220kV變電站三維仿真系統的應用

王 彥 尹福榮 李紅軍 張志生

(云南電網公司西雙版納供電局，云南 景洪 666100)

1 前言

220kV景洪變電站是版納電網與省網相連的樞紐變電站，本站三維仿真系統是一個通過三維建模技術、虛擬現實技術、多媒體表現技術及C++程序開發應用相結合的一個綜合風險辨識管理及變電仿真的應用平臺。變電站三維仿真與安全風險可視化結合的應用研究作為一個風險管理及仿真培訓與一體的綜合平臺，以安全風險可視化管理應用為主要目的，通過風險數據管理與三維虛擬場景結合，可視化動態顯示設備危險點及危險信息，并與生產管理信息系統建立實時數據鏈接，在查看設備危險點信息時同時可查看設備臺賬及缺陷信息。

該系統針對目前變電運行設備操作培訓提出了可視化及模擬真實操作的解決方案。通過桌面應用系統真實再現變電站運行情況，包括現場一次設備、二次保護、開關室等運行工作中經常操作設備。并與電力業務相結合，形成真實的變電站仿真培訓系統。

2 系統總體設計

2.1 平臺技術構架

對應于系統業務架構的設置，系統的技術結構劃分為表現層、業余邏輯層和數據訪問層三層。

數據庫訪問層:數據庫訪問層根據訪問的數據源的特性采用三種不同的數據訪問技術，包括WebServices數據訪問接口、ADO數據庫訪問技術和MSXML文件解析器。其中WebServices主要針對生產管理信息系統的設備臺賬、缺陷等基礎數據，以確保設備基礎數據接口的規范性和安全性，采用開源的C++WebServices開發工具gSoap來實現。對于訪問本地的Oracle數據庫，系統采用了微軟的數據源存取組件ADO(ActiveX Data Objects)。系統的本地數據采用XML文件保存，這部分數據通過XML解析工具存取。

業務邏輯層:業務邏輯層由MFC和腳本語言兩個部分配合實現，MFC應用程序框架包含了豐富的基礎類和靈活的消息處理機制，主要負責處理后臺、二維界面和部分三維場景的業務邏輯以及總體流程的控制。VRP虛擬現實平臺腳本語言配合MFC框架實現三維場景切換、動畫播放和模型動作等功能。

界面展現層:界面展現層二維部分包括二維界面、瀏覽器界面、flash播放界面三部分，其中二維界面通過Windows底層SDK工具包提供的圖形設備接口 (GDI)實現，并通過MFC的消息處理機制響應用戶的界面請求。瀏覽器界面和flash播放界面通過調用Windows提供的ActiveX控件實現Web界面的展現和flash文件的播放。三維界面通過將VRP虛擬現實三維圖形引擎嵌入到MFC框架中實現。

2.2 系統功能框架

圖1 系統業務構架圖

1)數據層:數據層分為外部數據和本地數據兩部分，外部數據包括設備臺賬、設備缺陷數據，這兩類數據通過數據整合平臺的WebServices服務接口從生產管理信息系統讀取，本地數據主要指與系統業務邏輯相關的基礎數據以及用戶針對某些功能創建的數據，包括設備風險數據、模型數據、案例數據和邏輯數據，其中風險數據和邏輯數據通過由用戶維護，其他數據固化在系統中。外部數據通過信息管理模塊獲取并通過界面層的二維展現模塊展現，現場模擬和仿真培訓模塊從本地數據獲取各功能所需的數據進行初始化、解析和處理等操作。

2)邏輯層:邏輯層主要包括一次設備電氣邏輯、二次設備操作邏輯以及一兩次設備關聯邏輯，這些邏輯作為設備對象的附加屬性存在并影響設備對象的行為以及用戶的操作。

3)業務層:除信息管理模塊外業務層的其他模塊建立在邏輯層的基礎之上，實現現場模擬和仿真培訓等功能。

4)界面層:界面層分為二維界面和三維界面兩種表現形式，除表現功能外界面層還需向業務層傳遞用戶的操作事件并根據業務層請求做相應的改變。

2.3 系統網絡拓撲設計

本系統采用C/S模式，所有業務功能在客戶端實現，服務端維護客戶端的共享數據。網絡中涉及三種類型的節點，客戶端、本地數據庫和生產管理信息系統。其中客戶端作為數據訪問的主體訪問其余兩個節點，本地數據庫存儲所有共享數據以及設備臺賬和缺陷數據的副本，生產管理信息系統則作為設備臺賬和缺陷數據的數據源。本地數據庫和客戶端使用供電局內部網絡互聯，同時客戶端通過供電局內部網網關連接生產管理信息系統，本地數據庫和生產信息管理系統的數據同步需通過客戶端實現。

圖2 網絡設計方案圖

3 采用的關鍵技術

1)環境建模技術:利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型，在計算機中變電運行人員與該模型可以進行交互，并產生與變電運行中真實世界中相同的反饋信息，例如天氣情況變化、設備事故現象等。

2)立體顯示技術:在虛擬現實技術中的變電站三維場景顯示的圖像要隨觀察者眼睛位置的變化而變化。能快速生成圖像以獲和實時感，系統生成的畫面達到30幀/秒以上。有了這樣的圖像生成能力。

3)交互技術:系統通過獲取實際三維環境的三維數據，包括設備臺賬信息、設備風險信息、設備操作等，在虛擬場景中通過人機交互與游戲交互技術，使用戶很快能獲得自己所需信息。

4)系統集成技術:由于虛擬現實系統中包括大量的感知信息和模型，因此系統的集成技術為重中之重:包括信息同步技術、模型標定技術、數據轉換技術、識別和合成技術等等。

5)特點:

a.建立三維虛擬現實場景。

b.建立風險辨識管理庫。

c.虛擬現實技術與多媒體技術集合應用。

d.動態生成現場工作布置環境。

e.實現培訓題庫管理。

4 結論

綜上所述，220kV變電站三維仿真系統通過使用虛擬現實技術與風險安全庫管理結合應用，在變電站場景中直觀展現出了變電運行中設備的風險序數、風險類型、風險情況及措施等，使變電運行人員在工作前清楚的分辨出未來工作中的風險情況，提前做好安全準備。系統利用虛擬現實良好的表現效果，與電力業務進行結合，再現了變電運行中各種工作狀況，包括設備巡視、工作現場模擬、事故處理等。為變電運行人員的培訓提供很好的基礎。今后將繼續對變電站三維仿真與安全風險可視化結合的應用研究的實用性、穩定性、全面性及可拓展性等方面做持續改進，持續優化系統功能，變電站三維仿真與安全風險可視化結合的應用研究將為數字化電網的建設奠定堅實的信息化基礎。

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