三维虚拟变电站仿真培训系统的设计及实现
基于3Ds_Max三维建模软件的变电站电气设备虚拟仿真系统设计
第30卷 第11期2023年11月仪器仪表用户INSTRUMENTATIONVol.302023 No.11基于3Ds Max三维建模软件的变电站电气设备虚拟仿真系统设计许路广，李锐锋（国网浙江省电力有限公司 嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000）摘 要：随着计算机技术和虚拟现实技术的快速发展，基于3Ds Max 软件开发的变电站电气设备虚拟仿真系统，为变电站电气设备虚拟仿真系统的开发提供了新思路。
此次研究使用3Ds Max 建模技术，搭建了变电站电气设备的虚拟仿真系统，通过对现实和虚拟程序的交互式模拟，实现了电气设备的虚拟场景运行。
这使得从业人员能够直观展示变电设备的内部结构及参数，可快速有效地提升一线业务人员的运维及检修水平，从而保障电力系统和设备的安全生产运行。
关键词：虚拟现实技术；3Ds Max ；电气设备；仿真系统中图分类号：TP391.9 文献标志码：ADesign of A Virtual Simulation System for Substation ElectricalEquipment Based on 3Ds Max 3D Modeling SoftwareXu Luguang ，Li Ruifeng（State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd., Jiaxing Electric Power Supply Company,Zhejiang, Jiaxing,314000,China ）Abstract：With the rapid development of computer technology and virtual reality technology, the virtual simulation system for substation electrical equipment developed based on 3Ds Max software provides new ideas for the development of virtual simulation systems for substation electrical equipment. This study used 3Ds Max modeling technology to build a virtual simulation system for electrical equipment in substations. Through interactive simulation of real and virtual programs, virtual scene operation of electrical equipment was achieved. This enables practitioners to visually display the internal structure and parameters of substation equipment, which can quickly and effectively improve the operation, maintenance, and repair level of frontline business personnel, thereby ensuring the safe production and operation of the power system and equipment.Key words：virtual reality technology ；3Ds Max ；electrical equipment ；simulation system收稿日期：2023-08-15作者简介：许路广（1985-），男，浙江嘉兴人，本科，高级工程师，研究方向：电气工程及其自动化。
基于三维虚拟技术的变电设备培训系统
Ｅ 电 Ｌ Ｅ Ｃ Ｔ 子 Ｒ Ｏ Ｎ Ｉ 测 Ｃ Ｔ Ｅ 试 Ｓ Ｔ
２ ０ 第 １ ３ ５ 年 期 ３ 月
基 于三维 虚拟技术 的变 电设备培训 系统
曹瑜 孙鹏 张 红
（ 山东电力集团公 司淄博供 电公 司 ２ ５ ５ ０ ０ ０ ）
摘要 ： 以三维技术 实现变 电设 备及 部件三 维立体空 间虚拟 视觉管理 ， 以全新 立体影像建模 对变 电设 备进 行数据集成 、 部件装 配、 数据关联 ， 将 部件 组建成装置并抽取变 电设备 组建 图， 综合变 电二 次异 常和 故障信息、 运行状态和状态评 价等 数据 ， 实现三 维 可视 化实体模型与数字化信息关联 ， 开发 了变 电设备三维虚拟培训 平台， 极大提高 了变 电设 备部件精 细化 管理水平， 为培养 复合型检修 人员创出～条全新的培训模式 。 关键词 ： 三维技术 ： 变 电设备 ； 培训
Ｂａ ｓ ｅ ｄ ０ ｎ ３ Ｄ Ｖｉ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｉ ｎｇ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
ｏｆ Ｓｕ ｂｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｑ ｕｉ ｐｍ ｅ ｎｔ
Ｃａ ｏ Ｙ ｕ Ｓ ｕ ｎ Ｐ ｅ ｎ ｇ Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ Ｈ ｏ ｎ ｇ
１ 系统 内容
１ ． １ 系统体 系结构
系统采用 ３ Ｄ 技术开发， 数据库选用 Ｏ ｒ ａ ｃ ｌ ｅ ９ ｉ ， 程序语言选 择Ｊ Ａ Ｖ Ａ ， 二维渲染引擎选用 Ｇ Ｅ Ｆ ， 三 维渲染引擎使用 Ｊ 砸。 系统网络 通讯 采用 Ｊ Ａ Ｖ Ａ Ｎ Ｉ Ｏ模型设计 ， 能够最大 限度 的保证网络吞吐 。 整 体框架采用插件式结构， 可 以无缝的扩展 。 系统总体上采用 了三层 体系 结构 ， 即平 台级 的基础层、 工程师级的系统层和用户级的应用 层， 实现 了多级 功能、 且便于系统扩展 。 最终生成 的应用系统 由基 础模块平 台， 安全措施演练系统生成模块 ， 安全措施演练系统运 行 模块 ， 教 员台子系统， 学员台子系统， 就地操作子系统等组成 。
三维虚拟牵引变电站交互仿真系统设计与实现
三维虚拟牵引变电站交互仿真系统设计与实现随着科技的不息进步和进步，虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术被广泛应用于各个领域。
特殊是在电力行业，虚拟现实已成为改变工作方式和提高工作效率的重要工具。
牵引变电站是铁路电气化系统中极为重要的设施之一，其运行状态的稳定性和可靠性对于保障铁路运输安全至关重要。
本文基于三维虚拟技术，设计并实现了一套牵引变电站的交互仿真系统，旨在提高运维人员的工作效率和培训效果，同时降低运营成本。
二、系统架构该系统接受客户端-服务器（Client-Server）架构，主要分为前端交互界面、中间服务器和后端数据库三个部分。
1. 前端交互界面前端交互界面主要由虚拟现实设备和人机交互设备构成，如头盔、手柄等。
通过这些设备，用户可以身临其境地体验牵引变电站的运行过程，并且可以与系统进行实时交互。
用户可以通过手柄操控牵引变电站设备的运行，调整参数，观察运行状态等。
2. 中间服务器中间服务器负责接收用户的操作指令和数据，对应用程序进行逻辑处理，并将结果发送给客户端。
服务器还负责管理系统中的各类数据，如牵引变电站的模型、运行数据等。
为了保证系统的实时性和稳定性，服务器接受多线程技术和分布式架构。
3. 后端数据库后端数据库主要用于存储系统所需的各类数据，包括牵引变电站的设备模型、运维数据、历史数据等。
通过数据库的建立和维护，可以为系统提供强大的数据支持和管理能力。
三、系统功能1. 牵引变电站三维模型展示系统通过建模和渲染技术，将牵引变电站的各个设备以三维模型的形式展示出来。
用户可以通过虚拟现实设备直观地观察到变电站的内部结构、设备布局和工作状态。
2. 设备运行监控与调整系统提供了对牵引变电站设备运行状态的监控和调整功能。
用户可以通过手柄控制设备的启停、电流调整等操作，实时观察设备的运行状况，并依据需要对设备参数进行调整，以保证牵引变电站的运行稳定性。
3. 故障诊断和恢复系统具备故障诊断和恢复的功能。
变电站虚拟仿真教学系统关键技术研究与实现
关键词：变电站；虚拟现实；模型简化；仿真教学；沉浸式
中图分类号：TM743
文献标识码：A
文章编号：1009-0134(2020)01-0059-05
0 引言
变电站作为电能输送中重要环节，是电网的重要组 成部分，提升变电站运行技术人员的能力对保证电网安 全稳定、可靠供电具有十分必要的作用[1]。因为针对变 电站运行技术人员的教学不能通过正在运行的系统或设 备完成实际操作试验，同时也不会特意设置故障让学员 观摩学习，这就导致学员不能充分学习变电站的基本操 作以及对具体故障和事故的应对措施。因此，利用虚拟 现实技术建立一个变电站虚拟仿真系统辅助教学，提高 运行技术人员技能显得尤为重要。
故障处理方面为学员建立了沉浸式变电站虚拟实境。其中，在简化率较高情况下模型的细节
特征容易丢失，采用了一种基于QEM（quadric error metric）折叠代价改进的简化代价来
保证模型的细节特征。实现了沉浸式变电站场景漫游、虚拟交互、故障处理功能，激发学习
兴趣，提升教与学质量，具有很高的实用价值。
对主机内存占用过高，从而对主机性能要求过高。 本文研究并实现变电站虚拟仿真系统关键技术。首
先，利用3ds Max建模软件对变电站相关设备建模；其 次模型简化采用基于QEM的改进折叠代价保证模型的 细节特征，降低对计算机的性能要求；最后将模型、声 音、Steam VR插件导入Unity 3D引擎中，配合HTC Vive 设备，完成软硬件结合，实现场景漫游、虚拟交互、故 障处理，增强学员体验，激发学习兴趣。
提。为了真实还原设备和环境的尺寸，通过图像和CAD 图纸数据，确定建模设备比例，利用3ds Max软件仿真 建模。笔者选择多边形（Polygon）建模方法，利用长 方体、球体、圆柱体等标准基本体创建模型，再将其转 换为可编辑多边形，恰当选择边、线、边界、多边形、 元素5个层级，并利用挤出、焊接、切角等命令编辑， 提高模型逼真度。工具栏中对齐、镜像、捕捉命令会大 幅提高建模效率。
基于三维实景技术的变电站仿真培训平台设计
« 电气开关» (２０１８. Ｎｏ. ３)
基于三维实景技术的变电站仿真培训平台设计
朱维明１ ꎬ朱涛２ ꎬ高强２ ꎬ林烨２
(１������ 国网浙江省电力公司电力调度控制中心ꎬ浙江 杭州 ３１０００７ꎻ２������ 国网浙江省电力公司 台州供电公司ꎬ浙江 台州 ３１８０００)
摘 要:针对“调控一体化”体系运行过程中暴露出的监控员现场运行经验缺乏、设备原理不熟悉等问题ꎬ国网浙 江省电力公司率先开展输变电设备集中监控辅助决策技术的研究与应用ꎬ设计了一套基于三维实景技术的变电 站仿真培训平台ꎮ 该平台利用三维实景技术搭建典型变电站的仿真模型ꎬ并以热点的形式集成了有关一二次设 备的原理知识、现场运行规程、集中监控运行相关管理规定以及专家库系统关联的相关告警信息处置意见等ꎮ 本 文从三维实景技术原理、三维实景平台搭建、专家库系统设计等三个方面内容详细介绍了变电站仿真培训平台的 设计方法ꎮ 实际运行经验表明ꎬ该平台可大幅提高监控员的知识水平和业务能力ꎬ是提升调控中心集中监控管控 效率的有效手段ꎮ 关键词:调控一体化ꎻ变电站仿真培训ꎻ三维实景技术ꎻ专家库系统 中图分类号:ＴＭ６３ 文献标识码:Ｂ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ:ｄｉｓｐａｔｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎꎻｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｉｎｉｎｇꎻｔｈｒｅｅ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｒｅａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎻ
ｅｘｐｅｒｔ ｄａｔａｂａｓｅ ｓｙｓｔｅｍ
１ 引言
随着智能电网的快速发展和调控一体化运行体系 的深入推进ꎬ越来越多的变电站开始纳入调控中心集
中监控的范围[１] ꎮ 在调控一体化的模式下ꎬ调控运行 人员需要对所辖电网有更为直观的了解ꎬ从而能够更 加高效、准确地处理电网异常及事故ꎬ从容面对各种突 发情况ꎬ但在实际运行工作中ꎬ集中监控模式也面临以
基于Unity3D的电力培训虚拟现实系统设计与实现
《国家教育事业“十三五”规划的通知》指出,要积极发展互联网+教育,综合利用互联网、大数据、VR技术,探索未来教育教学新模式[1]。
随着VR技术高速发展与设备更新换代,使用VR 的应用百花齐放、万家争鸣,不仅将VR技术应用在娱乐、游戏行业,使用VR开展教育培训的应用也越来越多。
传统的课本式、说教式教育已经不能满足电力行业安全培训的迫切需求。
基于Unity3D的电力培训虚拟现实系统设计与实现,提供具有交互性、沉浸感极强的虚拟现实系统,受训者通过佩戴虚拟现实头盔、使用交互手柄在虚拟现实环境下,快速提升电力专业技能。
该系统方案已经开始在上海市北电力公司中推行使用,并取得良好效果。
1系统关键技术1.1虚拟现实技术虚拟现实(Virtual Reality,VR)是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统,VR利用计算机生成一种虚拟模拟环境,是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真。
用户可以沉浸在虚拟环境当中,并在其中操作虚拟模型、漫游虚拟环境。
图1为系统使用虚拟现实交互设备。
图1系统使用虚拟现实设备图VR技术是仿真技术的一个重要分支,VR技术主要包括环境模拟、交互感知、自然技能和传感交互设备等方面。
环境的模拟是由计算机生成的、实时动态的三维立体模型。
交互感知是指理想状态下VR应该具有和人一样的所有感知[2]。
自然技能是指人体动作行为,由计算机参与处理并返回响应输出。
传感交互设备是指虚拟现实交互设备,通常使用的是交互式手柄。
虚拟现实技术主要有以下特点:1)交互性。
是指用户可以对虚拟现实系统内的物体做交互操作并得到反馈;2)存在感。
指用户可以真实地感受到自己在虚拟现实环境中的真实程度;3)多感知性。
指除了计算机视觉外,还应该具有和人一样的感知能力;4)自主性。
指虚拟现实系统下的物体运动遵守物理运动定律。
1.2Unity3D技术Unity3D是由Unity Technologies开发的创建三维动画、2D或3D游戏、三维模型可视化等类型互动内容的综合游戏开发平台,是一个专业的游戏开发引擎[3]。
变电站仿真模拟培训系统技术报告
变电站仿真模拟培训系统技术报告一、概述众所周知，大型变电站所承载的都是超高压电，这些超高压电经过变电站输送到周边各个地区。
如果变电站出现了问题，将对周边地区产生非常大的影响，而变电站工作人员的操作将直接关系到变电站的正常运行，所以就需要他们都能非常正确的执行每次操作，不能犯任何可能导致变电站出现问题的错误。
要做到这样，则需要对这些人员进行培训、教育与培养。
早期的培训大都是经过理论讲解和现场实习，通过实际操作经验的积累来完成的，这种培训方式因是在实际运行的系统上进行操作，不仅培训成本高、培训时间长，而且有些故障只能在实际发生时才能得到实际操作的机会，致使一部分知识只有感性认识，得不到实际操作的锻炼。
随着系统规模的加大、复杂程度的提高，特别是造价日益昂贵，训练时因操作不当引起的破坏而带来的损失大大增加，因此，提高系统运行安全性、可靠性事关重大。
为解决这些问题，出现了培训仿真系统，模拟实际系统的工作状况和运行环境，以避免运用实际系统时可能带来的危险性及高昂的代价。
500KV变电站仿真模拟培训系统集仿真技术、3D图形图象技术、数据库等技术于一体，依据变电所电力设备实物、一次设备和二次设备进行设计，如主控室、继保室、控制屏、保护屏及设备连接状况，可在一次设备、二次设备以及监控画面上进行相应操作，采用鼠标和键盘相结合的操作方式，简单、直观、易学。
由于是在3D的虚拟环境中操作，操作人员能很快熟悉要操作的实际设备，提高了培训效率，缩短了培训周期。
结合仿真系统中3D角色的动作，进一步提高了操作人员实际操作的能力，避免产生误操作以及一些不规范的操作，从而确保电网安全、可靠、经济运行。
二、设计思路由于该系统是一套完整的3D仿真系统，所以第一步工作是要把整个变电站场景模拟出来。
这一步可以分成2部分，一部分，是做出一个完整的变电站模型，这部分工作主要靠美工来做；另一部分，是选取并使用合适的工具把美工做的模型表现出来，这部分工作则需要程序员来做。
三维变电站仿真培训系统中数据库的设计与实现
三维变电站仿真培训系统中数据库的设计与实现
阎光伟;平红燕
【期刊名称】《电力科学与工程》
【年(卷),期】2009(025)012
【摘要】为了构建功能完善的三维变电站仿真培训系统,在实现变电站三维仿真的基础上,利用关系数据库技术,采用ADO技术作为数据库访问接口,SQL Server作为后台数据库,实现了仿真培训系统的操作票管理模块、事故处理模块、考试系统模块以及学员信息管理模块.
【总页数】4页(P19-22)
【作者】阎光伟;平红燕
【作者单位】华北电力大学,计算机科学与技术学院,北京,102206;华北电力大学,计算机科学与技术学院,北京,102206
【正文语种】中文
【中图分类】TM63
【相关文献】
1.数据库技术及其在变电站仿真培训系统的应用 [J], 张皎;汪贵平;诸文智
2.三维虚拟变电站仿真培训系统的设计与实现 [J], 钟立华;黄凤萍
3.数据库安全技术及其在变电站仿真培训系统中的具体实现 [J], 张皎;汪贵平;诸文智
4.三维虚拟变电站仿真培训系统的设计及实现 [J], 黄凤萍
5.变电站三维仿真培训系统 [J], 无
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三维虚拟变电站仿真培训系统的设计及实现摘要:以惠州供电局变电站仿真培训系统为例,介绍了三维虚拟变电站仿真培训系统的设计平台、仿真模型和故障模型的实现、事故处理培训实例,该系统直观生动、符合现场培训的要求,实用性很强。
关键词:三维虚拟变电站仿真培训故障模型多媒体
为保证变电站安全可靠运行,对运行人员进行接近实际操作情况的培训,以减少各种人为操作事故是非常必要的。
目前的各类培训系统,大多以文字、接线图、数字图表或简单的漫游方式进行实际系统的仿真,无法逼真地模拟人与设备的实时交互功能,培训过程的真实度不够。
本文充分利用了三维图形、三维场景、三维动画和声音等多媒体表现形式,模拟教员和学员角色进入虚拟仿真系统,实现了基于多媒体技术的三维虚拟变电站仿真及设备巡检、倒闸操作等动态操作。
1 设计平台
由中国电力科学研究院和北京科东电力控制系统有限责任公司联合开发的TS2000仿真培训系统应用UNIX操作系统,在主机配置一台SUN工作站作为教员台,其上安装了UNIX多用户实时操作系统,学员机配置了28台联想的PIII微机,其上运行的是SCO公司UNIX 操作系统Openserver5.0,而且利用UNIX的网络支撑功能,实现分布节点的相互操作和各系统的综合协调。
由网络服务器兼做教员台,用于教案编制、运行方式整定、故障设置、系统维护管理、数据组织和显示学员操作情况以便于监管。
教员可以在教员台上为学员设置具体的培训项目,监视和查阅学员培训记录。
学员台用于变电站仿真、监控系统、二次设备、一次设备巡视培训等。
学员台由两个电脑界面组成,分别为三维多媒体巡视操作人机界面和二次设备及自动控制等系统监控界面。
当运行教员端和连接学员机后,就可以进入启动仿真进程。
首先启动三维一次画面,在学员机右边的电脑会显示当前变电站一次设备实景,然后依次启动电网,会弹出psm.exe、dbcom.exe、WNT8000三个窗口,再启动变电站屏盘和保护程序,最后启动监控系统,进入培训模式,选择仿真站名称,便可以在相应站进行各种故障、异常设置。
2 仿真模型和故障模型的实现
仿真模型的变电站包括500kV惠州变电站、220kV三栋变电站、110kV都田变电站和110kV马庄变电站。
其中500kV系统主接线极具代表性,系统有3个电压等级,采用3/2断路器接线,出线5回;220kV 系统采用双母带旁母接线,出线12回,一个母联,一个旁路,2个PT间隔;750MV A主变压器2台,站用变压器2台、35kV电容器、电抗器各9组。
因此,线路、母线、主变等电气设备的各种倒闸操作均可在本仿真变电站进行培训。
故障模型包括:设置故障、设置异常事件、设置三维异常和故障。
设置故障:在教员电网主接线图上左键单击设备潮流(线路、主变的功率、电流,或者母线电压),从弹出菜单上可以设置该设备的故障,在故障设置窗口上拖动上方滑块可以选择故障点,最左侧点是线路出口处,最右侧点是线路末端。
单击“类型”按钮可以选择故障类型(单相接地、相间短路、多相接地等);单击“相”按钮可以选择故障相别,中间单选项选择故障性质(瞬时、永久);最后单击“发送”按钮将故障发送到各学员。
设置异常事件:1)开关异常设置:左键单击开关,从弹出菜单上可以选择设置开关拒动、控制回路断线、压力降低、弹簧未储能等异常事件;2)装置异常事件设置:在设备潮流处左键单击,从弹出菜单上可以设置第1套线路保护装置PT交流电压消失、CT断线、直流电源消失等异常事件。
设置三维异常和故障:在三维异常设置窗口上方有6个下拉列表选项,分别是变电站、电压等级、场景单元、设备类型、设备名称、设备状态,依次设置后点击“加入异常”按钮,然后点击“立即发送”按钮将列表里的异常事件发送出去。
教员可在三维场景中选择故障点挂一个示意牌,明确故障点位置,使学员可以查找出故障点。
3 事故处理培训实例
仿真培训系统包括:一次设备场景系统、二次设备场景系统、微机五防系统和综合自动化监控系统。
以巡视发现220kV三栋变电站221PTB相避雷器冒烟异常处理为实例,介绍事故处理在三维虚拟变电站仿真培训系统中的应用。
学员机左边电脑界面的告警信息窗显示教员机所设置的保护动作、开关跳闸、录波器启动等异常事件及故障信息,同时在右边电脑三维一次画面中也显示三维异常和故障挂牌。
学员根据以上信息可快速查找故障点。
经查看录波图实时曲线,现场检查设备后发现是221PTB相避雷器冒烟。
接着,学员可根据自己的思路进行以下操作:汇报调度,按调度令进行处理,合上222000地刀,断开2201、2439、2012开关,断开221PT二次侧,拉开221PT刀闸,投入2012开关充电保护,合上2012开关,退出2012开关充电保护,将222PT与221PT二次并列,合上2201开关,拉开222000地刀,合上2439开关,将221PT转检修,汇报调度,布置安全措施,挂牌。
4 结语
三维虚拟变电站仿真培训系统形成一个逼真的培训环境,对它进行任何操作都不会对实际系统的设备带来任何影响,它可随心所欲地建立各种运行方式,设置各种故障,使学员尽快掌握各种基本操作。
该系统采用软表盘技术,不仅可以使系统的控制和保护盘台研制成和实
际盘台一样,而且可以超前实际变电站投入使用,这为新建变电站提前培训生产运行人员赢得了宝贵时间。
培训实践表明:该系统功能强大、实时性好、画面生动,不仅培养了学员的实际动手能力,而且加强了理论与实践相结合的环节,是现代供电企业教学和培训的必备手段。
参考文献
[1] 荆铭.多媒体变电站仿真培训系统的开发与应用[J].电网技术,1997(8):41～43.
[2] 阎光伟,平红燕.基于虚拟人行为的三维变电站仿真培训系统[J].电力自动化设备,2010(7):121～123.。