基于远程及虚拟现实技术的综自站仿真系统

基于远程及虚拟现实技术的综自站仿真系统

韩鹏

摘要：本文研究了具有更高的逼真度和灵活性的新型500kV综合自动化变电站仿真系统，该仿真系统是在一体化仿真支撑系统下，基于虚拟现实及远程培训技术建立。本文从硬件构成到软件组成详细的介绍了该仿真系统的各部分具体功能及主要软件的具体开发方法。

关键词：虚拟现实远程培训综合自动化仿真系统

[中图分类号]O4-33[文献标识码]A[文章编号]1000-7326（2012）06-0050-03

1.引言

随着我国电力工业和电力系统的发展，电网系统的复杂程度越来越大，对变电站的安全、经济运行要求越来越高，传统的变电站的运行和管理方式已难以适应如今复杂电网系统对安全及经济性的较高要求，故在近年来微电子技术、计算机技术和通信技术迅猛发展的支持下，变电站的综合自动化技术应运而生，变电站的发展方向已逐步转变为建设少人或无人值守的综合自动化变电站。

2.综合自动化变电站仿真培训系统的基本构成

2.1概述

本文研究的整体目标是结合区域电网特点，选取1-2个典型500kV枢纽综合自动化变电站作为仿真对象，采用虚拟现实及远程培训技术进行开发，整个500kV电网和220kV电网所构成的电磁环网作适当简化后形成以500kV变电站为主的“一网两站”联合仿真培训系统。

主要工作和技术路线：

全部为软仿真（无实际操作屏）；

计算机主机在仿真支撑系统下建立常规数学模型，并进行数据管理及接口通讯；

采用区域电网系统内光纤局域网络；

分别对区域电网内1-2个典型500kV枢纽变电站进行详细仿真；整个500kV电网和220kV电网所构成的电磁环网作适当简化后形成以500kV变电站为主的“一网两站”联合仿真培训系统。

2.2硬件构成

本文研究的仿真培训系统的硬件由本地服务器、本地教练员站、本地工程师站、本地学员站、远程教练员站、远程学员站、虚拟屏台投影系统、通讯系统、交换机和网络附件、电源系统、打印机以及各种环境仿真设备等部分组成。

2.3软件构成

综自站仿真培训系统的软件是构成整个仿真培训系统的核心部分，主要由下列软件构成：仿真支撑系统软件；

工程师/教练员台功能软件；

500kV综合自动化变电站一、二次设备模型软件；

500kV综合自动化系统仿真软件（包括监控、继保、电压无功综合控制、低频减载、备自投以及通信子系统等）

基于虚拟现实技术的变电站三维交互式虚拟场景多媒体操作巡视系统软件；

远程培训系统功能软件；

等值电网仿真软件；

网络通讯软件；

音响仿真软件。

3.综自站仿真系统主要软件组成

3.1仿真支撑系统技术特点

仿真支撑系统遵循软件工程的标准，按照分层和功能模块化思想设计，是集建模、调试、验证和系统运行、数据库管理、进程调度于一体的集群化软件，仿真支撑系统具有以下一些特点[1]：

模块化建模技术：通过调用过程算法库中相应的过程算法依次建立对象设备、部件或过程的仿真模块，各模块以输入、输出变量名的形式自动连接，建立系统的整体仿真模型，实现数据在模块间的传递；模块间的连接呈网状结构，以复现电力系统中各种潮流参数的传递过程和相互影响关系；建模过程无需编程，将所建立的模块依照实际主接线系统的接线方式进行搭接即可。

在线、交互方式的模型调试：以完全在线的交互方式对仿真模型进行各种修改，模型软件即改即得，不需重新编译、链接和下载即可直接进入运行状态，便于模块及模型的修改调试，提高模型开发效率。

全过程图形化建模方式：依据仿真对象选择对应的图元，按照工艺生产过程连接各个对象图元，支撑系统根据图元连接关系同步自动生成仿真模型，建成的模型可直接运行。图形化建模无需记忆复杂的命令，建模过程简单方便，模型命名规范，形式直观，便于模型的分析、维护和重复利用。

具备完善的过程算法库：过程算法库涵盖了变电站中常见的典型一、二次及辅助设备、环节、过程和不同综合自动化系统的各种过程算法，算法具有标准的规范定义和较强的通用性；不同的算法只需分别开发，可重复使用，提高了研究和工作效率。

通用性强：不同的过程算法库结合，可作为各种连续过程的建模、调试和验证平台，已应用于火电、核电、水电、联合循环、电网、变电站、航空航天等领域的仿真模型开发。

高度开放性：系统采用开放式结构化设计，便于功能的扩充和维护，具有标准化的对外接口；支持过程算法库的扩充、算法的修改以及对应图元库的扩充和修改；在遵循支撑系统开发规范基础上，可使用不同开发工具开发各种动态仿真模型。

3.2500kV综合自动化变电站一、二次设备模型软件

3.2.1500kV综合自动化变电站一、二次设备仿真对象

电气主接线

500kV：3/2接线、3个完整串、6回进出线（设高抗2回）；

220kV：双母线带旁路、6回进出线；

35kV：单母线（两段），8回进出线。

主变变压器:2台。

保护及自动装置配置

500kV：每回500kV线路按照2套主保护，1套后备保护配置。各回线路的保护配置可兼顾不同厂家。

220kV：每回220kV线路按照1套主保护，1套后备保护配置。各回线路的保护配置可兼顾不同厂家。

35kV：每回35kV线路按照1套保护配置。各回线路的保护配置可兼顾不同厂家。

母线：各电压等级母线分别配置1套保护。

主变压器：每台主变可配置1套主保护、1套后备保护及1套非电量保护。

具体的保护配置可根据区域电网内各500kV变电站的具体配置进行综合配置。

3.2.2500kV综合自动化变电站一、二次设备建模方法

综合自动化变电站一、二次设备模型建模的基础是以实际变电站一、二次设备或局部过程（如变压器、断路器、隔离开关、互感器、测控装置、二次回路等）为基本单元，以物理机理（能、质、动量平衡）建立的算法。

以一、二次设备为对象的算法中每个参数都应有其确切的物理涵义，并应能根据设备的设计规格、外型尺寸、运行特性等的计算得到。

以上述算法库为基础，对相应的一、二次设备，建立其模型模块，然后，根据实际生产过程设备间相互的关联关系，将上述建立的众多一、二次设备模型模块有机搭接起来便构成一个系统的模块化模型。参照变电站的一、二次设备基本单元和过程模型中的模块保持一一对应，包括执行机构、测点、输出/输入信号，按照实际一、二次设备间的关联关系建立模型，使模型直观地复现参照变电站中设备的关联关系，模块间信号的联接直观地复现实际过程中能量、质量以及信号的传递过程。

一、二次模型严格依物理机理建立，使仿真系统高度逼真于现场。

4.基于虚拟现实的变电站一次设备三维交互式虚拟场景系统实现方法

4.1系统描述

本系统基于OSG1.0开发包，OSG构建于OpenGL图形函数库之上，全部采用标准C++语言开发。用3DMax建各种模型，比如横式刀闸，竖式刀闸，操作箱等，然后往场景中放入各种设备，搭建一个完整的变电站。然后用VC++7.0和OSG1.0开发包进行编程，实现组态功能和仿真驱动功能。OSG1.0开发包可以对场景文件中的所有模型节点进行遍历，通过模型节点名可以拾取需要组态的活动模型节点。利用OSG1.0开发库可以非常轻松的实现场景的漫游，模型遍历拾取，灯光效果，人机交互，以及用粒子系统实现复杂的自然现象等。

组态软件组态场景中需要动作的设备（比如刀闸的合分），主要组态一些旋转角度和旋转方向等，并且往场景文件中为动态模型添加一个节点，该节点用于操作模型的动作，该节点主要用于矩阵运算，使得模型可以变化，组态完场景之后保存组态文件和场景文件，组态文件中保存动态模型的一些动作信息。

仿真驱动程序即为变电站的仿真程序，在该程序中可以利用鼠标和键盘来控制在变电站中的漫游方式，设备中的变化根据仿真模型的输出进行变化，设备的操作可以输入到仿真模型的输入中。从而可以全方位多角度的了解变电站工作（或其他）的实际情况，达到培训的效果。

实现该系统的主要工作分为三个部分，第一部分为建立三维模型，第二部分为动态模型的组态；第三部分为建立仿真程序，用于变电站的巡视。

4.2三维模型的建立

在三维图形程序中，3DMax建模功能优越，但是不具备交互性。所以该系统采取用3DMax建模工具进行建模，然后用OSG实现场景显示、场景漫游、与设备交互等功能。

首先单独建立各种设备的模型，比如横式刀闸、竖式刀闸、操作箱、变压器等；然后用3DMax构建场景环境，比如草地、围墙、大门等；最后把各个设备摆放到场景中，使其符合真实的变电站。到此变电站的模型基本完成，但是OSG自身的文件格式为OSG（文本格式）和IVE（二进制格式）格式，IVE文件格式用于程序发布，我们利用OSGExp插件，从3DMax中导出IVE的模型格式。

4.3组态软件功能实现

组态软件主要实现场景中活动模型的组态功能。具体实现分为一下几步：

首先确定有哪些活动模型，把活动模型的名称填入配置文件中。该配置文件为INI格式。定义一个向量OBJATTR，用来存放配置文件中活动模型的结构。

在场景中对活动模型的选取。根据活动模型的名称来选取鼠标点击的模型是否为活动模型。从osg::NodeVisitor类中继承，定义FindNode类来实现通过名称对节点的访问。

实找到选取的活动模型之后，就需要对其进行组态。首先要有一个链表，用来存放活动模型的组态信息（主要包括模型描述、变量名、动作属性等等），该链表定义为：TypedefCTypedPtrList<CObList,CActiveModel*>AMODELLIST;其中CActiveModel为活动模型类，该类实现了组态信息的存放，模型的动作变化等。

组态工具软件实现了对场景中活动模型的组态，使得活动模型可以按照组态的设置进行动作变化。

4.4驱动程序功能实现

驱动程序实现对场景显示，漫游，碰撞检测，设备状态变化等功能，犹如在真实的变电站中巡视，达到培训的效果。

场景显示，主要是把场景文件导入，显示于屏幕上。利用函数root=osgDB::readNodeFile(fileName),把场景导入。

场景漫游，即利用外围设备如键盘和鼠标控制摄像机运动。OSG的摄像机操作，由osgGA::MatrixManipulator的派生类来完成，可以调用osgProducer::Viewer类的addCameraManipulator方法把自己的摄像机加入进去。默认情况下，Viewer自带了5个摄像机，可用数字键在这些摄像机之间切换。在OSG里，所有的视图矩阵操作都是通过矩阵来完成的，不同摄像机之间的交互也通过矩阵。这个摄像机的功能包括adws控制左右前后行走，用Home或End控制上下移动，鼠标控制转向，并用空格控制是否使用鼠标的转向功能，用=或-控制移动步长。摄像机的位置用“位置”和“姿态”来表示，键盘鼠标控制位置姿态的改变，值得注意的是将位置姿态转化为视图矩阵。

设备状态变化主要是根据osg::MatrixTransform对象对模型设备进行旋转，平移等操作，实现设备的具体运行动作。该对象主要进行矩阵操作，来实现状态的变化。

驱动程序实现了场景的显示，场景漫游，碰撞检测，设备状态变化等功能，成而构成一个人机交互的平台，达到仿真培训的目的。

5.远程培训系统功能软件

5.1仿真系统远程培训方案

远程仿真培训系统采用C/S（即客户端/服务器端）模式，数据的主要部署是：仿真模型服务器连接在互联网上，在仿真模型服务器上运行一体化仿真支撑系统，在支撑系统上运行变电站模型软件系统；仿真客户端软件（主要是学员站）可以运行在与仿真服务器在同一局域网的PC计算机上，也可以安装在连接到互联网的PC计算机上，实现远程（异地）培训功能。

5.1.1仿真服务器环境

服务器为PC服务器，建议最低配置为IntelXeon3.0GHz*2，2048MDDR，73G*2SAS硬盘，安装Windows2003Server操作系统。

5.1.2网络环境

远程培训功能要求网络服务器和客户端连接

在企业广域网或互联网上，服务器端客户端网络带宽应该保证在2M以上，客户端网络带宽应该保证在1M以上，否则会影响培训效果。

5.1.3客户端环境

系统对客户端要求较低，一般配置，运行WINDOWS系统的计算机即可作为客户端。

5.1.4系统特点

学员站仿真逼真度高。系统采用C/S模式，远程客户端软件即远程学员站软件与本地仿真模式的学员站软件相同，仿真逼真度高。

实时性好。为了实现远程仿真功能，网络通信软件进行改造，减少了网络数据通信量，采用请求方式，需要的数据才发送，减少了网络负荷。

5.2仿真系统远程工程师/教练员功能

通过互联网，可实现远方控制功能。仿真服务器操作系统设定一些特殊的帐户，这些帐户的权限级别较低，可以进行远程桌面连接登录，登录后只能访问指定的用户硬盘，可以保证系统安全，无论工程师/教练员身处何方，均可以通过互联网登陆工程师台/教练员台，并通过一定手段直接控制和接管工程师/教练员台，其效果如同工程师/教练员在就地指导一样，可以提供仿真机系统的远程（异地）修改，指导用户技术人员进行修改。

6.结论

基于虚拟现实及远程培训技术的综合自动化变电站仿真培训系统利用采用交互式虚拟场景结合三维写实技术研制开发的三维交互式虚拟场景多媒体操作巡视系统软件能对介入者产生各种感官刺激，并且人还可以以自然的方式与环境进行交互，强调了人在虚拟环境的主导作用。结合仿真支撑系统基于物理机理开发的一、二次设备模型软件及等值电网软件等相关软件，使综自站的运行、管理人员有了高度逼真于现场实际培训环境，增强了培训的可靠性，能大大提高了运行、管理人员的实际技能水平。

采用C/S模式的远程培训系统软件充分利用区域电网光纤局域网的资源，采用先进的网络数据传输模式，能使目前少人或无人值守的变电站运行、管理人员无论是身在调度集控中心还是在现场变电站，都能得到与在当地局域网中进行培训一致的效果。从而大大节约了培训的成本，提高了仿真培训系统的灵活性和经济性。

作者简介：韩鹏（1977—），男，河北保定人，保定天威保变电气股份有限公司工程师，本科，研究方向为电力工程（河北保定，071056）。

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