1、 键入文字硕士学位论文变电检修标准化作业演练系统设计与实现摘要近年来，虚拟现实技术逐渐渗入到变电站仿真培训中，将软件仿真和物理仿真的优点完美地结合在一起，有效地提高了培训时的真实感、沉浸感，培 训效益倍增。本文设计和实现了一种基于Quest3D的变电检修仿真培训平台。首先， 总结了目前变电站仿真培训的发展状况，提出了基于Quest3D 的变电检修仿真培训平台的开发需求。然后，详细介绍了开发平台所需的关键 工具及技术。接着，根据系 统需求分析的结果，遵循分层 的系统设计的原则， 对系 统的总体架构给出了分层的设计方案。 进而，利用3DS MAX建立了虚拟电气设备的三维模型，构建了变电站的虚拟场景
2、。同时，根据Quest3D三维引擎的程序设计特点和开发环境特点对系统的命令处理模块、培训对象管理模块和培训对象构建和加载模块采用了面向对象的Quest3D开 发方式， 对培训对象初始化模块、通信模块、场景路线编辑模块和场景加载模块采用了面向过程的Quest3D开发方式，详细设计 并实现了上述功能模块。最后，给出 协同各个模块工作的主循环的设计和 实现。平台实现了变电站虚拟场景模型的建立、场景加载、初始化文件的编辑、 动漫脚本配置、培训对象的构建和加载等功能。通 过对 完成系统的部署、运行和 测试，结果表明该平台的可用性和有效性达到了系统的功能设计要求。关键词： 变电站，变电检 修，虚 拟现实，
3、仿真培训，Quest3D键入文字AbstractCurrently, virtual reality is increasingly applied in the substation maintaining and training. By integrating the software simulator and physical simulator, the training effect has been improved drasticallyA simulation training platform for substation maintenance and repair b
4、ased on the Quest3D three-dimensional has been designed and implemented in this paper. Firstly, the development of the substation maintaining simulation has been summarized to put forward the requirement of platform based on the Quest3D. Then, key tools and technologies used are introduced in detail
5、. The virtual models of the electrical equipment and the virtual environment of the substation are constructed using the 3DS MAX. And then with the power of the Quest3D three-dimensional engine and 3DS MAX as well as the Lua scripting language, the platform has been developed. The system realizes fu
6、nctions of virtual substation modeling, virtual scene loading, virtual exercise initialization file editing， and exercise object construction and loading. The results show that the availability and effectiveness of the system satisfy the function requirements of the system design.Key Words： Substati
7、on, substation maintaining and repairing, Virtual reality, Simulation training, Quest3D章标题(不加入目录内) * MERGEFORMAT 目录II图目录目录摘要 .iAbstract.ii图目录 .III表目录 .V第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.1.1 研究现状 .21.2 本章小结 .3第 2 章 系统实现的相关工具介绍 .52.1 虚拟现实开发平台 Quest3D.52.1.1 Quest3D 简介 .62.1.2 Quest3D 项目的发布 .122.1.3 Quest3D 中的面向
8、对象技术 .132.2 LUA 脚本语言 .142.2.1 LUA 简介 .142.2.2 LUA 的使用 .152.2.3 Quest3D 中 LUA 的应用 .162.3 3DS MAX 建模工具 .172.3.1 3DS MAX 简介 .172.3.2 Quest3D 与 3DS MAX 的融合 .192.4 本章小结 .19第 3 章 平台总体 架构与功能设计 .203.1 平台设计原则 .203.2 平台总体配置 .203.3 平台主要功能 .223.3.1 设备学习 .223.3.2 变电站漫游 .243.3.3 主要设备拆装 .263.3.4 故障处理 .273.3.5 考核鉴定
9、 .283.4 本章小结 .28第 4 章 平台软件系统的设计与实现 .29章标题(不加入目录内) * MERGEFORMAT 目录IIII图目录4.1 虚拟变电站三维模型构造 .294.1.1 电气设备三维模型模块化构造 .294.1.2 电气设备三维模型材质和贴图处理 .324.1.3 虚拟电气设备的贴图烘焙处理 .334.1.4 放电现象与爆炸现象的模型建立 .344.1.5 虚拟电气设备三维模型优化 .354.2 程序设计与实现 .354.2.1 场景加载模块 .384.2.2 培训对象管理模块 .384.2.3 培训对象构建和加载模块 .434.2.4 场景路线编辑模块 .454.2
10、.5 初始化文件编辑 .464.2.6 初始化文件读取模块 .474.2.7 命令处理模块 .484.2.8 配置动漫脚本 .484.2.9 程序主循环 .484.3 本章小结 .49第 5 章 应用实例 .505.1 系统应用演示 .505.2 系统效果评价 .54第 6 章 总结与展望 .556.1 结论 .556.2 展望 .55参考文献 .57作者简历 .60致谢 .61V表目录图目录图 2.1 Quest3D 操作界面 .6图 2.2 Quest3D 中的通道 .7图 2.3 通道间的接口 .7图 2.4 通道间的三种连接（Linking） .8图 2.5 Quest3D 中的三维物
11、体 .8图 2.6 通道“ Material”的组成 .9图 2.7 Quest3D 中的“ Object Section”设置面板 .9图 2.8 Quest3D 中通道的物理联接 .10图 2.9 Quest3D 中的碰撞检测 .10图 2.10 一个最简单的 Quest3D 场景 .11图 2.11 一个最简单的 Quest3D 项目结构 .12图 2.12 两个小球滑落的 Quest3D 程序 .12图 2.13 Quest3D 程序的 Web 网页发布 .13图 2.14 3DS Max 的用户使用界面 .18图 2.15 . X 文件导出属性设置 .19图 3.1 平台总体配置图
12、.21图 3.2 系统主要功能 .22图 3.3 漫游巡视设置 .25图 4.1 断路器三维模型 .30图 4.2 隔离开关三维模型 .30图 4.3 电流互感器三维模型 .30图 4.4 110KV 变压器三维模型 .31图 4.5 经过烘焙贴图处理过的断路器模型 .33图 4.6 模拟放电的粒子系统 .34图 4.7 刀闸的细节层次模型例子 .35图 4.8 平台软件系统的边界 .36图 4.9 系统架构图 .37图 4.10 环境模块加载预留位置 .38图 4.11 培训对象管理模块的类图 .40图 4.12 IPersonSubstation 的具体设计 .41图 4.13 IPers
13、on 接口的设计 .42图 4.14 培训人员类图 .44图 4.15 变电检修内容类图 .44图 4.16 场景模型预留连接接口 .46图 5.1 平台启动界面 .50V表目录图 5.2 准备工作 .51图 5.3 资料与设备管理 .51图 5.4 三级交底工作界面 .52图 5.5 安全措施 .53图 5.6 保护调试 .53图 5.7 提交任务 .54学位论文:Error! No text of specified style in document.表目录表目录表 3.1 某 500kV 变电站主要电气设备列表 .23第 2 章绪论表目录章 1 章 绪论1.1 课题背景变电站是电力系统
14、的重要组成部分，变电站的安全可靠运行对维持电力系统的稳定运行具有十分重要的意义。而高素质的变电站运行操作人员是变电站正常稳定运行的重要保证，高质 量的培训训练是这一保证得以实现的前提。虚拟现实技术在变电站仿真培训系统中的应用，使得新的变电站仿真培训系统克服了传统软件仿真的低真实感和低沉浸度的问题，同时还解决了实物仿真的高成本、低移植性问题。随着我国电力事业发展步伐的不断加快，电网系统得到飞速发展。 电网系统运行电压等级不断提高，网 络规模也不断扩大。目前，我国已 经形成东北电网、华北电网、 华中电网、华东电网、西北 电网和南方电网 6 个跨省的大型区域电网，并基本形成了完整的长距离输电电网网架
15、，电网规模已超过美国，跃居世界首位。而电力行业是一个多专业、多 层次，相互 衔接非常严 密，安全性要求很高的 业务机构。其中检修工作是整个 电力行业中不可或缺的环节，对各种电力设备进行检修维护可为电网的正常安全运转提供有力的基础保障。鉴于此，电网的检修工作也受到越来越多的深入关注 1-5。变电站是电网的重要组成部分，是电网的枢纽，其能否安全可靠运行直接影响到电力系统的安全稳定运行和能否向用户提供优质可靠的电能。变电环节是负责电能的加工、分配的供电 企业主要生产环节，是供电企业中专业门类较多，技术相对密集的部分，是体现 供电生产管理水平的主要窗口之一。而变电检修的目的和任务就是确保变压器、断路器
16、等一次设备及保护装置等二次设备经常处于健康完好的运行状态。检修效果的优劣直接影响设备的出力水平和寿命，影响整个电力系统的安全运行和经济效益。因此客观上对变电检修具有很高的要求。随着变电站设备通过技改工程不断更新，变电检修人员的技术水平、检修工艺面以及设备故障处理能力面临着新的挑战，设备维护水平的提高也迫在眉捷，为了适应新设备、新技术、新工艺的要求，有必要研 发变电设备检 修仿真系统，利用虚拟现实技术对虚拟变电站设备进行拆解，结合设备原理结构图对其结构、工作原理及日常维护等方面进行培训，从而快速有效地提高变电检修人员的技能水平 6。第 2 章绪论表目录1.1.1 研究现状1971 年美国、英国和
17、日本分别安装了第一套大容量的火电培训仿真机，1977年美国 CDC 公司开发出第一套 DTS 装置（调度员培训模拟系统），70 年代日本关西电力公司建立了变电站仿真系统。我国变电站仿真培训系统的研究发展较国外晚，国外的开发经验可以为我们所借鉴，因此具有相对的开 发优势。四十多年来，我国的 电力仿真技术得到迅速发展，各种仿真系统相继产 生。 1982 年研制成功了第一套火电仿真机组，期 间电网调度仿真机和变电站仿真机也在开发，并从 80 年代末期开始陆续建立了电网和变电站的仿真培训系统， 1990 年清华大学电机系研制出了第一台 DTS东北电网仿真系统，1993 年完成了国内第一台水电厂仿真器。
18、目前，我国各个大型 电力系统都拥有仿真培训系统 7。最新的研究成果集中在：（1）广东省电力工业学校的凌志勇、柏吉宽（2003）对电力系统虚拟环境的应用做了一定的研究，他们认为 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
19、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做出响应（根据电力系统仿真算法），以完成电力系
20、统的仿真 8。（2）哈尔滨电力职业技术学院的王松廷、崔海文、杨光宇等（2008）对变电仿真第 2 章绪论表目录系统中的 3D 技术的应用做了相关的研究，他 们认为目前，所谓的“变电仿真” 就是尽量模仿变电站的实际设备，完成与变电运行相关的主要工作，模仿得再逼真，也不可能与实际现场完全保持一致，所以也不可能、也没有必要再单独建设一个与变电站完全一致的配电装置。因为这样将花费极大的人力、物力和财力，同 时这个变电站也并不一定具有代表性，换了另外一个变电站，设备及接线方式又不一样了。因此，变电站仿真系统主要有两种形式：第一种是建立在物理平台硬仿真系统与计算机软仿真系统的基础上，控制屏、保护屏等各种平台具有与真实变电站完全相同的外观和布置方式。其优点是平台操作与现场保持一致，仿真效果好，但缺点是占地面积过大，投资较多。第二种 则是完全应用计算机软仿真系统， 设法营造出一个虚拟的变电所配电装置，所有的操作完全在计算机模拟平台上进行。随着计算机仿真技术的发展，逐渐开始使用 3D 技术来建造变电站的虚拟场景 9。（3）张大宝（2009）认为变电设备检修仿真系统可模拟故障的现象、诊断和事故处理，是一种培训专家系 统。通 过模拟各种类型的故障，训练提高检修人员根据报警信息快速判断故障和处理故障的能力。根据他对培训系统的研究认为，培训系统的功能应该是构建变电设备虚拟场景需要运用到数字化建模（
