电网监控中的虚拟现实技术研讨.ppt

1、电网监控中的虚拟现实技术研讨口 f=E虚拟现实技术简介虚拟现实技术国内电力自动化领域的应用现状曙藕®平皿变电站及口 f=E一、虚拟现实技术简介虚拟现实的英语名称是“VirtimlReality”简称“VR” ,它是计算机 与用户之间的一种更为理想化的人机界面形號。VR系统具有三个重要特征:临镜性(Immersion)又称临场感交互性(Interactivity)想象性(Imagination)。VR技术就是人们利用计算机生成一人逼真的三维虚拟环境，通过自然 技能使用传感设备与之相互作用的新技术。它与传统的模拟技术完全不同, 是将模拟环境、视景系统和仿真系统合三为一。虚拟现实技术于90

2、年代初开始进入实用化阶段。之后，少数发达国 家在经济、艺术乃至军事领域开始应用这种高新技术，并取得了显著的效 果。至1999年，VR技术应用更为广泛，涉及航天、军事、通信、医疗、 教育、娱乐、图形、建筑和商业等各个领域。虚拟现实有时还称为：“信息空间”，“人工现实”，“合成环境“等, 虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视、 听、嗅、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户 的操作，从而提高整个系统的工作效率。关于虚拟现实的定义，我们可以简 单地理解为：利用计算机生成的能给人多种感官刺激的人机交互系统。虔拟现奧概介棋型感官刺激信号反应系统反应动作虚拟

3、环境两个方面含义：第一是计算机生成的虚拟 环境必须是能给人提供多种感 觉的感官刺激的环境，能让人 有“沉浸”的感觉，现在的技 术水平，虚拟现实通常由视觉、 阱觉和蝕觉初康。其二是虚拟现实系统是一 种高级的人机交互系统，因此 人机交互是虚拟现实的核心。虚拟环境虚拟房间虚拟汽车虚拟人口 f=E电网监控中的虚拟现实技术(D 虚拟现实技术简介口 f=E电网监控中的虚拟现实技术口 f=E电网监控中的虚拟现实技术虚拟现实技术国内电力自动化领域的应用现状东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介二.處拟现实技术国内电力自动化领域的应用现状随着虚拟现实技术越来越成熟，随着各种技术、设备的改善，它在

4、电力 系统中的应用将会越来越受到重视。最让人瞩目的是虚拟现实技术与DPS（数 字化电力系统）技术的结合，它们的结合将会在电力系统未来的发展方向一 “电力系统数字化”的进程中显示出其强大的作用。传统的电力监控系统（比如SCADA系统）一般基于二维组态系统构建， 其运行流程图以二维一次接线图，用2D图形符号的方式显示变电站内所有用 电设备和回路，为调度、集控中心提供瞬时电量（三相电流、三相电压、有 功功率、无功功率、有功电度、无功电度、功率因数、频率等）、各回路断口 f=E路器的运行状态、各回路的故障情况等实时信息。这种方式不能直观地反映 现场设备及电力运行流程，只有二维画面，无法给使用者以真实的

5、三维感觉, 难以与真实变电站同步变化。为了弥补传统电力监控系统的不足，将虚拟现实技术应用到传统SCADA 系统中，开发基于虚拟现实技术的三维SCADA系统，解决其界面显示、调度 员感官的不足，提供更人性化，更真或的仿真流程，同时能通过各种交互手 段让用户与虚拟场景进行交互，对现场设备进行更有效的控制。目前，虚拟现实技术在电力自动化领域基本上处于研究和探索阶段，实 际领域的应用很少，特别是国内几个大的电力自动化厂家，还没有正式推出 自己的基于虚拟现实的产品。目前主要是一些科研机构和高校的相关专业对 这方面进行了一些相关的研究，还有一些小的公司开发了一些产品。口 FE（1）北京航空航天大学计算机系

6、是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之 一，他们在虚拟现实中的视觉接口方面开发岀了部分硬件，并提岀了有关算 法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究 论坛。（2）浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时 漫游系统。另外，他们还研制岀了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一 种递进网格的快速生成算法。（3）哈尔滨丄业大学计算机系已经成功地虚拟岀了人的高级行为中特定人脸 图象的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话的头 势和手势动作，语音和语调的同步等。（4）清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究

7、。 他们还针对室内环境水平特征丰富的特点，提出借助图象变换，使立体视觉 图象中对应水平特征呈现形状一致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三 维结构的新颖算法。口 f=E（5）西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术一一立体显示 技术进行了研究。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了 一种基于JPEG 标准压缩编码新方案，并获得了教高的压缩比、信噪比以及解压速度，并 且已经通过实验结果证明了这种方案的优越性。（7）北方工业大学CAD研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之（6）中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术，完成了 虚拟现实中的体视图象对算法回显及软件接口。他们在

8、硬件开发上已经完 成了LCD红外立体眼镜，并且已经实现商品化。一，中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片相似就出自该中 心。关于虚拟现实的研究已经完成了2个“863”项目，完成了体视动画的 自动生成部分算法与合成软件处理，完成了VR图象处理与演示系统的多媒 体平台及相关的音频资料库，制作了一些相关的体视动画光盘。（8）国防科技大学开发了一个基于Internet的三维虚拟漫游环境 Universe3Do口 f=E电网监控中的虚拟现实技术虚拟现实技术简介虚拟现实技术国内电力自动化领域的应用现状东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介门匸石三、东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及

9、仿真培训系统简介基于三维VR技术的虚拟变电站和变电站操作员仿真培训 系统是将虚拟现实技术与SCADA技术结合应用的综合应 用系统。本系统是在借鉴了传统电力监控系统使用模式的 基础上提出的新型电力监控系统，用于弥补传统电力监控 系统不能直观显示现场设备的实时状态和电力运行流程的 不足。系统基于3D虚拟现实技术，通过数据交换与SCADA系统 等进行实时数据交换，由实时数据驱动3D显示，为调控 中心提供变电站当前运行状态的3D虚拟变电站场景，使 调控中心能“身临其境”,直观、逼真的观察变电站电力 设备的状态，并对现场设备进行控制，实现虚拟场景和现 实场景的实时同步。同时系统还提供3D仿真培训和记录

10、回放功能。根据目前我们的开发能力和技术积累情况，系统的开发分 为一期和二期两个阶段实施。一期开发实现通用的虚拟现实平台的开发并以此为基础， 实现3D变电站设备实时监控功能。同时具备场景、设备、 参数编辑能力虚拟现实编辑器。目前虚拟现实展示工具 已经开发完成，并已经在辽宁朝阳投入运行。二期开发实现3D变电站仿真培训系统，并在虚拟现实编 辑器的基础上实现虚拟变电站的3D模型库和组态配置工 具，用户可以此为基础自由构建其他变电站的三维实时监 控系统。三.东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介变电站实时监控变电站运行人员仿真培训调度员仿真培训系统功餐块变电站动态配置n(=i=三、东方电

11、子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介n(=i=三、东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介电力设每忘用钦件支持系统大环投影NZ：大环投影记录冋败于豪红记录冋败 于系红n(=i=三、东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介虚拟现实通用平台虚拟现实支持平台是虚拟应用的基础。不解决好虚拟现实 平台问题，一切的应用都是空中楼阁。虚拟现实支持平台要解决的是模型的导入、整理以及场景 的渲染、漫游、交互与后续应用的开发支持问题。n(=i=三、东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介虚拟现实通用平台建模技术的流程研究虚拟现实技术的应用，模型、场景的建立是一

12、个重要前提 和重要方面，建模的成功与否关系到渲染的效果和应用的 成功。建模技术与我们的开发工作无关，它是使用现成的商业软 件，例如3DMax、Pro/E,建立我们需要的变电站模型、 场景，然后倒入我们的系统中使用。在用户现场的工程服 务中，估计至少要占9。以上的工作量。因此必须探索出一条快速、简捷、优化的建模流程，并编 写出一套相应的建模手册。虚拟现实通用平台虚拟现实平台的实现建模工具：3DMax开发平台：OSG(Open Scene Graph), QT4虚拟现实软件开发平台是一款通用的虚拟现实应用系统开发平台，它以虚拟现实平台为基础 ,提供复杂场景图形、声音、交互操作、干涉检查等多方面的支

13、持， 从而可以简化应用系统的开发，提高应用系统的功能和性能。平台系 统表现为一个视景和声音开发支撑平台和多个开发支持工具(几何对 象干涉检查工具包、通用虚拟手开发工具包、不规则几何体构造工具 等，根据需要待定)，用户使用平台自身提供的开发模板和开发工具 ,即可进行VR系统开发应用。虚拟现实基础平台与开发平台的实现可合二为一。虚拟现实通用平台虚拟现实软件开发平台 VSM至少要提供的主要功能模块核心功能模块：公共资源、进程线程和时序管理，协调其他各子功能 模块的动作；启动和终止整个软件。输入设备模块：支持所有的输入设备，并实时更新它们的状态，获取 当前的用户输入；允许其它子模块向其注册所需命令，检

14、测当前输入 信号，若为已注册的命令，将其分配给相应子模块的命令列表。应用管理模块：创建并管理虚拟世界所需的各种数据，如外部场景、 玩家、各种声音等；通过输入设备模块读取用户输入的仿真信号，执 行各种仿真操作，以实时修改虚拟世界的数据，完成仿真计算；向输 入设备模块注册命令，并实时检查其命令列表，执行命令操作。输出模块：支持输出各种感观效果的外设，如视、听、触、动感等； 读取应用管理模块中虚拟世界的各种数据，通过相应的外设输岀；想 输入设备模块注册命令，实时检测输入命令并执行相关操作。虚拟现实通用平台虚拟现实软件开发平台模型预处理模块：支持对CAD或者其他几何建模软件导岀的渲染几何 模型进行二次

15、处理，如进行空间八叉树分割、模型格式转换、顶点法 向修复等，以获得最好的渲染性能及渲染效果。局域网通信模块：基于下一代平台网络支持的局域网通信软件，提供 局域网内数据通信功能以及文件传输功能。并行渲染支持模块：支持在基于高速局域网的计算机集群中建立统一 的虚拟场景树管理，如场景树建立、同步、修改、删除等，使得并行 渲染歳头J奇能。渲染结点模块：接收来自用户结点的场景树信息，应用当前最新的图 形渲染技术进行渲染并传送给图像处理结点，该模块提供需要局域网 通信模块和并行渲染支持模块提供支持。图像处理模块：对图像提供合并、边缘融合、几何矫正、文件保存等 功能，并能将图像直接写入到显卡内存中。变电站实

16、时监控系统系统营造的3D虚拟变电站场景主要是由各种3D电力设备（例如变电 站中的变压器、母线、刀闸，及室内电力监控仪表等）组成，将不同 3D设备逐一安排布置于虚拟环境之后，详加描述设备行为的能力（如 设备模型的颜色变化和形态变化等），再采用光源、背景和控制面的 调和衬托，就产生了逼真的3D虚拟变电站场景。系统营造的3D虚拟变电站场景是实时的，通过数据与SCADA系统等 进行实时数据交换，由实时数据驱动3D显示，以达到在3D虚拟变电 站场景中对电力设备进行实时监视与控制的功能。n(=i=三、东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介变电站实时监控系统三维场景编辑：在用户进行3DMax

17、场景建模后，把场景导入我们的工 程里，并对场景和其中的设备进行编辑。包括场景的显示属性设置； 增加、删除、移动、复制、粘贴设备；设备的显示属性设置、参数设 置等。完成类似于传统SCADA绘图包的功能。三维场景漫游：可在变电站三维场景中进行漫游，包括“室外漫游”、 “控制室观察”、“自动路径漫游”、“室外全景”等各种模式，并 可用键盘或鼠标与3D场景进行人机交互；（通过建模人员精细建模 后，系统平台加载建模文件，实现基本三维场景漫游，包括实现对场 景的拉近、放远，左、右、上、下移动，即平台基本漫游功能）实时状态显示：通过设备颜色、形态上的变化，直观地反映岀设备的 实时状态，例如变压器油温过高时，

18、变压器三维模型变为红色；（建 立一个对照表，即关键电力设备与3DMAX模型的对照）变电站实时监控系统实时运行参数显示：在三维场景中点选设备，可查看设备的各种实时 运行参数；（实时数据即我们的内存库，现在的问题是如何与三维平 台框架通信的问题（解决办法是在内存库与三维平台间做一个接口， 最好的接口方式是WebService）,因为三维平台不像我们可视化二维 平台全面展示实时数据，我们只需要对点先设备进行数据展示，所以 当点选设备后，我们再去查询实时数据，这个过程我想应该很容易实 现。故障定位与分级告警：当设备运行参数发生异常时，三维场景会自动 定位到异常设备，根据报警设置的等级，异常设备模型发生

19、形态变化, 并自动显示系统异常运行参数值，结合报警器进行分级报警；（做一 个类似我们可视化的告警服务器，实时监测数据，或就用我们的告警 服务器进行改造。改造内容包括：加一个设备模型对照设备表，如果 该设备岀现设备异常，先通过内存库设备信息找到模型，调用程序控 制设备变色，包括发生动作变化）变电站实时监控系统运行控制：可通过在三维场景中用鼠标点击选择设备或在三维控制室 中操作控制开关对3D变电站的设备状态进行控制。例如在室内电力 监控仪表上进行刀闸开合的操作，室外三维场景中相应的刀闸模型实 时呈现直观的开合形状。（对某个设备的状态控制我们DEMO中已经 实现某个刀闸的打开，合并操作动作。这个功能

20、不是很难，因为我们 有对照表，通过对照表，取到该设备模型节点，但需要对该模型建立 DOF子节点，即动作节点，调用它的动作节点，即可控制模型动作）大屏幕显示支持记录回放支持：根据用户需要，回放历史数据、事项等。n(=i=三、东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介变电站运行人员仿真培i丿11功能虚拟变电站仿真培训系统能模拟变电站正常、异常和故障时的各种工 况及操作过程，如设备巡视、设备投运、调整变压器分接头以及断路 器跳闸等力。在虚拟变电站内，如果受训人员的模拟操作改变了变 电站的网络拓扑结构，电力系统仿真软件将自动重新计算并将仿真结 果立即传送给虚拟保护自动装置；再由这些装置立即

21、进行计算并做岀 正确反应，模拟操作的过程和结果就与实际现场基本一致。仿真培训系统的交互设备可以考虑利用头盔显示器、三维鼠标和数据 手套等虚拟现实交互工具来提高用户与虚拟场景以及现场的交互能力。 受训者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚 拟环境中，成为虚拟环境中的一员。受训者与虚拟环境中的各种对象 的相互作用，就如同在现实世界中的一样。当受训者移动头部时，虚 拟环境中的图像也实时地跟随变化，拿起物体可使物体随着手的移动 而运动，而且还可以听到三维仿真声音。受训者在虚拟环境中，一切 感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。变电站运行人员仿真培i丿11功能仿真变电站的监控系统（仿

22、真SCADA系统）：该功能针对仿真变电 站系统，潮流数据由实际的SCADA系统接入，完全模仿实际变电站 的运行状态，教练和学员可以在此仿真SCADA系统上进行训练和学 习，包括：动态潮流、频率、电压、主变油温等运行参数在三维场景 中的实时显示，变压器和母线的负荷状态、刀闸/开关状态在三维场 景中的直观体现等功能。系统的正常运行与操作仿真：该功能包括运行方式及工况的设置与存 储，可以灵活多样地选择运行方式。每种运行方式下的变化则涉及正 常操作仿真，包括母线刀闸操作和主变与线路投退及旁代等系统所有 的正常操作。工况则可根据不同运行方式任意设置24h的负荷曲线， 并以此进行正常运行状态下的潮流计算。

23、n(=i=三、东方电子虚拟现实通用平台与虚拟变电站及仿真培训系统简介变电站运行人员仿真培i丿11功能故障、事故处理训练：教员可以在仿真培训教练员工作站上方便地改 变系统的运行状态，并可设置不同时间、不同地点的各种异常及故障; 仿真系统能模拟系统发生各种事故后的运行状态，并在虚拟变电站平 台上产生三维模型颜色、形状、显示量的变化，构建岀系统故障或事 故后的三维场景；学员可根据这些信息直观地判断故障类型及位置， 并在教员的配合下隔离故障、消除故障，从而恢复系统的正常运行。 变电系统的异常仿真包括：主变与线路过负荷，主变漏油超温，PT与 CT断线，控制回路断线等。除可设置故障外，还可以仿真由于误操作

24、 引起的故障。专家系统操作票功能：专家系统操作票能开岀所有现场操作任务的正 确操作票，同时它分为考核和培训两种不同的运行模式：考核模式下 专家系统对学员的操作步骤不作任何提示，最后根据操作的正确程度 给出评价；培训模式下专家系统对学员的操作步骤加以提示，直至操 作正确才可继续进行。（这个功能像玩游戏一样，关键是要记录用户 的操作步骤，根据步骤再来统计每步的得分，给岀对应评价）。变电站运行人员仿真培i丿11内容 1)仿真一次设备及其就地操作系统：采用虚拟现实三维场景仿真，逼 真地再现变电站现场场地、变压器、母线、断路器、隔离开关、接地 刀闸、操作机构、电压互感器、电流互感器、电抗器、电容器、高压 熔断器、站用变压器等一次设备及设备的操作过程、动作过程和设备 运行状态。对部分事故，可再现事故场景。还可以逼真地模拟天气情 况，如雾天、下雨、下雪等。现场设备的多媒体视景仿真主要用于：现场设备操作、设备状态检查、 设备巡视检查、操作和事故过程演示等仿真功能满足各种运行方式下 的倒闸操作、操作检查、安全措施、事故处理、故障查找、异常工况 及设备巡视等的需要。就地操作、现场检查和设备巡视采用实际设备 虚