三維虛擬仿真技術在電力設備設計中的應用

郝騰飛 李軍鋒 李曉瑩 趙永強 薛江

摘 要： 在傳統的電力設備設計過程中常出現工程數據庫支撐、數據之間關聯不暢等問題，導致各個環節間協調不夠，易出現設計失誤，造成安全隱患，嚴重影響工程進度和安全性能。隨著近年來三維虛擬仿真技術的發展，虛擬現實技術多方面的優越性日益凸顯，因此虛擬現實技術越來越多地被采用在電力設備生產設計環節并得到了良好的應用。為了解決傳統電力設備設計過程中常見的安全問題，提出結合三維虛擬現實技術對電力設備進行創新和優化的思路，并構建了三維虛擬仿真電力系統。為了驗證系統的準確性，進行仿真實驗，實驗結果表明，該系統可以更好地促進電力設備高效、安全、準確的運行。

關鍵詞： 變電站設計； 虛擬現實技術； 三維模型； 數字化移交； 安全性能； 電力系統

中圖分類號： TN915.853?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）14?0051?04

Application of 3D virtual simulation technology in power equipment design

HAO Tengfei1， LI Junfeng2， LI Xiaoying2， ZHAO Yongqiang2， XUE Jiang2

（1. Communication University of China， Nanguang College， Nanjing 211172， China；

2. Education Training Evaluation Center， Guangdong Power Grid Co.， Ltd.， Guangzhou 510520， China）

Abstract： Problems such as poor correlation between engineering database support and data often occur in the traditional design process of power equipments， which may result in insufficient coordination between various links and easy occurrence of design mistakes， cause security risks， and seriously affect the project schedule and safety performance. With the development of the 3D virtual simulation technology in recent years， the advantages of the virtual reality technology become increasingly prominent in many aspects. As a result， the virtual reality technology is more and more used in the production and design links of power equipments and has been well applied. The idea of combining the 3D virtual reality technology to innovate and optimize the power equipment is proposed， and a 3D virtual simulation power system is constructed， so as to solve the common security problems occurred during the traditional power equipment design. The simulation experiment was carried out to verify the accuracy of the system. The experimental results show that the system can better facilitate the efficient， safe and accurate operation of power equipments.

Keywords： substation design； virtual reality technology； 3D model； digitalized handover； safety performance； power system0 引 言

電力設備的安全性和實用性是電力行業中十分重要的命題。電力設備的特殊性，導致傳統的電力安全設備運行過程中經常出現設備部件關聯不暢等問題，導致系統運行效果并不十分理想，易造成安全隱患。隨著計算機仿真技術和三維虛擬現實技術的快速發展，為現代化三維虛擬仿真電力設備創新提供了新的發展途徑[1]。因此對三維虛擬仿真技術的基礎理論及應用現狀進行了深入的研究和分析后，結合電力工程作業流程和常見的電力安全事故，對虛擬現實電力安全培訓系統進行創新設計，同時對三維虛擬現實技術進行分析，建立融合互動性、實用性的電力安全系統[2]。

1 虛擬現實電力設備系統設計原理

對電力系統進行設計的重點主要包括斷路器和變壓器兩大類。由于不同結構的工作原理不同，因此建模方法也不盡相同，需要對兩類分別進行詳細的劃分[3]。斷路器是電力開關設備中最重要的整機元件，起到控制和保護電力設備的重要作用，其性能好壞及可靠程度直接影響電力設備運行的安全性和可靠性[4]。因此首先對電力設備斷路器結構框架進行分析得到圖1。

圖1展示的部分可以適當地采用三維虛擬圖像仿真技術進行建模。將斷路器結構主要分為檢修、維護、部件與原理4大模塊，以便將電力系統圖片生成虛擬環境，減少了建模的工作量[5]。

電力培訓的另一個主要分模塊電力變壓器可大體分為結構、運行、組裝和互感器4大子模塊[6]。具體結構框架如圖2所示。

根據電壓器結構框架和模擬斷路器結構對電力設備進行三維虛擬仿真設計。

首先對斷路器結構和電壓器結構進行詳細分析，在分布了解二者的工作原理的基礎上將二者進行有機結合形成完整電力設備系統[7]。在此基礎上，結合三維虛擬仿真技術對電力設備系統的場景進行分析和劃分，建立虛擬仿真技術的電力設備模型以便實現三維可視化的流程設計[8]。

2 基于三維虛擬仿真技術的電力操作系統設計

三維虛擬現實仿真技術作為一種新型現代化科技，有利于為用戶提供一個與虛擬世界直接進行通信的先進手段，將虛擬世界三維空間中的三維對象進行生動準確的展示[9]。將三維虛擬現實仿真技術與電力設備相融合，有利于提高電力設備的操作性，保障設備的安全性。結合三維虛擬顯示仿真技術可以將電力設備中的操作對象進行控制，簡化相關工作人員對電力設備的操作流程，可提高設備進行實時響應的速度，為三維實體操作提供了豐富的交互媒介[10]。三維虛擬現實仿真技術運作流程如圖3所示。

三維虛擬現實仿真技術可以通過對電力設備中各項數據的分析和傳輸對外部設備進行精準有效的控制[11]。為了方便使用，主要通過對虛擬環境中實體和視點的改變進行相應的交互操作[12]。使用者可以利用二維鼠標對三維空間中的設備部件進行控制和操縱，在操作過程中可利用計算機學中三維圖形的幾何變換原理可實現平移、旋轉等運動，并計算物體被操縱后的目標坐標值，從而完成操縱過程，以便快速地對設備部件進行變換，并獲得在交互過程中變化的動態顯示效果。系統的具體操作流程如圖4所示。

通過以上系統工作流程可有效地對虛擬仿真電力系統中生成的仿真環境進行實時跟蹤，快速獲取并執行操作者的行為與反應，實時地反饋到虛擬環境系統中，以便及時調整電力設備系統內的安全序列，并根據輸入數據計算和生成新的視景，在提高工作效率的同時保障電力設備的安全性。

3 系統檢測結果分析

為了驗證基于三維虛擬仿真技術的電力操作系統的實用性，利用虛擬現實的即時性特點通過簡單的系統瀏覽電力設備運行過程中的錯、漏、碰、缺，來對系統的合理性進行檢測。判斷該系統是否能達到通過物體旋轉和平移，在虛擬環境下對系統任意角度進行準確瀏覽以及時排查安全隱患，保障設備安全運行的設計目標。因此通過傳統電力設備視覺效果和三維虛擬仿真操作效果分別對正在運行的電力設備中某一部件進行檢測，并將檢測效果進行簡單繪制得到圖5。

通過檢測結果不難發現，傳統的電力設備視覺檢測結果存在視覺盲區，易導致在設備運作過程中難以及時發現部件運行狀態的問題。一旦出現安全隱患難以及時查找和排除，直接影響設備的運行效果甚至威脅相關工作人員的生命健康安全。而結合三維虛擬仿真技術改進后的電力設備成功地解決了上述問題。該系統可通過不同角度觀察設備結構保障系統的平穩和安全運行，方便相關工作者及時排查設備部件中可能存在的安全隱患，詳細了解設備的組成，迅速掌握有效的空間位置，合理地完成布置設計。

在電力系統中運作時，要通過相交結果判定系統碰撞情況，以便檢測系統運行的準確度，通過準確度判斷系統的安全情況。這種檢測復雜性很高，且檢測效率較低，但相對更為精確。然而，為了減少檢測復雜性，鑒于以上分析，考慮到系統運行的效率，在檢測過程中盡量減少系統中的精確碰撞檢測數目，對設備運動物體與檢測面的相交過程進行檢測來判斷系統的準確性。檢測結果如圖6所示。

通過上述檢測結果不難發現，在同等條件下，對傳統電力設備的準確度和前文提出的三維虛擬仿真電力操作系統的準確性進行檢測，發現通過前文的改進方法后該系統的精準度檢測結果明顯優于傳統方法的檢測結果，且實驗方法檢測得出的數據曲線較比傳統方法檢測曲線波動幅度較低。由此證明三維虛擬仿真技術的電力操作系統的精準度和穩定性相對較好，安全效果更加明顯。

4 結 語

從三維虛擬仿真技術入手，通過研究三維虛擬仿真技術對傳統電力設備進行創新和優化，通過多維信息空間數據映射生成相應的虛擬仿真圖像。結合虛擬仿真技術設計了三維虛擬仿真技術的電力操作系統，并在建模過程中體會到三維虛擬圖形生成在可視化中的應用。通過對電力系統中的圖形進行三維立體的顯示，來檢測電力設備系統準確性，檢測結果證實該系統可有效提高電力設備的安全性和準確性，彌補傳統電力系統中存在的安全隱患等問題。

參考文獻

[1] 閆沖，曾冬銘，董子和，等.三維虛擬仿真技術在鋰離子電池實驗教學中的應用[J].化學教育，2017，38（14）：57?60.

YAN Chong， ZENG Dongming， DONG Zihe， et al. Application of 3D virtual simulation technology in experiment teaching of lithium ion battery [J]. Chinese journal of chemical education， 2017， 38（14）： 57?60.

[2] 陳國強，李倩倩.基于3D虛擬仿真技術的服裝設計應用研究[J].紡織科技進展，2017，24（9）：49?50.

CHEN Guoqiang， LI Qianqian. Application research on costume design based on 3D virtual simulation technology [J]. Progress in textile science & technology， 2017， 24（9）： 49?50.

[3] 楊柏松，鄭桂彬，李長庚.三維仿真技術在電力工程試驗中的應用[J].中國教育技術裝備，2015，24（16）：148?150.

YANG Baisong， ZHENG Guibin， LI Changgeng. 3D simulation technology in application of electric power engineering test [J]. China educational technology & equipment， 2015， 24（16）： 148?150.

[4] 陳忠，何毅廷.高低壓倒閘操作三維仿真培訓系統的研發[J].廣東水利電力職業技術學院學報，2017（1）：30?32.

CHEN Zhong， HE Yiting. Research and development of 3D simulation training system for high?low voltage switching operation [J]. Journal of Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering， 2017（1）： 30?32.

[5] 史耕金.虛擬現實在發電機檢修培訓系統設計中的應用[J].計算機仿真，2017，34（7）：170?173.

SHI Gengjin. The application of virtual reality in generator maintenance training system design [J]. Computer simulation， 2017， 34（7）： 170?173.

[6] 李彥江，譚沖，呂建婷，等.三維虛擬仿真系統在實驗教學中的應用[J].高師理科學刊，2016，36（4）：59?61.

LI Yanjiang， TAN Chong， L? Jianting， et al. Application of 3D virtual simulation system in the experimental teaching [J]. Journal of science of teacher′ college and university， 2016， 36（4）： 59?61.

[7] 方貴盛，王洪發.多孔溢流壩泄流三維虛擬仿真[J].系統仿真學報，2015，27（10）：2567?2574.

FANG Guisheng， WANG Hongfa. Three?dimensional virtual simulation of overflow dam [J]. Journal of system simulation， 2015， 27（10）： 2567?2574.

[8] 羅海霞.虛擬仿真技術在高職電力電子技術課程中的應用[J].電腦知識與技術，2015，11（29）：183?184.

LUO Haixia. Application of virtual simulation technology in power electronics technology course [J]. Computer knowledge and technology， 2015， 11（29）： 183?184.

[9] 黃珍珍，陳東生.基于三維建模技術的畬鄉女裝虛擬仿真設計[J].服裝學報，2017，2（5）：407?410.

HUANG Zhenzhen， CHEN Dongsheng. Virtual simulation design of SHE nationality women′s clothing based on 3D modeling technology [J]. Journal of clothing research， 2017， 2（5）： 407?410.

[10] 丁金華，劉暢，李明穎，等.三維虛擬現實機電設備控制仿真系統[J].實驗技術與管理，2016，33（9）：106?110.

DING Jinhua， LIU Chang， LI Mingying， et al. 3D virtual reality control simulation system of mechanical and electrical equipment [J]. Experimental technology and management， 2016， 33（9）： 106?110.

[11] 楊啟貴.水利工程虛擬仿真技術應用研究[J].人民長江，2015，46（21）：61?64.

YANG Qigui. Application research on virtual simulation technology in water conservancy projects [J]. Yangtze river， 2015， 46（21）： 61?64.

[12] 王大虎，盧正帥，賈倩.塔架式抽油機安裝培訓虛擬仿真系統開發[J].電子測量技術，2017，40（5）：95?98.

WANG Dahu， LU Zhengshuai， JIA Qian. Development of virtual simulation system for oil pumping unit installation and training [J]. Electronic measurement technology， 2017， 40（5）： 95?98.