电力系统虚拟环境的研究及应用
凌志勇，柏吉宽
(广东省电力工业学校，广东 广州 510520)
摘 要：简述了虚拟现实技术的功能特征及相关技术概念，探讨该技术在电力系统仿真培训中的应用。以变电站虚拟屏台为例，说明电力系统虚拟环境开发过程，并介绍了用三维驱动控件技术构建变电站虚拟屏台的方法。利用虚拟现实技术，极大地方便了电力系统的仿真培训，具有显著的经济效益和社会效益。
关键词：虚拟环境；虚拟现实；仿真；控件
随着电力系统的现代化进程，它的规模越来越大，运行操作也越来越复杂。对工作人员的技术水平、业务熟练程度等提出了越来越高的要求。由于电力系统的特殊性，很难在实际运行的系统中进行人员培训。目前，电力系统大部分培训手段都是采用培训仿真系统，应用较多的培训仿真系统有电厂仿真、电网运行工况仿真和变电站仿真。例如变电站仿真系统，目前大都是建立在物理屏台与计算机硬软件平台上，控制屏和保护屏具有与真实变电站完全相同的外观和布置方式，屏台具备各种显示仪表、信号继电器、信号灯、按钮、转换开关、连接片等等，使得仿真机盘台投资较大。但随着电力系统的发展，电力设备更新换代日新月异，使得仿真机盘台在不长时间就与真实变电站屏台形式不兼容，从而不能达到有效的培训效果。
对于电力系统这种不能失误的高难度训练及需要不断反复练习的操作训练，利用虚拟环境来作为新进人员的培训是一个趋势。虚拟环境就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的三维环境，是对现场环境的最真实仿真。用户可以自然地和虚拟环境中的客体进行交互，相互影响，从而产生亲临现场的感受和体验。这个环境可以是对现实或历史的逼真反映，可以是对高性能计算结果或数据库的可视化，也可以是个纯粹虚构的空间。
1虚拟现实
随着当今信息时代计算机技术的突飞猛进，三维空间模拟技术已逐步应用于各种行业研究领域；同时，3D虚拟环境现实模拟及多媒体技术在个人电脑(PC)上的实现，使得虚拟现实这一高新尖端科技的产物也在电力系统得到了实际的应用。虚拟现实(virtual reality)技术就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境。用户可以使用必要的特定装备(如数据衣、数据手套、数据鞋以及头盔、立体眼镜等)，就可以“走进”这个三维模拟环境，可以控制浏览方向，并操纵场景中的对象，从而产生亲临现场的感受和体验。
虚拟现实最早只能在工作站以上的硬件环境下才能进行，如需要大型计算机、头盔式显示器、数据手套、洞穴式投影、密封仓等昂贵设备；研究开发和使用都受到一定限制。但随着科学技术的飞速发展，虚拟现实技术出现了多样化的发展趋势，根据“沉浸”程度的高低，可以划分出四种类型的虚拟。
1.1桌面虚拟环境
桌面虚拟环境利用个人计算机进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互，这些外部设备包括鼠标、追踪球、力矩球等。它要求参与者使用输入设备，通过计算机屏幕观察360°范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体。
1.2沉浸的虚拟现实
沉浸的虚拟现实利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。
1.3增强现实性的虚拟现实
增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便获得的感受。
1.4分布式虚拟现实
分布式虚拟现实系统就是将多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。
2电力系统虚拟环境
虚拟现实中以桌面虚拟环境的技术最为简单，需要投入的成本也不高，而且也足以在电力系统培训领域中应用，本文也主要针对此方式进行描述。
电力系统虚拟环境，其实就是一种在PC上以计算机多媒体技术、3D综合立体图形、自然交互等技术，将电力系统设备表现在屏幕上，以营造与电力设备高度类似的逼真、虚拟的环境；它利用高速三维图形加速卡、采用三维图形来表现虚拟设备；图形的绘制速度、逼真度、分辨率都很高。电力系统虚拟环境的重要特性是具有一种身临其境的临场感，将人与电力系统环境融为一体，使操作人员相信在虚拟境界中人也是确实存在的，而且在操作过程中他可以自始至终地发挥作用。电力系统虚拟环境主要是由一个个的三维电力设备组成，将不同三维设备逐一安排布置于虚拟环境之后，详加描述物件行为的能力(如动画物件和声音控制等)，再采用光源、背景和控制面的调和衬托，就产生了逼真的三维电力系统。三维电力系统的虚拟空间是动态的、可操纵的，我们可以借助于一些专门的外部设备(如三维鼠标、操纵杆、普通键盘和鼠标)以自然的方式来操纵电力系统虚拟环境的设备，电力系统虚拟环境可对这种操纵作出响应(根椐电力系统仿真算法)，以完成电力系统的仿真。
3开发流程
虚拟现实技术是在众多相关技术如计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、传感器技术和人工智能等基础上发展起来的。最早只能在工作站以上的硬件环境下才能进行，研究开发和使用都受到一定限制。PC技术的飞速发展为虚拟技术的推广提供了契机，在最近十年里获得了极大的发展，目前虚拟现实技术己经获得了广泛的应用。
目前，要构建一个虚拟现实系统主要有二种方案：一种是用图形开发库和高级语言开发。图形开发库通常采用OpenGL 3D或Direct 3D，开发语言主要为C++。此方法优点是开发灵活，适用性强；缺点是复杂繁琐，开发者须熟练掌握编程技术。另一种就是采用专业三维虚拟开发工具，象英国Division公司和Superscape公司开发的专业工具。Division主要基于SGI开发虚拟现实软件。它制作的虚拟环境效果清晰，功能强大，但价格昂贵。而Superscape是基于Direct3D开发的一个虚拟现实环境编程平台，对硬件的要求不是特别高，价格便宜。
近年出现的三维场景驱动ActiveX控件，它采用第一种方案设计，但封装了图形开发库的API，保留了人们熟悉的属性、事件和方法，通过在程序设计和运行时修改控件的属性、调用控件、在控件的事件中加入程序代码即可方便、迅速开发出高质量的3D应用软件。这大大降低了开发强度，而且开发容易、灵活。由于电力系统的复杂性，大量设备重复放置，而且操作频繁，必须创建真正的交互式的3D世界才能满足要求，最适合采用三维场景驱动ActiveX控件进行设计。ActiveX体系结构使用了Microsoft的组件对象模型及分布式组件对象模型标准，允许使用不同编程语言进行开发使用。目前在VB中建立自己的ActiveX控件、使用ActiveX控件最为简单，这里以VB为开发平台。
本文以变电站虚拟屏台为例说明电力系统虚拟环境开发过程。变电站虚拟屏台是由各种虚拟元件组成(包括仪表、信号灯、光字牌、按钮、转换开关、连接片等虚拟元件)。建造各种具有特种功能的虚拟元件，是开发变电站虚拟屏台的关键。只要开发出一套虚拟元件，在构造变电站虚拟屏台时跟实际建造真实屏台过程完全一样：可以从虚拟环境中直接选用虚拟元件，然后像“搭积木”似地摆放在不同位置，从而构建自己的虚拟屏台。
主要开发步骤如下：
a) 建模
建立3D设备模型可以采用通用的建模及动画软件3D Studio MAX，或者采用专业的建模工具MultiGen Creator。现在建模有多种方式，主要有多边形(polygon)建模、NURBS建模、细分曲面建模。对变电站虚拟屏台的各种虚拟元件来说，采用多边形建模，就基本可以满足要求。考虑到虚拟环境的实时性要求和硬件的性能制约，在建模中应遵循一个原则：在能够保证视觉对象不失真的前提下，尽量采用最简单的模型。为此在建模时应减少基本几何体的分段数，删除场景中不可见的面，尽量用参数化方法构建对象；尽量不给物件的边缘添加斜面，控制场景总体的多边形数量；分割模型分别建模，以便在虚拟环境中进行操作和考察。
b) 贴图
贴图用于物体表面的描述，它将纹理逼真地显示出来，满足感官的需要。贴图会明显影响文件大小，因此应确认在输出时尽可能地保证最小的文件和最高的压缩比；对变电站虚拟屏台的各种虚拟元件贴图，我们可以采用数码相机进行实物拍摄，也可通过手工描绘。对一些较大的贴图，可以将贴图切割，根据所需要的质量要求来调节单独贴图的压缩比例，以获得最好的效果。另外，大部分的电力设备都为相同时，应尽量重复使用这些贴图，以减少模型大小。图1是为虚拟屏台设计的表计、开关三维模型 。
c) 驱动
建立了三维设备模型，就可以在开发环境中实时驱动。根椐电力变电站虚拟屏台的特点，这里采用三维场景驱动控件进行设计。在VB打开Project菜单，单击Component，在随后弹出的对话框中的Control项中选择三维场景驱动控件，这时就可以像使用其他控件一样，将其拖到窗口中，调入变电站虚拟屏台的各种3D模型，通过搭积木的方式来进行“组装”变电站虚拟屏台。设置驱动方式，设置摄像机、灯光等等，就可以驱动变电站虚拟屏台，使用户可以在三维的空间里移动、操作、观察360°范围内的虚拟屏台，并操纵其中的设备。图2为我们设计的变电站虚拟三维模型屏台。
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