基于虚拟现实技术的智能变电站实训仿真平台分析

2021-03-07胡晓丽吴双

电子技术与软件工程 2021年19期

胡晓丽吴双

（国网江苏省电力有限公司技能培训中心江苏省苏州市 215000）

1 基于虚拟现实技术的智能变电站实训仿真平台培训系统需求分析

当前我国智能变电站在建设实训仿真平台时，仍然存在较多缺点和不足，对此需要全面分析培训班组的具体操作习惯，以及培训系统建设的实际要素。在开发需求方面，首先需要考虑对建模平台进行功能开发与维护，特别是在实训仿真平台培训系统方面要不断强化开放与图形化，以更好的实现相关设备以及仿真系统的各项功能，帮助培训教师对参训员工进行作业检查和修改等操作。其次，需要对现有仿真部分进行元件的模型化构建，特别是在电网运行元件和运行方式等方面，需要根据电网的实际情况进行仿真调整，例如各类电网故障、行为仿真数据、现象仿真等等。第三，需要对变电站二次系统行为进行仿真，确保智能变电站的仿真平台培训系统能够更加灵活的展现系统功能，满足仿真实训平台的需要。最后要将实训仿真平台的数据与智能变电站数据等进行交互，需要满足人工干预或信号的自动化识别方式，畅通系统与设备之间的关联。

2 基于虚拟现实技术的智能变电站实训仿真平台设计分析

2.1 总体架构

在总体架构方面本文论述的，基于虚拟现实技术的智能变电站实训仿真平台设计，主要采用C/S架构模式，实训仿真平台系统中的培训教师与具体参训学员需要分别安装客户端，并通过服务器实现各类仿真数据和培训数据的传输与分析。应用C/S架构能够有效减少智能变电站实训仿真平台系统在设计特别是数据通讯等方面的资源投入，同时也能切实降低服务器运载过程中的负荷，提高仿真效果和速度，同时也能最大程度上保证信息数据的安全性和稳定性。在进行平台总体架构时需要采用 SDK程序进行设计和架构。根据信息映射机制的特点，以各类信息数据为主要基础，通过事件实现系统的驱动和消息的传递设计过程中，主要程序语言为C++，此类技术面向对象能够体现出更好的抽象性和信息传递效果。

智能变电站实训仿真平台总体架构图（图1），图中显示在开展智能变电站实训仿真平台整体架构时，需要切实搭建电网仿真平台等五大平台要素各自之间需要有效连接，进行数据和文件信息的沟通，其中也可以应用手动配置形式对智能变电站二次系统仿真培训配置平台进行建模和运算，同时也可以根据实际培训需要对其运行情况进行调整，实现对各类故障的仿真和操作行为的有效仿真。通过此类架构模式能够进一步贯通智能变电站二次系统与各平台之间的联系，并应用SCD配置文件对装置内部的各类信息数据进行实时获取和有效仿真，提升信息传递效率，营造良好的电网数据与系统内部数据实时交换的功能和作用。

图1：智能变电站实训仿真平台总体架构图

2.2 功能设计

2.2.1 设备建模平台功能设计

在设备建模平台功能设计中需要基于二次设备的功能和数据模型进行有效构建，实现二次设备建模平台的全面功能和数据模型库建设。根据仿真平台设计的需要，有些模型能够单独设立并存在，例如变电站基本元件模型、功能模型、继电器模型和二次设备模型等等。首先在基本元件模型中，需要有效把握元件的属性和方法特征，根据不同元件的实际参数，将其应用于元件建模和模型组合；其次，在基本功能模型中需要由各个元件的模型进行组合和构建，基本功能模型也是最为基础的功能单元之一，需要支持图形化的建模方式；第三在继电器模型中需要模型实现保护继电器的功能，可以支持信号名，开放定义并打造信息的有效传递功能；最后在二次设备模型中需要将不同的模型进行组合，实现关联信号的畅通和信息的有效传递。例如在线路保护模型的建构中四大模型要素的主要关系框架。不论是元件模型还是二次设备模型都要通过虚函数的多态属性进行综合，实现不同层次的功能设计和参数构建，以满足智能变电站二次设备建模平台的功能设计需要，确保整个仿真平台能够有效运转。

2.2.2 仿真培训配置平台功能设计

在针对培训平台进行设计时，要有效把握电网一次系统仿真器以及二次系统仿真器、综合控制平台、虚拟现实平台等之间的联通关系，需要着实搭建“三层两网”的结构框架，实现整个系统内部数据的实时传输与分析。其中可以应用关键词快速匹配实现不同系统和设备之间的信息交互功能，最后呈现仿真结果，应用三维虚拟现实场景的形式，统一展现给参加智能变电站系统培训的员工。

在整个仿真系统内部需要分别建构教师客户端和员工客户端，并组建服务器和虚拟现实平台等四大要素。不论是教师客户端还是员工客户端，都需要明确权限并针对间隔层、过程层等进行全面的监控，而教师所应用的客户端为统一集中控制器，拥有更高级别的设备权限，可以对站内所有的员工客户端和虚拟现实平台等进行有效控制和监控，同时也可以在模拟客户终端实现数据的生成和有效配置，也可以通过系统内部的通讯网络实现与参训学员和员工的实时通信。

在员工客户端方面，每一个参加培训的员工可以以客户端来接收各类数据，对系统仿真平台进行刷新，并与教师进行交互性通信，同时也可以直接在平台客户端中对智能变电站的整体运行情况、故障情况以及相关故障排查情况等进行全范围的仿真实验。参加培训的员工主要培训内容分为工作原理培训和系统故障检修培训两大方面，教师需要首先围绕员工的具体培训需求和类别，通过服务器传达仿真过程和仿真结果，让其能够及时传达到员工客户端之中，实现数据同步，让员工能够在个人客户端中进行虚拟现实系统的数据同步；而员工对培训任务的完成情况和反馈情况也可以通过服务器直接传输至教师客户端之中，指导实时反馈和沟通的形式能够有效贯通智能变电站实训仿真平台的应用效能。

2.3 硬件设备及开发环境

值得注意的是，基于虚拟现实技术对智能变电站实现仿真平台进行构建和分析，对电脑以及其他类型用件设备的要求更高，特别是在电脑显卡以及配置方面要进一步满足三维虚拟现实界面的构建需要。因此要选择较高性能的硬件设备，如下表所示，此类设备配置能够帮助虚拟现实技术进行运转，实现智能变电站实训仿真平台的有效构建，同时也能应用C++作为基础数据语言开展仿真平台的开发与设计，其中也可以拥有3D Max技术对各类虚拟场景进行图形化语言描述，并实现对虚拟变电站二次设备中的控制室的场景开发与场景构建。

2.4 虚拟现实场景搭建

基于虚拟现实技术的智能变电站实训仿真平台除了系统设计要素以外，同样也需要对各类现实场景进行虚拟化构建，将现实生活中的变电站设备和对象通过仿真数据和计算机语言进行数字化显示，并通过渲染技术将其进行渲染绘制、显示于设备之中。应用虚拟现实技术打造培训平台，旨在为广大参训电力员工营造更加沉浸式、现实化的培训环境，因此在虚拟现实场景搭建方面要求更高，在平台中主要可以综合参考变电站二次系统保护装置、控制终端实验室的具体构造和要素，应用虚拟现实技术建设仿真场景，并应用通信网络进行运算，实现动态场景的实时展现和立体构建，以更好的模拟智能变电站内所出现的操作和控制行为、变化故障问题等等。对设备控制室开展虚拟建构，需要对各类终端设备进行三维建模，并将原有控制室中控制设备和控制对象之间的关系如实体现于虚拟场景之中，确保各类动态变化能够遵照其现实规律，在数字空间中进行集中展现，让整个虚拟环境更加自然逼真，同时培训人员也能够应用定位器、控制手柄等实现人机交互，增强体验感和培训的应用性效果。

2.5 数据接口设计

以虚拟现实技术为基础构建智能变电站实训仿真平台，需要对多个平台进行有效构建，其中仿真建模平台、设备建模平台等为最为重要的部分，但是如何实现不同平台之间的数据传输，需要对平台数据接口进行有针对性的设计，确保客户端能够实现数据的实时通讯与沟通。在应用虚拟现实仿真培训平台时，需要将其视作整个系统的数据交换媒介和交换中心，并综合应用控制手柄、键盘、鼠标等进行人机交互和数据信息的采集。与此同时也可以应用VR头盔和其他实时传输设备如实体现三维模型的变化情况，此类变化数据来源于服务器，因此可以通过 SOCKET套接字建立平台与服务器之间的连接，以更好的获取培训内容以及相关数据，并实现将数据转化为各类变化情况在虚拟场景中进行全面展现，需要在后台应用C++设计语言编写接口代码，以满足对不同数据平台的信息传递。

2.6 终端控制室场景呈现

在场景呈现过程中，主要与Unreal Engine4引擎作为主要开发工具，综合应用C++和Blueprint编程语言进行系统程序的开发和应用。在VR硬件设备方面主要采用HTC设备为基础，本文中所研究的智能变电站实训仿真平台设计和系统构建主要以某地区变电站的二次设备终端控制室作为基础核心和要素。在应用过程中以第一视角的形式进入场景，在培训过程中参训员工需要跟随教师的引导，同样也以第一视角进入场景内部，因此在场景内需要对整个终端控制室的房间环境、材质、光源等进行真实展现，旨在最大程度上展现和还原真实场景，让参加培训的员工能够不断强化真实感觉，提高培训效果和作用。在培训开展过程中，可以将整个控制室的界面布局为能够实时进行操作的动态化界面相关模型，同样都是由三维建模进行的优化处理，在培训过程中员工和培训老师可以通过移动手柄或位置跟踪器等形式浏览整个虚拟场景的空间，实现设备操作完成培训任务。