1、電網監控中的虛擬現實技術研討口 f=E虛擬現實技術簡介虛擬現實技術國內電力自動化領域的應用現狀曙藕®平皿變電站及口 f=E一、虛擬現實技術簡介虛擬現實的英語名稱是“VirtimlReality”簡稱“VR” ,它是計算機 與用戶之間的一種更為理想化的人機界面形號。VR系統具有三個重要特征:臨鏡性(Immersion)又稱臨場感交互性(Interactivity)想象性(Imagination)。VR技術就是人們利用計算機生成一人逼真的三維虛擬環境，通過自然 技能使用傳感設備與之相互作用的新技術。它與傳統的模擬技術完全不同, 是將模擬環境、視景系統和仿真系統合三為一。虛擬現實技術于90

2、年代初開始進入實用化階段。之后，少數發達國 家在經濟、藝術乃至軍事領域開始應用這種高新技術，并取得了顯著的效 果。至1999年，VR技術應用更為廣泛，涉及航天、軍事、通信、醫療、 教育、娛樂、圖形、建筑和商業等各個領域。虛擬現實有時還稱為：“信息空間”，“人工現實”，“合成環境“等, 虛擬現實就是一種先進的計算機用戶接口，它通過給用戶同時提供諸如視、 聽、嗅、觸等各種直觀而又自然的實時感知交互手段、最大限度地方便用戶 的操作，從而提高整個系統的工作效率。關于虛擬現實的定義，我們可以簡 單地理解為：利用計算機生成的能給人多種感官刺激的人機交互系統。虔擬現奧概介棋型感官刺激信號反應系統反應動作虛擬

3、環境兩個方面含義：第一是計算機生成的虛擬 環境必須是能給人提供多種感 覺的感官刺激的環境，能讓人 有“沉浸”的感覺，現在的技 術水平，虛擬現實通常由視覺、 阱覺和蝕覺初康。其二是虛擬現實系統是一 種高級的人機交互系統，因此 人機交互是虛擬現實的核心。虛擬環境虛擬房間虛擬汽車虛擬人口 f=E電網監控中的虛擬現實技術(D 虛擬現實技術簡介口 f=E電網監控中的虛擬現實技術口 f=E電網監控中的虛擬現實技術虛擬現實技術國內電力自動化領域的應用現狀東方電子虛擬現實通用平臺與虛擬變電站及仿真培訓系統簡介二.處擬現實技術國內電力自動化領域的應用現狀隨著虛擬現實技術越來越成熟，隨著各種技術、設備的改善，它在

4、電力 系統中的應用將會越來越受到重視。最讓人矚目的是虛擬現實技術與DPS（數 字化電力系統）技術的結合，它們的結合將會在電力系統未來的發展方向一 “電力系統數字化”的進程中顯示出其強大的作用。傳統的電力監控系統（比如SCADA系統）一般基于二維組態系統構建， 其運行流程圖以二維一次接線圖，用2D圖形符號的方式顯示變電站內所有用 電設備和回路，為調度、集控中心提供瞬時電量（三相電流、三相電壓、有 功功率、無功功率、有功電度、無功電度、功率因數、頻率等）、各回路斷口 f=E路器的運行狀態、各回路的故障情況等實時信息。這種方式不能直觀地反映 現場設備及電力運行流程，只有二維畫面，無法給使用者以真實的

5、三維感覺, 難以與真實變電站同步變化。為了彌補傳統電力監控系統的不足，將虛擬現實技術應用到傳統SCADA 系統中，開發基于虛擬現實技術的三維SCADA系統，解決其界面顯示、調度 員感官的不足，提供更人性化，更真或的仿真流程，同時能通過各種交互手 段讓用戶與虛擬場景進行交互，對現場設備進行更有效的控制。目前，虛擬現實技術在電力自動化領域基本上處于研究和探索階段，實 際領域的應用很少，特別是國內幾個大的電力自動化廠家，還沒有正式推出 自己的基于虛擬現實的產品。目前主要是一些科研機構和高校的相關專業對 這方面進行了一些相關的研究，還有一些小的公司開發了一些產品?？?FE（1）北京航空航天大學計算機系

6、是國內最早進行VR研究、最有權威的單位之 一，他們在虛擬現實中的視覺接口方面開發岀了部分硬件，并提岀了有關算 法及實現方法；實現了分布式虛擬環境網絡設計，建立了網上虛擬現實研究 論壇。（2）浙江大學CAD&CG國家重點實驗室開發出了一套桌面型虛擬建筑環境實時 漫游系統。另外，他們還研制岀了在虛擬環境中一種新的快速漫游算法和一 種遞進網格的快速生成算法。（3）哈爾濱丄業大學計算機系已經成功地虛擬岀了人的高級行為中特定人臉 圖象的合成，表情的合成和唇動的合成等技術問題，并正在研究人說話的頭 勢和手勢動作，語音和語調的同步等。（4）清華大學計算機科學和技術系對虛擬現實和臨場感的方面進行了研究

7、。 他們還針對室內環境水平特征豐富的特點，提出借助圖象變換，使立體視覺 圖象中對應水平特征呈現形狀一致性，以利于實現特征匹配，并獲取物體三 維結構的新穎算法?？?f=E（5）西安交通大學信息工程研究所對虛擬現實中的關鍵技術一一立體顯示 技術進行了研究。他們在借鑒人類視覺特性的基礎上提出了 一種基于JPEG 標準壓縮編碼新方案，并獲得了教高的壓縮比、信噪比以及解壓速度，并 且已經通過實驗結果證明了這種方案的優越性。（7）北方工業大學CAD研究中心是我國最早開展計算機動畫研究的單位之（6）中國科技開發院威海分院主要研究虛擬現實中視覺接口技術，完成了 虛擬現實中的體視圖象對算法回顯及軟件接口。他們在

8、硬件開發上已經完 成了LCD紅外立體眼鏡，并且已經實現商品化。一，中國第一部完全用計算機動畫技術制作的科教片相似就出自該中 心。關于虛擬現實的研究已經完成了2個“863”項目，完成了體視動畫的 自動生成部分算法與合成軟件處理，完成了VR圖象處理與演示系統的多媒 體平臺及相關的音頻資料庫，制作了一些相關的體視動畫光盤。（8）國防科技大學開發了一個基于Internet的三維虛擬漫游環境 Universe3Do口 f=E電網監控中的虛擬現實技術虛擬現實技術簡介虛擬現實技術國內電力自動化領域的應用現狀東方電子虛擬現實通用平臺與虛擬變電站及仿真培訓系統簡介門匸石三、東方電子虛擬現實通用平臺與虛擬變電站及

9、仿真培訓系統簡介基于三維VR技術的虛擬變電站和變電站操作員仿真培訓 系統是將虛擬現實技術與SCADA技術結合應用的綜合應 用系統。本系統是在借鑒了傳統電力監控系統使用模式的 基礎上提出的新型電力監控系統，用于彌補傳統電力監控 系統不能直觀顯示現場設備的實時狀態和電力運行流程的 不足。系統基于3D虛擬現實技術，通過數據交換與SCADA系統 等進行實時數據交換，由實時數據驅動3D顯示，為調控 中心提供變電站當前運行狀態的3D虛擬變電站場景，使 調控中心能“身臨其境”,直觀、逼真的觀察變電站電力 設備的狀態，并對現場設備進行控制，實現虛擬場景和現 實場景的實時同步。同時系統還提供3D仿真培訓和記錄

10、回放功能。根據目前我們的開發能力和技術積累情況，系統的開發分 為一期和二期兩個階段實施。一期開發實現通用的虛擬現實平臺的開發并以此為基礎， 實現3D變電站設備實時監控功能。同時具備場景、設備、 參數編輯能力虛擬現實編輯器。目前虛擬現實展示工具 已經開發完成，并已經在遼寧朝陽投入運行。二期開發實現3D變電站仿真培訓系統，并在虛擬現實編 輯器的基礎上實現虛擬變電站的3D模型庫和組態配置工 具，用戶可以此為基礎自由構建其他變電站的三維實時監 控系統。三.東方電子虛擬現實通用平臺與虛擬變電站及仿真培訓系統簡介變電站實時監控變電站運行人員仿真培訓調度員仿真培訓系統功餐塊變電站動態配置n(=i=三、東方電

11、子虛擬現實通用平臺與虛擬變電站及仿真培訓系統簡介n(=i=三、東方電子虛擬現實通用平臺與虛擬變電站及仿真培訓系統簡介電力設每忘用欽件支持系統大環投影NZ：大環投影記錄冋敗于豪紅記錄冋敗 于系紅n(=i=三、東方電子虛擬現實通用平臺與虛擬變電站及仿真培訓系統簡介虛擬現實通用平臺虛擬現實支持平臺是虛擬應用的基礎。不解決好虛擬現實 平臺問題，一切的應用都是空中樓閣。虛擬現實支持平臺要解決的是模型的導入、整理以及場景 的渲染、漫游、交互與后續應用的開發支持問題。n(=i=三、東方電子虛擬現實通用平臺與虛擬變電站及仿真培訓系統簡介虛擬現實通用平臺建模技術的流程研究虛擬現實技術的應用，模型、場景的建立是一

12、個重要前提 和重要方面，建模的成功與否關系到渲染的效果和應用的 成功。建模技術與我們的開發工作無關，它是使用現成的商業軟 件，例如3DMax、Pro/E,建立我們需要的變電站模型、 場景，然后倒入我們的系統中使用。在用戶現場的工程服 務中，估計至少要占9。以上的工作量。因此必須探索出一條快速、簡捷、優化的建模流程，并編 寫出一套相應的建模手冊。虛擬現實通用平臺虛擬現實平臺的實現建模工具：3DMax開發平臺：OSG(Open Scene Graph), QT4虛擬現實軟件開發平臺是一款通用的虛擬現實應用系統開發平臺，它以虛擬現實平臺為基礎 ,提供復雜場景圖形、聲音、交互操作、干涉檢查等多方面的支

13、持， 從而可以簡化應用系統的開發，提高應用系統的功能和性能。平臺系 統表現為一個視景和聲音開發支撐平臺和多個開發支持工具(幾何對 象干涉檢查工具包、通用虛擬手開發工具包、不規則幾何體構造工具 等，根據需要待定)，用戶使用平臺自身提供的開發模板和開發工具 ,即可進行VR系統開發應用。虛擬現實基礎平臺與開發平臺的實現可合二為一。虛擬現實通用平臺虛擬現實軟件開發平臺 VSM至少要提供的主要功能模塊核心功能模塊：公共資源、進程線程和時序管理，協調其他各子功能 模塊的動作；啟動和終止整個軟件。輸入設備模塊：支持所有的輸入設備，并實時更新它們的狀態，獲取 當前的用戶輸入；允許其它子模塊向其注冊所需命令，檢

14、測當前輸入 信號，若為已注冊的命令，將其分配給相應子模塊的命令列表。應用管理模塊：創建并管理虛擬世界所需的各種數據，如外部場景、 玩家、各種聲音等；通過輸入設備模塊讀取用戶輸入的仿真信號，執 行各種仿真操作，以實時修改虛擬世界的數據，完成仿真計算；向輸 入設備模塊注冊命令，并實時檢查其命令列表，執行命令操作。輸出模塊：支持輸出各種感觀效果的外設，如視、聽、觸、動感等； 讀取應用管理模塊中虛擬世界的各種數據，通過相應的外設輸岀；想 輸入設備模塊注冊命令，實時檢測輸入命令并執行相關操作。虛擬現實通用平臺虛擬現實軟件開發平臺模型預處理模塊：支持對CAD或者其他幾何建模軟件導岀的渲染幾何 模型進行二次

15、處理，如進行空間八叉樹分割、模型格式轉換、頂點法 向修復等，以獲得最好的渲染性能及渲染效果。局域網通信模塊：基于下一代平臺網絡支持的局域網通信軟件，提供 局域網內數據通信功能以及文件傳輸功能。并行渲染支持模塊：支持在基于高速局域網的計算機集群中建立統一 的虛擬場景樹管理，如場景樹建立、同步、修改、刪除等，使得并行 渲染歳頭J奇能。渲染結點模塊：接收來自用戶結點的場景樹信息，應用當前最新的圖 形渲染技術進行渲染并傳送給圖像處理結點，該模塊提供需要局域網 通信模塊和并行渲染支持模塊提供支持。圖像處理模塊：對圖像提供合并、邊緣融合、幾何矯正、文件保存等 功能，并能將圖像直接寫入到顯卡內存中。變電站實

16、時監控系統系統營造的3D虛擬變電站場景主要是由各種3D電力設備（例如變電 站中的變壓器、母線、刀閘，及室內電力監控儀表等）組成，將不同 3D設備逐一安排布置于虛擬環境之后，詳加描述設備行為的能力（如 設備模型的顏色變化和形態變化等），再采用光源、背景和控制面的 調和襯托，就產生了逼真的3D虛擬變電站場景。系統營造的3D虛擬變電站場景是實時的，通過數據與SCADA系統等 進行實時數據交換，由實時數據驅動3D顯示，以達到在3D虛擬變電 站場景中對電力設備進行實時監視與控制的功能。n(=i=三、東方電子虛擬現實通用平臺與虛擬變電站及仿真培訓系統簡介變電站實時監控系統三維場景編輯：在用戶進行3DMax

17、場景建模后，把場景導入我們的工 程里，并對場景和其中的設備進行編輯。包括場景的顯示屬性設置； 增加、刪除、移動、復制、粘貼設備；設備的顯示屬性設置、參數設 置等。完成類似于傳統SCADA繪圖包的功能。三維場景漫游：可在變電站三維場景中進行漫游，包括“室外漫游”、 “控制室觀察”、“自動路徑漫游”、“室外全景”等各種模式，并 可用鍵盤或鼠標與3D場景進行人機交互；（通過建模人員精細建模 后，系統平臺加載建模文件，實現基本三維場景漫游，包括實現對場 景的拉近、放遠，左、右、上、下移動，即平臺基本漫游功能）實時狀態顯示：通過設備顏色、形態上的變化，直觀地反映岀設備的 實時狀態，例如變壓器油溫過高時，

18、變壓器三維模型變為紅色；（建 立一個對照表，即關鍵電力設備與3DMAX模型的對照）變電站實時監控系統實時運行參數顯示：在三維場景中點選設備，可查看設備的各種實時 運行參數；（實時數據即我們的內存庫，現在的問題是如何與三維平 臺框架通信的問題（解決辦法是在內存庫與三維平臺間做一個接口， 最好的接口方式是WebService）,因為三維平臺不像我們可視化二維 平臺全面展示實時數據，我們只需要對點先設備進行數據展示，所以 當點選設備后，我們再去查詢實時數據，這個過程我想應該很容易實 現。故障定位與分級告警：當設備運行參數發生異常時，三維場景會自動 定位到異常設備，根據報警設置的等級，異常設備模型發生

19、形態變化, 并自動顯示系統異常運行參數值，結合報警器進行分級報警；（做一 個類似我們可視化的告警服務器，實時監測數據，或就用我們的告警 服務器進行改造。改造內容包括：加一個設備模型對照設備表，如果 該設備岀現設備異常，先通過內存庫設備信息找到模型，調用程序控 制設備變色，包括發生動作變化）變電站實時監控系統運行控制：可通過在三維場景中用鼠標點擊選擇設備或在三維控制室 中操作控制開關對3D變電站的設備狀態進行控制。例如在室內電力 監控儀表上進行刀閘開合的操作，室外三維場景中相應的刀閘模型實 時呈現直觀的開合形狀。（對某個設備的狀態控制我們DEMO中已經 實現某個刀閘的打開，合并操作動作。這個功能

20、不是很難，因為我們 有對照表，通過對照表，取到該設備模型節點，但需要對該模型建立 DOF子節點，即動作節點，調用它的動作節點，即可控制模型動作）大屏幕顯示支持記錄回放支持：根據用戶需要，回放歷史數據、事項等。n(=i=三、東方電子虛擬現實通用平臺與虛擬變電站及仿真培訓系統簡介變電站運行人員仿真培i丿11功能虛擬變電站仿真培訓系統能模擬變電站正常、異常和故障時的各種工 況及操作過程，如設備巡視、設備投運、調整變壓器分接頭以及斷路 器跳閘等力。在虛擬變電站內，如果受訓人員的模擬操作改變了變 電站的網絡拓撲結構，電力系統仿真軟件將自動重新計算并將仿真結 果立即傳送給虛擬保護自動裝置；再由這些裝置立即

21、進行計算并做岀 正確反應，模擬操作的過程和結果就與實際現場基本一致。仿真培訓系統的交互設備可以考慮利用頭盔顯示器、三維鼠標和數據 手套等虛擬現實交互工具來提高用戶與虛擬場景以及現場的交互能力。 受訓者戴上頭盔顯示器和數據手套等交互設備，便可將自己置身于虛 擬環境中，成為虛擬環境中的一員。受訓者與虛擬環境中的各種對象 的相互作用，就如同在現實世界中的一樣。當受訓者移動頭部時，虛 擬環境中的圖像也實時地跟隨變化，拿起物體可使物體隨著手的移動 而運動，而且還可以聽到三維仿真聲音。受訓者在虛擬環境中，一切 感覺都是那么逼真，有一種身臨其境的感覺。變電站運行人員仿真培i丿11功能仿真變電站的監控系統（仿

22、真SCADA系統）：該功能針對仿真變電 站系統，潮流數據由實際的SCADA系統接入，完全模仿實際變電站 的運行狀態，教練和學員可以在此仿真SCADA系統上進行訓練和學 習，包括：動態潮流、頻率、電壓、主變油溫等運行參數在三維場景 中的實時顯示，變壓器和母線的負荷狀態、刀閘/開關狀態在三維場 景中的直觀體現等功能。系統的正常運行與操作仿真：該功能包括運行方式及工況的設置與存 儲，可以靈活多樣地選擇運行方式。每種運行方式下的變化則涉及正 常操作仿真，包括母線刀閘操作和主變與線路投退及旁代等系統所有 的正常操作。工況則可根據不同運行方式任意設置24h的負荷曲線， 并以此進行正常運行狀態下的潮流計算。

23、n(=i=三、東方電子虛擬現實通用平臺與虛擬變電站及仿真培訓系統簡介變電站運行人員仿真培i丿11功能故障、事故處理訓練：教員可以在仿真培訓教練員工作站上方便地改 變系統的運行狀態，并可設置不同時間、不同地點的各種異常及故障; 仿真系統能模擬系統發生各種事故后的運行狀態，并在虛擬變電站平 臺上產生三維模型顏色、形狀、顯示量的變化，構建岀系統故障或事 故后的三維場景；學員可根據這些信息直觀地判斷故障類型及位置， 并在教員的配合下隔離故障、消除故障，從而恢復系統的正常運行。 變電系統的異常仿真包括：主變與線路過負荷，主變漏油超溫，PT與 CT斷線，控制回路斷線等。除可設置故障外，還可以仿真由于誤操作

24、 引起的故障。專家系統操作票功能：專家系統操作票能開岀所有現場操作任務的正 確操作票，同時它分為考核和培訓兩種不同的運行模式：考核模式下 專家系統對學員的操作步驟不作任何提示，最后根據操作的正確程度 給出評價；培訓模式下專家系統對學員的操作步驟加以提示，直至操 作正確才可繼續進行。（這個功能像玩游戲一樣，關鍵是要記錄用戶 的操作步驟，根據步驟再來統計每步的得分，給岀對應評價）。變電站運行人員仿真培i丿11內容 1)仿真一次設備及其就地操作系統：采用虛擬現實三維場景仿真，逼 真地再現變電站現場場地、變壓器、母線、斷路器、隔離開關、接地 刀閘、操作機構、電壓互感器、電流互感器、電抗器、電容器、高壓 熔斷器、站用變壓器等一次設備及設備的操作過程、動作過程和設備 運行狀態。對部分事故，可再現事故場景。還可以逼真地模擬天氣情 況，如霧天、下雨、下雪等?，F場設備的多媒體視景仿真主要用于：現場設備操作、設備狀態檢查、 設備巡視檢查、操作和事故過程演示等仿真功能滿足各種運行方式下 的倒閘操作、操作檢查、安全措施、事故處理、故障查找、異常工況 及設備巡視等的需要。就地操作、現場檢查和設備巡視采用實際設備 虛