三維虛擬仿真技術(shù)在電力設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

郝騰飛 李軍鋒 李曉瑩 趙永強(qiáng) 薛江

摘 要： 在傳統(tǒng)的電力設(shè)備設(shè)計(jì)過程中常出現(xiàn)工程數(shù)據(jù)庫支撐、數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)不暢等問題，導(dǎo)致各個環(huán)節(jié)間協(xié)調(diào)不夠，易出現(xiàn)設(shè)計(jì)失誤，造成安全隱患，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度和安全性能。隨著近年來三維虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)多方面的優(yōu)越性日益凸顯，因此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)越來越多地被采用在電力設(shè)備生產(chǎn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)并得到了良好的應(yīng)用。為了解決傳統(tǒng)電力設(shè)備設(shè)計(jì)過程中常見的安全問題，提出結(jié)合三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對電力設(shè)備進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化的思路，并構(gòu)建了三維虛擬仿真電力系統(tǒng)。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以更好地促進(jìn)電力設(shè)備高效、安全、準(zhǔn)確的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞： 變電站設(shè)計(jì)； 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)； 三維模型； 數(shù)字化移交； 安全性能； 電力系統(tǒng)

中圖分類號： TN915.853?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）14?0051?04

Application of 3D virtual simulation technology in power equipment design

HAO Tengfei1， LI Junfeng2， LI Xiaoying2， ZHAO Yongqiang2， XUE Jiang2

（1. Communication University of China， Nanguang College， Nanjing 211172， China；

2. Education Training Evaluation Center， Guangdong Power Grid Co.， Ltd.， Guangzhou 510520， China）

Abstract： Problems such as poor correlation between engineering database support and data often occur in the traditional design process of power equipments， which may result in insufficient coordination between various links and easy occurrence of design mistakes， cause security risks， and seriously affect the project schedule and safety performance. With the development of the 3D virtual simulation technology in recent years， the advantages of the virtual reality technology become increasingly prominent in many aspects. As a result， the virtual reality technology is more and more used in the production and design links of power equipments and has been well applied. The idea of combining the 3D virtual reality technology to innovate and optimize the power equipment is proposed， and a 3D virtual simulation power system is constructed， so as to solve the common security problems occurred during the traditional power equipment design. The simulation experiment was carried out to verify the accuracy of the system. The experimental results show that the system can better facilitate the efficient， safe and accurate operation of power equipments.

Keywords： substation design； virtual reality technology； 3D model； digitalized handover； safety performance； power system0 引 言

電力設(shè)備的安全性和實(shí)用性是電力行業(yè)中十分重要的命題。電力設(shè)備的特殊性，導(dǎo)致傳統(tǒng)的電力安全設(shè)備運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備部件關(guān)聯(lián)不暢等問題，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效果并不十分理想，易造成安全隱患。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，為現(xiàn)代化三維虛擬仿真電力設(shè)備創(chuàng)新提供了新的發(fā)展途徑[1]。因此對三維虛擬仿真技術(shù)的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了深入的研究和分析后，結(jié)合電力工程作業(yè)流程和常見的電力安全事故，對虛擬現(xiàn)實(shí)電力安全培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，同時對三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行分析，建立融合互動性、實(shí)用性的電力安全系統(tǒng)[2]。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)電力設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

對電力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的重點(diǎn)主要包括斷路器和變壓器兩大類。由于不同結(jié)構(gòu)的工作原理不同，因此建模方法也不盡相同，需要對兩類分別進(jìn)行詳細(xì)的劃分[3]。斷路器是電力開關(guān)設(shè)備中最重要的整機(jī)元件，起到控制和保護(hù)電力設(shè)備的重要作用，其性能好壞及可靠程度直接影響電力設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性[4]。因此首先對電力設(shè)備斷路器結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行分析得到圖1。

圖1展示的部分可以適當(dāng)?shù)夭捎萌S虛擬圖像仿真技術(shù)進(jìn)行建模。將斷路器結(jié)構(gòu)主要分為檢修、維護(hù)、部件與原理4大模塊，以便將電力系統(tǒng)圖片生成虛擬環(huán)境，減少了建模的工作量[5]。

電力培訓(xùn)的另一個主要分模塊電力變壓器可大體分為結(jié)構(gòu)、運(yùn)行、組裝和互感器4大子模塊[6]。具體結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

根據(jù)電壓器結(jié)構(gòu)框架和模擬斷路器結(jié)構(gòu)對電力設(shè)備進(jìn)行三維虛擬仿真設(shè)計(jì)。

首先對斷路器結(jié)構(gòu)和電壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析，在分布了解二者的工作原理的基礎(chǔ)上將二者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合形成完整電力設(shè)備系統(tǒng)[7]。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合三維虛擬仿真技術(shù)對電力設(shè)備系統(tǒng)的場景進(jìn)行分析和劃分，建立虛擬仿真技術(shù)的電力設(shè)備模型以便實(shí)現(xiàn)三維可視化的流程設(shè)計(jì)[8]。

2 基于三維虛擬仿真技術(shù)的電力操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

三維虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)作為一種新型現(xiàn)代化科技，有利于為用戶提供一個與虛擬世界直接進(jìn)行通信的先進(jìn)手段，將虛擬世界三維空間中的三維對象進(jìn)行生動準(zhǔn)確的展示[9]。將三維虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)與電力設(shè)備相融合，有利于提高電力設(shè)備的操作性，保障設(shè)備的安全性。結(jié)合三維虛擬顯示仿真技術(shù)可以將電力設(shè)備中的操作對象進(jìn)行控制，簡化相關(guān)工作人員對電力設(shè)備的操作流程，可提高設(shè)備進(jìn)行實(shí)時響應(yīng)的速度，為三維實(shí)體操作提供了豐富的交互媒介[10]。三維虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)運(yùn)作流程如圖3所示。

三維虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)可以通過對電力設(shè)備中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的分析和傳輸對外部設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)有效的控制[11]。為了方便使用，主要通過對虛擬環(huán)境中實(shí)體和視點(diǎn)的改變進(jìn)行相應(yīng)的交互操作[12]。使用者可以利用二維鼠標(biāo)對三維空間中的設(shè)備部件進(jìn)行控制和操縱，在操作過程中可利用計(jì)算機(jī)學(xué)中三維圖形的幾何變換原理可實(shí)現(xiàn)平移、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動，并計(jì)算物體被操縱后的目標(biāo)坐標(biāo)值，從而完成操縱過程，以便快速地對設(shè)備部件進(jìn)行變換，并獲得在交互過程中變化的動態(tài)顯示效果。系統(tǒng)的具體操作流程如圖4所示。

通過以上系統(tǒng)工作流程可有效地對虛擬仿真電力系統(tǒng)中生成的仿真環(huán)境進(jìn)行實(shí)時跟蹤，快速獲取并執(zhí)行操作者的行為與反應(yīng)，實(shí)時地反饋到虛擬環(huán)境系統(tǒng)中，以便及時調(diào)整電力設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)的安全序列，并根據(jù)輸入數(shù)據(jù)計(jì)算和生成新的視景，在提高工作效率的同時保障電力設(shè)備的安全性。

3 系統(tǒng)檢測結(jié)果分析

為了驗(yàn)證基于三維虛擬仿真技術(shù)的電力操作系統(tǒng)的實(shí)用性，利用虛擬現(xiàn)實(shí)的即時性特點(diǎn)通過簡單的系統(tǒng)瀏覽電力設(shè)備運(yùn)行過程中的錯、漏、碰、缺，來對系統(tǒng)的合理性進(jìn)行檢測。判斷該系統(tǒng)是否能達(dá)到通過物體旋轉(zhuǎn)和平移，在虛擬環(huán)境下對系統(tǒng)任意角度進(jìn)行準(zhǔn)確瀏覽以及時排查安全隱患，保障設(shè)備安全運(yùn)行的設(shè)計(jì)目標(biāo)。因此通過傳統(tǒng)電力設(shè)備視覺效果和三維虛擬仿真操作效果分別對正在運(yùn)行的電力設(shè)備中某一部件進(jìn)行檢測，并將檢測效果進(jìn)行簡單繪制得到圖5。

通過檢測結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的電力設(shè)備視覺檢測結(jié)果存在視覺盲區(qū)，易導(dǎo)致在設(shè)備運(yùn)作過程中難以及時發(fā)現(xiàn)部件運(yùn)行狀態(tài)的問題。一旦出現(xiàn)安全隱患難以及時查找和排除，直接影響設(shè)備的運(yùn)行效果甚至威脅相關(guān)工作人員的生命健康安全。而結(jié)合三維虛擬仿真技術(shù)改進(jìn)后的電力設(shè)備成功地解決了上述問題。該系統(tǒng)可通過不同角度觀察設(shè)備結(jié)構(gòu)保障系統(tǒng)的平穩(wěn)和安全運(yùn)行，方便相關(guān)工作者及時排查設(shè)備部件中可能存在的安全隱患，詳細(xì)了解設(shè)備的組成，迅速掌握有效的空間位置，合理地完成布置設(shè)計(jì)。

在電力系統(tǒng)中運(yùn)作時，要通過相交結(jié)果判定系統(tǒng)碰撞情況，以便檢測系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確度，通過準(zhǔn)確度判斷系統(tǒng)的安全情況。這種檢測復(fù)雜性很高，且檢測效率較低，但相對更為精確。然而，為了減少檢測復(fù)雜性，鑒于以上分析，考慮到系統(tǒng)運(yùn)行的效率，在檢測過程中盡量減少系統(tǒng)中的精確碰撞檢測數(shù)目，對設(shè)備運(yùn)動物體與檢測面的相交過程進(jìn)行檢測來判斷系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。檢測結(jié)果如圖6所示。

通過上述檢測結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，在同等條件下，對傳統(tǒng)電力設(shè)備的準(zhǔn)確度和前文提出的三維虛擬仿真電力操作系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)通過前文的改進(jìn)方法后該系統(tǒng)的精準(zhǔn)度檢測結(jié)果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法的檢測結(jié)果，且實(shí)驗(yàn)方法檢測得出的數(shù)據(jù)曲線較比傳統(tǒng)方法檢測曲線波動幅度較低。由此證明三維虛擬仿真技術(shù)的電力操作系統(tǒng)的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性相對較好，安全效果更加明顯。

4 結(jié) 語

從三維虛擬仿真技術(shù)入手，通過研究三維虛擬仿真技術(shù)對傳統(tǒng)電力設(shè)備進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，通過多維信息空間數(shù)據(jù)映射生成相應(yīng)的虛擬仿真圖像。結(jié)合虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)了三維虛擬仿真技術(shù)的電力操作系統(tǒng)，并在建模過程中體會到三維虛擬圖形生成在可視化中的應(yīng)用。通過對電力系統(tǒng)中的圖形進(jìn)行三維立體的顯示，來檢測電力設(shè)備系統(tǒng)準(zhǔn)確性，檢測結(jié)果證實(shí)該系統(tǒng)可有效提高電力設(shè)備的安全性和準(zhǔn)確性，彌補(bǔ)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中存在的安全隱患等問題。

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