VR技術在10 kV變電教學仿真系統的應用

王大虎， 白 帆

(河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454000)

0 引 言

隨著時代的發展和科技的進步，人們越來越能體會到先進技術帶來的便利。虛擬現實(virtual reality,VR)技術，主要是利用計算機對真實的場景進行虛擬仿真模擬，使得用戶能夠獲得身臨其境的感覺。

變電是電網中重要的組成部分之一，提高變電系統工作人員的技術水平，對于保證整個電網的穩定運行，提高整個系統的經濟性都有很重要的意義[1]。20世紀90年代之后，我國開始出現了變電的仿真教學系統[2]。但是通過實際的應用，發現這些變電教學系統有很多不足之處：呈現的畫面為二維畫面，使呈現效果不生動形象；仿真要利用專門的設備去實現，導致其系統變得復雜而昂貴。

2010年，李曉莉[3]提出的一種新型仿真教學系統平臺，采用基于組件的軟件，對一、二次設備進行了全面的三維仿真；2012年，趙梓蓉[4]提出220 kV變電站仿真教學考核系統的設計和實施方案，在傳統的變電站仿真教學系統上增加了考核模塊；2017年，許春香[5]提出了采用Quert3D中豐富的預設通道技術，設計了基于Web3D環境下的變電所仿真教學系統。

本文是以某10 kV變電所為原型，將VR技術運用于10 kV變電所中，通過3ds MAX進仿模型建立，利用Unity3D完成仿真教學系統軟件的開發，仿真變電所的實際環境和運行過程，使變電站的工作人員能進一步熟悉變電的操作，更好更快的提高自己的技術水平。相較與其他技術，3ds MAX建模軟件更簡單容易上手，對設備要求低，成本低廉，同時建立的模型效果逼真，并且能與多種開發軟件結合使用；Unity3D進行軟件編寫時，界面功能強大，支持所有的主要文件格式，并且能與大部分相關應用程序協調工作，在低端硬件也能流暢的運行，同時，也容易操作，節約大量時間和成本。

1 10 kV變電教學仿真系統的設計

1.1 系統的模塊設計

10 kV變電教學系統要能模擬出來整個10 kV變電所的運行過程，包括正常、異常和事故時各個設備的工作情況，同時，也要使工作人員在進行仿真學習的時候有身臨其境的感覺，所以系統需要設計以下幾個模塊[6]：

(1) 10 kV變電所的場景仿真模塊。模擬出來10 kV變電所的整個場景，使操作人員在進行學習的時候有進行實際變電站的感覺。

(2) 對設備的實際操作模塊。使操作人員通過仿真教學系統的學習后，可以掌握設備的基本信息并且可以熟練地使用這些設備。

(3) 事故仿真模塊。根據實際情況仿真出事故現場，使操作人員在仿真學習后能更好的處理各種突發事故。

(4) 電力系統的監控模塊。通過對變電站電力系統的監控的仿真，讓操作人員可以更好地了解整個變電站的運行過程。

1.2 系統的設計流程

要實現整個系統的功能[7]，具體的流程如圖1所示，首先要對10 kV變電所進行資料收集，并且去現場進行拍照，采集信息，接著根據采集的信息和照片通過3ds MAX進行建模，然后對模型進行進一步的轉化和優化，最后將模型導入Unity3D中，實現整個系統的交互。

圖1 系統的設計流程

2 10 kV變電教學仿真系統的三維場景建模

3ds MAX是基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件，這款軟件廣泛應用于三維動畫、建筑設計、工業設計、游戲、影視以及輔助教學等領域。采用3ds MAX這款軟件，對10 kV變電所進行建模。

2.1 10 kV變電所所需的模型

根據對現場的實地考察、現場拍照情況和資料的收集[8]，將變電所的模型分為室外模型和室內模型兩個大類。對拍攝的照片進行分類，同時對資料進行整理，將室外模型和室內模型各自細化為幾個小類。

其中，室內模型經過整理分為以下幾個小類：

(1) 高壓柜類。高壓柜類分為進線柜、計量柜、PT柜、隔離柜、聯絡柜和出線柜這6種類型。6種類型的柜子相互合作，保證高壓側輸電線路的穩定輸入和輸出，維護整個電網的正常運行。

(2) 低壓柜類。低壓柜類分為進線計量柜、受電柜、補償柜、母聯柜和出線柜這5種類型。這幾種類型的柜子保證了輸電線路從高壓側向低壓側流動，再向用戶側流動，確保了整個輸電線路的安全穩定運行。

(3) 室內環境。室內環境主要包括電腦、桌子和椅子等，使建立的室內模型能更加的貼近實際，高度還原現實場景。

室外模型根據需求，分為以下幾個小類：

(1) 電纜分接箱。內含開關設備，不僅可以起到對供電線路的控制、轉化以及改變運行方式的作用，又有分接、分支的作用。

(2) 箱變。即箱式變壓器，是一種把高低壓開關配電設備，電能計算設備和無功補償設備等按照一定的方案接線在一起的成套的配電設備。

(3) 公用臺變。是由變壓器和戶外綜合配電箱組成，主要是將高電壓轉換成低電壓，并合理的分配電能，保護電路安全。

(4) 戶外環境。主要包括大門、房屋、地面等，使建立的模型場景更加形象、真實，使用戶有身臨其境的感覺。

2.2 利用3ds MAX進行建模

在3ds MAX進行建模的過程中，一般以長方體和圓柱體為原型進行建模，然后會經常使用以下幾個命令：

(1) 擠出。擠出命令是3ds MAX中最常使用的命令之一，它是以三維圖形的一個面為底，沿垂直方向擠出一個面，然后再對這個面進行操作，最后做出你想要的三維圖形。在此次設計中，基本所有的變電站模型都使用了擠出命令。

(2) 縮放。縮放命令使三維模型按一定比例去進行均勻的放大或者縮小以達到理想的設計的大小，使所做的模型和現實的模型形狀尺寸保持一致，保證模型的還原性。

(3) 對齊。在進行建模的過程中，難免會需要兩個模型緊挨在一起或者一個模型位于另一個模型的中心，這時就需要對齊命令進行操作，可以選擇X、Y、Z3個軸方向的任意一個方向對齊，同時能選擇兩個模型的最大、最小和中心對齊。

2.3 利用3ds MAX進一步轉化和優化模型

在利用圖片和收集的資料完成模型的初步建立后，還要對模型進行轉化和優化。以箱式變壓器為例，箱式變壓器的整體圖拍攝照片如圖2所示，先根據照片對它進行模型的初步建立。

建立的變壓器模型如圖3所示，雖然模型大體上已經和真正的箱式變壓器一樣，但是模型的顏色單一，和真正的物體還有一定的差距，這就需要進一步的轉化和優化。

圖2 箱式變壓器照片

(1) 貼圖特效。如何使模型變得更加逼真，這就需要從實際的照片中裁取貼圖，并且通過材質球工具貼在模型的表面，從而使模型得到進一步的優化。

(2) 烘焙特效[9-11]。初始模型面數較多，比較復雜，如果直接導入Unity3D中，會使電腦的運行內存占滿，不利于程序的運行，這時就需要烘焙特效，把原模型的貼圖效果重新烘焙到一個簡化了的模型中，這樣既能達到所需要的效果，也得大大節約了系統的內存。

(3) 光照特效。在進行烘焙特效的過程中，光照特效必不可少，光照技術是模型與模型之間光學元素傳遞的一種展示技術，如果沒有光照特效，烘焙特效就無法顯現出來，模型也不會達到預期的效果。

經過進一步的轉化和優化之后，建立的模型就可達到所需要的效果，如圖4所示，是最后完成好的箱式變壓器的模型。設計的所有模型都是按照此步驟一一完成的，最后達到的室內和室外的整體效果圖如圖5所示，基本達到預期的效果。

圖4 箱式變壓器最終完成圖

3 三維場景的交互

3.1 選擇Unity3D平臺實現人機交互

Unity3D是一個讓玩家輕松創建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合性游戲開發工作，而為了使10 kV變電所的仿真達到很逼真的效果，選擇游戲開發引擎是不錯的選擇[12]，選擇Unity3D進行仿真教學系統的開發。如圖6所示，是模型導入Unity3D的效果圖。

圖6 模型在Unity3D的效果圖

3.2 編寫C#腳本進行優化

要真正實現培訓人員與仿真教學系統中的10kV變電所的交互功能，必須要進行腳本的編寫，在Unity3D平臺中[13]，支持JS、C#以及BOO編程語言的開發，其中C#使用的范圍比較廣，使用的人也比較多，所以使用C#腳本進行開發優化[14-15]。

在編寫腳本的過程中，最常用的是前、后、左、右移動，這里用鍵盤的A、S、D、W鍵去控制在場景中的移動，其中的部分腳本程序如下：

using System.Collections;

using System.Collections.Generic;

using UnityEngine;

namespace Control

{

public class Ctrl_KeyAndMouseScenesMoving:MonoBehaviour

{

Quaternion rotation; //旋轉四元素

Public float Speed = 25; //前后左右的移動速度

void Update()

{

if (Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel") != 0)

//前后左右

if (Input.GetKey(KeyCode.A))

{

transform.Translate(-Speed * Time.deltaTime, 0, 0, Space.Self);

}

if (Input.GetKey(KeyCode.D))

{

transform.Translate(Speed * Time.deltaTime, 0,0,Space.Self);

}

if (Input.GetKey(KeyCode.W))

{

transform.Translate(0, 0, Speed * Time.deltaTime, Space.Self);

}

if (Input.GetKey(KeyCode.S))

{

transform.Translate(0, 0, -Speed * Time.deltaTime, Space.Self);

}

}

}

根據最初設計10 kV變電教學系統的需求，編寫相應的腳本文件，在Unity3D中進一步增加人機交互的功能，使整個教學系統更加完善合理。

4 最終系統測試

當系統完成前，還需要對系統的穩定性進行測試[16]，將Unity3D創建的系統生成.exe格式的文件，然后雙擊就可以進行測試，如圖7所示，系統主頁面有5個部分組成，包括系統開始要求的4個主要的模塊：電力監控、設備實操、場景漫游和事故仿真。當需要進行哪個模塊的學習的時候用鼠標點擊相應的按鈕即可，進行模塊的場景效果圖如圖8所示。當需要退出系統的時候，用鼠標點擊系統主頁面的退出按鈕即可。

圖7 系統主頁面

5 結 語

隨著時代的發展和科技水平的進步。VR技術在社會生活的各個方面都有了廣泛的應用。本文基于此，主要以10 kV變電所為主，建立一個能夠對變電所進行場景漫游、對設備進行操作、對事故能仿真處理、對電網進行監控的虛擬教學仿真系統。此教學系統滿足了用戶平時的技術需求，同時相對于傳統的教學系統，具有操作簡單、上手容易、安全可靠且價格低廉的優點，可以使工作人員在短時間內對變電所的實際工作有了更好更具體的了解，從而能使工作人員更快更好的提高工作水平。