CN108711327A - 基于vr技术的继电保护仿真训练平台构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于VR技术的继电保护仿真训练平台构建方法，仿真训练平台包括主机以及与其相连且位于操作者身体上的交互设备和体验设备，构建方法中包括，利用VRML技术进行建模并形成模型数据库，该模型数据库储存于主机中，模型数据库中包括通过VRML技术根据变电站的物理结构以及维护人员的实际工作进行几何建模、物理建模以及行为建模得到的虚拟变电站电气设备模型，通过Java和/或JavaScript语言编写脚本来对VRML进行功能扩展，并通过Java实现操作者、体验设备以及交互设备与变电站仿真培训系统间的通信和交互控制，主机中储存有专家数据库，提供变电站二次检修的典型缺陷分析库、典型操作模拟库。

Description

基于VR技术的继电保护仿真训练平台构建方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，具体涉及基于VR技术的继电保护仿真训练平台构建方法。

背景技术

随着社会的经济发展和技术进步，智能电网已成为未来电网的发展方向。其中，智能变电站是建设智能电网的重要环节。

随着智能变电站的数量不断增加，智能变电站线路保护周校的工作量也在同步增加。与此同时，再加之班组人员更替，人员数量减少，新员工技能水平不足等多种因素，导致班组工作压力增大。

由于智能变电站通过光缆代替电缆、合并单元、智能终端、智能化的保护装置替代了常规保护装置，智能站设备与常规战设备的结构具有很大差异，使得员工的检修技术水平无法快速适应当前智能变电站的模式变革。

在智能变电站中，智能设备之间的连接全部采用光纤连接，取代了传统的二次接线方式，在智能站中二次回路只能通过SCD文件查看和修改。智能站中的二次回路变成了看不见摸不到的虚回路，无法直观的查看和操作。

通过研究分析，造成智能站检修时长增加的主要两个步骤有：安全措施执行以及保护装置整组试验、开关传动。

针对上述两个步骤继续分析，经过讨论，研究智能站和常规站在结构和二次回路方面的区别，得出结论：

1、由于智能变电站的二次回路的不可见性，检修人员无法直观查看和操作二次回路。

2、检修人员需要反复核对二次虚回路，方能进行相关工作，造成检修时间变长。

因此造成上述问题的症结就在：二次回路的不可见性。

发明内容

本发明弥补了现有技术的缺陷，提供了一种基于VR技术的继电保护仿真训练平台构建方法，该构建方法能够为智能变电站提供与之匹配的仿真训练平台，使智能变电站中不可见的二次回路能够进行可见的操作培训，显著提高检修人员对二次回路的直观认识，提高二次回路检修的效率。

本发明的具体技术方案是：

基于VR技术的继电保护仿真训练平台构建方法，所述仿真训练平台包括主机以及与其相连且位于操作者身体上的交互设备和体验设备，所述的构建方法中包括，利用VRML技术进行建模并形成模型数据库，该模型数据库储存于主机中，关键点是，所述模型数据库中包括通过VRML技术根据变电站的物理结构以及维护人员的实际工作进行几何建模、物理建模以及行为建模得到的虚拟变电站电气设备模型，通过Java和/或JavaScript语言编写脚本来对VRML进行功能扩展，并通过Java实现操作者、体验设备以及交互设备与变电站仿真培训系统间的通信和交互控制。

所述的模型数据库在构建过程包括以下内容：真实拍摄多维度变电站一二次设备影响资料，实地量测设备尺寸并收集相关技术资料；利用3DSMAX工具搭建设备1:1三维仿真模型，制作PS三维模型贴图，渲染变电站设备实际环境；对三维模型、网格模型、异形模型进行法线烘焙和灯光烘焙，细化完善3DSMAX模型材质贴图；利用unity3D软件编写环境、灯光、材质、贴图以及交互式操作等程序，通过头戴式显示器测试模型建设效果，及时修正程序BUG。

所述的主机中储存有专家数据库，专家数据库包括变电站二次检修的典型缺陷分析库、典型操作模拟库，典型缺陷分析库提供二次检修工作中典型的缺陷和缺陷处理方法，典型操作模拟库提供典型操作的标准化操作演示、标准化操作练习功能。

本发明的有益效果是：在本发明中，采用VR技术对智能变电站进行建模后，通过仿真进行维护培训，这样就能够使得本发明具有如下优点：1、在培训方面，该仿真平台在新进保护员工培训以及智能变电站相关培训方面有着极大优势，并节省大量培训费用。具有很强的实用性和推广价值。目前国内电力行业并无此类产品，基于“VR”技术的继电保护仿真平台填补了国内行业空白；2、在安全效益方面：使用该平台，相比于现场培训，减少了风险隐患，通过利用“VR”技术的特点，增强员工的风险辨识能力和安全意识。让现场安全更可控、作业流程更标准、基础工作更夯实、人员培训更高效。3、在标准化体系推广方面：通过使用该平台，可以固化标准作业流程，促进技术标准落地，推广标准化体系建设。员工可以在平台内反复演练，掌握标准作业流程，助力企业发展。

附图说明

图1是本发明中构建的继电保护仿真训练平台的结构框图。

具体实施方式

本发明涉及一种基于VR技术的继电保护仿真训练平台构建方法，所述仿真训练平台包括主机以及与其相连且位于操作者身体上的交互设备和体验设备，所述的构建方法中包括，利用VRML技术进行建模并形成模型数据库，该模型数据库储存于主机中，所述模型数据库中包括通过VRML技术根据变电站的物理结构以及维护人员的实际工作进行几何建模、物理建模以及行为建模得到的虚拟变电站电气设备模型，通过Java和/或JavaScript语言编写脚本来对VRML进行功能扩展，并通过Java实现操作者、体验设备以及交互设备与变电站仿真培训系统间的通信和交互控制。

具体实施例，通过VRML技术根据变电站的物理结构进行建模并形成有模具数据库；根据训练平台的运行负荷配置一套主机系统，由主机系统对模具数据库进行运行以及模具调取；设置与主机系统连接的体验设备以及交互设备，通过体验设备对由主机系统构建的变电站模型进行显示，通过交互设备实现训练人员的仿真动作交互；

通过VRML技术根据变电站的物理结构以及维护人员的实际工作进行几何建模、物理建模、行为建模并得到虚拟变电站电气设备模型；通过Java和/或JavaScript语言编写脚本来对VRML进行功能扩展，并通过Java实现训练人员、体验设备以及交互设备与变电站仿真培训系统间的通信和交互控制。

在本发明中，基于VR技术的继电保护仿真训练平台构建方法涉及界面层、应用层、对象层以及资源层；其中，界面层由体验设备以及交互设备构成；应用层由VR建模程序、标准化作业流程控制程序、交互程序以及专家库查询程序构成；对象层由VR对象、业务过程模拟对象、虚拟人体模型对象以及环境模型对象构成；资源层由VR硬件系统、VR软件系统以及底层数据库构成。

专家库模块为二次检修人员提供了典型缺陷分析库、典型操作模拟库，方便有针对性的对缺陷消除、典型操作训练。典型缺陷分析库：该模块提供了二次检修工作中典型的缺陷及缺陷处理方法，例如SV/GOOSE断链缺陷的消除方法、控制回路短线缺陷消除方法等；典型操作模拟库：该模块提供了典型操作的标准化操作演示、标准化操作练习功能。典型操作包括3/2接线封锁CT等。

在本发明中，模型数据库的构建方法包括以下方面：真实拍摄多维度变电站一二次设备影像资料，实地量测设备尺寸并收集相关技术资料，作为模型搭建的核心基础；利用3DSMAX工具搭建设备1:1三维仿真模型，制作PS三维模型贴图，渲染变电站设备实际环境；对三维模型、网格模型、异形模型进行法线烘焙和灯光烘焙，细化完善3DSMAX模型材质贴图；利用unity3D软件编写环境、灯光、材质、贴图以及交互式操作等程序，带头显测试模型建设效果，及时修正程序BUG，推进实用化。

本发明采用VRML语言，通过几何建模、物理建模、行为建模，得到虚拟变电站电气设备模型；为了实现交互功能，本发明采用VRML实现虚拟变电站的建模和接口的定义；利用Java和JavaScript语言编写脚本来扩展VRML的功能。

本发明侧重于变电站一次设备的建模仿真，同时还针对二次设备的建模仿真、交互操作，该构思在国内尚无先例。

本发明针对电力系统中的一次设备通过虚拟现实建模语言(VRML)建立虚拟变电站，通过Java实现与变电站仿真培训系统间的通信和交互控制，所设计的虚拟变电站仿真培训系统能够实现三维显示、实时交互、动态仿真，通过刺激学员的视觉、听觉神经，调动起学员的学习积极性和主动性，明显提高仿真培训效果，使学员能够熟练掌握变电站相关操作。

因此，继电保护检修人员通过使用“基于VR技术的继电保护仿真平台”，能够熟练掌握智能变电站线路保护周校方法，从而缩短了安全措施执行、反措项目检查执行、保护装置整组测试、综自试验等几个步骤的操作时间。

目前，计算机建模技术比较发达，互联网模块化资源较多。本发明则可根据技术人员的工作经验，通过对新技术的学习，查阅论文技术，掌握了计算机开发继电保护仿真平台的技术技巧，因此本发明具备技术可行性。

在本发明中，体验设备主要指头戴显示器，该设备可以为操作者提供沉浸式的全景3D体验。交互设备能够实现操作者与虚拟实境的互动操作，主机配置为头戴显示器、交互设备的运算存储提供硬件支撑；该仿真平台使用时，数据吞吐量巨大，对存储器容量、存储器读取速度、处理器计算速度等要求较高。外接式头戴显示器能够通过升级外接个人电脑，理论上不会出现硬件性能上的瓶颈。一体式头戴显示器、头戴手机盒子自身硬件性能无法满足开发需求，因此选择外接式头戴显示器。本发明中对于外接式头戴显示器选择如下：当前主流头戴显示器主要有Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR三款产品，为了选择出适合本次平台开发的头戴显示器，广泛搜集产品性能参数、产品特点等信息。PlayStationVR的使用需要索尼专用游戏主机PS4作为硬件支持，不适合二次开发。HTC Vive的“LightHouse”定位追踪基站依赖无线技术与头盔交换数据，因此HTC Vive在使用中会出现基站无法识别的问题。而Oculus Rift的“星座”红外线定位器直接和电脑相连，使用稳定。同时从价格上考虑，Oculus Rift的性价比更高，因此头戴显示器选择Oculus Rift。体验设备还包括有个人电脑，外接个人电脑作为计算与存储设备，具备独立屏幕，通过升级外接计算与存储设备，使之满足仿真平台对数据处理速度、容量的要求。头戴式显示器自带屏幕、计算与存储设备，无需外接设备，可以独立运行。

交互设备包括有数据手套、虚拟现实手柄、动作捕捉设备。1、数据手套上集成了惯性传感器来跟踪用户的手指乃至整个手臂的运动。能够精确捕捉手指、手臂动作，增强了互动性和沉浸感。但使用门槛较高，设备成本高，用户需要穿脱设备，使用较复杂。2、虚拟现实手柄两手分立，共6个自由度空间跟踪，带按钮和震动反馈的手柄。可以实现空间跟踪，通过按钮实现选择确定操作，提供震动反馈。3、动作捕捉设备不依赖于穿戴传感器而直接识别人体动作。用户获得完全的沉浸感，真正“进入”虚拟世界。

本发明通过分析线路保护周校标准化作业流程，对二次继电保护专业工作人员充分调研，结合智能变电站二次设备特点，采用头脑风暴的方法，提出基于VR技术的继电保护仿真平台功能需求，同时利用亲和图对结果进行分析。

仿真平台架构主要结构介绍：

(1)资源层是VR仿真平台运行的资源基础，提供包括硬件支持、软件支持、数据库支持。

(2)对象层为VR仿真平台的应用层提供基础功能模块，包括VR环境建模的公共模块。

(3)应用层包括VR建模公共模块，以及针对用户的功能模块，通过对对象层各模块的调用、组合，实现软件特定需求。

(4)界面层包括仿真平台的输入、输出模块。输入模块包括手柄、手套、鼠标、动作捕捉仪等设备，主要实现的是用户动作的捕捉。输出模块主要指的是VR眼镜，输出内容包括视频、声音、震动等。

设备展示：利用VR技术实体行为系统仿真功能，为二次检修人员构建具有沉浸感的包括变电站一次设备、二次设备在内的虚拟场景。二次检修人员可以查看SV链、GOOSE链对应的实接线，实现智能变电站“虚回路”的可视化，同时还可以查询保护采样、保护定值、保护控制字、软压板等保护装置参数。

设备操作：二次检修人员可以进行投退压板、插拔光纤或硬接线、分合开关或按钮等操作，在操作的同时，后台参数相应改变，为保护动作模拟做准备。

保护功能设置：二次检修人员可以对保护功能进行设置，包括保护定值、软压板、控制字等。同时还可以设置故障量，模拟保护动作。

参考资料调取：二次检修人员在利用仿真平台时，可以调取图纸、说明书、标准化作业指导书等资料。

小组对本次项目需要仿真的保护厂家类别、合并单元、智能终端、保护装置、屏柜数量进行统计。

本发明中，专家库模块包含了典型缺陷分析库、典型操作模拟库。在典型缺陷分析库中，提供了SV/GOOSE断链缺陷的消除、控制回路短线缺陷消除等典型缺陷的消除演示。在典型操作模拟库中，提供了3/2接线封锁CT等典型操作的标准化操作演示、标准化操作练习功能。

本发明采用VR仿真技术进行培训，能够极大程度地提高智能变电站线路的检修维护效率，有效缩短了设备维护周期。

另外，本发明还具有如下无形效益

1、培训效益：培训方面，该仿真平台在新进保护员工培训以及智能变电站相关培训方面有着极大优势，并节省大量培训费用。具有很强的实用性和推广价值。目前国内电力行业并无此类产品，基于“VR”技术的继电保护仿真平台填补了国内行业空白。

2、安全效益：使用该平台，相比于现场培训，减少了风险隐患，通过利用“VR”技术中的上述三项功能，增强员工的风险辨识能力和安全意识。让现场安全更可控、作业流程更标准、基础工作更夯实、人员培训更高效。

3、标准化体系推广：通过使用该平台，可以固化标准作业流程，促进技术标准落地，推广标准化体系建设。员工可以在平台内反复演练，掌握标准作业流程，助力企业发展。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (3)

1.基于VR技术的继电保护仿真训练平台构建方法，所述仿真训练平台包括主机以及与其相连且位于操作者身体上的交互设备和体验设备，所述的构建方法中包括，利用VRML技术进行建模并形成模型数据库，该模型数据库储存于主机中，其特征在于：所述模型数据库中包括通过VRML技术根据变电站的物理结构以及维护人员的实际工作进行几何建模、物理建模以及行为建模得到的虚拟变电站电气设备模型，通过Java和/或JavaScript语言编写脚本来对VRML进行功能扩展，并通过Java实现操作者、体验设备以及交互设备与变电站仿真培训系统间的通信和交互控制。

2.根据权利要求1所述的基于VR技术的继电保护仿真训练平台构建方法，其特征在于：所述的模型数据库在构建过程包括以下内容：真实拍摄多维度变电站一二次设备影响资料，实地量测设备尺寸并收集相关技术资料；利用3DSMAX工具搭建设备1:1三维仿真模型，制作PS三维模型贴图，渲染变电站设备实际环境；对三维模型、网格模型、异形模型进行法线烘焙和灯光烘焙，细化完善3DSMAX模型材质贴图；利用unity3D软件编写环境、灯光、材质、贴图以及交互式操作等程序，通过头戴式显示器测试模型建设效果，及时修正程序BUG。

3.根据权利要求1所述的基于VR技术的继电保护仿真训练平台构建方法，其特征在于：所述的主机中储存有专家数据库，专家数据库包括变电站二次检修的典型缺陷分析库、典型操作模拟库，典型缺陷分析库提供二次检修工作中典型的缺陷和缺陷处理方法，典型操作模拟库提供典型操作的标准化操作演示、标准化操作练习功能。