电网监控中的虚拟现实技术研讨

电网监控中的虚拟现实技术研讨2虚拟现实技术的市场调研与初步研讨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的英语称号是“VirtualReality〞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方式。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个逼真的三维虚拟环境，经过自然技艺运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年代初开场进入适用化阶段。之后，少数兴隆国家在经济、艺术乃至军事领域开场运用这种高新技术，并获得了显著的效果。至1999年，VR技术运用更为广泛，涉及航天、军事、通讯、医疗、教育、文娱、图形、建筑和商业等各个领域。一、虚拟现实技术简介3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，它经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、最大限制地方便用户的操作，从而提高整个系统的任务效率。关于虚拟现实的定义，我们可以简单地了解为：利用计算机生成的能给人多种感官刺激的人机交互系统。两个方面含义：第一是计算机生成的虚拟环境必需是能给人提供多种觉得的感官刺激的环境，能让人有“沉浸〞的觉得，如今的技术程度，虚拟现实通常由视觉、听觉和触觉构成。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中心。一、虚拟现实技术简介虚拟环境虚拟房间虚拟汽车虚拟人一、虚拟现实技术简介几种典型虚拟现实运用几种典型虚拟现实运用产品展现飞行训练一、虚拟现实技术简介电网监控中的虚拟现实技术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，它在电力系统中的运用将会越来越遭到注重。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开展方向—“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〕普通基于二维组态系统构建，其运转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一切用电设备和回路，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〕、各回路断路器的运转形状、各回路的缺点情况等实时信息。这种方式不能直观地反映现场设备及电力运转流程，只需二维画面，无法给运用者以真实的三维觉得，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缺乏，将虚拟现实技术运用到传统SCADA系统中，开发基于虚拟现实技术的三维SCADA系统，处理其界面显示、调度员感官的缺乏，提供更人性化，更真实的仿真流程，同时能经过各种交互手段让用户与虚拟场景进展交互，对现场设备进展更有效的控制。目前，虚拟现实技术在电力自动化领域根本上处于研讨和探求阶段，实践领域的运用很少，特别是国内几个大的电力自动化厂家，还没有正式推出本人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展了一些相关的研讨，还有一些小的公司开发了一些产品。二、虚拟现实技术国内电力自动化领域的运用现状〔1〕北京航空航天大学计算机系是国内最早进展VR研讨、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出了部分硬件，并提出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讨论坛。〔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遨游系统。另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速遨游算法和一种递进网格的快速生成算法。〔3〕哈尔滨工业大学计算机系曾经胜利地虚拟出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，并正在研讨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展了研讨。他们还针对室内环境程度特征丰富的特点，提出借助图象变换，使立体视觉图象中对应程度特征呈现外形一致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三维构造的新颖算法。二、虚拟现实技术国内电力自动化领域的运用现状〔5〕西安交通大学信息工程研讨所对虚拟现实中的关键技术——立体显示技术进展了研讨。他们在自创人类视觉特性的根底上提出了一种基于JPEG规范紧缩编码新方案，并获得了教高的紧缩比、信噪比以及解压速度，并且曾经经过实验结果证明了这种方案的优越性。〔6〕中国科技开发院威海分院主要研讨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。他们在硬件开发上曾经完成了LCD红外立体眼镜，并且曾经实现商品化。〔7〕北方工业大学CAD研讨中心是我国最早开展计算机动画研讨的单位之一，中国第一部完全用计算机动画技术制造的科教片<类似>就出自该中心。关于虚拟现实的研讨曾经完成了2个“863〞工程，完成了体视动画的自动生成部分算法与合成软件处置，完成了VR图象处置与演示系统的多媒体平台及相关的音频资料库，制造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的三维虚拟遨游环境Universe3D。二、虚拟现实技术国内电力自动化领域的运用现状虚拟现真实变电站中的运用截图二、虚拟现实技术国内电力自动化领域的运用现状虚拟现真实变电站中的运用截图二、虚拟现实技术国内电力自动化领域的运用现状虚拟现真实变电站中的运用截图二、虚拟现实技术国内电力自动化领域的运用现状虚拟现真实变电站中的运用截图二、虚拟现实技术国内电力自动化领域的运用现状电网监控中的虚拟现实技术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技术结合运用的综合运用系统。本系统是在自创了传统电力监控系统运用方式的根底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形状和电力运转流程的缺乏。系统基于3D虚拟现实技术，经过数据交换与SCADA系统等进展实时数据交换，由实时数据驱动3D显示，为调控中心提供变电站当前运转形状的3D虚拟变电站场景，使调控中心能“身临其境〞，直观、逼真的察看变电站电力设备的形状，并对现场设备进展控制，实现虚拟场景和现实场景的实时同步。同时系统还提供3D仿真培训和记录回放功能。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根据目前我们的开发才干和技术积累情况，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根底，实现3D变电站设备实时监控功能。同时具备场景、设备、参数编辑才干-虚拟现实编辑器。目前虚拟现实展现工具曾经开发完成，并曾经在辽宁朝阳投入运转。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根底上实现虚拟变电站的3D模型库和组态配置工具，用户可以此为根底自在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虚拟现实虚拟现实通用平台变电站实时监控变电站运转人员仿真培训调度员仿真培训变电站动态配置三、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系统功能模块三、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支持平台是虚拟运用的根底。不处理好虚拟现实平台问题，一切的运用都是空中楼阁。虚拟现实支持平台要处理的是模型的导入、整理以及场景的渲染、遨游、交互与后续运用的开发支持问题。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1建模技术的流程研讨虚拟现实技术的运用，模型、场景的建立是一个重要前提和重要方面，建模的胜利与否关系到渲染的效果和运用的胜利。建模技术与我们的开发任务无关，它是运用现成的商业软件，例如3DMax、Pro/E，建立我们需求的变电站模型、场景，然后倒入我们的系统中运用。在用户现场的工程效力中，估计至少要占90%以上的任务量。因此必需探求出一条快速、简捷、优化的建模流程，并编写出一套相应的建模手册。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1虚拟现实平台的实现建模工具：3DMax开发平台：OSG(OpenSceneGraph)，QT4三、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1虚拟现实软件开发平台是一款通用的虚拟现实运用系统开发平台，它以虚拟现实平台为根底，提供复杂场景图形、声音、交互操作、干涉检查等多方面的支持，从而可以简化运用系统的开发，提高运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、不规那么几何体构造工具等，根据需求待定〕，用户运用平台本身提供的开发模板和开发工具，即可进展VR系统开发运用。虚拟现实根底平台与开发平台的实现可合二为一。虚拟现实软件开发平台VSM至少要提供的主要功能模块中心功能模块：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：支持一切的输入设备，并实时更新它们的形状，获取当前的用户输入；允许其它子模块向其注册所需命令，检测当前输入信号，假设为已注册的命令，将其分配给相应子模块的命令列表。运用管理模块：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；经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，以实时修正虚拟世界的数据，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；读取运用管理模块中虚拟世界的各种数据，经过相应的外设输出；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。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1虚拟现实软件开发平台模型预处置模块：支持对CAD或者其他几何建模软件导出的渲染几何模型进展二次处置，如进展空间八叉树分割、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。局域网通讯模块：基于下一代平台网络支持的局域网通讯软件，提供局域网内数据通讯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一致的虚拟场景树管理，如场景树建立、同步、修正、删除等，使得并行渲染成为能够。渲染结点模块：接纳来自用户结点的场景树信息，运用当前最新的图形渲染技术进展渲染并传送给图像处置结点，该模块提供需求局域网通讯模块和并行渲染支持模块提供支持。图像处置模块：对图像提供合并、边缘交融、几何矫正、文件保管等功能，并能将图像直接写入到显卡内存中。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1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，详加描画设备行为的才干(如设备模型的颜色变化和形状变化等)，再采用光源、背景和控制面的调和烘托，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，经过数据与SCADA系统等进展实时数据交换，由实时数据驱动3D显示，以到达在3D虚拟变电站场景中对电力设备进展实时监视与控制的功能。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2三维场景编辑：在用户进展3DMax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展编辑。包括场景的显示属性设置；添加、删除、挪动、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。三维场景遨游：可在变电站三维场景中进展遨游，包括“室外遨游〞、“控制室察看〞、“自动途径遨游〞、“室外全景〞等各种方式，并可用键盘或鼠标与3D场景进展人机交互；〔经过建模人员精细建模后，系统平台加载建模文件，实现根本三维场景遨游，包括实现对场景的拉近、放远，左、右、上、下挪动，即平台根本遨游功能〕实时形状显示：经过设备颜色、形状上的变化，直观地反映出设备的实时形状，例如变压器油温过高时，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〕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2实时运转参数显示：在三维场景中点选设备，可查看设备的各种实时运转参数；〔实时数据即我们的内存库，如今的问题是如何与三维平台框架通讯的问题〔处理方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〕，由于三维平台不像我们可视化二维平台全面展现实时数据，我们只需求对点先设备进展数据展现，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。缺点定位与分级告警：当设备运转参数发生异常时，三维场景会自动定位到异常设备，根据报警设置的等级，异常设备模型发生形状变化，并自动显示系统异常运转参数值，结合报警器进展分级报警；〔做一个类似我们可视化的告警效力器，实时监测数据，或就用我们的告警效力器进展改造。改造内容包括：加一个设备模型对照设备表，假设该设备出现设备异常，先经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〕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2运转控制：可经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变电站的设备形状进展控制。例如在室内电力监控仪表上进展刀闸开合的操作，室外三维场景中相应的刀闸模型实时呈现直观的开合外形。〔对某个设备的形状控制我们DEMO中曾经实现某个刀闸的翻开，合并操作动作。这个功能不是很难，由于我们有对照表，经过对照表，取到该设备模型节点，但需求对该模型建立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：根据用户需求，回放历史数据、事项等。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2虚拟变电站仿真培训系统能模拟变电站正常、异常和缺点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[7]。在虚拟变电站内，假设受训人员的模拟操作改动了变电站的网络拓扑构造，电力系统仿真软件将自动重新计算并将仿真结果立刻传送给虚拟维护自动安装；再由这些安装立刻进展计算并做出正确反响，模拟操作的过程和结果就与实践现场根本一致。仿真培训系统的交互设备可以思索利用头盔显示器、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才干。受训者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将本人置身于虚拟环境中，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，就好像在现实世界中的一样。当受训者挪动头部时，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挪动而运动，而且还可以听到三维仿真声音。受训者在虚拟环境中，一切觉得都是那么逼真，有一种身临其境的觉得。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转人员仿真培训功能3仿真变电站的监控系统〔仿真SCADA系统〕：该功能针对仿真变电站系统，潮流数据由实践的SCADA系统接入，完全模拟实践变电站的运转形状，教练和学员可以在此仿真SCADA系统上进展训练和学习，包括：动态潮流、频率、电压、主变油温等运转参数在三维场景中的实时显示，变压器和母线的负荷形状、刀闸/开关形状在三维场景中的直观表达等功能。系统的正常运转与操作仿真：该功能包括运转方式及工况的设置与存储，可以灵敏多样地选择运转方式。每种运转方式下的变化那么涉及正常操作仿真，包括母线刀闸操作和主变与线路投退及旁代等系统一切的正常操作。工况那么可根据不同运转方式恣意设置24h的负荷曲线，并以此进展正常运转形状下的潮流计算。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转人员仿真培训功能3缺点、事故处置训练：教员可以在仿真培训教练员任务站上方便地改动系统的运转形状，并可设置不同时间、不同地点的各种异常及缺点；仿真系统能模拟系统发生各种事故后的运转形状，并在虚拟变电站平台上产生三维模型颜色、外形、显示量的变化，构建出系统缺点或事故后的三维场景；学员可根据这些信息直观地判别缺点类型及位置，并在教员的配合下隔离缺点、消除缺点，从而恢复系统的正常运转。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。除可设置缺点外，还可以仿真由于误操作引起的缺点。专家系统操作票功能：专家系统操作票能开出一切现场操作义务的正确操作票，同时它分为考核和培训两种不同的运转方式：考核方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；培训方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展。〔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，给出对应评价〕。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转人员仿真培训功能31〕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、隔分开关、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、动作过程和设备运转形状。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、设备形状检查、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转方式下的倒闸操作、操作检查、平安措施、事故处置、缺点查找、异常工况及设备巡视等的需求。就地操作、现场检查和设备巡视采用实践设备虚拟现实三维模型加照片贴图方式进展仿真。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转人员仿真培训内容32〕仿真控制屏、仪表屏、信号屏：各类屏的盘面均按实践的照片进展模拟仿真，对盘面及盘后的一切电气元件作全范围的仿真。盘后的直流控制开关、直流信号开关；盘面的显示仪表、指示灯、光字信号、控制开关、控制按钮及切换开关等为多媒体画面且能进展操作。3〕仿真微机“五防〞系统：对实践变电站的微机五防闭锁安装进展全仿真，并可根据培训要求投入或解除微机五防功能。具有提供五防操作规那么和闭锁条件的简易设置言语、经过界面上的模拟生成操作票、仿真电脑钥匙的运用过程、现场仿真图形上的操作和校验及错误操作记录等功能。能按照“五防〞要求和现场设备的形状打印出操作票，使仿真培训操作符合现场的操作程序和习惯。4〕仿真平安器具：仿真平安工具室及各种常用的标示牌，平安帽，绝缘手套，绝缘靴、接地线，验电器，围栏等。〔以上仿真设备均需求经过