基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统

基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统

作者：胡美慧 陈淑婷 郭江涛 来源：《科学与财富》2018年第01期

摘要：文章主要以虚拟技术的变电站仿真培训系统为研究对象，首先介绍了系统整体框架，然后分析了系统的物理建模、几何建模和行为建模，并对虚拟变电站与仿真培训系统结合方法进行探究，最后阐述了虚拟变电站仿真培训系统的实现。该系统能够实现实时交互动态仿真，具有三维显示的功能，具有较高的研究价值。 关键词：虚拟现实技术；变电站；仿真培训系统 引言

变电站是电力系统的重要组成部分，在很大程度上影响着电力系统的顺利运行，因此，提升变电站人员整体素质很有必要。但是现阶段，我国大多数电力企业对变电站人员的培训水平仍然较低，不能让变电站人员在运行的设备上进行实际操作，难以真正提升员工的操作水平。因此，建立一个与变电站实际运行相似的仿真培训系统迫在眉睫。 1基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统的结构

基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统应能模拟变电站正常、异常和故障时的各种工况及操作过程，如设备巡视、设备投运、调整变压器分接头以及断路器跳闸等。在虚拟变电站内，如果受训人员的模拟操作改变了变电站的网络拓扑结构，电力系统仿真软件将自动重新计算并将仿真结果立即传送给虚拟保护自动装置，再由这些装置立即进行计算并做出正确反应。这样，模拟操作的过程和结果就与实际现场基本一致了。

基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统的整体结构如图1所示，其主要包括电力系统仿真模块、信号处理模块、输入判断模块、虚拟变电站模块、输出判断模块和用户交互模块。 下面将具体分析这几个模块：

一，虚拟变电站对于用户是可见的，用户能够直接在虚拟变电站中模拟任何操作； 二，电力系统仿真模块能够模仿变电站正常运行、故障检修等多种情况，并且电力系统仿真模块能够不断输出电压和电流信号，在建立电力系统仿真模块的过程中，应全面分析自动装置、交直流系统、变电站的一次设备及其操作机构、综合自动化系统的详细模型；

三，信号处理模块对电力系统仿真模块输出的信号进行处理，并将其送入输入判断模块；

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四，输入判断模块根据处理后的信号，判断此时虚拟设备的状态是否发生变化，并将这种变化实时地反映到虚拟变电站中；

五，输出判断模块首先判断虚拟变电站的网络拓扑结构是否发生变化，再根据所发生的变化来改变电力系统仿真模块的计算条件。

六，用户交互模块能够实现与虚拟变电站的交互，其主要用于用户操作，用户可以通过该模块模拟变电站操作，

2虚拟变电站仿真培训系统设计 2.1几何建模

虚拟变电站仿真培训系统中的虚拟设备应真实体现实际设备表面的几何特征，在具体建模的过程中，通常依据早已明确的“物体-部件-面-点”的接点结构，同时对每个节点进行建模，最后完成所有系统的建模。在变电站的背景模型上，例如树木、墙面等能够使用纹理贴图，这样不仅能够在很大程度上降低节点数目，还能够充分保留虚拟世界的真实感。 2.2物理建模

物理建模就是在建立的几何模型中，按照物理模型明确对象应具备的具体属性，同时建立相关的数学模型。 2.3行为模型

行为模型就是虚拟设备应能够真实体现实际设备运转等行为，还要确保虚拟设备与实际设备的客观规律相一致，一般通过采用外部传感器以及外部接口相连接实现行为模型。 3虚拟变电站与仿真培训系统结合方法

变电站仿真培训系统要按照变电站运行者平时的工作进行设计，模拟仿真变电站的运行工况，旨在确保培训更逼真。以网络为基础的三维造型语言中的主流是VRML，能够给予动画和三维以及交互作用，但是在具备精确计算要求的复杂领域，其计算能力和描述能力相对较弱，难以满足复杂领域的要求。所以，为达到后台仿真和模拟目的，应使用相对较强的数据处理能力语言。该部分已建立变电站仿真培训系统，并模拟和仿真变电站系统。通过VRML达到虚拟变电站的建模与接口的定义。系统采用avascript以及Java语言编写脚本，进而拓展VRML的功能，同时采用与实际系统相同的连接方式，进而完成更多的高级应用及交互，图2为虚拟变电站与仿真培训系统结构的总体框架，VRML将变电站中的控制变量输入JAVA程序，通过JAVA程序将控制变量输入变电站仿真培训系统，控制变量控制仿真培训系统并模拟系统的运行状态，再将仿真数据输出到Java程序中，控制虚拟变电站其它节点状态的变化。

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4 虚拟变电站与仿真系统的实现

虚拟变电站通过MATLAB虚拟现实工具箱中的VRSink与VRSource子模块实现与“电力系统仿真”模块的交互，其中VRSink子模块负责将信号从“电力系统仿真”模块输出到虚拟变电站，VRSource子模块负责将信号从虚拟变电站输出到“电力系统仿真”模块。以虚拟控制屏为例，其仿真系统的结构如图3所示。其中的电力系统仿真模块含有分布参数线路、断路器、电源等子模块。

用户通过点击虚拟控制屏上的控制开关，来实现对仿真系统的控制：输出判断模块判断控制开关的状态是否发生变化，并将其实时传送到电力系统仿真模块，以控制其断路器的开合；电力系统仿真模块根据断路器的状态计算电力系统仿真结果；信号处理模块根据电力系统仿真模块输出的电压及电流等信号，实时计算相应的电压、电流、无功值、有功值并将其传递给输入判断模块；输入判断模块根据输入的电流值判断系统的状态，并控制虚拟控制屏中的红、绿指示灯的显示状态；虚拟电流表、有功表和无功表，将显示信号处理模块的计算结果。 结语

文章基于虚拟现实技术设计的变电站仿真培训系统能够实现用户与虚拟变电站之间的交互，该系统能够以Windows系统作为操作平台，操作简单，经济高效，通过测试可知，文章建立的变电站仿真培训系统仿真过程较为真实，能够满足对员工的培训需求，帮助员工了解到变电站实际运行过程中可能出现的故障，进而提升变电站员工的实际操作能力。 参考文献：

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[4]冯岱鹏.地下变电站三维虚拟现实仿真培训系统的研制[D].上海交通大学，2010.