虚拟现实技术在电力系统的应用

2020-02-04朱琳

电子技术与软件工程 2020年12期

朱琳

（国网山西省电力公司忻州供电公司山西省忻州市 034000）

虚拟现实技术是一种典型的现代化科技技术类型，它对多媒体、计算机成像和人工智能等技术实现了有效综合，能够达到对现实情境的虚拟化、仿真化和直观化呈现。此技术具有着诸多的优势，受到了各行各业的关注和引入，其中此技术在电力系统中的应用有效提升了电力系统工作水平，推动了电力系统的现代化发展，而此技术如何在电力系统中运用，就是本文主要研究的内容。

1 虚拟现实技术概述

对于虚拟现实就是来说，就是我们常说的VR 技术，它是科学领域中新兴技术类型，基于计算机的图形学、模拟仿真、人机的接口、多媒体、传感、智能决策和网络通信等技术，所产生和发展的一门综合性学科，它也是目前计算机研究中最为热门的高科技技术。此技术对事物的表达方法实现了有效突破，让传统计算机数字化的单维信息处理功能实现拓展，让其能够对满足人特性和需求的多维化信息实施处理，把任何能够想象到的环境通过虚拟手段来实现，且还可以通过人为动作来和虚拟现实的场景实施交流。此技术具有着显著的特征，主要有多感知性、存在性、交互性、自主性等[1]。现阶段，此技术在很多领域内都得到了广泛运用，如电子、教育、医药、设计和军事等。它在跨学科的领域中具有显著优势，根据我国的电力事业特点与发展方向，电力系统内对此技术的运用有着很大的发展潜力和机遇，因此这就需要积极探索电力系统中虚拟现实技术的运用。

2 虚拟现实技术要点

2.1 技术软件环境

此技术环境是十分复杂的，要求是实时面向对象，且内在具有很强的可移植性以及灵活性，这对软件开发的环境要求十分高。

在VRT 桌面虚拟的环境系统中，主要有形状的编辑器、可视化器和世界的编辑器3个功能性模块；基于VPL产生RB2的系统中，RB2 是完备性虚拟环境的原型系统类型，其能够快速对用于评测的虚拟性环境构建，它也是产生的首个实用性VR 环境的系统。

基于SGI 产生VR 的开发平台中，此平台是由SGI 所研制的适用虚拟化环境的平台，其把虚拟性世界所产生的系统和各种的外围设备实施集成，在SGl 内Sky Writer 以及现实引擎具有窗口输出、Unix 的计算、高级图形的操作、数据库的开发以及任务的规划、预演与映象等功能[2]。

2.2 技术硬件环境

如图1 所示，通过此技术想要实现人和计算机的融洽交互，使人能够进入计算机建立的虚拟化环境内，就一定要求硬件设备满足要求。硬件环境主要包括展示设备和辅助设备，而展示设备包括屏显技术、头部定位和立体光学的成像；辅助设备包括触觉和力的反馈、位置定位和手眼跟踪等。

其中跟踪系统主要的任务是对虚拟现实的系统内人的头、手位置和指向、身体等实时检测，将此类数据向控制系统实施反馈，生成出随视线而改变的图像，其主要包括了电磁跟踪、声学的跟踪和光学跟踪等系统。

图1：技术硬件环境图

硬件环境中触觉系统十分重要，它是实现虚拟现实的系统具备沉浸效果的重要保障，通过此系统能够让用户用手、身体等其它能动的部分对虚拟物体实施操控，且在操作的同时可以得到虚拟物体产生的反应。

通过音频系统实现系统的听觉环境建立，在听觉环境中主要包括语音音响的合成化设备、声源的定位设备和识别设备等，借助听觉通道所获取的辅助性信息，能够促进用户对虚拟环境的良好感知[3]。

借助图像的生成器，主要是对系统环境内的图像实现生成与显示。可视化的显示设备主要是借助此类设备来生成出沉浸性虚拟现实的环境，如头盔式的显示器就是常见的此类设备。

2.3 关键性技术

通过虚拟现实的技术能够创建出对虚拟现实的世界体验的一种计算机的系统，其也是基于计算机的仿真技术于更高的层次中实现拓展和延伸，为用户进行逼真环境的提升。在现实虚拟的系统中，虚拟环境的产生器、I/0 的子系统是其最基本性结构。在虚拟现实系统中，包括的主要关键性技术有视觉技术、触觉技术、虚拟现实的场景生成相关工具、虚拟现实的建模语言等。

在视觉技术中，因为眼睛是人对外界信息获取的重要性器官，也是虚拟现实环境内感受临境感主要的途径，借助头盔式的显示器是实现此种效果的技术，此技术能够使虚拟的对象随人头部转动而对视角改变，让人获取身临其境之感。

在触觉技术中，主要借助数据手套来让人用手和虚拟现实的环境实现交互。因为手是人和客观世界实施交互的工具，其具备丰富性语言以及感觉的器官，在VR 的系统内一定要完成其于真实的环境中功能的实现，也就是感受力、压觉和触觉的提供[4]。

在虚拟现实的场景生成相关工具中，要求虚拟环境的生成器一定要有着强大图形、图像的处理能力，而OpenGL 就被当作现阶段最先进三维图形程序应用的接口，它可以当作虚拟现实的技术场景内生成工具。此工具能够生成出逼真场景，对人们信息获取需要实施满足。

在虚拟现实的建模语言中，可以使用VRML 来构建出虚拟的新世界通信载体，因为VRML 主要是超文本的语言，其能够借助浏览器对ASCII 的文本格式读懂，进而对世界描述与链接，同时VRML 可以用作建立真实性世界场景模型，且还能够建立出虚构性二维以及三维的世界[5]。

3 虚拟现实技术在电力系统的应用

3.1 电力运营监测

电力运营是电力系统功能发挥的保障，为了确保电力系统能够良好运行，需要做好对其运营的监测。而虚拟现实的技术在电力运营监测中的应用，有效地实现了对电力运营状态的有效掌控和监管。基于虚拟现实技术的电力运营监测中，通过实时监控的子系统对各类型内电站相关的数据实施采集，然后把数据传输至虚拟现实的系统内，而管理维护的子系统是对相关信息数据实施维护。在虚拟现实的系统中，对三维场景的仿真以及二维图形的界面实施一体化运用，从三方面对电网、发电概况和负荷实施在电力运营的监控中心实施展示。在电网展示的部分中，通过分层次的展示法，对不同类型模块实施点击，就能够对此类型电站分布的情况和运行的情况实施展示；而发电概况以及负荷的展示部分中，其表现形式与电网的规划部分是基本相同的，都通过三维仿真的实体和二维图形的界面实施展示。

3.2 电力培训

通过虚拟现实的技术建立虚拟化电力培训的系统，能够节省培训的资金，对培训危险性实施降低，还能够促进各个环节的密切联系，让受训人员对各个部分深入认识和了解。在虚拟化电力培训的系统中，因为人获取的70%信息是借助眼睛达到，所以构建虚拟现实的系统就需要建立真实的场景，如三维声音和三维模型等。

而在虚拟现实的漫游培训系统中，首先要建立构建三维的模型。对简单模型可以使用3DS Max5.0 内所提供基本的模型实施2D 和3D 的建模，对不规则的模型可以借助NURBS 的曲面实施建模以及细分曲面的建模法[6]。

其次，要对三维培训场景实施建立。可以借助3DS Max 的强大建模功能来构建出逼真型电力系统的元件模型类型，后借助OpenGL 实施三维场景的建立，对建模步骤实施简化。

再次，实施人机交互的界面建立。在此系统的界面设计中，往往通过可视化人机交互的界面建立，通过界面对用户告知能够对三维化场景模型实施操作，如物体平移、物体旋转、物体拉伸、场景浏览，还能够对电力系统内元件的工作原理实施演示，对系统元件和其关联工作元件实施联合的演示、对所出故障实施抢修演示等。通过这种方式，则用户就不需具备过硬的计算机知识就可以对培训的系统内场景模型实施操纵，从而达到有效的培训效果。

3.3 电力故障维护

通过虚拟现实的技术能够对工作场所的布局和环境实施仿真的建模，先对工作的场所环境和工艺的流程实施仿真建模，这样就能够使用立体的眼睛对虚拟工作的环境内三维空间实现漫游；通过数据手套来对系统内各种的继电器和开关等实施操作，对各种参数条件下设备的运转情况实施模拟，则工作人员能够在此虚拟的环境中对操作可能产生的后果迅速和准确掌握，从而促进对故障的预防。

此技术还能够对事故模式和其影响实施仿真模拟。基于安全系统的分析方法，通过相关软件实施模拟，就能够找出事故过程中存在的危险因素，后借助相应的评价方法来对事故会造成的灾害后果实施定性或者定量的预测，并对流程内各个主要的设备和部件等灾害分析的情况实施明确，计算后就能够得到各灾害的事故具体影响的范围和作用的时间等，从而对事故的严重度实施衡量。同时借助此技术还能够事故发展的过程以及影响实施情境的模拟，如对爆炸的仿真中可对爆炸强度的级别人为设定，并在软件程序内输入相关的参数且和地理信息的系统结合，就能够得到事故危害的后果。

此技术能够对事故发生的几率实施预测。借助大型的计算软件利用可靠性的分析法，能够对各设备实施分析，如设备受力和腐蚀等计算，获取各设备和部件会发生的灾害情况和几率，并通过数字或者颜色等方式实施呈现。

在提出整改的对策后，按照上述的分析和计算，等到各个设备的部件得到风险的程度后，对它们风险实施综合性分析，来指导工作的场所布局和设备的参数调整等，并在危险位置实施警示标志的设置，并规范操作的程序[7]。最后，在借助这些措施对灾害发生实施处理后，借助虚拟现实的技术来对整改后的效果图进行呈现。

3.4 电力工程设计

通过虚拟现实的技术能够为电力工程的设计提供良好条件，工程设计工作可以借助程序内三维环境实施完成。在虚拟的环境内，三维的模型和场景都能够随着观察者的视角变化而变换，还能够和虚拟的环境实施信息的交流。将虚拟现实的技术和电力工程的设计实现结合，设计人员能够借助鼠标就可以完成设计工作的各个环节，对整个电力工程的建设布置实施浏览，从而实现对工程设计的整体把控。

在虚拟化工程设计系统中，首先要进行三维建模。在三维建模中，主要是将电力工程内各专业的设计内容实现实体模型的构建，对设计部分建立在统一性三维设计的环境内。在此环境内主要有隔离开关和阻波器等一些配电的装置以及土建的基础和构架建模；主变压器和电抗器等一些主变区域的设备和土建建模；对生产办公的用房建模等。然后借助此类模型实施漫游、渲染和剪辑、合成处理，就能够对变电所实现整体的漫游、浏览效果。

在完成对专业设计的内容实体的模型构建后，借助三维设计的系统内碰撞检查的功能，来对各专业内三维模型实施碰撞的检查，比如检查构架和设备支架间空间布置的冲突、道路挤占的空间；设备和设备间是否存在碰撞；借助标准人功能对设备和通道间安全距离实施检查；对导线和设备间因为悬垂或者风偏等造成安全距离的变化实施检查。通过这种技术就能够防止错误设计的发生，提升设计的质量。另外，借助模型来对工程实体仿真实施浏览，能够对设计的方案实施预览，检查设计方案合理性和完整性，来对总体布置实施优化。在符合电力设计的规范、规程和电气的设备间要求安全距离标准下，能够对电气的设备操作具有的空间以及距离实施优化，还能够对建筑物与道路交通布置方案实施优化，从而确保设计方案的最优化。