基于Vega Prime的油浸式電流互感器可視化仿真系統設計

彭柯 董秀成 代莎

關鍵詞： 電流互感器; 多邊形減面算法; 可視化仿真; 虛擬現實; 虛擬組裝; 系統優化

中圖分類號： TN02?34; TM7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）05?0107?04

Design of oil?immersed current transformer visualized simulation system

based on Vega Prime

PENG Ke， DONG Xiucheng， DAI Sha

（School of Electrical Engineering and Electronic Information， Xihua University， Chengdu 610039， China）

Abstract： An oil?immersed current transformer visualized simulation system combining oil?immersed current transformer with virtual reality was designed in this paper. The current transformer is modeled in Solid Works. The MaxScript in 3DS MAX software platform is used to program the Stan Melax polygon reduction algorithm and its improved algorithm. Each assembly unit applied in current transformer is optimized to reduce the triangular facet and point， and improve the optimization speed while maintaining the model features. A visualized simulation system based on multi?threading technology was designed， and its corresponding function was implemented by using 3D visual simulation software platform Vega Prime， and combining development features of MFC application program.

Keywords： current transformer; polygon reduction algorithm; visualized simulation; virtual reality; virtual assembly; system optimization

變電站設備的運行情況直接影響著變電站的安全運行。由于變電站設備具有高危險性和不可輕易停電等特殊性，傳統的培訓方式在電力系統應用的效果不是很理想[1]。

隨著經濟及三維技術的快速發展，三維可視化技術也廣泛應用于電力設備仿真領域[2]，人們通過鍵盤和鼠標操作就可輕松實現與系統的交互。本文設計了電流互感器可視化仿真系統，從視覺和交互方式等方面為變電站運行人員構建逼真的虛擬環境，為用戶提供非常直觀的體驗，可有效提高培訓質量。

1 ?系統總體設計

系統設計總流程圖如圖1所示。整個系統分為場景建模和場景驅動。場景建模主要完成模型的建模、減面算法的應用等;場景驅動主要完成人機交互的工作，通過對Vega Prime的二次開發調用API函數，運用VC平臺里的MFC進行編程。

2 ?電流互感器模型的建立

2.1 ?建 ?模

在Solid Works中選取基準面進行草圖繪制，通過旋轉、拉伸、切除等各種特征實現三維建模。將零部件通過重合、同軸心、平行等配合約束關系裝配成電流互感器。

2.2 ?模型優化

電流互感器模型含有71 983個頂點，143 267個三角面，會影響軟件的加載時間、運行速度、實時渲染的速度和質量[3]，需對模型進行優化，本文采用Stan Melax多邊形減面算法對其進行改進。Stan Melax多邊形減面算法的主要思想：對于在同一平面上的表面，只需要很少的多邊形就可以表示[4]，同時高度彎曲的曲面則需更多的多邊形表示。一條邊是否要坍塌，取決于它的邊長與曲率值的乘積。Stan Melax對于頂點的重要度權值用塌陷值Cost表示，是邊的邊長與其曲率值的乘積。此算法通過焊接塌陷值小的點來完成減面。方程式如下：

運用3DS MAX軟件內部的MaxScript腳本完成算法的編寫以及界面的優化設計，如圖2所示。其中，優化比例為優化后的點數與優化前的點數的比值。

原算法運行一次只能焊接一個頂點，程序每一次循環都需要遍歷所有頂點，使得程序運行工作量很大，耗時長。本文對該算法進行改進，使運行時間縮短一半。表1展示的是改進算法前后對小瓷套部件的耗時比較。

對比圖3，圖4可知，通過運用該算法，優化后的小瓷套模型信息保存完整，且點數和面數降低。對電流互感器的各個模型進行優化，優化前后總點數和總面數見表2。

3 ?110 kV油浸式電流互感器可視化仿真系統的實現

本文設計的110 kV油浸式電流互感器可視化仿真系統主要包括界面部分、控制區部分和部件拆卸操作部分。本文通過Vega Prime軟件平臺進行相應的開發，通過C++語言應用程序接口API調用Vega Prime的ACF文件，而ACF文件包含并配置了電流互感器模型，通過代碼編寫能驅動或者設置這些模型的位置姿態，從而實現電流互感器的交互效果，使構建的電流互感器可視化虛擬環境更加逼真，更具有沉浸感[5]。

3.1 ?Vega Prime應用

Vega Prime是由美國Multigen?Paradigm公司開發的一個實時三維驅動的工具包，可以跨平臺操作，可識別、驅動、控制與管理由Creator中建立或導出的模型與場景[6]。一個典型的Vega Prime應用程序的工作流程主要包括如下5個步驟：

1） 初始化：初始化靜態變量和模塊界面等[7]。

2） 定義語句：加載已經配置好的ACF文件，ACF文件能自動轉為C++程序[8]。

3） 配置：基于定義的值來配置系統，設置對象類實例之間的關聯關系，并配置激活的模塊[9]。

4） 幀循環：對于每個幀循環的周期，應用程序產生新的一幀，包括載入新場景、將眼點移動到新的位置和重新計算仿真時間等[9]。

5） 關閉：清除場景中的對象內存，釋放結束整個程序。

3.2 ?基于MFC的Vega Prime應用程序

基于MFC對話框結構的應用程序開發早已成熟，并向用戶提供了大量、功能齊全的API接口函數，而Vega Prime和C++的API完全兼容[10]。

在MFC對話框里啟動一個工作者線程，在線程的主函數里初始化Vega Prime和執行主循環[7]。在MFC框架的視圖類中添加負責開啟該線程的成員函數，利用API函數AfxBeginThread開啟線程并同時將該視圖類的指針作為線程函數的輸入參數傳送到該線程中，將窗口句柄傳給setParent（），便能在該窗口顯示Vega Prime的場景[7]。

4 ?效果展示

對運用減面算法前系統加載時間與運用算法后系統加載時間進行對比，優化前需要等待11 s，而優化后等待1 s就可實現，大大縮短了系統加載時間，提高了效率。本文所設計的電流互感器可視化仿真系統，人機交互過程主要靠鼠標和鍵盤來完成，即由鼠標和鍵盤輸入信息，然后由電腦顯示器輸出結果。系統中的交互行為主要包括電流互感器整體和部件的移動和轉動、電流互感器的組裝等。

圖5為系統的組裝操作部分，碰撞檢測通過設定物體移動范圍來完成。如圖5所示，被拖拽的物體會加亮顯示，利用鼠標和鍵盤兩種方式將兩個部件組裝在一起。

5 ?結 ?語

本文設計的油浸式電流互感器可視化仿真系統為桌面式虛擬現實系統。在靜態的三維可視化基礎上通過人機交互技術，可以完整地展示電流互感器工作原理、工作過程、檢修和維護方法，具有極強的實用性。利用鼠標和鍵盤的簡單操作就能獲取電流互感器的相關知識、工作原理、內部構造等信息，為培訓人員提供了方便。同時，在一般的可視化仿真系統的基礎上增加了使用3DS MAX腳本編寫減面算法，提供了優化界面，實時觀察模型信息的完整度，找出最合適的優化比例。通過對Stan Melax提出算法的改進，在保持模型特征的同時大大縮短了優化時間，該算法的加入為可視化系統減少了加載時間，提高了效率。

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