VR技术在10 kV变电教学仿真系统的应用

王大虎， 白 帆

(河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 454000)

0 引 言

随着时代的发展和科技的进步，人们越来越能体会到先进技术带来的便利。虚拟现实(virtual reality,VR)技术，主要是利用计算机对真实的场景进行虚拟仿真模拟，使得用户能够获得身临其境的感觉。

变电是电网中重要的组成部分之一，提高变电系统工作人员的技术水平，对于保证整个电网的稳定运行，提高整个系统的经济性都有很重要的意义[1]。20世纪90年代之后，我国开始出现了变电的仿真教学系统[2]。但是通过实际的应用，发现这些变电教学系统有很多不足之处：呈现的画面为二维画面，使呈现效果不生动形象；仿真要利用专门的设备去实现，导致其系统变得复杂而昂贵。

2010年，李晓莉[3]提出的一种新型仿真教学系统平台，采用基于组件的软件，对一、二次设备进行了全面的三维仿真；2012年，赵梓蓉[4]提出220 kV变电站仿真教学考核系统的设计和实施方案，在传统的变电站仿真教学系统上增加了考核模块；2017年，许春香[5]提出了采用Quert3D中丰富的预设通道技术，设计了基于Web3D环境下的变电所仿真教学系统。

本文是以某10 kV变电所为原型，将VR技术运用于10 kV变电所中，通过3ds MAX进仿模型建立，利用Unity3D完成仿真教学系统软件的开发，仿真变电所的实际环境和运行过程，使变电站的工作人员能进一步熟悉变电的操作，更好更快的提高自己的技术水平。相较与其他技术，3ds MAX建模软件更简单容易上手，对设备要求低，成本低廉，同时建立的模型效果逼真，并且能与多种开发软件结合使用；Unity3D进行软件编写时，界面功能强大，支持所有的主要文件格式，并且能与大部分相关应用程序协调工作，在低端硬件也能流畅的运行，同时，也容易操作，节约大量时间和成本。

1 10 kV变电教学仿真系统的设计

1.1 系统的模块设计

10 kV变电教学系统要能模拟出来整个10 kV变电所的运行过程，包括正常、异常和事故时各个设备的工作情况，同时，也要使工作人员在进行仿真学习的时候有身临其境的感觉，所以系统需要设计以下几个模块[6]：

(1) 10 kV变电所的场景仿真模块。模拟出来10 kV变电所的整个场景，使操作人员在进行学习的时候有进行实际变电站的感觉。

(2) 对设备的实际操作模块。使操作人员通过仿真教学系统的学习后，可以掌握设备的基本信息并且可以熟练地使用这些设备。

(3) 事故仿真模块。根据实际情况仿真出事故现场，使操作人员在仿真学习后能更好的处理各种突发事故。

(4) 电力系统的监控模块。通过对变电站电力系统的监控的仿真，让操作人员可以更好地了解整个变电站的运行过程。

1.2 系统的设计流程

要实现整个系统的功能[7]，具体的流程如图1所示，首先要对10 kV变电所进行资料收集，并且去现场进行拍照，采集信息，接着根据采集的信息和照片通过3ds MAX进行建模，然后对模型进行进一步的转化和优化，最后将模型导入Unity3D中，实现整个系统的交互。

图1 系统的设计流程

2 10 kV变电教学仿真系统的三维场景建模

3ds MAX是基于PC系统的三维动画渲染和制作软件，这款软件广泛应用于三维动画、建筑设计、工业设计、游戏、影视以及辅助教学等领域。采用3ds MAX这款软件，对10 kV变电所进行建模。

2.1 10 kV变电所所需的模型

根据对现场的实地考察、现场拍照情况和资料的收集[8]，将变电所的模型分为室外模型和室内模型两个大类。对拍摄的照片进行分类，同时对资料进行整理，将室外模型和室内模型各自细化为几个小类。

其中，室内模型经过整理分为以下几个小类：

(1) 高压柜类。高压柜类分为进线柜、计量柜、PT柜、隔离柜、联络柜和出线柜这6种类型。6种类型的柜子相互合作，保证高压侧输电线路的稳定输入和输出，维护整个电网的正常运行。

(2) 低压柜类。低压柜类分为进线计量柜、受电柜、补偿柜、母联柜和出线柜这5种类型。这几种类型的柜子保证了输电线路从高压侧向低压侧流动，再向用户侧流动，确保了整个输电线路的安全稳定运行。

(3) 室内环境。室内环境主要包括电脑、桌子和椅子等，使建立的室内模型能更加的贴近实际，高度还原现实场景。

室外模型根据需求，分为以下几个小类：

(1) 电缆分接箱。内含开关设备，不仅可以起到对供电线路的控制、转化以及改变运行方式的作用，又有分接、分支的作用。

(2) 箱变。即箱式变压器，是一种把高低压开关配电设备，电能计算设备和无功补偿设备等按照一定的方案接线在一起的成套的配电设备。

(3) 公用台变。是由变压器和户外综合配电箱组成，主要是将高电压转换成低电压，并合理的分配电能，保护电路安全。

(4) 户外环境。主要包括大门、房屋、地面等，使建立的模型场景更加形象、真实，使用户有身临其境的感觉。

2.2 利用3ds MAX进行建模

在3ds MAX进行建模的过程中，一般以长方体和圆柱体为原型进行建模，然后会经常使用以下几个命令：

(1) 挤出。挤出命令是3ds MAX中最常使用的命令之一，它是以三维图形的一个面为底，沿垂直方向挤出一个面，然后再对这个面进行操作，最后做出你想要的三维图形。在此次设计中，基本所有的变电站模型都使用了挤出命令。

(2) 缩放。缩放命令使三维模型按一定比例去进行均匀的放大或者缩小以达到理想的设计的大小，使所做的模型和现实的模型形状尺寸保持一致，保证模型的还原性。

(3) 对齐。在进行建模的过程中，难免会需要两个模型紧挨在一起或者一个模型位于另一个模型的中心，这时就需要对齐命令进行操作，可以选择X、Y、Z3个轴方向的任意一个方向对齐，同时能选择两个模型的最大、最小和中心对齐。

2.3 利用3ds MAX进一步转化和优化模型

在利用图片和收集的资料完成模型的初步建立后，还要对模型进行转化和优化。以箱式变压器为例，箱式变压器的整体图拍摄照片如图2所示，先根据照片对它进行模型的初步建立。

建立的变压器模型如图3所示，虽然模型大体上已经和真正的箱式变压器一样，但是模型的颜色单一，和真正的物体还有一定的差距，这就需要进一步的转化和优化。

图2 箱式变压器照片

(1) 贴图特效。如何使模型变得更加逼真，这就需要从实际的照片中裁取贴图，并且通过材质球工具贴在模型的表面，从而使模型得到进一步的优化。

(2) 烘焙特效[9-11]。初始模型面数较多，比较复杂，如果直接导入Unity3D中，会使电脑的运行内存占满，不利于程序的运行，这时就需要烘焙特效，把原模型的贴图效果重新烘焙到一个简化了的模型中，这样既能达到所需要的效果，也得大大节约了系统的内存。

(3) 光照特效。在进行烘焙特效的过程中，光照特效必不可少，光照技术是模型与模型之间光学元素传递的一种展示技术，如果没有光照特效，烘焙特效就无法显现出来，模型也不会达到预期的效果。

经过进一步的转化和优化之后，建立的模型就可达到所需要的效果，如图4所示，是最后完成好的箱式变压器的模型。设计的所有模型都是按照此步骤一一完成的，最后达到的室内和室外的整体效果图如图5所示，基本达到预期的效果。

图4 箱式变压器最终完成图

3 三维场景的交互

3.1 选择Unity3D平台实现人机交互

Unity3D是一个让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合性游戏开发工作，而为了使10 kV变电所的仿真达到很逼真的效果，选择游戏开发引擎是不错的选择[12]，选择Unity3D进行仿真教学系统的开发。如图6所示，是模型导入Unity3D的效果图。

图6 模型在Unity3D的效果图

3.2 编写C#脚本进行优化

要真正实现培训人员与仿真教学系统中的10kV变电所的交互功能，必须要进行脚本的编写，在Unity3D平台中[13]，支持JS、C#以及BOO编程语言的开发，其中C#使用的范围比较广，使用的人也比较多，所以使用C#脚本进行开发优化[14-15]。

在编写脚本的过程中，最常用的是前、后、左、右移动，这里用键盘的A、S、D、W键去控制在场景中的移动，其中的部分脚本程序如下：

using System.Collections;

using System.Collections.Generic;

using UnityEngine;

namespace Control

{

public class Ctrl_KeyAndMouseScenesMoving:MonoBehaviour

{

Quaternion rotation; //旋转四元素

Public float Speed = 25; //前后左右的移动速度

void Update()

{

if (Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel") != 0)

//前后左右

if (Input.GetKey(KeyCode.A))

{

transform.Translate(-Speed * Time.deltaTime, 0, 0, Space.Self);

}

if (Input.GetKey(KeyCode.D))

{

transform.Translate(Speed * Time.deltaTime, 0,0,Space.Self);

}

if (Input.GetKey(KeyCode.W))

{

transform.Translate(0, 0, Speed * Time.deltaTime, Space.Self);

}

if (Input.GetKey(KeyCode.S))

{

transform.Translate(0, 0, -Speed * Time.deltaTime, Space.Self);

}

}

}

根据最初设计10 kV变电教学系统的需求，编写相应的脚本文件，在Unity3D中进一步增加人机交互的功能，使整个教学系统更加完善合理。

4 最终系统测试

当系统完成前，还需要对系统的稳定性进行测试[16]，将Unity3D创建的系统生成.exe格式的文件，然后双击就可以进行测试，如图7所示，系统主页面有5个部分组成，包括系统开始要求的4个主要的模块：电力监控、设备实操、场景漫游和事故仿真。当需要进行哪个模块的学习的时候用鼠标点击相应的按钮即可，进行模块的场景效果图如图8所示。当需要退出系统的时候，用鼠标点击系统主页面的退出按钮即可。

图7 系统主页面

5 结 语

随着时代的发展和科技水平的进步。VR技术在社会生活的各个方面都有了广泛的应用。本文基于此，主要以10 kV变电所为主，建立一个能够对变电所进行场景漫游、对设备进行操作、对事故能仿真处理、对电网进行监控的虚拟教学仿真系统。此教学系统满足了用户平时的技术需求，同时相对于传统的教学系统，具有操作简单、上手容易、安全可靠且价格低廉的优点，可以使工作人员在短时间内对变电所的实际工作有了更好更具体的了解，从而能使工作人员更快更好的提高工作水平。