变电设备检修仿真系统的应用分析

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摘要：近年来，随着变电站设备的不断更新,变电检修人员面临着检修工艺及设备故障处理技术水平和能力的挑战。本文通过变电设备检修仿真系统虚拟现实技术对虚拟设备进行拆解，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，从而提高变电检修人员维修技能水平。

关键词：变电检修；变电设备；仿真；培训

中图分类号：TM文献标识码:B

1．变电设备检修仿真系统的主要功能及模块

1.1．主要功能

构建变电设备虚拟场景需要运用到数字化建模（即建立设备的正常、异常、故障和缺陷等三维实体模型）技术，模型建立质量和数量直接关系到整个系统的优劣，本系统中对变电站的所有一次设备如变压器、断路器、隔离开关、互感器、电抗器、电容器等建立了模型，由此形成了设备建模库，设备库还可对各设备正常和非正常（缺陷）状态的具体细节进行描述。仿真系统要求能在计算机上动态模拟变电设备安装和检修过程，并实现人机交互装配，直观和准确地表达其内部结构、各零部件空间关系，零部件浏览和分析、变电设备缺陷仿真、检修人员技能综合测试以及自动评分等等。系统的主要功能如图1所示。

图1变电设备仿真检修系统的主要功能

变电设备检修仿真系统采用多媒体、三维图像仿真，集图片、图像、图形、视频、文字等为一体，整个变压器动态装配过程均以3D形式投影在大屏幕上，逼真地再现变电站现场设备的动作过程和设备运行状态。

本检修仿真系统基于DirectX9.0c来构建3D图形引擎，开发虚拟现实仿真系统，通过MFC处理系统用户界面，视景平台、动态装配仿真、零部件数字化建模、零部件缺陷仿真、检修技能测试等核心内容都是用C++来实现。

1.2.功能模块

变电检修仿真中心通过VR平台，按照仿真数据仓库中检修仿真算法，分设备类型、生产厂家、型号建立变电设备样本模型库；模拟各类设备的常见故障和解决方案；分常规检修和故障检修两种方式模拟变电设备的检修过程。仿真中心通过算法接口和输入输出接口接收用户控制命令和返回结果数据。

检修训练中心提供人机交互环境，用户使用各类终端设备（鼠标键盘等），通过输入输出接口在虚拟现实的界面发出各类检修操作命令，并通过算法接口与检修仿真中心进行数据交互，完成各类训练动作的执行。为检修人员的培训提供演示和交互操作两种培训方式。

管理监控中心完成各类设备部件划分、部件逻辑关系及其拆装顺序定义和维护；故障知识库中故障现象、故障原因、检修推荐方案的定义和维护；依照《作业指导书》以及《现场作业工序工艺标准卡》等技术标准对检修流程进行设定或变更重组；并完成培训档案建立、培训题库建立、培训过程监视控制、培训过程回放、培训考核评估以及培训各类绩效指标的统计分析。它通过各类算法接口在VR平台上完成对变电检修仿真中心各类仿真模型的管理以及与变电检修控制中心培训管理人员的命令、指令、数据交互。

2.故障分析功能

2.1.故障信息

系统通过在线监测系统以及状态检修系统的联机分析，对故障的信息提供从故障的设备及其故障部件、部位的外部现象、到故障的变化过程、再到故障相关各类数据的全方位支持，为故障的分析和诊断提供从表面到数据的支持。

如变压器过热性故障，系统除了从设备模型给出温度计的读数外，还可以提供一个连续时间段温度的变化情况，并且通过在线监测系统提供各时刻对应油中C2H6、C2H4、H2、C2H2，CO、CO2等气体含量数据。

2.1.故障诊断及检修方法

系统根据故障信息，结合状态检修系统、生产管理系统、在线监测系统的综合分析情况，给出故障的可能原因以及对应的检修对策指导。如变压器过热性故障，当存在C2H6、C2H4增长较快，可能有H2和C2H2，CO和CO2增长不明显的现象，导致该故障的原因可能就是变压器铁心短路，在系统图形界面上就会输出铁心短路的外部状况。用户可以点击相应的检修策略指导，系统会采用动画及互动的方式提供处理铁心短路情况的典型检修方法。

3．变电设备仿真检修系统的特征模型

在变电设备仿真检修系统总体设计初步完成后，即可进行特征模型设计。根据已经确定的方案和主要数据，按技术任务要求进行。变电设备的内部结构复杂，零部件多为不规则几何体，要实现虚拟的装配过程必须先对基本的零件建立三维数字模型。装配之前要进行总体规划，确定各级子装配和各零件的合理安装顺序。还要结合变电站的实际安装程序来安排虚拟场景中各零件或子装配的装配顺序。

以变压器为例说明，本仿真系统将变压器整体结构划分为六部分：总装、油箱、绝缘、引线、铁心、线圈，各部分通过相应的构件连接起来，其主体结构划分如图2所示。

图2变压器结构特征模型

变压器型号用于描述实体的几何形状，是造型中最主要的信息之一。主要参数包含变压器的额定电压，额定容量，连接组别，窗体的长、宽、高等信息。部件间的装配特征用于表达变压器结构的装配关系以及在装配过程中所需信息。构件间关系具有油箱、绝缘、引线、铁心、线圈等结构间的安装定位关系等。

4．基于虚拟现实的动态仿真流程

为了便于清楚地观察装配体结构及装配顺序，需要增加与虚拟世界的交互功能。而动画给了人们一个巨大的空间。用户在进入装配场景后，在任意位置点击鼠标，动态装配过程即呈现在窗口中。基于虚拟现实技术实现动画的流程如图3。

5．系统实现技术方案

5.1．系统拓扑结构

本系统采用B/S的体系结构，系统的核心包含一个业务主机（包括应用服务器和WEB服务器的功能）和一个数据库服务器，包含若干客户机、网络设备等等。

客户机中包括教员机和学员机，教员机通过与业务主机的交互完成对学员机下达各类控制命令，学员机接收并完成这些任务，同时操作过程同样通过与业务主机的交互进行数据和逻辑的通信。

5.2．平台软件

操作系统：根据实际选用的虚拟现实技术平台选用对应的操作系统。

数据库系统：本项目数据库系统有IBM DB2、Oarcle和MS SQL Server2005三种选择，建议本系统采用Oarcle 9i数据库。用于提供高效、海量的数据存储，建立数据仓库为虚拟现实技术的实现和数据分析提供基础。

中间件软件：采用JBoss中间件，用于提供web服务。

商业智能平台：报表工具采用eclipse birt；OLAP工

具采用mondrian，提供数据统计、分析和报表图标展现功能。

ETL工具：采用oracle ODI。用于完成与其他电力信息系统的数据同步。

5.3．虚拟现实技术

虚拟现实技术（Virtual Reality），又称灵境技术，是90年代为科学界和工程界所关注的技术。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域；为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。这种技术的特点在于，计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的"虚拟环境"，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。这种技术的应用，改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式，尤其在需要对大量抽象数据进行处理时；同时，它在许多不同领域的应用，可以带来巨大的经济效益。

虚拟现实系统主要由以下模块构成

①检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。②反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。③传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。④控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。⑤建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。

虚拟现实系统开发平台的核心是引擎，它具有四个方面的接口，分别是算法接口、模型贴图输入接口、硬件辅助设备接口和硬件主设备接口。虚拟现实系统开发平台通过这些底层接口向所有上层软件提供强大的功能支持。

6．数据存储及整合技术

6.1．数据存储

建立物理数据仓库的存储；提供集中的数据仓库管理界面来控制、监测和管理数据仓库的操作；为主题分析和决策支持应用提供快速、准确的数据服务。

6.2．数据整合

ETL：包括数据采集、清洗、转换、汇总、加载，数据加载到数据仓库中；建立数据仓库元数据中心存储；Webservice：通过XML交换数据，使系统之间即可靠的交换数据，又降低了系统之间的耦合程度。

6.3．数据仓库管理

包括元数据管理、ETL管理、数据复制与备份管理、数据安全管理等等

7．数据分析技术

7.1．数学建模、数据挖掘

采用三比值法、TD图法、电研法、神经网络算法等有效的诊断算法进行故障诊断；利用时间序列神经网络模型的非线性映射能力和学习能力来预测设备的检修状态；

7.2．商务智能平台

提供包括面向主题的数据集市、即席查询、多维分析、企业日常报表、Dashboard等各种商务智能分析工具；提供一个面向主题的可扩展的应用分析环境；高效、灵活的查询、报告、联机分析处理以及预测功能。

7.3．业务优化平台

通过商业智能平台的多维分析应用、预测分析和OLAP应用来支持检修流程优化等生产管理应用。

8．结束语

变电设备检修仿真系统的应用，不但可提高变电检修人员的技能水平、工作效率，同时缩短检修时间和快速恢复设备送电提供了有力保障。

参考文献

[1]曾福望,黄建红;东莞变电仿真系统[J].广西电力技术,2001年02期.

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