基于虚拟现实技术的变电站可视化投运方法

摘要

本发明公开了一种基于虚拟现实技术的变电站可视化投运方法，包括：对变电站进行建模并生成变电站三维设备场景；加载所述电站三维设备场景，搜索充电拓扑节点电气连接，生成变电站充电拓扑模型；分析所述变电站充电拓扑模型，实时计算在充电过程绘制的正在充电拓扑节点集合；动态绘制所述正在充电拓扑节点集合的充电链路，展现充电过程。本发明准确、逼真地反映现场设备及环境的状态，形象直观地演示投运充电过程，方便用户全方面多角度地查看现场设备。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变电站可视化投运方法，尤其涉及一种基于虚拟 现实技术的变电站可视化投运方法，属于电力系统仿真技术领域。

背景技术

变电站是电力系统中的重要环节，为了保证变电站的安全和稳定 运行，必须保证变电站中的设备时刻处于正常状态。在电网建设过程 中，往往会有新变电站替换老变电站，更多的新变电站慢慢加入电网 投运。为了保证变电站投运工作的顺利开展，运行人员需要进行大量 的投运前准备工作，往往需要运行人员到现场熟悉一二次设备并对运 行人员进行现场培训。另外，为了确保变电站的顺利投运，各级管理 人员在变电站投运前需要多次到现场检查指导并演习投运充电方案。 为了满足上述变电站投运前和投运期间的各项工作要求，运行人员主 要通过照片、视频、二维接线图、现场查看等人工方式熟悉现场设备、 演示投运方案和投运过程。以上工作方式存在无法全方面、多角度地 查看现场设备，或现场设备展示不够直观，无法形象地演示投运充电 过程等问题。

目前，三维虚拟现实技术已经广泛应用于电力系统的仿真培训、 可视化展示、虚拟试验等应用中，能够更加准确、逼真地反映现场设 备及环境的状态，大大提升了用户的视觉感受和人机交互体验。虽然 这种三维虚拟现实技术已经逐渐应用到电网的各个环节中，但是将该 技术应用于变电站的投运过程还存在很多技术问题需要解决。

发明内容

针对现有技术所存在的不足，本发明所要解决的技术问题在于提 供一种基于虚拟现实技术的变电站可视化投运方法。该方法能够模拟 变电站的现实状态，真实再现变电站的投运过程。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种基于虚拟现实技术的变电站可视化投运方法，包括如下步骤：

对变电站进行建模并生成变电站三维设备场景；

加载所述变电站三维设备场景，搜索充电拓扑节点电气连接，生 成变电站充电拓扑模型；

分析所述变电站充电拓扑模型，实时计算在充电过程绘制的正在 充电拓扑节点集合；

动态绘制所述正在充电拓扑节点集合的充电链路，展现充电过程。

其中较优地，所述对变电站进行建模并生成变电站三维设备场景 的步骤进一步包括：

对变电站中各个设备及其部件创建三维模型并导出三维模型文 件；

加载三维模型文件生成与真实场景相符合的三维设备场景；

绑定三维设备模型和设备状态实时数据记录。

其中较优地，所述加载所述电站三维设备场景，搜索充电拓扑节 点电气连接，生成变电站充电拓扑模型的步骤进一步包括：

1）遍历变电站实际场景中的所有电力设备和电气接线，生成变 电站充电拓扑节点集合；

2）搜索充电拓扑节点相邻连通的充电拓扑节点，建立充电拓扑 节点的连接关系；

3）按步骤2）搜索所有充电拓扑节点电气连接，生成充电拓扑 模型。

其中较优地，所述搜索充电拓扑节点相邻连通的充电拓扑节点， 建立充电拓扑节点的连接关系的步骤进一步包括：

（a）遍历充电拓扑节点设备模型的各顶点，计算出所有充电拓 扑节点外包立方体的中心点坐标和长、宽、高；

（b）判断当前充电拓扑节点的外包立方体是否与其他充电拓扑 节点的外包立方体有相交，如果有相交，得到与该充电拓扑节点的外 包立方体相交关系的充电拓扑节点子集合，如果没有相交，返回继续 搜索下一个充电拓扑节点的外包立方体；

（c）针对充电拓扑节点子集合，进一步精确判断该充电拓扑节 点中电力设备模型和电气接线模型之间的电气连接关系；

（d）按步骤（c）搜索充电拓扑节点子集合中所有充电拓扑节点 相邻连通的充电拓扑节点，建立当前充电拓扑节点和与之相邻连通充 电拓扑节点的连接关系。

其中较优地，所述分析所述变电站充电拓扑模型，实时计算在充 电过程绘制的正在充电拓扑节点集合的步骤进一步包括：

采用递归访问的方法，找出变电站充电拓扑模型中所有正在充电 的充电拓扑节点，并将其加入正在充电拓扑节点集合。

其中较优地，所述采用递归访问的方法进一步包括：

递归访问的起始充电拓扑节点为充电的起始电源点；

如果当前充电拓扑节点已经访问过，对该充电拓扑节点不做处理；

如果当前充电拓扑节点未访问过并且已经完成充电过程绘制，继 续递归访问前充电拓扑节点的相邻充电拓扑节点；

如果当前充电拓扑节点未访问过并且正在进行充电过程绘制，对 前充电拓扑节点不做处理；

如果当前充电拓扑节点未访问过并且不满足上述条件，那么设置 充电过程标志，将前充电拓扑节点加入正在充电拓扑节点集合。

其中较优地，所述动态绘制所述正在充电拓扑节点集合的充电链 路，展现充电过程的步骤进一步包括：

按照不同设备类型完成动态绘制正在充电拓扑节点集合的充电链 路，具体包括，

对于电力设备类充电拓扑节点动态绘制，将电力设备及其子部件 的三维渲染模式切换为充电指示色的颜色渲染方式，对电力设备及其 子部件进行动态绘制，设置充电过程完成标志；

对于电气接线类充电拓扑节点动态绘制，判断该电气接线类充电 拓扑节点是否已经动态绘制完毕，如果已经完成动态绘制，则设置充 电过程完成标志，如果未完成动态绘制，则返回继续对该电气接线类 充电拓扑节点进行充电过程绘制，直至充电过程绘制完毕。

本发明所提供的变电站可视化投运方法，通过变电站的三维实景沙 盘再现变电站投运的现场实景，可以准确、逼真地反映现场设备及环境 的工作状态，形象直观地演示投运充电过程，方便用户全方面多角度地 查看现场设备。

附图说明

图1是本发明中生成变电站充电拓扑模型的流程示意图；

图2是绘制拓扑节点集合充电链路展现充电过程的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种基于虚拟现实技术的变电站可视化投运方法，包括： 按照变电站的实际场景对变电站进行三维建模并生成变电站三维设备场 景；加载该变电站三维设备场景，搜索三维设备场景中的充电拓扑节点 电气连接关系，生成变电站充电拓扑模型；分析该变电站充电拓扑模型， 实时计算在充电过程绘制的正在充电拓扑节点集合；动态绘制充电拓扑 节点集合中各充电拓扑节点的充电链路，展现充电过程。下面对该变电 站可视化投运方法展开详细的说明。

在对变电站建模并生成变电站三维设备场景的过程中，三维设备 子部件模型是构建变电站三维设备场景的基本单位，多个三维设备子 部件模型可构建成一个三维设备对象，多个三维设备对象构建成变电 站三维设备场景。为了使基于虚拟现实技术构建的三维变电站同物理 世界中的变电站保持电气状态一致，本发明中将与设备状态参数相关 的设备子部件均创建三维模型，例如变压器设备对象的油温油位表子 部件、开关刀闸设备的接地线子部件等。三维设备对象和实际场景中 的设备对象一一对应，实际场景中的设备状态数据实时保存在电网的 设备状态实时数据库中，三维设备对象可以通过网络从设备状态实时 数据库中读取相关的设备状态数据。三维设备对象主要包括电力设备 对象和电力设备之间的电气接线对象，电力设备对象和电力设备之间 的电气接线对象相互连接构成三维虚拟变电站。在变电站三维设备场 景中，每个电力设备由多个设备子部件组成。设备子部件类型包括普 通静态部件、状态指示部件和设备接线部件。其中普通静态部件是在 应用中外观和位置不发生变化的部件，例如电力设备主体、绝缘瓷瓶 等。状态指示部件是用于指示开关和刀闸分和状态的部件，例如开关 分合指示器、刀闸臂、地刀臂等。当开关或刀闸的分合状态发生变化 时，该类状态指示部件以动画的形式显示分合状态。设备接线部件主 要为接线端子部件，用于电力设备和电气接线的连接。对变电站中的 设备模型建模可以选用现有的成熟商用建模工具，例如三维建模软件 3DSMax等。

对变电站建模并生成三维变电站巡视场景的步骤具体包括：

1）利用三维建模软件，根据实际场景中各电力设备的外观规格、 从电力设备的各个角度现场拍摄的照片等数据资料，对变电站中各个 电力设备及其部件创建三维模型并导出三维模型文件。

2）加载三维模型文件到三维变电站场景中生成设备部件对象，然 后将设备部件对象组装为三维设备对象，并利用移动、旋转和缩放等 编辑方法，将三维设备对象摆放在正确的空间位置，生成和真实场景 相符合的三维设备场景。

3）绑定三维设备对象和数据库中对应的设备状态实时数据记录， 将该条设备记录的ID作为三维设备对象从设备状态实时数据库获取 数据的查询关键字。

为了模拟变电站按照真实线路投运的过程，需要按照变电站的实 际拓扑结构构建三维虚拟变电站拓扑模型。三维虚拟变电站拓扑模型 是由多个拓扑节点组成的拓扑节点集合。每个拓扑节点的属性包括对 应的电力设备或电气接线对象、该拓扑节点相邻连接的其他拓扑节点 集合。本发明采用基于无向图的数据结构来构建三维虚拟变电站拓扑 模型。如图1所示，加载变电站三维设备场景，搜索充电拓扑节点电 气连接，生成变电站充电拓扑模型的步骤具体包括如下：

1）遍历变电站实际场景中的所有电力设备和电气接线，生成变 电站充电拓扑节点集合。

在本发明中，按照不同的设备类型生成相应的充电拓扑节点。例 如，电力设备生成电力设备充电拓扑节点；电气接线生成电气接线充 电拓扑节点。在变电站实际场景中，由于绝缘类设备无法充电，本发 明中不生成充电拓扑节点。电力设备按照电压等级分为于低压等级电 力设备和高压等级电力设备，不同电压等级的电力设备分别生成相应 的充电拓扑节点。例如，对于低压等级电力设备，由于低压等级电力 设备不分相，每个低压等级电力设备和相应的连接对象生成一个充电 拓扑节点并加入变电站拓扑模型；对于高压等级电力设备，应该考虑 高压等级电力设备和电气接线存在A、B、C三相，可以将同一高压等 级电力设备不同相的电力设备或电气接线对象纳入同一充电拓扑节点 并加入变电站拓扑模型。合并上述充电拓扑节点得到充电拓扑节点集 合。

2）为充电拓扑模型中的每个充电拓扑节点进行拓扑相关搜索，分 别得到与每个充电拓扑节点相连通的充电拓扑节点集合，建立充电拓扑 节点之间的连接关系。

本发明中，根据变电站的实际场景，搜索充电拓扑节点相邻的充电 拓扑节点，找出每个充电拓扑节点相邻连通的充电拓扑节点，建立充电 拓扑节点与之相邻连通的充电拓扑节点之间的连接关系。为了提高搜索 效率，本步骤采用了外包立方体相交预搜索算法和拓扑连通搜索算法相 结合的方法，具体说明如下：

（a）选定某个充电拓扑节点进行拓扑连接搜索，首先进行外包立 方体相交预搜索，需要得到该节点的外包立方体的信息，方法是遍历该 充电拓扑节点对应设备对象的各顶点坐标，计算出该充电拓扑节点外包 立方体的中心点坐标和长、宽、高。

本发明通过遍历该充电拓扑节点设备对象所有的顶点坐标得到当前 充电拓扑节点的外包立方体。假设当前充电拓扑节点外包立方体在X、Y、 Z轴的最大和最小坐标（即Xmin,Xmax，Ymin,Ymax，Zmin,Zmax）。则外 包立方体的八个顶点的三维坐标分别为(Xmin,Ymin,Zmin)、 (Xmin,Ymax,Zmin)、(Xmax,Ymin,Zmin)、(Xmax,Ymax,Zmin)、 (Xmin,Ymin,Zmax)、(Xmin,Ymax,Zmax)、(Xmax,Ymin,Zmax)、 (Xmax,Ymax,Zmax)。该充电拓扑节点外包立方体的中心点坐标为 ((Xmin+Xmax)/2，(Ymin+Ymax)/2，(Zmin+Zmax)/2)。该充电拓扑节点外 包立方体的长、宽、高分别为(Xmax－Xmin)、(Ymax－Ymin)、(Zmax－ Zmin)。该充电拓扑节点外包立方体的最小边长为长、宽、高的最小值。

（b）将该拓扑节点的外包立方体与其他充电拓扑节点依次进行相交 测试，如果相交，则将测试节点加入该拓扑节点的外包立方体相交的充 电拓扑节点子集合；测试完毕后，如果该拓扑节点的外包立方体相交的 拓扑节点子集合为空，则表明没有拓扑节点和该拓扑节点相连接，返回 步骤a继续下一拓扑节点的拓扑搜索；如果外包立方体相交的拓扑节点 子集合不为空，则继续进行步骤c进行进一步相交判断。

结合图1所示，下面以充电拓扑节点a的外包立方体A与充电拓扑 节点b的外包立方体B之间的相交关系为例，对当前充电拓扑节点与其 他充电拓扑节点的外包立方体是否有相交的判断方法进行具体的说明：

根据外包立方体A和外包立方体B的X、Y、Z轴的最大和最小坐标， 按照步骤（a）依次计算出外包立方体A的八个顶点到外包立方体B中心 点的距离，如果外包立方体A的某一顶点和外包立方体B中心点的距离 小于外包立方体B的最小边长的一半，则可判定该顶点包含在外包立方 体B中，即外包立方体A和外包立方体B相交；

反向依次得到外包立方体B的八个顶点到外包立方体A中心点的距 离，如果外包立方体B的某一顶点和外包立方体A中心点的距离小于外 包立方体A的最小边长的一半，则可判定该顶点包含在外包立方体A中， 即外包立方体A和外包立方体B相交；

如果上述条件均不满足，则可判定外包立方体A和外包立方体B不 相交。

（c）针对上述通过外包立方体相交判断算法得到的充电拓扑节点 子集合，进一步判断并最终确定与该拓扑节点具有电气连接关系的拓扑 节点集合。

本步骤针对步骤（b）得到的外包立方体相交的充电拓扑节点子集合， 依次进行进一步相交测试，如果相交，则测试拓扑节点加入具有电力连 接关系的拓扑节点集合。

在变电站中，电力设备之间的电气连接主要分为如下三种：电气接 线和电气接线之间的电气连接、电气接线和电力设备之间的电气连接、 电力设备和电力设备之间的电气连接。下面以电气接线A、电气接线B、 电力设备A、电力设备B之间的电气连接关系为例，在虚拟变电站的三维 设备模型中，对电气接线模型A、电气接线模型B、电力设备模型A、电 力设备模型B之间的电气连接的判断方法做详细的说明：

如果电气接线模型A的两个端点之一和电气接线模型B的两个端点 之一的空间距离小于指定的距离阈值，则电气接线模型A和电气接线模 型B的电气连接相交；如果电气接线模型A的两个端点之一和电气接线 模型B的两个端点之一的空间距离不小于指定的距离阈值，则电气接线 模型A和电气接线模型B可判定为电气连接不相交。

如果电气接线模型A的两个端点之一和电力设备模型B的任一接线 端子部件的中心距离小于指定的距离阈值，则判断如果电气接线模型A 和电力设备模型B的电气连接相交；如果电气接线模型A的两个端点之 一和电力设备模型B的任一接线端子部件的中心距离不小于指定的距离 阈值；则电气接线模型A和电力设备模型B可判定为电气连接不相交。

如果电力设备模型A的任一接线端子部件和电力设备模型B的任一 接线端子部件的中心距离小于指定的距离阈值，则电力设备模型A和电 力设备模型B的电气连接相交；如果电力设备模型A的任一接线端子部 件和电力设备模型B的任一接线端子部件的中心距离不小于指定的距离 阈值，则电力设备模型A和电力设备模型B可判定为电气连接不相交。

（d）搜索充电拓扑节点子集合中所有充电拓扑节点相邻连通的充电 拓扑节点，建立当前充电拓扑节点和与之相邻连通的充电拓扑节点的连 接关系。

3）搜索所有充电拓扑节点电气连接，生成充电拓扑模型。

判断充电拓扑节点集合中所有充电拓扑节点是否已经搜索完毕。如 果没有搜索完毕，按照上述步骤2）描述的步骤，对充电拓扑节点集合中 所有未搜索的充电拓扑节点进行搜索，直至搜索所有充电拓扑节点后完 毕。搜索完毕后即可生成变电站充电拓扑模型。

变电站投运过程主要是从老变电站到新变电站，各个设备逐步带电 （例如变压器充电、母线充电、电气接线线路进行充电）直至整个变电 站投入运行的过程。如图2所示，为了满足变电站投运前和投运期间的 各项工作要求，更好地演示投运方案和投运过程，本发明在分析变电站 充电拓扑模型的基础上，实时计算在充电过程绘制的正在充电拓扑节点 集合，通过变电站的三维实景沙盘逼真再现变电站投运的现场实景。本 发明结合网络通讯，从电网的设备状态实时数据库中采集各个电源点的 状态，通过同步变电站现场实景中各电力设备和电气接线的状态，动态 绘制充电链路，模拟再现变电站的充电过程。在动态绘制充电链路时， 通过对变电站充电拓扑模型的网络分析，实时计算出当前充电过程绘制 的充电拓扑节点并设置三维渲染模式。下面对分析变电站充电拓扑模型， 实时计算在充电过程绘制的正在充电拓扑节点集合的步骤做详细的说 明：

本发明采用递归访问的方式，计算当前正在进行的充电过程动态绘 制的拓扑节点。递归访问的起始充电拓扑节点为充电的起始电源点，递 归访问充电拓扑节点的处理分为以下几种情况：如果当前充电拓扑节点 已经访问过，对该充电拓扑节点不做任何处理；如果当前充电拓扑节点 未访问过并且已经完成充电过程绘制，继续递归访问该充电拓扑节点的 相邻充电拓扑节点；如果当前充电拓扑节点未访问过并且正在进行充电 过程绘制，对该充电拓扑节点不做任何处理；如果当前充电拓扑节点未 访问过并且不满足上述条件，那么设置充电过程标志，将该充电拓扑节 点加入正在充电拓扑节点集合。如果该正在充电的充电拓扑节点是电气 接线类充电拓扑节点，需要判断该电气接线充电拓扑节点充电的方向是 否与电气接线的顶点次序相同，如果该电气接线充电拓扑节点充电的方 向是否与电气接线的顶点次序不相同，反转该充电拓扑节点对应的电气 接线的顶点。

采用上述递归访问的方式，找出变电站充电拓扑模型中所有正在充 电的充电拓扑节点，并将其加入正在充电拓扑节点集合，以待动态绘制 充电链路。

如图2所示，本发明采用动态过程着色的方式动态绘制充电链路， 模拟展示变电站投运过程中为母线和线路进行充电的过程。当充电开始 后，沿着充电电流的流动方向，采用三维充电指示色对场景中已经充电 的设备模型和已充电的设备部件模型进行着色和渲染。实时绘制三维画 面中的每一帧，对正在充电拓扑节点集合中的充电拓扑节点进行充电过 程绘制，通过系列帧的绘制，展示出线路的充电过程。下面对动态绘制 正在充电拓扑节点集合的充电链路，展现充电过程的步骤做详细的说明：

如图2所示，动态绘制充电节点主要分电力设备类充电拓扑节点动 态绘制和电气接线类充电拓扑节点动态绘制。对于电力设备类充电拓扑 节点动态绘制，将电力设备及其子部件的三维渲染模式切换为充电指示 色的颜色渲染方式，然后设置充电过程完成标志即可。对于电气接线类 充电拓扑节点动态绘制，在每一系列帧中，首先判断该电气接线类充电 拓扑节点是否已经动态绘制完毕，如果已经完成动态绘制，则设置充电 过程完成标志；如果未完成动态绘制，则继续计算出当前接线中已经充 电的模型部分并设置为充电指示色的渲染方式。重复上述处理方式，直 至充电过程绘制完毕。本发明以动画的方式形象直观展示出变电站的投 运过程，能够更加准确、逼真地反映现场设备及环境的状态。

上面对本发明所提供的基于虚拟现实技术的变电站可视化投运方法 进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实 质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专 利权的侵犯，将承担相应的法律责任。