CN114444234A - 一种基于虚拟现实的数字化交互仿真系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于虚拟现实的数字化交互仿真系统和方法，包括：CPS拓扑构建模块、模拟仿真模块和模拟电网组合屏模块；CPS拓扑构建模块，用于根据仿真需求从预先构建的虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的电网物理连接和通信连接；模拟仿真模块，用于基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接，进行模拟仿真；模拟电网组合屏模块，用于以增强现实的方式可视化展示模拟仿真模块的仿真结果和电网拓扑结构图；本发明基于解决了传统配电网数模混合仿真实验室建模及计算过程耗时耗力、效率较低，难以实现对大量不同运行方式实时评估的缺点，能够节约大量时间和成本。
Description
技术领域
本发明属于电力仿真技术领域，具体涉及一种基于虚拟现实的数字化交互仿真系统和方法。
背景技术
随着可再生能源并网技术的大规模应用，现有交流配电网正面临分布式发电接入规模化、用电需求定制化、潮流协调控制复杂化等多方面的巨大挑战，传统的交流配电网逐渐显示出其在接纳新能源能力、改善电能质量等方面的不足。
数模混合实时仿真系统是目前最为有效的研究含分布式电源、高渗透率充电等设备的复杂配电网全工况运行的工具。随着电力电子和信息技术日新月异的发展，传统配网向着交直混合、电力电子化、有源化方向发展，其规模和方式使得新问题和新需求层出不穷，亟待研究解决。现有配电网数模混合仿真实验室建模及计算过程耗时耗力、效率较低，难以实现对大量不同运行方式实时评估。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种基于虚拟现实的数字化交互仿真系统，包括：
CPS拓扑构建模块、模拟仿真模块和模拟电网组合屏模块；
所述CPS拓扑构建模块，用于根据仿真需求从预先构建的虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的电网物理连接和通信连接；
所述模拟仿真模块，用于基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接，进行模拟仿真；
所述模拟电网组合屏模块，用于以增强现实的方式可视化展示所述模拟仿真模块的仿真结果和电网拓扑结构图。
优选的，所述模拟仿真模块，包括：小电流接地单元、短路实验单元、分布式电网并/离网单元和合环实验室仿真验证单元；
所述小电流接地单元，用于基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接进行模拟节点接地，结合所述模拟电网组合屏模块可视化展示接地点的电流和电压取线数据；
所述短路实验单元，用于基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接模拟节点短路，结合所述模拟电网组合屏模块可视化展示短路点后失电范围，并进行隔离和转供恢复情况；
所述分布式电网并/离网单元，用于基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接模拟分布式电源并离网，结合所述模拟电网组合屏可视化展示接入点的功率投切情况；
所述合环实验室仿真验证单元，用于基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接模拟电网合环运行，结合所述模拟电网组合屏可视化展示关键节点的电流、电压情况。
优选的，所述CPS拓扑构建模块，包括：CPS物理拓扑单元和CPS通信拓扑单元；
所述CPS物理拓扑单元，用于根据仿真需求从虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的物理拓扑连接；
所述CPS通信拓扑单元，用于根据仿真需求从虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的通信拓扑连接。
优选的，所述虚拟实验室中的部件包括：模拟风机控制屏、模拟风机、无穷大变压器、RL负载、RLC负载、故障模拟器、模拟储能系统、模拟光伏系统、高压直流柜、静止无功发生器、动态无功补偿装置、电网模拟从机、供电电源模拟装置、配变模拟变压器/隔离变压器、变压器接地单元、先进配电网小步长实时仿真机、多能系统混合仿真机、录波仪、模拟电网组合屏、四象限功率放大器、交流配电屏、模拟环网柜测控屏、模拟联络开关屏、模拟配网故障屏、服务器机柜、模拟无穷大测控屏、模拟中性点接地方式屏、模拟负荷开关屏和通讯屏。
优选的，还包括虚拟实验室模块；
所述虚拟实验室模块，用于对进行配电网仿真的虚拟实验室中的各部件进行建模。
优选的，部件的模型的构建，包括：
对部件的几何形状、外观纹理、动态特性和物理特性分别进行建模。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于虚拟现实的数字化交互仿真方法，包括：
根据仿真需求从预先构建的虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的电网物理连接和通信连接；
基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接，进行模拟仿真；
以增强现实的方式可视化展示所述模拟仿真模块的仿真结果和电网拓扑结构图。
优选的，所述基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接，进行模拟仿真，包括：
基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接进行模拟节点接地，结合所述模拟电网组合屏模块可视化展示接地点的电流和电压取线数据；
基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接模拟节点短路，结合所述模拟电网组合屏模块可视化展示短路点后失电范围，并进行隔离和转供恢复情况；
基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接模拟分布式电源并离网，结合所述模拟电网组合屏可视化展示接入点的功率投切情况；
基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接模拟电网合环运行，结合所述模拟电网组合屏可视化展示关键节点的电流、电压情况。
优选的，所述根据仿真需求从预先构建的虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的电网物理连接和通信连接，包括：
根据仿真需求从虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的物理拓扑连接；
根据仿真需求从虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的通信拓扑连接。
优选的，所述虚拟实验室中的部件包括：模拟风机控制屏、模拟风机、无穷大变压器、RL负载、RLC负载、故障模拟器、模拟储能系统、模拟光伏系统、高压直流柜、静止无功发生器、动态无功补偿装置、电网模拟从机、供电电源模拟装置、配变模拟变压器/隔离变压器、变压器接地单元、先进配电网小步长实时仿真机、多能系统混合仿真机、录波仪、模拟电网组合屏、四象限功率放大器、交流配电屏、模拟环网柜测控屏、模拟联络开关屏、模拟配网故障屏、服务器机柜、模拟无穷大测控屏、模拟中性点接地方式屏、模拟负荷开关屏和通讯屏。
优选的，所述根据仿真需求从预先构建的虚拟实验室中选择部件之前，还包括：
对进行配电网仿真的虚拟实验室中的各部件进行建模。
优选的，部件的模型的构建，包括：
对部件的几何形状、外观纹理、动态特性和物理特性分别进行建模。
本发明还提供了一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如前所述的基于虚拟现实的数字化交互仿真方法。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如前所述的基于虚拟现实的数字化交互仿真方法。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
本发明提供了一种基于虚拟现实的数字化交互仿真系统和方法，包括：CPS拓扑构建模块、模拟仿真模块和模拟电网组合屏模块；CPS拓扑构建模块，用于根据仿真需求从预先构建的虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的电网物理连接和通信连接；模拟仿真模块，用于基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接，进行模拟仿真；模拟电网组合屏模块，用于以增强现实的方式可视化展示模拟仿真模块的仿真结果和电网拓扑结构图；本发明基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接，进行模拟仿真，并以增强现实的方式可视化展示仿真结果和电网拓扑结构图，解决了传统配电网数模混合仿真实验室建模及计算过程耗时耗力、效率较低，难以实现对大量不同运行方式实时评估的缺点，能够节约大量时间和成本。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于虚拟现实的数字化交互仿真系统基本结构示意图；
图2为本发明提供的一个基于虚拟现实的数字化交互仿真系统的具体示例的结构示意图；
图3为本发明实施例中短路实验单元仿真的短路实验拓扑图；
图4为本发明实施例中短路实验示意图；
图5为本发明实施例中分布式电源拓扑结构图；
图6为本发明实施例中合环实验室仿真验证单元进行仿真的拓扑图；
图7为本发明涉及的纹理映射的过程示意图；
图8为本发明涉及的捆绑坐标系示意图；
图9为本发明提供的一种基于虚拟现实的数字化交互仿真方法流程示意图；
图10为本发明提供的一个基于虚拟现实的数字化交互仿真方法示例的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
本发明基于增强现实技术，对配电网系列关键装备进行模块化虚拟现实建模，实现交互、分布式、全息式、多媒体的配电网数模混合可视化仿真应用。
实施例1：
本发明提供的一种基于虚拟现实的数字化交互仿真系统基本结构示意图如图1所示，包括：CPS拓扑构建模块、模拟仿真模块和模拟电网组合屏模块；
其中，CPS拓扑构建模块，用于根据仿真需求从预先构建的虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的电网物理连接和通信连接；
模拟仿真模块，用于基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接，进行模拟仿真；
模拟电网组合屏模块，用于以增强现实的方式可视化展示模拟仿真模块的仿真结果和电网拓扑结构图。
具体的，一个基于虚拟现实的数字化交互仿真系统的具体示例如图2所示，包括：
CPS拓扑构建模块、模拟仿真模块、模拟电网组合屏模块和虚拟实验室模块；
其中，虚拟实验室模块用于对进行配电网仿真的虚拟实验室中的各部件进行建模，部件具体类型包括：模拟风机控制屏、模拟风机、无穷大变压器、RL负载(即电阻负载)、RLC负载(即三相交流负载)、故障模拟器、模拟储能系统、模拟光伏系统、高压直流柜、SVG(即静止无功发生器)、TSC(即动态无功补偿装置)、电网模拟从机、供电电源模拟装置、配变模拟变压器/隔离变压器、变压器接地单元、先进配电网小步长实时仿真机、多能系统混合仿真机、录波仪、模拟电网组合屏、四象限功率放大器、交流配电屏、模拟环网柜测控屏、模拟联络开关屏、模拟配网故障屏、服务器机柜、模拟无穷大测控屏、模拟中性点接地方式屏、模拟负荷开关屏和通讯屏。
其中，CPS拓扑构建模块包括CPS物理拓扑单元和CPS通信拓扑单元；
CPS物理拓扑单元，用于根据仿真需求从虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的物理拓扑连接；
CPS通信拓扑单元，用于根据仿真需求从虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的通信拓扑连接。
其中，模拟仿真模块，包括：小电流接地单元、短路实验单元、分布式电网并/离网单元和合环实验室仿真验证单元；
小电流接地单元，用于基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接进行模拟节点接地，结合模拟电网组合屏模块可视化展示接地点的电流和电压取线数据；
短路实验单元，用于基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接模拟节点短路，结合模拟电网组合屏模块可视化展示短路点后失电范围，并进行隔离和转供恢复情况；
分布式电网并/离网单元，用于基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接模拟分布式电源并离网，结合模拟电网组合屏可视化展示接入点的功率投切情况；
合环实验室仿真验证单元，用于基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接模拟电网合环运行，结合模拟电网组合屏可视化展示关键节点的电流、电压情况。
本实施例中，小电流接地单元、短路实验单元、分布式电网并/离网单元和合环实验室仿真验证单元的仿真结果，均可以通过模拟电网组合屏模块，以实验室会议桌为原点，使用增强现实展示技术进行展示。
短路实验单元仿真的短路实验拓扑图如图3所示，进行短路实验点仿真时，区域1中分段开关11-12间发生永久性故障，图上进行闪动显示故障点，12、13节点变灰停电，1秒后接收指令进行供电恢复，13_3开关进行闪烁闭合，12、13节点变亮恢复供电。短路实验示意图如图4所示。
分布式电网并/离网单元进行仿真的分布式电源拓扑结构图如图5所示。通过控制内置开关的闭合及断开状态，结合模拟电网组合屏模块展示电网关键节点运行状态。
合环实验室仿真验证单元进行仿真的拓扑图如图6所示，合环实验需要将开关37QF闭合，结合模拟电网组合屏模块可展示闭合后节点5、8和10波形图。
虚拟实验室模块中各部件模型的构建包括：对部件的几何形状、外观纹理、动态特性和物理特性分别进行建模。
几何建模具体如下：
要表现三维物体，最基本的是绘制出三维物体的轮廓，利用点和线来构建整个三维物体的外边界，即仅使用边界来表示三维物体。三维图形物体中运用边界表示的最普遍方式是使用一组包围物体内部的表面多边形来存储物体的描述，多面体的多边形表示精确的定义了物体的表面特征，但对其它物体，则可以通过把表面嵌入到物体中来生成一个多边形网格逼近，曲面上采用多边形网格逼近可以通过将曲面分成更小的多边形加以改进。由于线框轮廓能快速显示以概要的说明表面结构。通过沿多边形表面进行明暗处理来消除或减少多边形边界，以实现真实性绘制，使用开放式图形库OpenGL(Open GraphicsLibrary)对对象进行形状建模。
外观建模具体如下：
对象的外表是一种物体区别于其它物体的质地特征，VR系统中虚拟对象的外表真实感主要取决于它的表面反射和纹理。一般来讲，只要时间足够宽裕，用增加物体多边形的方法可以绘制出十分逼真的图形表面。但是VR系统是典型的限时计算与显示系统，对实时性要求很高。因此，省时的纹理映射(Texture Mapping)技术在VR系统几何建模中得到广泛应用。
纹理映射，就是把给定的纹理图像映射到物体表面上，并不是特定的几何模型，使用纹理映射可以避免对场景的每个细节都使用多边形性来表示，进而可以大大减少环境模型的多边形数目，提高图形的显示速度。从物体表面的质地特征来看，纹理映射分为颜色纹理映射和凹凸纹理映射。纹理映射的过程如图7所示。
E(XD,YD)代表眼点，P(X,Y,Z)代表物体上的点，q(u,v)代表纹理上的像素点。所以，纹理映射实际上是屏幕空间、物体空间和纹理空间之间的一系列的变换过程。虚拟对象的纹理可通过拍摄对应物体的照片、然后将照片扫描进计算机的方法得到，也可用图像绘制软件建立。
物体空间与纹理空间之间映射关系的确定是实现纹理映射的关键。这种映射关系可以描述为
q(u,v)＝P(X,Y,Z)
对于比较简单的二次曲面，其纹理映射函数可解析地表达出来。例如圆柱面x2+y2＝1(0≤z≤1)，可以用参数方程表示为
给定u,v，可以根据上式确定x,y,z。而给定圆柱上的(x,y,z)，也可以根据其逆映射求出u,v：
但对于复杂的高次参数曲面来说，求解析表达式往往是不可能的，这是应采用数值求解方法来离散求的。
运动建模具体如下：
几何建模只是反映了虚拟对象的静态特性，而VR中还要表现虚拟对象在虚拟世界中的动态特性，而有关对象位置变化、旋转、碰撞、伸缩、手抓握、表面变形等方面的属性就属于运动建模问题。对象位置通常涉及对象的移动、伸缩和旋转，因此往往需要用各种坐标系统来反映三维场景中对象之间的相互位置关系。
在3D空间中移动对象共有3个平移参数和沿他们做旋转的3个旋转参数。这些参数的测量结果组成一个6维的数据集，一般用4×4的其次变换矩阵来描述：
这里R3*3描述坐标系‘B’的方向相对于坐标系‘A’的旋转子矩阵，P3*1是描述坐标系‘B’的原点对于坐标系A的变化矢量。
齐次变换矩阵节省了一定的计算量，由于旋转和平移是按照同一规则进行的，故求其反置可用下面的式子：
在虚拟现实中，一般给每个对象捆绑一个坐标系，该坐标系成为对象坐标系，捆绑的坐标系和对象一起移动，因此，在对象坐标系中对象顶点的位置和方向保持不变。图8显示了捆绑坐标系(X1、Y1、Z1)和(X2、Y2、Z2)的两个对象。
对象的绝对位置是相对一个固定的坐标系而言，这个坐标系成为世界坐标系(Xw，Yx，Zw)，在对象1坐标系与世界坐标系的变换公式如下：
这里的Xw←1,Yw←1和Zw←1是描述世界坐标系中(X1,Y1,Z1)分量的3×1向量；P是从Ow到O1的位置向量。如果对象1在移动，那么变换便成为时间的函数Tw←1(t)。在系统(X1,Y1,Z1)中定线改变之后的位置P(w)(t)可以按照方法P(w)(t)＝Tw←1(t)P(1)计算。
物理建模具体如下：
(1)在几何建模和运动建模之后，虚拟世界建模的下一步是综合体现对象的物理特性，包括重力、惯性、表面硬度、柔软度和变形模式等，这些特征与几何建模和行为法则相融合，形成更具有真实感的虚拟环境。例如，用户用虚拟手握住一个球，如果建立了该球的物理模型，用户就能够真实地感觉到该球的重量、硬软程度等。
粒子系统是一种典型的物理建模系统，粒子系统是用简单的元素来完成复杂的运动的建模。粒子系统有大量的成为粒子的简单元素构成，每个粒子具有位置、速度、颜色和生命期等属性，这些属性可以根据动力学计算和随机过程得到。在虚拟显示中，粒子系统常用与描述火焰、水流、雨雪、旋风、喷泉等现象。在虚拟显示中粒子系统用于动态的、运动的物体建模。通过改进的粒子群算法快速确定粒子的最优位置与速度，步骤如下：
1)根据当前数据随机生成k个对象作为初始的搜索粒子，并对第i个粒子进行编号，包括粒子位置与粒子速度，表示为[xi1，xi2，…xiD；vi1，vi2，…viD]。
2)定义合适的适应度函数，对每个粒子的适应度进行计算。
3)更新个体最优位置和历史最优位置。粒子的个体最优更新位置公式如下：
其中，fi(t)表示第i个粒子在第t次迭代中的适应值，fpi(t-1)表示在第t-1次迭代中第i个粒子的个体最优适应值，pi(t)表示第t次迭代过程中第i个粒子的个体最优位置，xi(t)表示第t次迭代过程中第i个粒子的坐标，pi(t-1)表示第t-1次迭代过程中第i个粒子的个体最优位置。
历史最优位置的更新公式如下：
其中，g(t)表示第t次迭代过程中的历史最优位置，g(t)表示第t-1次迭代过程中的历史最优位置，fg(t-1)表示第t-1次迭代中的历史最优适应值。
4)更新粒子的速度与位置。粒子通过更新个体最优位置与历史最优位置更新自己的位置，个体最优位置为粒子自身目前所找到的最优位置，历史最优位置为种群目前所找到的最优位置。通过以下公式更新粒子的速度：
vij(t+1)＝vij(t)+c1r1(pij(t)-xij(t))+c2r2(gj(t)-xij(t))
其中，xij(t)表示第t次迭代过程中第i个粒子在第j维的坐标，pij(t)表示第t次迭代过程中第i个粒子的个体最优位置在第j维的坐标，gj(t)表示第t次迭代过程中种群的历史最优位置在第j维的坐标，vij(t)表示第t次迭代过程中第i个粒子在第j维的速度，vij(t+1)表示第t+1次迭代过程中第i个粒子在第j维的速度，vj，max是种群在第j维的最大速度，cl(l＝1，2)为学习因子，rl(l＝1，2)为[0，1]区间的随机数。通过以下公式更新粒子的位置：
xij(t+1)＝xij(t)+vij(t+1)
重复以上步骤直至适应度值不再变化或达到最大迭代次数，输出最优适应值所对应的粒子。
模拟电网组合屏模块采用的增强现实技术，它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息，声音，味道，触觉等)，通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在，包括：
a)图像生成方案：基于单图像的视图生成(Single-image-based viewgeneration，SIVG)采用全卷积网络(FCN)。设计两种FCN架构。
第一个是基于FCN和名为DeepViewren的视图绘制网络的组合。第二个由亮度(luminance)和色度(chrominance)信号的解耦网络组成，由DeepViewdec表示。采用了一个2M立体图像的大型训练数据集。DeepViewren处理速度很快，而DeepViewdec具有更高的精度。
编码、解码和渲染网络分别以绿色、蓝色和黄色显示。编码网络从输入图像中提取低、中和高级特征，并将它们传送到解码网络。在解码之后，渲染网络生成概率视差图并估计右图像。
softmax层将解码网络的输出归一化为信道上的概率值(Pi，i∈Ω)。这里，信道的数量与视差范围Ω＝{-N，-N+1，...，0，1，...，N}的视差数量相同。最终右视图像R通过P与其相应平移的左图像L之间的逐像素相乘来合成。
DeepViewdec由两个具有相同架构的解耦网络组成，即亮度(Y)和色度(Cb，Cr)网络。每个网络都是单独培训。每个网络中的绿色、蓝色分别定义编码和解码网络，而黄色表示RGB和YCbCr之间的颜色转换。
b)信息叠加技术：AR信息叠加技术主要面向图像叠加领域，通过AR叠加技术，主要实现在图片上叠加矢量信息，将图片矢量化，在叠加成果上快速实现坐标点拾取、并可进行矢量化测量，比如距离、高度、面积、体积等测量。AR叠加技术分为实时叠加和事后叠加，实时叠加为在原有底图上叠加实时的照片，事后叠加为利用照片生成模型后，再在模型上叠加此次的照片。
本实施例主要由Unity3D作为开发环境，Vuforia SDK作为增强现实开发工具。使用Unity3D自带的UGUI功能模块实现界面的开发，使用Unity3D中的Animation组件来实现设备模型的动画系统，通过Unity3D中的碰撞系统来实现视线选择的功能，使用VuforiaSDK中的Video预制体作为增强现实中播放视频的实现，使用Vuforia SDK中的AR Camera作为调用移动设备摄像头的预制体，使用Vuforia SDK中的Virtual Button预制体来实现虚拟按钮的功能。
c)情景识别技术：情景识别技术是以图像的主要特征为基础的。每个图像都有它的特征，如字母A有个尖，P有个圈、而Y的中心有个锐角等。对图像识别时眼动的研究表明，视线总是集中在图像的主要特征上，也就是集中在图像轮廓曲度最大或轮廓方向突然改变的地方，这些地方的信息量最大。而且眼睛的扫描路线也总是依次从一个特征转到另一个特征上。由此可见，在图像识别过程中，知觉机制必须排除输入的多余信息，抽出关键的信息。同时，在大脑里必定有一个负责整合信息的机制，它能把分阶段获得的信息整理成一个完整的知觉映象。
在电网设备图像识别中，对复杂图像的识别往往要通过不同层次的信息加工才能实现。对于熟悉的图形，由于掌握了它的主要特征，就会把它当作一个单元来识别，而不再注意它的细节了。这种由孤立的单元材料组成的整体单位叫做组块，每一个组块是同时被感知的。在文字材料的识别中，人们不仅可以把一个汉字的笔划或偏旁等单元组成一个组块，而且能把经常在一起出现的字或词组成组块单位来加以识别。
本实施例中，操作界面分为虚拟交互功能按键区，及AR增强现实虚拟场景区。
功能按键提供了场景切换功能，具体包括：虚拟实验室、小电流接地、短路实验、分布式电网并/离网和合环实验室仿真验证，按键区，同时提供了场景功能介绍状态栏按键，点击该按键，可在虚拟场景后部高出显示当前场景的名称及功能描述。
AR增强现实虚拟场景区包括：虚拟实验室、小电流接地、短路实验、分布式电源并/离网和合环实验等场景。
虚拟实验室以实验室会议桌为原点，对实验室整理建模，使用AR展示技术，在会议桌上整体展示实验室微缩沙盘，实现实验室全景及设备360度观看。可使用AR眼镜，观看实验室每个设备，在眼镜上叠加每个设备的介绍及当前运行信息。可使用AR眼镜，观看模拟电网组合屏，可以展示当前接线屏的接线方式。
小电流接地以实验室会议桌为原点，使用AR展示技术，在会议桌上整体展示物理侧拓扑结构图，拓扑图动态显示潮流流向。
短路实验以实验室会议桌为原点，使用AR展示技术，在会议桌上整体展示物理侧拓扑结构图，拓扑图动态显示潮流流向。
分布式电源并/离网以实验室会议桌为原点，使用AR展示技术，在会议桌上整体展示分布式电源拓扑结构图，拓扑图动态显示潮流流向。通过控制内置开关的闭合及断开状态，展示电网关键节点运行状态。
实施例2：
基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于虚拟现实的数字化交互仿真方法，如图9所示，包括：
步骤1：根据仿真需求从预先构建的虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的电网物理连接和通信连接；
步骤2：基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接，进行模拟仿真；
步骤3：以增强现实的方式可视化展示模拟仿真模块的仿真结果和电网拓扑结构图。
一个基于虚拟现实的数字化交互仿真方法的具体示例如图10所示，先在步骤1之前，需要构建的虚拟实验室，即对进行配电网仿真的虚拟实验室中的各部件进行建模，包括：对部件的几何形状、外观纹理、动态特性和物理特性分别进行建模，再采用增强现实技术，进行配电网仿真平台虚拟现实可视化仿真。
虚拟实验室中的部件包括：
模拟风机控制屏、模拟风机、无穷大变压器、RL负载、RLC负载、故障模拟器、模拟储能系统、模拟光伏系统、高压直流柜、静止无功发生器、动态无功补偿装置、电网模拟从机、供电电源模拟装置、配变模拟变压器/隔离变压器、变压器接地单元、先进配电网小步长实时仿真机、多能系统混合仿真机、录波仪、模拟电网组合屏、四象限功率放大器、交流配电屏、模拟环网柜测控屏、模拟联络开关屏、模拟配网故障屏、服务器机柜、模拟无穷大测控屏、模拟中性点接地方式屏、模拟负荷开关屏和通讯屏。
其中，基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接，进行模拟仿真，包括：
基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接进行模拟节点接地，结合所述模拟电网组合屏模块可视化展示接地点的电流和电压取线数据；
基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接模拟节点短路，结合所述模拟电网组合屏模块可视化展示短路点后失电范围，并进行隔离和转供恢复情况；
基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接模拟分布式电源并离网，结合所述模拟电网组合屏可视化展示接入点的功率投切情况；
基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接模拟电网合环运行，结合所述模拟电网组合屏可视化展示关键节点的电流、电压情况。
其中，根据仿真需求从预先构建的虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的电网物理连接和通信连接，包括：
根据仿真需求从虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的物理拓扑连接；
根据仿真需求从虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的通信拓扑连接。
实施例3：
本发明还提供了一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如前所述的基于虚拟现实的数字化交互仿真方法。
实施例4：
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如前所述的基于虚拟现实的数字化交互仿真方法。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本发明后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。
Claims (14)
1.一种基于虚拟现实的数字化交互仿真系统，其特征在于，包括：CPS拓扑构建模块、模拟仿真模块和模拟电网组合屏模块；
所述CPS拓扑构建模块，用于根据仿真需求从预先构建的虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的电网物理连接和通信连接；
所述模拟仿真模块，用于基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接，进行模拟仿真；
所述模拟电网组合屏模块，用于以增强现实的方式可视化展示所述模拟仿真模块的仿真结果和电网拓扑结构图。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述模拟仿真模块，包括：小电流接地单元、短路实验单元、分布式电网并/离网单元和合环实验室仿真验证单元；
所述小电流接地单元，用于基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接进行模拟节点接地，结合所述模拟电网组合屏模块可视化展示接地点的电流和电压取线数据；
所述短路实验单元，用于基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接模拟节点短路，结合所述模拟电网组合屏模块可视化展示短路点后失电范围，并进行隔离和转供恢复情况；
所述分布式电网并/离网单元，用于基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接模拟分布式电源并离网，结合所述模拟电网组合屏可视化展示接入点的功率投切情况；
所述合环实验室仿真验证单元，用于基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接模拟电网合环运行，结合所述模拟电网组合屏可视化展示关键节点的电流、电压情况。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述CPS拓扑构建模块，包括：CPS物理拓扑单元和CPS通信拓扑单元；
所述CPS物理拓扑单元，用于根据仿真需求从虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的物理拓扑连接；
所述CPS通信拓扑单元，用于根据仿真需求从虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的通信拓扑连接。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述虚拟实验室中的部件包括：模拟风机控制屏、模拟风机、无穷大变压器、RL负载、RLC负载、故障模拟器、模拟储能系统、模拟光伏系统、高压直流柜、静止无功发生器、动态无功补偿装置、电网模拟从机、供电电源模拟装置、配变模拟变压器/隔离变压器、变压器接地单元、先进配电网小步长实时仿真机、多能系统混合仿真机、录波仪、模拟电网组合屏、四象限功率放大器、交流配电屏、模拟环网柜测控屏、模拟联络开关屏、模拟配网故障屏、服务器机柜、模拟无穷大测控屏、模拟中性点接地方式屏、模拟负荷开关屏和通讯屏。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括虚拟实验室模块；
所述虚拟实验室模块，用于对进行配电网仿真的虚拟实验室中的各部件进行建模。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，部件的模型的构建，包括：
对部件的几何形状、外观纹理、动态特性和物理特性分别进行建模。
7.一种基于虚拟现实的数字化交互仿真方法，其特征在于，包括：
根据仿真需求从预先构建的虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的电网物理连接和通信连接；
基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接，进行模拟仿真；
以增强现实的方式可视化展示所述模拟仿真模块的仿真结果和电网拓扑结构图。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接，进行模拟仿真，包括：
基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接进行模拟节点接地，结合所述模拟电网组合屏模块可视化展示接地点的电流和电压取线数据；
基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接模拟节点短路，结合所述模拟电网组合屏模块可视化展示短路点后失电范围，并进行隔离和转供恢复情况；
基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接模拟分布式电源并离网，结合所述模拟电网组合屏可视化展示接入点的功率投切情况；
基于选择的部件以及各部件间电网物理连接和通信连接模拟电网合环运行，结合所述模拟电网组合屏可视化展示关键节点的电流、电压情况。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据仿真需求从预先构建的虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的电网物理连接和通信连接，包括：
根据仿真需求从虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的物理拓扑连接；
根据仿真需求从虚拟实验室中选择部件，并建立各部件间的通信拓扑连接。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述虚拟实验室中的部件包括：模拟风机控制屏、模拟风机、无穷大变压器、RL负载、RLC负载、故障模拟器、模拟储能系统、模拟光伏系统、高压直流柜、静止无功发生器、动态无功补偿装置、电网模拟从机、供电电源模拟装置、配变模拟变压器/隔离变压器、变压器接地单元、先进配电网小步长实时仿真机、多能系统混合仿真机、录波仪、模拟电网组合屏、四象限功率放大器、交流配电屏、模拟环网柜测控屏、模拟联络开关屏、模拟配网故障屏、服务器机柜、模拟无穷大测控屏、模拟中性点接地方式屏、模拟负荷开关屏和通讯屏。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据仿真需求从预先构建的虚拟实验室中选择部件之前，还包括：
对进行配电网仿真的虚拟实验室中的各部件进行建模。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，部件的模型的构建，包括：
对部件的几何形状、外观纹理、动态特性和物理特性分别进行建模。
13.一种计算机设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如权利要求7至12中任一项所述的方法。
14.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如权利要求7至12中任一项所述的方法。
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|---|---|---|---|---|
| CN117313363A (zh) * | 2023-09-26 | 2023-12-29 | 上海能优网电力科技有限公司 | 一种基于物理信息模型的数字孪生系统及其运行方法 |
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| CN117313363B (zh) * | 2023-09-26 | 2024-04-05 | 上海能优网电力科技有限公司 | 一种基于物理信息模型的数字孪生系统及其运行方法 |
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