[电力技术]电力系统虚拟环境的研究及应用

摘要：简述了虚拟现实技术的功能特征及相关技术概念，探讨该技术在电力系统仿真培训中的运用。以变电站虚拟屏台为例，说明电力系统虚拟情况开发进程，并介绍了用三维驱动控件技术构建变电站虚拟屏台的方式。哄骗虚拟现实技术，极年夜地利便了电力系统的仿真培训，具有显著的经济效益和社会效益。要害词：虚拟情况；虚拟现实；仿真；控件随着电力系统的现代化进程，它的规模越来越年夜，运行操作也越来越复杂。对工作人员的技术水平、营熟练水平等提出了越来越高的要求。由于电力系统的非凡性，很难在现实运行的系统中进行人员培训。今朝，电力系统年夜部门培训手段都是采用培训仿真系统，运用较多的培训仿真系统有电厂仿真、电网运行工况仿真和变电站仿真。例如变电站仿真系统，今朝年夜都是建立在物理屏台与计较机硬软件平台上，控制屏和庇护屏具有与真实变电站完全不异的外观和安插方式，屏台具有各类显示仪表、旌旗灯号继电器、旌旗灯号灯、按钮、转换开关、毗连片等等，使得仿真机盘台投资较年夜。但随着电力系统的成长，电力装备更新换代日新月异，使得仿真机盘台在不长时间就与真实变电站屏台形式不兼容，从而不能到达有用的培训效果。对于电力系统这类不能失误的高难度操练及需要不竭频频操练的操作操练，哄骗虚拟情况来作为新进人员的培训是一个趋向。虚拟情况就是采用以计较机技术为焦点的现代高科技生成传神的三维情况，是对现场情况的真实仿真。用户可以自然地和虚拟情况中的客体进行交互，相互影响，从而发生亲临现场的感受和体验。这个情况可所以对现实或历史的传神反映，可所以对高性能计较成效或数据库的可视化，也能够是个纯洁虚构的空间。1虚拟现实随着现今信息时代计较机技术的突飞猛进，三维空间模拟技术已慢慢运用于各类行研究领域；同时，3D虚拟情况现实模拟及多媒体技术在小我电脑(PC)上的实现，使得虚拟现实这一高新科技的产物也在电力系统获得了现实的运用。虚拟现实(virtualreality)技术就是采用以计较机技术为焦点的现代高科技生成传神的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟情况。用户可以使用需要的特定装备(如数据衣、数据手套、数据鞋和头盔、立体眼镜等)，就能够“走进”这个三维模拟情况，可以控制阅读标的目的，并操作场景中的对象，从而发生亲临现场的感受和体验。虚拟现实早只能在工作站以上的硬件情况下才能进行，如需要年夜型计较机、头盔式显示器、数据手套、洞窟式投影、密封仓等昂贵装备；研究开发和使用都遭到一定限制。但随着科学技术的飞速成长，虚拟现实技术泛起了多样化的成长趋向，凭据“沉醉”水平的凹凸，可以划分出四种类型的虚拟。1.1桌面虚拟情况桌面虚拟情况哄骗小我计较机进行仿真，将计较机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。经由过程各类输进装备实现与虚拟现实的充实交互，这些外部装备包括鼠标、追踪球、力矩球等。它要求介入者使用输进装备，经由过程计较机屏幕观察360°范围内的虚拟境界，并操作其中的物体。1.2沉醉的虚拟现实沉醉的虚拟现实哄骗头盔式显示器或其它装备，把介入者的视觉、听觉和其它感受封锁起来，提供一个新的、虚拟的感受空间，并哄骗位置跟踪器、数据手套、其它手控输进装备、声音等使得介入者发生一种身临其境、全心投进和沉醉其中的感受。1.3增强现实性的虚拟现实增强现实性的虚拟现实不仅是哄骗虚拟现实技术来模拟现实，而且要哄骗它来增强介入者对真实情况的感受，也就是增强现实中没法感知或不利便获得的感受。1.4散布式虚拟现实散布式虚拟现实系统就是将多个用户经由过程计较机网络毗连在一起，同时加入一个虚拟空间，配合体验虚拟履历。在散布式虚拟现实系统中，多个用户可经由过程网络对统一虚拟进行观察和操作，以到达协同工作的目的。2电力系统虚拟情况虚拟现实中以桌面虚拟情况的技术为简单，需要投进的成本也不高，而且也足以在电力系统培训领域中运用，本文也主要针对此方式进行描写。电力系统虚拟情况，其实就是一种在PC上以计较机多媒体技术、3D综合立体图形、自然交互等技术，将电力系统装备浮现在屏幕上，以营建与电力装备高度类似的传神、虚拟的情况；它哄骗高速三维图形加速卡、采用三维图形来浮现虚拟装备；图形的绘制速度、传神度、分辨率都很高。电力系统虚拟情况的重要特征是具有一种身临其境的临场感，将人与电力系统情况融为一体，使操作人员相信在虚拟境界中人也是确实存在的，而且在操作进程中他可以自始至终地阐扬作用。电力系统虚拟情况主要是由一个个的三维电力装备组成，将分歧三维装备逐一放置安插于虚拟情况以后，详加描写物件行为的能力(如动画物件和声音控制等)，再采用光源、布景和控制面的和谐陪衬，就发生了传神的三维电力系统。三维电力系统的虚拟空间是动态的、可操作的，我们可以借助于一些门的外部装备(如三维鼠标、操作杆、普通键盘和鼠标)以自然的方式来操作电力系统虚拟情况的装备，电力系统虚拟情况可对这类操作作出响应(根椐电力系统仿真算法)，以完成电力系统的仿真。3开发流程虚拟现实技术是在众多相关技术如计较机图形学、仿真技术、多媒体技术、传感器技术和人工智能等根蒂根基上成长起来的。早只能在工作站以上的硬件情况下才能进行，研究开发和使用都遭到一定限制。PC技术的飞速成长为虚拟技术的推行提供了契机，在比来十年里获得了极年夜的成长，今朝虚拟现实技术己经获得了普遍的运用。今朝，要构建一个虚拟现实系统主要有二种方案：一种是用图形开发库和语言开发。图形开发库凡是采用OpenGL3D或Direct3D，开发语言主要为C 。此方式点是开发灵活，适用性强；错误谬误是复杂繁琐，须熟练掌控编程技术。另外一种就是采用三维虚拟开发工具，象英国Division公司和Superscape公司开发的工具。Division主要基于SGI开发虚拟现实软件。它建造的虚拟情况效果清晰，功能壮大，但价格昂贵。而Superscape是基于Direct3D开发的一个虚拟现实情况编程平台，对硬件的要求不长短凡高，价格廉价。近年泛起的三维场景驱动ActiveX控件，它采用种方案设计，但封装了图形开发库的API，保留了人们熟悉的属性、事务和方式，经由过程在法式设计和运行时修改控件的属性、挪用控件、在控件的事务中加进法式代码即可利便、迅速开发出高的3D运用软件。这年夜年夜下降了开发强度，而且开发轻易、灵活。由于电力系统的复杂性，年夜装备重复放置，而且操作频仍，必需建立真实的交互式的3D才能知足要求，适合采用三维场景驱动ActiveX控件进行设计。ActiveX系统结构使用了Microsoft的组件对象模子及散布式组件对象模子尺度，答理使用分歧编程语言进行开发使用。今朝在VB中建立自己的ActiveX控件、使用ActiveX控件为简单，这里以VB为开发平台。本文以变电站虚拟屏台为例说明电力系统虚拟情况开发进程。变电站虚拟屏台是由各类虚拟元件组成(包括仪表、旌旗灯号灯、光字牌、按钮、转换开关、毗连片等虚拟元件)。建造各类具有特种功能的虚拟元件，是开发变电站虚拟屏台的要害。只要开发出一套虚拟元件，在机关变电站虚拟屏台时跟现实建造真实屏台进程完全一样：可以从虚拟情况中直接选用虚拟元件，然后像“搭积木”似地摆放在分歧位置，从而构建自己的虚拟屏台。主要开发步骤以下：a)建模建立3D装备模子可以采用通用的建模及动画软件3DStudioMAX，或采用的建模工具MultiGenCreator。现在建模有多种方式，主要有多边形(polygon)建模、NURBS建模、细分曲面建模。对变电站虚拟屏台的各类虚拟元件来说，采用多边形建模，就基本可以知足要求。斟酌到虚拟情况的实时性要求和硬件的性能制约，在建模中应遵循一个原则：在能够保证视觉对象不失真的条件下，尽采用简单的模子。为此在建模时应削减基本几何体的分段数，删除场景中不成见的面，尽用参数化方式构建对象；尽不给物件的边缘添加斜面，控制场景整体的多边形数目；朋分模子划分建模，以便在虚拟情况中进行操作和考查。b)贴图贴图用于物体概况的描写，它将纹理传神地显示出来，知足感官的需要。贴图会较着影响文件年夜小，是以应确认在输出时尽地保证小的文件和高的压缩比；对变电站虚拟屏台的各类虚拟元件贴图，我们可以采用数码相机进行实物拍摄，也可经由过程手工描画。对一些较年夜的贴图，可以将贴图切割，凭据所需要的要求来调理零丁贴图的压缩比例，以获得好的效果。另外，年夜部门的电力装备都为不异时，应尽重复使用这些贴图，以削减模子年夜小。图1是为虚拟屏台设计的表计、开关三维模子。c)驱动建立了三维装备模子，就能够在开发情况中实时驱动。根椐电力变电站虚拟屏台的特点，这里采用三维场景驱动控件进行设计。在VB打开Project菜单，单击Component，在随后弹出的对话框中的Control项中选择三维场景驱动控件，这时候就能够像使用其他控件一样，将其拖到窗口中，调进变电站虚拟屏台的各类3D模子，经由过程搭积木的方式来进行“组装”变电站虚拟屏台。设置驱动方式，设置摄像机、灯光等等，就能够驱动变电站虚拟屏台，使用户可以在三维的空间里移动、操作、观察360°范围内的虚拟屏台，并操作其中的装备。图2为我们设计的变电站虚拟三维模子屏台。d)数据毗连经由过程将变电站虚拟屏台与电力仿真算法进行数据交换，完成变电站仿真运行。学员哄骗鼠标，在三维的空间里利便地进行各类处置操作，变电站虚拟屏台所有参数及现象均与变电站现实进程一样，从而知足电气运行人员的培训要求。变电站一般配备多套庇护，控制屏台、庇护屏台数目较多。而且由于电力系统的复杂性，年夜部门的事故异常、操作等都影响到控制、庇护屏台各个表计、光字牌、报警灯的状态。若用一台显示器，则因显示画面太小而不能领会详情，调局部则不能领会全局。为此我们在现实运用中采用多显示器系统来解决这个问题：共配3台显示器显示整个控制屏台及庇护屏台。Windows98和WindowsNT5.0可以支持在一个零丁的系统中存在多个显示装备和显示器。这类多显示器架构(凡是简称为“MultiMon”)较好地知足了我们的要求。对于多人同时观察，也可配备CRT三枪投影仪，在场频到达人眼舒适要求的条件下(一般要求场频为100MHz)，计较机屏幕所能显示的三维立体图形在投影仪投射到银幕后一样能够到达立体的效果，从而获得类似立体片子的效果。4竣事语对电力系统而言，哄骗虚拟情况来操练员工熟悉情况装备与操作那些复杂且不能犯错的装备，并做考核，不仅增加了员工的学习快乐喜爱与效率，而且节省了许多费用，也年夜幅下降了新手操作的失误率。而且虚拟情况的工程造价低，运行费用低，维护工作小，升级轻易。虚拟现实技术作为一种新型的培训方式，其经济效益和社会效益是显而易见的，具有普遍的运用前景。参考文献［1］申蔚，夏立友.虚拟现实技术［M］.北京：希看电子出书社，2002.［2］李欣.3DSMAX在构建虚拟现实系统中的运用［J］.计较机时代，2002(8)：22—23.［3］李海.VisualBasic编程晋级：ActiveX控件［M］.北京：北京航空航天年夜学出书社，2000.