本文设计的油浸式电流互感器可视化仿真系统为桌面式虚拟现实系统。在静态的三维可视化基础上通过人机交互技术，可以完整地展示电流互感器工作原理、工作过程、检修和维护方法，具有极强的实用性。利用鼠标和键盘的简单操作就能获取电流互感器的相关知识、工作原理、内部构造等信息，为培训人员提供了方便。同时，在一般的可视化仿真系统的基础上增加了使用3DS MAX脚本编写减面算法，提供了优化界面，实时观察模型信息的完整度，找出最合适的优化比例。通过对Stan Melax提出算法的改进，在保持模型特征的同时大大缩短了优化时间，该算法的加入为可视化系统减少了加载时间，提高了效率。

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