| 标题 | 三维虚拟仿真技术在电力设备设计中的应用 |
| 范文 | 郝腾飞 李军锋 李晓莹 赵永强 薛江 摘 要： 在传统的电力设备设计过程中常出现工程数据库支撑、数据之间关联不畅等问题，导致各个环节间协调不够，易出现设计失误，造成安全隐患，严重影响工程进度和安全性能。随着近年来三维虚拟仿真技术的发展，虚拟现实技术多方面的优越性日益凸显，因此虚拟现实技术越来越多地被采用在电力设备生产设计环节并得到了良好的应用。为了解决传统电力设备设计过程中常见的安全问题，提出结合三维虚拟现实技术对电力设备进行创新和优化的思路，并构建了三维虚拟仿真电力系统。为了验证系统的准确性，进行仿真实验，实验结果表明，该系统可以更好地促进电力设备高效、安全、准确的运行。 关键词： 变电站设计； 虚拟现实技术； 三维模型； 數字化移交； 安全性能； 电力系统 中图分类号： TN915.853?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）14?0051?04 Application of 3D virtual simulation technology in power equipment design HAO Tengfei1， LI Junfeng2， LI Xiaoying2， ZHAO Yongqiang2， XUE Jiang2 （1. Communication University of China， Nanguang College， Nanjing 211172， China； 2. Education Training Evaluation Center， Guangdong Power Grid Co.， Ltd.， Guangzhou 510520， China） Abstract： Problems such as poor correlation between engineering database support and data often occur in the traditional design process of power equipments， which may result in insufficient coordination between various links and easy occurrence of design mistakes， cause security risks， and seriously affect the project schedule and safety performance. With the development of the 3D virtual simulation technology in recent years， the advantages of the virtual reality technology become increasingly prominent in many aspects. As a result， the virtual reality technology is more and more used in the production and design links of power equipments and has been well applied. The idea of combining the 3D virtual reality technology to innovate and optimize the power equipment is proposed， and a 3D virtual simulation power system is constructed， so as to solve the common security problems occurred during the traditional power equipment design. The simulation experiment was carried out to verify the accuracy of the system. The experimental results show that the system can better facilitate the efficient， safe and accurate operation of power equipments. Keywords： substation design； virtual reality technology； 3D model； digitalized handover； safety performance； power system0 引 言 电力设备的安全性和实用性是电力行业中十分重要的命题。电力设备的特殊性，导致传统的电力安全设备运行过程中经常出现设备部件关联不畅等问题，导致系统运行效果并不十分理想，易造成安全隐患。随着计算机仿真技术和三维虚拟现实技术的快速发展，为现代化三维虚拟仿真电力设备创新提供了新的发展途径[1]。因此对三维虚拟仿真技术的基础理论及应用现状进行了深入的研究和分析后，结合电力工程作业流程和常见的电力安全事故，对虚拟现实电力安全培训系统进行创新设计，同时对三维虚拟现实技术进行分析，建立融合互动性、实用性的电力安全系统[2]。 1 虚拟现实电力设备系统设计原理 对电力系统进行设计的重点主要包括断路器和变压器两大类。由于不同结构的工作原理不同，因此建模方法也不尽相同，需要对两类分别进行详细的划分[3]。断路器是电力开关设备中最重要的整机元件，起到控制和保护电力设备的重要作用，其性能好坏及可靠程度直接影响电力设备运行的安全性和可靠性[4]。因此首先对电力设备断路器结构框架进行分析得到图1。 图1展示的部分可以适当地采用三维虚拟图像仿真技术进行建模。将断路器结构主要分为检修、维护、部件与原理4大模块，以便将电力系统图片生成虚拟环境，减少了建模的工作量[5]。 电力培训的另一个主要分模块电力变压器可大体分为结构、运行、组装和互感器4大子模块[6]。具体结构框架如图2所示。 根据电压器结构框架和模拟断路器结构对电力设备进行三维虚拟仿真设计。 首先对断路器结构和电压器结构进行详细分析，在分布了解二者的工作原理的基础上将二者进行有机结合形成完整电力设备系统[7]。在此基础上，结合三维虚拟仿真技术对电力设备系统的场景进行分析和划分，建立虚拟仿真技术的电力设备模型以便实现三维可视化的流程设计[8]。 2 基于三维虚拟仿真技术的电力操作系统设计 三维虚拟现实仿真技术作为一种新型现代化科技，有利于为用户提供一个与虚拟世界直接进行通信的先进手段，将虚拟世界三维空间中的三维对象进行生动准确的展示[9]。将三维虚拟现实仿真技术与电力设备相融合，有利于提高电力设备的操作性，保障设备的安全性。结合三维虚拟显示仿真技术可以将电力设备中的操作对象进行控制，简化相关工作人员对电力设备的操作流程，可提高设备进行实时响应的速度，为三维实体操作提供了丰富的交互媒介[10]。三维虚拟现实仿真技术运作流程如图3所示。 三维虚拟现实仿真技术可以通过对电力设备中各项数据的分析和传输对外部设备进行精准有效的控制[11]。为了方便使用，主要通过对虚拟环境中实体和视点的改变进行相应的交互操作[12]。使用者可以利用二维鼠标对三维空间中的设备部件进行控制和操纵，在操作过程中可利用计算机学中三维图形的几何变换原理可实现平移、旋转等运动，并计算物体被操纵后的目标坐标值，从而完成操纵过程，以便快速地对设备部件进行变换，并获得在交互过程中变化的动态显示效果。系统的具体操作流程如图4所示。 通过以上系统工作流程可有效地对虚拟仿真电力系统中生成的仿真环境进行实时跟踪，快速获取并执行操作者的行为与反应，实时地反馈到虚拟环境系统中，以便及时调整电力设备系统内的安全序列，并根据输入数据计算和生成新的视景，在提高工作效率的同时保障电力设备的安全性。 3 系统检测结果分析 为了验证基于三维虚拟仿真技术的电力操作系统的实用性，利用虚拟现实的即时性特点通过简单的系统浏览电力设备运行过程中的错、漏、碰、缺，来对系统的合理性进行检测。判断该系统是否能达到通过物体旋转和平移，在虚拟环境下对系统任意角度进行准确浏览以及时排查安全隐患，保障设备安全运行的设计目标。因此通过传统电力设备视觉效果和三维虚拟仿真操作效果分别对正在运行的电力设备中某一部件进行检测，并将检测效果进行简单绘制得到图5。 通过检测结果不难发现，传统的电力设备视觉检测结果存在视觉盲区，易导致在设备运作过程中难以及时发现部件运行状态的问题。一旦出现安全隐患难以及时查找和排除，直接影响设备的运行效果甚至威胁相关工作人员的生命健康安全。而结合三维虚拟仿真技术改进后的电力设备成功地解决了上述问题。该系统可通过不同角度观察设备结构保障系统的平稳和安全运行，方便相关工作者及时排查设备部件中可能存在的安全隐患，详细了解设备的组成，迅速掌握有效的空间位置，合理地完成布置设计。 在电力系统中运作时，要通过相交结果判定系统碰撞情况，以便检测系统运行的准确度，通过准确度判断系统的安全情况。这种检测复杂性很高，且检测效率较低，但相对更为精确。然而，为了减少检测复杂性，鉴于以上分析，考虑到系统运行的效率，在检测过程中尽量减少系统中的精确碰撞检测数目，对设备运动物体与检测面的相交过程进行检测来判断系统的准确性。检测结果如图6所示。 通过上述检测结果不难发现，在同等条件下，对传统电力设备的准确度和前文提出的三维虚拟仿真电力操作系统的准确性进行检测，发现通过前文的改进方法后该系统的精准度检测结果明显优于传统方法的检测结果，且实验方法检测得出的数据曲线较比传统方法检测曲线波动幅度较低。由此证明三维虚拟仿真技术的电力操作系统的精准度和稳定性相对较好，安全效果更加明显。 4 结 语 从三维虚拟仿真技术入手，通过研究三维虚拟仿真技术对传统电力设备进行创新和优化，通过多维信息空间数据映射生成相应的虚拟仿真图像。结合虚拟仿真技术设计了三维虚拟仿真技术的电力操作系统，并在建模过程中体会到三维虚拟图形生成在可视化中的应用。通过对电力系统中的图形进行三维立体的显示，来检测电力设备系统准确性，检测结果证实该系统可有效提高电力设备的安全性和准确性，弥补传统电力系统中存在的安全隐患等问题。 参考文献 [1] 闫冲，曾冬铭，董子和，等.三维虚拟仿真技术在锂离子电池实验教学中的应用[J].化学教育，2017，38（14）：57?60. YAN Chong， ZENG Dongming， DONG Zihe， et al. Application of 3D virtual simulation technology in experiment teaching of lithium ion battery [J]. Chinese journal of chemical education， 2017， 38（14）： 57?60. [2] 陈国强，李倩倩.基于3D虚拟仿真技术的服装设计应用研究[J].纺织科技进展，2017，24（9）：49?50. CHEN Guoqiang， LI Qianqian. Application research on costume design based on 3D virtual simulation technology [J]. Progress in textile science & technology， 2017， 24（9）： 49?50. [3] 杨柏松，郑桂彬，李长庚.三维仿真技术在电力工程试验中的应用[J].中国教育技术装备，2015，24（16）：148?150. YANG Baisong， ZHENG Guibin， LI Changgeng. 3D simulation technology in application of electric power engineering test [J]. China educational technology & equipment， 2015， 24（16）： 148?150. [4] 陈忠，何毅廷.高低压倒闸操作三维仿真培训系统的研发[J].广东水利电力职业技术学院学报，2017（1）：30?32. CHEN Zhong， HE Yiting. Research and development of 3D simulation training system for high?low voltage switching operation [J]. Journal of Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering， 2017（1）： 30?32. [5] 史耕金.虚拟现实在发电机检修培训系统设计中的应用[J].计算机仿真，2017，34（7）：170?173. SHI Gengjin. The application of virtual reality in generator maintenance training system design [J]. Computer simulation， 2017， 34（7）： 170?173. [6] 李彦江，谭冲，吕建婷，等.三维虚拟仿真系统在实验教学中的应用[J].高师理科学刊，2016，36（4）：59?61. LI Yanjiang， TAN Chong， L? Jianting， et al. Application of 3D virtual simulation system in the experimental teaching [J]. Journal of science of teacher′ college and university， 2016， 36（4）： 59?61. [7] 方贵盛，王洪发.多孔溢流坝泄流三维虚拟仿真[J].系统仿真学报，2015，27（10）：2567?2574. FANG Guisheng， WANG Hongfa. Three?dimensional virtual simulation of overflow dam [J]. Journal of system simulation， 2015， 27（10）： 2567?2574. [8] 罗海霞.虚拟仿真技术在高职电力电子技术课程中的应用[J].电脑知识与技术，2015，11（29）：183?184. LUO Haixia. Application of virtual simulation technology in power electronics technology course [J]. Computer knowledge and technology， 2015， 11（29）： 183?184. [9] 黄珍珍，陈东生.基于三维建模技术的畲乡女装虚拟仿真设计[J].服装学报，2017，2（5）：407?410. HUANG Zhenzhen， CHEN Dongsheng. Virtual simulation design of SHE nationality women′s clothing based on 3D modeling technology [J]. Journal of clothing research， 2017， 2（5）： 407?410. [10] 丁金华，刘畅，李明颖，等.三维虚拟现实机电设备控制仿真系统[J].实验技术与管理，2016，33（9）：106?110. DING Jinhua， LIU Chang， LI Mingying， et al. 3D virtual reality control simulation system of mechanical and electrical equipment [J]. Experimental technology and management， 2016， 33（9）： 106?110. [11] 杨启贵.水利工程虚拟仿真技术应用研究[J].人民长江，2015，46（21）：61?64. YANG Qigui. Application research on virtual simulation technology in water conservancy projects [J]. Yangtze river， 2015， 46（21）： 61?64. [12] 王大虎，卢正帅，贾倩.塔架式抽油机安装培训虚拟仿真系统开发[J].电子测量技术，2017，40（5）：95?98. WANG Dahu， LU Zhengshuai， JIA Qian. Development of virtual simulation system for oil pumping unit installation and training [J]. Electronic measurement technology， 2017， 40（5）： 95?98. |
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