牽引變電所三維演示培訓(xùn)系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

張陳擎宇， 陳德明(西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都　610031)

0　引　言

變電站是電力系統(tǒng)中的貴重關(guān)鍵設(shè)備，其涉及電力供應(yīng)安全與否，對國民經(jīng)濟發(fā)展與人民生活影響重大。而變電站的特殊環(huán)境必然使得技術(shù)人員不可能通過停用實際設(shè)備來進行學習，這就使得工人在正常操作和事故判斷和處理方面的專業(yè)能力難以提高。隨著計算機科學的飛速發(fā)展，變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)(Substation Training Simulator)作為變電站培訓(xùn)的一種新型的有效手段，其實用性得到行業(yè)各界的認可[1-3]。傳統(tǒng)的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)通常以接線圖、數(shù)字圖表、設(shè)備照片和現(xiàn)場錄像方式等常規(guī)多媒體方式作為表現(xiàn)手段，缺少場景互動，難以調(diào)動學員的積極性?；谔摂M現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality, VR)的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)創(chuàng)造了沉浸式的三維虛擬環(huán)境，豐富的交互式功能能讓學員產(chǎn)生濃厚學習興趣，使培訓(xùn)質(zhì)量得到極大保障。就目前來看，加拿大已經(jīng)開發(fā)出較為成熟的虛擬變電站三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[4]，我國在這方面研究也取得了一定的成果[5-7]。

現(xiàn)今的VR環(huán)境變電站培訓(xùn)系統(tǒng)仍存在一定的缺陷，如環(huán)境建模粗糙、交互功能不夠完善、運行和故障原理演示動畫的缺失等。本文針對這些不足展開研究工作，并取得了初步的成果。

1　培訓(xùn)系統(tǒng)總體設(shè)計

本文開發(fā)的系統(tǒng)主要涉及牽引變電所室外設(shè)備的三維仿真及其相關(guān)交互功能，對一次側(cè)的主要電氣設(shè)備如變壓器、斷路器、互感器、隔離開關(guān)、避雷器等進行場景建模，利用OpenSceneGraph(以下簡稱OSG)對變電站虛擬環(huán)境進行節(jié)點組織管理和層次細節(jié)優(yōu)化(Level of Detail，LOD)，再進行數(shù)據(jù)庫對接，以實現(xiàn)虛擬場景的人機交互，利用邏輯變量實時仿真設(shè)備的正常、故障的運行狀態(tài)。此外，OSG還提供了豐富的可擴展對象庫，用于增強場景真實感，如設(shè)備出現(xiàn)短路故障時出現(xiàn)的高壓放電電弧等動態(tài)現(xiàn)象均可以通過粒子系統(tǒng)配合相應(yīng)的實時算法進行構(gòu)建。另外，為確保場景的實時高效性，應(yīng)盡量減少復(fù)雜體系的動態(tài)模型仿真，提高系統(tǒng)渲染效率。在系統(tǒng)交互窗口模式下，用戶僅需通過簡單的鼠標或鍵盤操作，實現(xiàn)環(huán)境巡檢、設(shè)備開閉、對象拾取、故障演示等功能，圖1為培訓(xùn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。

圖1　培訓(xùn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2　虛擬環(huán)境建模和場景組織

精細的模型會大大增加虛擬環(huán)境的真實程度，讓用戶的沉浸感得到進一步提升。本文擬參照中南通道220 kV/27.5 kV重載牽引變電所實例，搭建虛擬場景模型，包括兩臺V/X油浸式主變壓器、主變繼電保護裝置、高低壓側(cè)線路互感器、繼電器、斷路器、隔離開關(guān)、避雷器等，以及外圍環(huán)境的構(gòu)建，如線路桿塔、廠房外形、電站圍墻和碎石地面等。模型設(shè)計主要采用以點、線、面描述物體形態(tài)結(jié)構(gòu)的多邊形建模方式，它是3dsMax最佳的一種建模手段[8]，在制作過程中可以最大限度地降低模型的復(fù)雜程度且能夠控制模型構(gòu)成的面數(shù)，有效地提高了可視化系統(tǒng)實時渲染的速度。如圖2所示，在牽引變電所中大量重復(fù)的模型，通常采用實例的命令進行量產(chǎn)，以減小場景模型的計算量，提升渲染出圖效率。在構(gòu)建了以點、線、面為基礎(chǔ)的形態(tài)模型之后，還需對虛擬場景添加合適的燈光、材質(zhì)、貼圖等，使線框模型具備物理世界的顏色、光澤、質(zhì)感[9]。

圖2　牽引變電所場景三維模型

圖3　LOD模型調(diào)度原理示意圖

牽引變電所虛擬環(huán)境采用基于電氣連接特性的空間N叉樹結(jié)構(gòu)在OSG中進行場景組織和管理，其規(guī)則是：以母線為緯，以電氣單元為經(jīng)，以斷路器為基準，按接線順序排列[10]。場景內(nèi)一般具備較多的電氣設(shè)備，空間布局十分復(fù)雜。本文建立的虛擬牽引變電所環(huán)境模型的多邊形面片數(shù)超過600萬，若在開發(fā)的系統(tǒng)界面中同時渲染出這些模型，則會遠遠超出計算機的處理能力，無法滿足系統(tǒng)的實時交互要求達到15 幀/秒～25 幀/秒的速率。為此對場景進行LOD優(yōu)化是十分有必要的。在優(yōu)化處理后的實時窗口界面中，系統(tǒng)并不會同時加載所有的模型，而是按照一定的算法進行渲染。本文擬采用的設(shè)計方案是僅渲染以視口所在位置為圓心，某個特定的距離Δr為半徑的場景模型，如圖3所示：LOD1區(qū)域顯示精細模型，LOD2區(qū)域顯示粗糙模型，Hidden區(qū)域所有模型不參與渲染或者渲染后隱藏。而OSG擴展庫中提供了LOD類，可以實現(xiàn)基于視點距離(osg::LOD::DISTANCE_FROM_EYE_POINT)等模型調(diào)度算法。

3　培訓(xùn)系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1　場景自由漫游

通過osgGA:MatrixManipulator類在虛擬環(huán)境中添加一臺攝影機作為其交互視口，其位置和朝向用不同的矩陣描述；同時操作器還需響應(yīng)事件，且具備視口矩陣操作的功能。osgGA::GUIEventHandler作為事件適配器，定義了包括鼠標和鍵盤狀態(tài)等在內(nèi)的所有與事件有關(guān)的變量，而handle函數(shù)則根據(jù)不同的外部響應(yīng)判斷需處理的事件類型。當新事件發(fā)生時，handle函數(shù)應(yīng)根據(jù)自定義規(guī)則對視口矩陣參數(shù)進行更改，從而實時更新場景渲染狀態(tài)[11]。此外，操作器還需具備碰撞檢測模塊，在靠近大型設(shè)備后停止移動。該模塊的設(shè)計通常采用“線/體”檢測方法，運用osgUtil::IntersectVisitor.hits檢測沿視點反向發(fā)出的射線是否與場景模型的包圍體有交點，如果有則開啟碰撞檢測相關(guān)函數(shù)，沒有則繼續(xù)移動[12]。操作器變量代碼如下：

void changePosition(osg::Vec3 delta); //改變坐標參數(shù)的函數(shù)

bool m_bPeng; //是否開啟碰撞檢測

osg::Vec3 m_vPosition; //視點當前位置

osg::Vec3 m_vRotation; //視點當前朝向

int m_vMoveStep; //移動步長

float m_vRotateStep; //旋轉(zhuǎn)角度

3.2　場景設(shè)備交互操作

圖4　隔離開關(guān)分合閘效果圖

如圖4所示，在實現(xiàn)場景漫游的基礎(chǔ)上，還需增設(shè)相關(guān)交互功能，如真實變電站中對主變端子箱、開關(guān)操作桿的控制行為等。以手動控制隔離開關(guān)刀閘位置為例，打開機構(gòu)箱后插入操作桿，可實現(xiàn)隔離開關(guān)的分合閘。通過OSG編程對鼠標點選操作進行響應(yīng)，并觸發(fā)機構(gòu)箱門的旋轉(zhuǎn)開啟動作；包圍體相交檢測集函數(shù)作為操作桿與箱體是否接觸的判斷依據(jù)，若存在交點則執(zhí)行隔離開關(guān)刀閘位置變更的相關(guān)程序。

對場景模型的節(jié)點進行相關(guān)矩陣乘法計算，就能實現(xiàn)平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等常用變換功能[13]。OSG將添加到虛擬場景的矩陣視為一類特殊的節(jié)點，通過osg::MatrixTransform類進行控制。刀閘旋轉(zhuǎn)變換的主程序結(jié)構(gòu)如下：

osg::ref_ptrDisconnector = osgDB::readNodeFile(“Disconnector.osg”);

osg::ref_ptrrot = new osg::MatrixTransform;

//創(chuàng)建矩陣節(jié)點實現(xiàn)繞Z軸的旋轉(zhuǎn)

rot->setMatrix(osg::Matrix::rotate(osg::DegreeToRadians(45.0),0,0,1));

rot->addChild(Disconnector.get());

//將變換矩陣加入場景根節(jié)點

root->addChild(Disconnector.get());

root->addChild(rot.get());

此外，對該系統(tǒng)的后臺建立簡易動態(tài)數(shù)據(jù)庫有助于其他后續(xù)功能的開發(fā)，比如三維虛擬環(huán)境和匯控柜實時數(shù)據(jù)的一體化仿真模塊等。根據(jù)IEC61850標準，虛擬變電所可采用層次加關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，以保證虛擬環(huán)境和其他并行系統(tǒng)的信息共享[14]。場景模型的基本屬性，如設(shè)備名稱、電壓等級、歸屬母線等，均以靜態(tài)數(shù)據(jù)的形式儲存；而設(shè)備當前狀態(tài)則以邏輯值形式儲存于實時數(shù)據(jù)庫，用于拓展功能平臺的開發(fā)。以隔離開關(guān)為例，其狀態(tài)值0代表分閘，1代表合閘，以是否進行矩陣變換為標準，對當前狀態(tài)值進行實時更替。而變壓器、互感器等無需交互操作的大型設(shè)備通常是僅有運行或停用(包括故障)狀態(tài)，亦可用兩種邏輯狀態(tài)值進行描述。表1所示的是用Microsoft SQL Server搭建的牽引變電所主要電氣單元的數(shù)據(jù)庫。

表1　培訓(xùn)系統(tǒng)部分設(shè)備數(shù)據(jù)庫

4　基于粒子系統(tǒng)的特效仿真

牽引變電所的電氣設(shè)備在受天氣影響或是發(fā)生短路故障時，會出現(xiàn)相應(yīng)的動態(tài)物理現(xiàn)象，其中最常見的就是放電電弧，而運用OSG完善的粒子系統(tǒng)功能可以實現(xiàn)逼真的放電電弧特效仿真[15]。放電現(xiàn)象微觀機理十分復(fù)雜，早期對雷電閃擊的弧道空間性質(zhì)研究就借助了分形動力學[16]，其仿真建立在嚴謹?shù)臄?shù)學模型基礎(chǔ)上，得到的電弧路徑和形狀有相當?shù)木_度。而基于虛擬環(huán)境的可視化系統(tǒng)的建模中，更多關(guān)注的是模型的真實化程度，因此僅需實現(xiàn)基本形態(tài)仿真，無需從原理上去精確描述電弧的各類物理參數(shù)。

圖5　粒子系統(tǒng)模擬放電電弧的算法示意圖

電力系統(tǒng)的短路故障，其電弧不像雷電閃擊那樣具備明顯的分支，描繪其紋理時只需考慮其主干。本文給出一種基于粒子運動軌跡的仿真算法，原理如圖5所示。

粒子在虛擬三維環(huán)境的運動可以分解為x-z和y-z平面上的兩組分運動。首先以x-z平面為例，以粒子模擬電弧逐步擊穿的運動，設(shè)A(x1,z1)為粒子的初始位置，以折線段方式分別運動到B(x2,z2),C(x3,z3),D(x4,z4),……則粒子的運動軌跡可描述電弧的基本形態(tài)；θ是相鄰兩條線段的夾角，為簡化模型以減小運算量，每一段的Z坐標增量設(shè)為恒定值h，則它與短路故障兩點間距離d、電弧分段數(shù)k的關(guān)系為：d=kh。再根據(jù)幾何關(guān)系可得各點坐標算式：

(1)

式中：i∈(1,2,3,…,k)。同理粒子在y-z平面上的分運動，初始位置為(y1,z1)，相鄰折線段夾角為δ，則拐點坐標計算式：

(2)

式中：夾角θ和δ之間的“+”和“-”代表粒子處于拐角處的旋轉(zhuǎn)方向，前者為逆時針，后者為順時針。為了符合統(tǒng)計學規(guī)律，通常是相鄰兩個拐點處的粒子呈現(xiàn)出相反方向的旋轉(zhuǎn)運動。

OSG圖形引擎對常用的粒子模擬均提供了特有的類，如osgParticale::Particale類控制粒子個體屬性，包括大小、顏色、壽命等；osgParticale::ParticaleSystem類控制粒子整體屬性，包括數(shù)目、紋理、初速等。設(shè)置好粒子的初始位置后，按照式(1)、式(2)可以確定運動軌跡所在折線段的拐點坐標。控制粒子軌跡的代碼如下：

osgParticle::MultiSegmentPlacer *pp = new osgParticle::MultiSegmentPlacer;

pp->addVertex(x1, y1, z1);

pp->addVertex(x2, y2, z2);

pp->addVertex(x3, y3, z3);

……

pp->addVertex(xk, yk, zk);

emitter->setPlacer(pp);

圖6　短路故障點放電電弧特效仿真

在賦值時k一般取得較大，在短路故障點間距離d確定的條件下，h則自然偏小，如此就能保證拐點間的密集程度，其形態(tài)會更加接近真實的電弧。最后賦予光效材質(zhì)使其更加真實，渲染后的電弧特效如圖6所示。

5　結(jié)束語

本文針對現(xiàn)階段變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的局限性，詳細研究了虛擬牽引變電所三維場景精細化建模技巧、場景漫游交互功能開發(fā)、粒子特效實時仿真等，營造了模型真實、沉浸感良好的虛擬變電所環(huán)境，同時就場景設(shè)備狀態(tài)的變化搭建后臺實時數(shù)據(jù)庫，為實現(xiàn)虛擬環(huán)境和電力調(diào)度仿真、分布式協(xié)同仿真一體化等拓展功能的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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