220kV變電站三維仿真系統(tǒng)的應(yīng)用

王 彥 尹福榮 李紅軍 張志生

(云南電網(wǎng)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(wǎng)與省網(wǎng)相連的樞紐變電站，本站三維仿真系統(tǒng)是一個(gè)通過三維建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多媒體表現(xiàn)技術(shù)及C++程序開發(fā)應(yīng)用相結(jié)合的一個(gè)綜合風(fēng)險(xiǎn)辨識管理及變電仿真的應(yīng)用平臺。變電站三維仿真與安全風(fēng)險(xiǎn)可視化結(jié)合的應(yīng)用研究作為一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)管理及仿真培訓(xùn)與一體的綜合平臺，以安全風(fēng)險(xiǎn)可視化管理應(yīng)用為主要目的，通過風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)管理與三維虛擬場景結(jié)合，可視化動(dòng)態(tài)顯示設(shè)備危險(xiǎn)點(diǎn)及危險(xiǎn)信息，并與生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈接，在查看設(shè)備危險(xiǎn)點(diǎn)信息時(shí)同時(shí)可查看設(shè)備臺賬及缺陷信息。

該系統(tǒng)針對目前變電運(yùn)行設(shè)備操作培訓(xùn)提出了可視化及模擬真實(shí)操作的解決方案。通過桌面應(yīng)用系統(tǒng)真實(shí)再現(xiàn)變電站運(yùn)行情況，包括現(xiàn)場一次設(shè)備、二次保護(hù)、開關(guān)室等運(yùn)行工作中經(jīng)常操作設(shè)備。并與電力業(yè)務(wù)相結(jié)合，形成真實(shí)的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 平臺技術(shù)構(gòu)架

對應(yīng)于系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)的設(shè)置，系統(tǒng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)劃分為表現(xiàn)層、業(yè)余邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層三層。

數(shù)據(jù)庫訪問層:數(shù)據(jù)庫訪問層根據(jù)訪問的數(shù)據(jù)源的特性采用三種不同的數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，包括WebServices數(shù)據(jù)訪問接口、ADO數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)和MSXML文件解析器。其中WebServices主要針對生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)的設(shè)備臺賬、缺陷等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以確保設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)接口的規(guī)范性和安全性，采用開源的C++WebServices開發(fā)工具gSoap來實(shí)現(xiàn)。對于訪問本地的Oracle數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)采用了微軟的數(shù)據(jù)源存取組件ADO(ActiveX Data Objects)。系統(tǒng)的本地?cái)?shù)據(jù)采用XML文件保存，這部分?jǐn)?shù)據(jù)通過XML解析工具存取。

業(yè)務(wù)邏輯層:業(yè)務(wù)邏輯層由MFC和腳本語言兩個(gè)部分配合實(shí)現(xiàn)，MFC應(yīng)用程序框架包含了豐富的基礎(chǔ)類和靈活的消息處理機(jī)制，主要負(fù)責(zé)處理后臺、二維界面和部分三維場景的業(yè)務(wù)邏輯以及總體流程的控制。VRP虛擬現(xiàn)實(shí)平臺腳本語言配合MFC框架實(shí)現(xiàn)三維場景切換、動(dòng)畫播放和模型動(dòng)作等功能。

界面展現(xiàn)層:界面展現(xiàn)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(shè)備接口 (GDI)實(shí)現(xiàn)，并通過MFC的消息處理機(jī)制響應(yīng)用戶的界面請求。瀏覽器界面和flash播放界面通過調(diào)用Windows提供的ActiveX控件實(shí)現(xiàn)Web界面的展現(xiàn)和flash文件的播放。三維界面通過將VRP虛擬現(xiàn)實(shí)三維圖形引擎嵌入到MFC框架中實(shí)現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)功能框架

圖1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)構(gòu)架圖

1)數(shù)據(jù)層:數(shù)據(jù)層分為外部數(shù)據(jù)和本地?cái)?shù)據(jù)兩部分，外部數(shù)據(jù)包括設(shè)備臺賬、設(shè)備缺陷數(shù)據(jù)，這兩類數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)整合平臺的WebServices服務(wù)接口從生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)讀取，本地?cái)?shù)據(jù)主要指與系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及用戶針對某些功能創(chuàng)建的數(shù)據(jù)，包括設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、案例數(shù)據(jù)和邏輯數(shù)據(jù)，其中風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)和邏輯數(shù)據(jù)通過由用戶維護(hù)，其他數(shù)據(jù)固化在系統(tǒng)中。外部數(shù)據(jù)通過信息管理模塊獲取并通過界面層的二維展現(xiàn)模塊展現(xiàn)，現(xiàn)場模擬和仿真培訓(xùn)模塊從本地?cái)?shù)據(jù)獲取各功能所需的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)備電氣邏輯、二次設(shè)備操作邏輯以及一兩次設(shè)備關(guān)聯(lián)邏輯，這些邏輯作為設(shè)備對象的附加屬性存在并影響設(shè)備對象的行為以及用戶的操作。

3)業(yè)務(wù)層:除信息管理模塊外業(yè)務(wù)層的其他模塊建立在邏輯層的基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場模擬和仿真培訓(xùn)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(xiàn)形式，除表現(xiàn)功能外界面層還需向業(yè)務(wù)層傳遞用戶的操作事件并根據(jù)業(yè)務(wù)層請求做相應(yīng)的改變。

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用C/S模式，所有業(yè)務(wù)功能在客戶端實(shí)現(xiàn)，服務(wù)端維護(hù)客戶端的共享數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)中涉及三種類型的節(jié)點(diǎn)，客戶端、本地?cái)?shù)據(jù)庫和生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)。其中客戶端作為數(shù)據(jù)訪問的主體訪問其余兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，本地?cái)?shù)據(jù)庫存儲(chǔ)所有共享數(shù)據(jù)以及設(shè)備臺賬和缺陷數(shù)據(jù)的副本，生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)則作為設(shè)備臺賬和缺陷數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源。本地?cái)?shù)據(jù)庫和客戶端使用供電局內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，同時(shí)客戶端通過供電局內(nèi)部網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連接生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)，本地?cái)?shù)據(jù)庫和生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步需通過客戶端實(shí)現(xiàn)。

圖2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案圖

3 采用的關(guān)鍵技術(shù)

1)環(huán)境建模技術(shù):利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型，在計(jì)算機(jī)中變電運(yùn)行人員與該模型可以進(jìn)行交互，并產(chǎn)生與變電運(yùn)行中真實(shí)世界中相同的反饋信息，例如天氣情況變化、設(shè)備事故現(xiàn)象等。

2)立體顯示技術(shù):在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(shí)時(shí)感，系統(tǒng)生成的畫面達(dá)到30幀/秒以上。有了這樣的圖像生成能力。

3)交互技術(shù):系統(tǒng)通過獲取實(shí)際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，包括設(shè)備臺賬信息、設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)信息、設(shè)備操作等，在虛擬場景中通過人機(jī)交互與游戲交互技術(shù)，使用戶很快能獲得自己所需信息。

4)系統(tǒng)集成技術(shù):由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)為重中之重:包括信息同步技術(shù)、模型標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、識別和合成技術(shù)等等。

5)特點(diǎn):

a.建立三維虛擬現(xiàn)實(shí)場景。

b.建立風(fēng)險(xiǎn)辨識管理庫。

c.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與多媒體技術(shù)集合應(yīng)用。

d.動(dòng)態(tài)生成現(xiàn)場工作布置環(huán)境。

e.實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)題庫管理。

4 結(jié)論

綜上所述，220kV變電站三維仿真系統(tǒng)通過使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與風(fēng)險(xiǎn)安全庫管理結(jié)合應(yīng)用，在變電站場景中直觀展現(xiàn)出了變電運(yùn)行中設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)序數(shù)、風(fēng)險(xiǎn)類型、風(fēng)險(xiǎn)情況及措施等，使變電運(yùn)行人員在工作前清楚的分辨出未來工作中的風(fēng)險(xiǎn)情況，提前做好安全準(zhǔn)備。系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)良好的表現(xiàn)效果，與電力業(yè)務(wù)進(jìn)行結(jié)合，再現(xiàn)了變電運(yùn)行中各種工作狀況，包括設(shè)備巡視、工作現(xiàn)場模擬、事故處理等。為變電運(yùn)行人員的培訓(xùn)提供很好的基礎(chǔ)。今后將繼續(xù)對變電站三維仿真與安全風(fēng)險(xiǎn)可視化結(jié)合的應(yīng)用研究的實(shí)用性、穩(wěn)定性、全面性及可拓展性等方面做持續(xù)改進(jìn)，持續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)功能，變電站三維仿真與安全風(fēng)險(xiǎn)可視化結(jié)合的應(yīng)用研究將為數(shù)字化電網(wǎng)的建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的信息化基礎(chǔ)。

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