CN111199091A - 一种基于增强虚拟现实的电力系统交互仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于增强虚拟现实的电力系统交互仿真方法，包括：运行数据的采集，仿真模型的构建，虚实数据的传输和交互，电力系统混合仿真模型的建立，电力系统增强虚拟现实交互的实现。方法利用增强现实技术，建立虚实混合的图形化仿真平台。仿真或实验的过程中，可直观观察设备内部结构和运行机制，同时将虚拟模型和实时的仿真数据，叠加在现实环境中，带给专业人员身临其境的感受。

Description

一种基于增强虚拟现实的电力系统交互仿真方法

技术领域

本发明属于电力系统虚拟仿真领域，具体涉及一种基于增强虚拟现实的电力系统交互仿真方法。

背景技术

我国电力企业的信息化从20世纪60年代起步，从应用的过程来看可分为四个阶段，20世纪60～70年代为第一阶段，最初主要集中在发电厂和变电站自动监测/监制方面；20世纪80～90年代为第二阶段，该阶段开始进入电力系统专项业务应用，涉及电网调度自动化、电力负荷控制、计算机辅助设计、计算机仿真系统等应用开始深入广泛开展，某些应用达到了较高的水平，而计算机管理信息系统则刚刚起步，并经历了失败较多的痛苦过程；20世纪末进入了第三阶段，电力信息技术进一步发展到综合应用，由操作层向管理层、决策层延伸，各级电力企业建立管理信息系统，实现管理信息化。但从传统工业应用来看，电力信息资源的开发尚处于刚刚起步及发展的阶段，目标是形成集中、统一、稳定的信息采集渠道，基本建成覆盖全行业各门类的电力信息资源共享体系。目前，电力企业在信息化基础建设基本完成的前提下，企业管理信息化方面引入了所谓的“一体化”、“数字化电网”、“数字化供电局”、“电力EAM”、“电力ERP”等先进概念，进入为提高企业发展、市场的竞争、产业水平，推进企业科技创新、机构创新、体制创新的信息化阶段。

电力系统仿真计算是电力系统动态分析与安全控制的基本工具。当前，随着电力系统自动化技术的发展，电力系统二次设备的型号越来越多，功能越来越复杂，集成度越来越高，给数据模拟和仿真模型的构建带来新的技术挑战。

在现有的仿真方法中，常用的建模方法可以分为：面向过程的建模、面向数据的建模、面向信息的建模、面向决策的建模和面向对象的建模五种。其中，面向过程的建模方法是把过程看作系统模型的基本部分，数据是随着过程而产生的。面向数据的建模方法是关注模型的输入输出，功能跟随数据。面向信息的建模方法是从整个系统的逻辑数据模型开始的，通过一个全局信息需求视图来说明系统中所有基本数据实体及其相互关系，在此基础上逐步构造整个模型，信息模型记录系统运行所需的信息实体。面向决策的建模方法是通过系统的决策制订原则和机理、系统的组织机构的分析结果来建立模型。面向对象的建模方法是利用面向对象的方法，运用封装、继承、多态等机制来构造虚拟现实系统。

现有仿真方法中，电力系统设备模型通常进行了相当大程度的实用性简化。基于上述简化模型的仿真计算存在仿真真实性方面的缺陷，已经不能适应当前调控一体化、运维一体化培训仿真系统统一建模的需求。而如果采用非简化的电力系统设备模型，则需要花费巨大的财力精力和时间才能完成。并且，目前各类电力系统仿真模型设计过程单一、专业性要求高，不能满足用户的不同设计需求，灵活性差，系统无法与用户交互，影响了电力系统仿真方法的应用效果，无法达到数字化技术为电力系统运行服务的目标。

发明内容

为解决电力系统仿真领域的上述问题，本发明提供了一种基于增强虚拟现实的电力系统交互仿真方法，包括以下步骤：

步骤1，运行数据的采集，电力系统在实际运行时，会对物理设备、关键节点或线路的运行数据进行定期采样，在每个数据更新周期内进行数据采集、缓存和模拟，进而导出电力系统模拟数据；

步骤2，仿真模型的构建，仿真模型按照真实电力系统的物理设备虚拟构建，参照实物场景，测量物理设备的尺寸和外观、获取不同设备之间及不同设备与场景之间的空间关系，利用建模软件，根据电力设备的空间关系，对电力设备的核心组件进行三维仿真建模，根据设备的装配关系添加几何约束进行装配，构建出整套电力系统仿真模型；

步骤3，虚实数据的传输和交互，物理模型将电力系统模拟数据通过接口传递给RT-LAB仿真数据平台，虚拟模型将仿真模型构建的仿真模型数据通过接口传递给RT-LAB仿真数据平台；电力系统模拟数据和仿真模型数据在RT-LAB仿真数据平台中进行交互、融合与反馈；

步骤4，电力系统混合仿真模型的建立，在RT-LAB仿真数据平台与虚实混合交互服务器之间实现数据的交互传输与反向传输，虚实混合交互服务器主动从RT-LAB仿真数据平台中通过开放接口获取电力系统模拟数据和仿真模型数据，对这两组数据进行虚实混合仿真，建立实时更新的电力系统混合仿真模型，同时将电力系统模拟数据和仿真模型数据存入模型数据库；

步骤5，电力系统增强虚拟现实交互的实现，通过可穿戴的增强现实设备捕获现实环境，通过无线传输方式接入到增强现实的程序，并通过数据访问接口获取电力系统混合仿真模型，将电力系统混合仿真模型叠加在现实环境中。

本发明的有益效果包括：首先，基于增强现实技术，实现在真实电力系统的仿真场景下，通过可穿戴设备获取电力系统数据，物理模型混合呈现、资源信息叠加、实时数据展示等增强虚拟现实技术处理，实现虚实混合的灵活交互。其次，以电力系统仿真与应用需求为核心，基于增强现实技术，提出新一代的虚拟现实交互仿真的方法，指导构建完整的电力系统新技术应用仿真体系，建立实验仿真及真实物理模型，实现体系化的电力系统虚实结合交互式仿真技术架构。再次，采用灵活配电的半实物仿真，通过半实物仿真突破实物不足，虚拟模型不够真实的实际问题，有效解决了模型真实性和财力物力之间的矛盾，本发明能够在短时间内、以很低的花费，通过实时建立动态模型，使得电力系统的设计过程变的更加简单。最后，采用了特别的运行数据采集方法，使得电力系统数据的采集更高效、便捷，并且提高了数据的采集可靠性和传输可靠性。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：

首先，基于增强现实技术，实现在真实电力系统的仿真场景下，通过可穿戴设备获取电力系统数据，物理模型混合呈现、资源信息叠加、实时数据展示等增强虚拟现实技术处理，实现虚实混合的灵活交互。其次，以电力系统仿真与应用需求为核心，基于增强现实技术，提出新一代的虚拟现实交互仿真的方法，指导构建完整的电力系统新技术应用仿真体系，建立实验仿真及真实物理模型，实现体系化的电力系统虚实结合交互式仿真技术架构。再次，采用灵活配电的半实物仿真，通过半实物仿真突破实物不足，虚拟模型不够真实的实际问题，有效解决了模型真实性和财力物力之间的矛盾，本发明能够在短时间内、以很低的花费，通过实时建立动态模型，使得电力系统的设计过程变的更加简单。最后，采用了特别的运行数据采集方法，使得电力系统数据的采集更高效、便捷，并且提高了数据的采集可靠性和传输可靠性。

附图说明

图1本发明所提出的方法的控制模式；

图2本发明所提出的方法架构和方法流程。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图参考实施例的描述，对本发明的方法进行进一步的说明。

为了全面理解本发明，在以下详细描述中提到了众多具体细节。但是本领域技术人员应该理解，本发明可以无需这些具体细节而实现。在实施例中，不详细描述公知的方法、过程、组件，以免不必要地使实施例繁琐。

增强现实(Augmented Reality)，简称AR，是利用计算机生成一种逼真的视觉、听觉、触觉、嗅觉和各种感觉的虚拟环境,通过各种传感设备使用户“沉浸”到该环境中,实现用户和环境直接进行自然交互。它是一种全新的人机交互技术,利用这样一种技术可以模拟真实的现场景观,它是以交互性和构想为基本特征的计算机高级人机界面。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性,而且能够突破空间、时间以及其它客观限制,感受到在真实世界中无法亲身经历的体验。增强现实就是把真实世界连接到数字世界的一门技术。简而言之，增强现实技术就是借助计算机图形技术和可视化技术产生现实环境中不存在的虚拟对象，并通过传感技术将虚拟对象准确“放置”在真实环境中，借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体，并呈现给使用者一个感官效果真实的新环境。

本发明利用增强现实技术，建立虚实混合的图形化仿真平台。仿真或实验的过程中，可直观观察设备内部结构和运行机制，同时将虚拟模型和实时的仿真数据，叠加在现实环境中，带给专业人员身临其境的感受。在AR情景下，功率流动、实时运行数据，均可通过增强现实设备直观的展现在眼前。故障告警时，可直接通过虚拟模型和后台智能识别系统实现快速、精确定位。进行数模混合仿真时，应用增强现实技术，实现虚实混合仿真与交互，在真实空间内实现白天、夜间等不同时间下，分布式电源出力状态、负荷大小变化、系统运行状态的转变的综合可视化。在进行多台能量路由器组网互联的时候，将部分虚拟设备和部分真实设备组网运行，并利用增强现实技术可视化展示。

参见图1所示，交互仿真是由三个部分组成：实际物理设备、虚拟物理设备、虚实混合场景。在虚实混合仿真过程中，不管针对组成部分的哪个设备或者哪个过程操作都将对混合仿真的结果造成直接影响，并且都将在混合场景中得到体现。

参见图2所示，电力系统的仿真架构数据部分，核心纽带设备是RT-LAB仿真数据平台和虚实混合数据融合服务，二者相互生产和交互数据。全过程的仿真数据存储由虚实混合交互服务完成。

本发明的一种基于增强虚拟现实的电力系统交互仿真方法，包括以下步骤：

步骤1，运行数据的采集，电力系统在实际运行时，会对物理设备、关键节点或线路的运行数据进行定期采样，在每个数据更新周期内进行数据采集、缓存和模拟，进而导出电力系统模拟数据；

步骤2，仿真模型的构建，仿真模型按照真实电力系统的物理设备虚拟构建，参照实物场景，测量物理设备的尺寸和外观、获取不同设备之间及不同设备与场景之间的空间关系，利用建模软件，根据电力设备的空间关系，对电力设备的核心组件进行三维仿真建模，根据设备的装配关系添加几何约束进行装配，构建出整套电力系统仿真模型；

步骤3，虚实数据的传输和交互，物理模型将电力系统模拟数据通过接口传递给RT-LAB仿真数据平台，虚拟模型将仿真模型构建的仿真模型数据通过接口传递给RT-LAB仿真数据平台；电力系统模拟数据和仿真模型数据在RT-LAB仿真数据平台中进行交互、融合与反馈；

步骤4，电力系统混合仿真模型的建立，在RT-LAB仿真数据平台与虚实混合交互服务器之间实现数据的交互传输与反向传输，虚实混合交互服务器主动从RT-LAB仿真数据平台中通过开放接口获取电力系统模拟数据和仿真模型数据，对这两组数据进行虚实混合仿真，建立实时更新的电力系统混合仿真模型，同时将电力系统模拟数据和仿真模型数据存入模型数据库；

步骤5，电力系统增强虚拟现实交互的实现，通过可穿戴的增强现实设备捕获现实环境，通过无线传输方式接入到增强现实的程序，并通过数据访问接口获取电力系统混合仿真模型，将电力系统混合仿真模型叠加在现实环境中。

优选地，其中，所述电力设备核心组件包括能量路由器，能量路由器是一种信息物理系统融合的智能设备，具备变压、交直流电力变换、电能质量治理、潮流控制等功能，可实现多种电压等级的交流、直流“定制”供用电，可即插即用的接纳分布式电源。

优选地，其中，所述能量路由器间组网互联、基于云平台和手机APP的能量管理系统，对接上层电网，实现多级调度。

优选地，其中，所述电力设备核心组件还可包括变压器、断路器、隔离开关、互感器等设备。

优选地，其中，所述步骤1，具体包括：

在电力系统中安装测试件，使用测试件进行电力系统运行数据的采集；

多媒体接口平台与模拟器相连接，通过多媒体接口平台向模拟器传递测试件采集的电力系统运行数据；

模拟器根据测试件采集的运行数据，通过模拟电力系统导出与运行数据相关的电力系统模拟数据；

多媒体接口平台从模拟器接收电力系统模拟数据，传递给物理模型；

其中，所述多媒体接口平台包括：

数据缓存单元，用于缓存要传递给模拟器的电力系统运行数据以及模拟器导出的电力系统模拟数据；

与模拟器和数据缓存单元连接的多媒体接口平台服务器，控制电力系统运行数据到模拟器的传递和从模拟器接收电力系统模拟数据；

与多媒体接口平台服务器连接的算法服务器，基于模拟器导出的电力系统模拟数据，计算每条电力线路中实时的有功功率和无功功率以及每条总线处的电压和相位角；

其中，算法服务器包括用于接口管理的接口管理器，用于管理与多媒体接口平台服务器交互的交互管理器，用于管理公共组件的公共组件管理器，用于管理来自模拟器的信息的信息管理器，以及用于数据管理的数据管理器。

优选地，其中，所述电力系统运行数据包括电力系统中物理设备、关键节点或线路的电压及其变化，频率及其变化，组件及其变化和意外事件的信息。

优选地，其中，所述电力系统模拟数据包括模拟电力系统中关键物理设备、关键节点或线路的电压，电流，母线电压，线路电力流量和断路器状态的信息。

优选地，其中，所述方法还包括：步骤6，

提供三维互动用户界面，通过外设接收用户指令，将用户输入指令传递给运行数据来源端的物理模型，之后运行数据来源端进行指令分析、权限设定操作，来决定是否执行该指令；如果权限确认通过，输入指令被执行，电力系统的运行状态也将被改变，对最新的电力系统运行数据进行采集，传递给电力系统中的测试件。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：首先，基于增强现实技术，实现在真实电力系统的仿真场景下，通过可穿戴设备获取电力系统数据，物理模型混合呈现、资源信息叠加、实时数据展示等增强虚拟现实技术处理，实现虚实混合的灵活交互。其次，以电力系统仿真与应用需求为核心，基于增强现实技术，提出新一代的虚拟现实交互仿真的方法，指导构建完整的电力系统新技术应用仿真体系，建立实验仿真及真实物理模型，实现体系化的电力系统虚实结合交互式仿真技术架构。再次，采用灵活配电的半实物仿真，通过半实物仿真突破实物不足，虚拟模型不够真实的实际问题，有效解决了模型真实性和财力物力之间的矛盾，本发明能够在短时间内、以很低的花费，通过实时建立动态模型，使得电力系统的设计过程变的更加简单。最后，采用了特别的运行数据采集方法，使得电力系统数据的采集更高效、便捷，并且提高了数据的采集可靠性和传输可靠性。

这里只说明了本发明的优选实施例，但其意并非限制本发明的范围、适用性和配置。相反，对实施例的详细说明可使本领域技术人员得以实施。应能理解，在不偏离所附权利要求书确定的本发明精神和范围情况下，可对一些细节做适当变更和修改。

Claims (8)

1.一种基于增强虚拟现实的电力系统交互仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，运行数据的采集，电力系统在实际运行时，会对物理设备、关键节点或线路的运行数据进行定期采样，在每个数据更新周期内进行数据采集、缓存和模拟，进而导出电力系统模拟数据；

步骤2，仿真模型的构建，仿真模型按照真实电力系统的物理设备虚拟构建，参照实物场景，测量物理设备的尺寸和外观、获取不同设备之间及不同设备与场景之间的空间关系，利用建模软件，根据电力设备的空间关系，对电力设备的核心组件进行三维仿真建模，根据设备的装配关系添加几何约束进行装配，构建出整套电力系统仿真模型；

步骤3，虚实数据的传输和交互，物理模型将电力系统模拟数据通过接口传递给RT-LAB仿真数据平台，虚拟模型将仿真模型构建的仿真模型数据通过接口传递给RT-LAB仿真数据平台；电力系统模拟数据和仿真模型数据在RT-LAB仿真数据平台中进行交互、融合与反馈；

步骤4，电力系统混合仿真模型的建立，在RT-LAB仿真数据平台与虚实混合交互服务器之间实现数据的交互传输与反向传输，虚实混合交互服务器主动从RT-LAB仿真数据平台中通过开放接口获取电力系统模拟数据和仿真模型数据，对这两组数据进行虚实混合仿真，建立实时更新的电力系统混合仿真模型，同时将电力系统模拟数据和仿真模型数据存入模型数据库；

步骤5，电力系统增强虚拟现实交互的实现，通过可穿戴的增强现实设备捕获现实环境，通过无线传输方式接入到增强现实的程序，并通过数据访问接口获取电力系统混合仿真模型，将电力系统混合仿真模型叠加在现实环境中。

2.根据权利要求1的方法，其中，所述电力设备核心组件包括能量路由器，能量路由器是一种信息物理系统融合的智能设备，具备变压、交直流电力变换、电能质量治理、潮流控制等功能，可实现多种电压等级的交流、直流“定制”供用电，可即插即用的接纳分布式电源。

3.根据权利要求2的方法，其中，所述能量路由器间组网互联、基于云平台和手机APP的能量管理系统，对接上层电网，实现多级调度。

4.根据权利要求1的方法，其中，所述电力设备核心组件还可包括变压器、断路器、隔离开关、互感器等设备。

5.根据权利要求1的方法，其中，所述步骤1，具体包括：

在电力系统中安装测试件，使用测试件进行电力系统运行数据的采集；

多媒体接口平台与模拟器相连接，通过多媒体接口平台向模拟器传递测试件采集的电力系统运行数据；

模拟器根据测试件采集的运行数据，通过模拟电力系统导出与运行数据相关的电力系统模拟数据；

多媒体接口平台从模拟器接收电力系统模拟数据，传递给物理模型；

其中，所述多媒体接口平台包括：

数据缓存单元，用于缓存要传递给模拟器的电力系统运行数据以及模拟器导出的电力系统模拟数据；

与模拟器和数据缓存单元连接的多媒体接口平台服务器，控制电力系统运行数据到模拟器的传递和从模拟器接收电力系统模拟数据；

与多媒体接口平台服务器连接的算法服务器，基于模拟器导出的电力系统模拟数据，计算每条电力线路中实时的有功功率和无功功率以及每条总线处的电压和相位角；

其中，算法服务器包括用于接口管理的接口管理器，用于管理与多媒体接口平台服务器交互的交互管理器，用于管理公共组件的公共组件管理器，用于管理来自模拟器的信息的信息管理器，以及用于数据管理的数据管理器。

6.根据权利要求1的方法，其中，所述电力系统运行数据包括电力系统中物理设备、关键节点或线路的电压及其变化，频率及其变化，组件及其变化和意外事件的信息。

7.根据权利要求1的方法，其中，所述电力系统模拟数据包括模拟电力系统中关键物理设备、关键节点或线路的电压，电流，母线电压，线路电力流量和断路器状态的信息。

8.根据权利要求5的方法，其中，所述方法还包括：步骤6，

提供三维互动用户界面，通过外设接收用户指令，将用户输入指令传递给运行数据来源端的物理模型，之后运行数据来源端进行指令分析、权限设定操作，来决定是否执行该指令；如果权限确认通过，输入指令被执行，电力系统的运行状态也将被改变，对最新的电力系统运行数据进行采集，传递给电力系统中的测试件。

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