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)是一個通過三維建模技術、虛擬現(xiàn)實技術、多媒體表現(xiàn)技術及C++程序開發(fā)應用相結合的一個綜合風險辨識管理及變電仿真的應用平臺。變電站三維仿真與安全風險可視化結合的應用研究作為一個風險管理及仿真培訓與一體的綜合平臺，以安全風險可視化管理應用為主要目的，通過風險數(shù)據(jù)管理與三維虛擬場景結合，可視化動態(tài)顯示設備危險點及危險信息，并與生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)建立實時數(shù)據(jù)鏈接，在查看設備危險點信息時同時可查看設備臺賬及缺陷信息。

該系統(tǒng)針對目前變電運行設備操作培訓提出了可視化及模擬真實操作的解決方案。通過桌面應用系統(tǒng)真實再現(xiàn)變電站運行情況，包括現(xiàn)場一次設備、二次保護、開關室等運行工作中經(jīng)常操作設備。并與電力業(yè)務相結合，形成真實的變電站仿真培訓系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 平臺技術構架

對應于系統(tǒng)業(yè)務架構的設置，系統(tǒng)的技術結構劃分為表現(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，包括WebServices數(shù)據(jù)訪問接口、ADO數(shù)據(jù)庫訪問技術和MSXML文件解析器。其中WebServices主要針對生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)的設備臺賬、缺陷等基礎數(shù)據(jù)，以確保設備基礎數(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)的本地數(shù)據(jù)采用XML文件保存，這部分數(shù)據(jù)通過XML解析工具存取。

業(yè)務邏輯層:業(yè)務邏輯層由MFC和腳本語言兩個部分配合實現(xiàn)，MFC應用程序框架包含了豐富的基礎類和靈活的消息處理機制，主要負責處理后臺、二維界面和部分三維場景的業(yè)務邏輯以及總體流程的控制。VRP虛擬現(xiàn)實平臺腳本語言配合MFC框架實現(xiàn)三維場景切換、動畫播放和模型動作等功能。

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備接口 (GDI)實現(xiàn)，并通過MFC的消息處理機制響應用戶的界面請求。瀏覽器界面和flash播放界面通過調用Windows提供的ActiveX控件實現(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)實三維圖形引擎嵌入到MFC框架中實現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)功能框架

圖1 系統(tǒng)業(yè)務構架圖

1)數(shù)據(jù)層:數(shù)據(jù)層分為外部數(shù)據(jù)和本地數(shù)據(jù)兩部分，外部數(shù)據(jù)包括設備臺賬、設備缺陷數(shù)據(jù)，這兩類數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)整合平臺的WebServices服務接口從生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)讀取，本地數(shù)據(jù)主要指與系統(tǒng)業(yè)務邏輯相關的基礎數(shù)據(jù)以及用戶針對某些功能創(chuàng)建的數(shù)據(jù)，包括設備風險數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、案例數(shù)據(jù)和邏輯數(shù)據(jù)，其中風險數(shù)據(jù)和邏輯數(shù)據(jù)通過由用戶維護，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)場模擬和仿真培訓模塊從本地數(shù)據(jù)獲取各功能所需的數(shù)據(jù)進行初始化、解析和處理等操作。

2)邏輯層:邏輯層主要包括一次設備電氣邏輯、二次設備操作邏輯以及一兩次設備關聯(lián)邏輯，這些邏輯作為設備對象的附加屬性存在并影響設備對象的行為以及用戶的操作。

3)業(yè)務層:除信息管理模塊外業(yè)務層的其他模塊建立在邏輯層的基礎之上，實現(xiàn)現(xiàn)場模擬和仿真培訓等功能。

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)務層傳遞用戶的操作事件并根據(jù)業(yè)務層請求做相應的改變。

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲設計

本系統(tǒng)采用C/S模式，所有業(yè)務功能在客戶端實現(xiàn)，服務端維護客戶端的共享數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡中涉及三種類型的節(jié)點，客戶端、本地數(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節(jié)點，本地數(shù)據(jù)庫存儲所有共享數(shù)據(jù)以及設備臺賬和缺陷數(shù)據(jù)的副本，生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)則作為設備臺賬和缺陷數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源。本地數(shù)據(jù)庫和客戶端使用供電局內部網(wǎng)絡互聯(lián)，同時客戶端通過供電局內部網(wǎng)網(wǎng)關連接生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)，本地數(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現(xiàn)。

圖2 網(wǎng)絡設計方案圖

3 采用的關鍵技術

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

2)立體顯示技術:在虛擬現(xiàn)實技術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時感，系統(tǒng)生成的畫面達到30幀/秒以上。有了這樣的圖像生成能力。

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

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

5)特點:

a.建立三維虛擬現(xiàn)實場景。

b.建立風險辨識管理庫。

c.虛擬現(xiàn)實技術與多媒體技術集合應用。

d.動態(tài)生成現(xiàn)場工作布置環(huán)境。

e.實現(xiàn)培訓題庫管理。

4 結論

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

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