基于虚拟现实的变压器教学仿真

王大虎 刘标 徐炎军

摘 要： 针对现有电力系统实物教学危险性高的问题，以220 kV变压器为仿真对象，通过采用3DMAX软件建模，利用Unity3D引擎，搭建了变压器教学仿真系统，通过虚拟现实设备实现了变电站设备3D交互等功能，学员可以根据知识水平进行学习，弥补了电力系统教学只采用单一的文字或简单挂图等缺点，在保障学员安全的基础上，让学员能够对变压器进行操作。经测试，该系统是经济有效的工具，既能提高教学水平，又能减少投入教学的时间和金钱，达到了预期的教学效果。

关键词： 电力系统； 仿真教学； 交互； 变压器

中图分类号：TM743 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2019）03-71-04

Transformer teaching simulation by virtual reality

Wang Dahu， Liu Biao， Xu Yanjun

（School of Electrical Engineering And Automation， Henan Polytechnic University， Jiaozuo， Henan 454003， China）

Abstract： The existing physical teaching of power system involves the risk of danger. Using 220 kV transformer as the simulation object，modeling by using 3DMAX software， the Unity3D engine is adopted to build the transformer. The teaching simulation system realizes the functions of 3D interaction of substation equipment through virtual reality equipment. Students can learn according to the knowledge level， which makes up for the shortcomings of power system teaching using only a single text or simple wall chart. On the basis of ensuring the safety of trainees， the trainee is able to operate the transformer. After testing， the system is a cost-effective tool that not only improves the teaching level， but also reduces the time and money spent on teaching and achieves the desired teaching results.

Key words： power system； simulation teaching； interaction； transformer

0 引言

电力是现代社会的一个关键因素，支持文化和工业发展。缺电会对经济和社会产生重大影响。随着电网的越来越大，电力系统越来复杂，对电力系统操作人员的要求也越来越高；为了确保持续供电，变电站必须高效的运行，变电站的维护涉及高风险，带电线路的维护具有极大地危险性，为了保障人员安全和降低对设备的损害，拥有训练有素并且技术较高的工作人员非常重要，这就对电力系统的教学提出了较高的挑战，传统的电力系统教学主要是课堂教学为主，通过一些手册、图片以及短视频等来学习，内容枯燥乏味，学员学习兴趣低下、理解困难，教学效果不理想[1]；利用Quest3D实现变电站仿真，利用该软件实现变电站一些简单的功能；但是，教学效率低下[2]；提出沉浸式仿真系统的方案，为变电站教学带入了现场感，但研发难度大；针对以上不足，开发了基于虚拟现实的变压器教学仿真系统。该系统通过使用虚拟现实技术可以保证学员在模拟的工作环境中进行训练，在保障学员安全性的基础上，学员能够对变压器进行操作，在进行故障处理的过程，会给出学员成绩，并指出学员的一些错误操作，并对错误操作进行纠正，既加强了学员故障处理能力，激发了学员学习的兴趣，提升了教学效率。

1 系统总体设计

1.1 功能需求分析

變压器教学仿真系统主要利用虚拟仿真技术较为真实的实现仿真操作，降低相关专业学习的困难，使得较为枯燥的专业知识学习变为可视化、可交互的学习过程。该系统采用某220kV变电站为原型，主要对其变压器设备实现了结构原理展示、动画教学演示以及实际操作交互仿真三个主要的功能。变压器教学仿真系统功能设计图，如图1所示。

1.2 技术路线

系统开发需要前期的准备工作，需要在现场等地方获得模型素材、模型数据等实现变压器模型的构造，素材相片需要经过图像处理后可以作为模型材质贴图、特效贴图以及背景贴图等；制作好的模型可以通过3DMAX软件，根据实际需求制作动画。在虚拟场景开发时，使用unity3D中实现结构原理展示、动画教学演示以及实际操作交互仿真等三个主要的功能，如图2所示。

2 关键技术研究

2.1 三维建模

三维模型的建立是系统开发的前提，模型的真实化处理是使培训获得真实感的必要条件[3]。在建模过程中，对于模型复杂、面数众多的物体，可以适当的删除被遮挡的模型面，减少因模型面多而造成的卡顿，对于一些不重要的模型可以用简化模型来替代；所谓纹理映射是采用将二维纹理照片映射到三维实体表面的方法描述场景细节，使用很少的多边形即可获得真实感三维场景[5]。通过使用现场的照片经过处理后，以贴图的形式赋予设备模型表面，降低模型的驱动开销，既能简化模型面数，优化电脑性能消耗，又能降低工作量，节省大量人力时间；阴影烘焙技术就是通过把大量的需要计算光照信息通过生成纹理贴图来减少对电脑性能的消耗，降低电脑的负载，同时又能够较好地显示模型的纹理、阴影等细节，这样既能有较好的仿真效果，也能减少卡顿，提高系统流畅性。贴图前后效果对比图如图3、图4。

2.2 系统交互

2.2.1 设备装拆

变压器主要由器身（铁芯、绕组、绝缘、引线）、变压器油箱和冷却装置、调压装置、保护装置（吸湿器、安全气道、气体继电器、储油柜及测温装置等）和出线套管等组成[6]。通过对变压器设备的拆装，学员可以更清晰了解变压器内部构造以及运行原理等，提高学员学员兴趣。在虚拟场景中，主要通过手柄与3D模型的碰撞检测来实现各种交互功能，当手柄与物体接触，能够触发调用OnTriggerEnter（）函数，同时，按下pad按键可以拾起3D模型，部分设备拆装交互算法如下：

2.2.2 设备交互

在变压器运行过程中，我们可以通过对其二次侧设备进行操作，来达到控制变压器运行的效果，同时，也可以通过二次侧设备对变压器进行监测，从而达到实时了解变压器的运行状态。如图7（a）（b），开关的操作会改变电压表、电流表显示数值，来模拟真实电路操作。

为了提高仿真程度，通过系统中加入粒子特效，能够较为真实的模仿系统事故，提高教学效果，因为粒子特效范围较大，需要对粒子特效的范围、高低等进行设置来达到和现实一致的效果。在使用灭火设备灭火时，粒子范围降低，直到火焰被熄灭；同时可以听见灭火设备喷气的声音；变压器设备故障主要包括静态和动态。静态故障主要包括外绝缘破裂、端子箱标牌掉落、设备出现渗油漏油等现象[7]。动态故障主要是指场景设备有明显的动作表现的现象，例如，变压器着火喷油等。本系统主要模仿变压器着火以及使用灭火装置灭火的交互仿真。根据虚拟仿真设备跟随系统的提示对故障设备进行正确的处理。同时在考核时通过学员对场景的现象进行处理，提交数据库，系统根据教员设置的故障的信息表以及学员的操作信息等进行处理，最后给出学员的考核成绩。故障模拟仿真以及灭火操作如图8所示。

3 系统测试

在变压器仿真教学系统中主要的功能实现后，就可以添加一个登陆界面，不同的学员可以通过登陆界面登陆；由于电脑显示器分辨率不同，可以设置成不同分辨率，本系统主要以1080p分辨率为主，进入主界面后，学员通过视频动画和设备拆装了解变压器的原理，这是掌握实际操作的基础，学员只有学习并掌握后才能够进入故障考核，在故障考核中只有操作正确才能进入下一步操作，否则系统会提示无效操作；系统需要多次的运行系统并测试，修复系统BuG直到系统稳定，本系统主要在windows系统下运行，需要通过U3D平台打包成.exe格式即可。

4 结论

基于Unity3D虚拟仿真技术，通过使用3DMAX三维建模软件以及Photoshop图像处理软件开发的变压器仿真教学系统，在教学过程在，通过使用沉浸式系统仿真技术，通过使用虚拟三维模型代替枯燥实物图片，能够引发学员的学习兴趣，又能够降低购买教学仪器的费用，在保障学员安全性的前提下，使得学员能够进行真实的系统操作；系统实现了变压器视频动画、设备交互、故障处理以及考核平台等功能，弥补了变电站仿真系统沉浸感不足、设备交互简单、学员教学效果评价体系不全等缺点，在保障学员安全性的基础上，针对不同水平的学员制定不同的教学方案，提高了教学效果。

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