500 kV变电站软导线布局三维仿真

林妙涵， 王庭桉， 肖仙富， 黄宴委

(1. 福州大学电气工程与自动化学院， 福建 福州 350116； 2. 福建省送变电工程公司， 福建 福州 350013)

500 kV变电站软导线布局三维仿真

林妙涵1， 王庭桉1， 肖仙富2， 黄宴委1

(1. 福州大学电气工程与自动化学院， 福建 福州 350116； 2. 福建省送变电工程公司， 福建 福州 350013)

采用层次化设计方式研制一套500 kV变电站软导线布局三维仿真系统. 首先建立场景模型和设备模型作为物理模型， 其次建立数据模型、 软导线数学模型和连接模型构成规则模型， 最后通过系统整合生成500 kV变电站软导线布局三维仿真图. 系统仅由7个结构参数设置模块就能快速准确地生成500 kV变电站软导线三维仿真效果图， 达到可编程设计目的. 由园顶、 燕墩等500 kV变电站数据验证该仿真系统软件是可行、 正确的.

500 kV变电站； 软导线； 三维仿真； 层次化设计； 可编程设计

0 引言

电力行业中， 随着电网电压等级的不断提高和规模的扩大使得电力系统越来越复杂化， 对电力系统的设计、 生产运行、 检修等环节提出了更高的要求， 电力人员在实际动手操作之前必须掌握电力系统知识与技术. 由于电力系统自身的特殊性， 即不能将运行的电力系统当作试验品进行实物操作试验， 使得利用计算机虚拟仿真技术模拟设计电力系统十分重要[1-2]. 变电站是电力系统的重要组成部分， 具有电压等级不同、 结构复杂、 设备众多、 集成度高等特点， 建立变电站三维仿真系统具有很大的应用价值和现实意义[3]. 目前， 加拿大等国家已经开发了基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统； 国内也有不少关于500 kV变电站仿真系统[4-7]. 这些三维仿真系统的主要特点是通过建立通用虚拟的变电站用于培训电力人员掌握变电站设备的知识与技术， 但还无法作为设计工具来模拟仿真各个具体实际的500 kV变电站， 对改扩建变电工程在实际施工前进行虚拟仿真展示， 难以满足方案设计、 施工、 线路检修等需求， 不能起到将“设计风险犯在计算上”， 降低变电站设计错误风险的作用.

500 kV变电站设备多， 结构复杂， 具有其特别之处： ① 主体占地面积一般在5 000 m2以上， 且层数众多， 各层软导线连接方式不同； ② 设备多； ③ 软导线连接方式多样化. 500 kV变电站的设计施工图是由基于AutoCAD的十几张二维平面图纸组成， 导线布局得不到直观立体的三维效果， 二维平面图的空间表现能力和分析能力具有局限性. 作为2013年国家电网项目《500 kV变电工程软导线装配三维仿真测控系统研制》子课题， 以福建省园顶、 燕墩500 kV变电站工程为蓝本， 提炼500 kV变电站软导线布局设计规则， 建立3Dmax设备模型， 应用OpenGL图像图形显示技术和VC++编制人机交互界面， 旨在研制500 kV变电站软导线布局三维仿真软件， 以达到无需专业的计算机仿真人员， 仅由几个参数设置步骤就可迅速生成不同500 kV变电站软导线布局场景， 达到参数可编程设计的目的. 该软件用于变电站的设计和建站前的仿真、 校验和整改， 能很好地将变电站全景展示出来， 由园顶和燕墩500 kV变电站数据验证该软件的可行性和通用性.

1 系统开发

图1 软件系统功能构架Fig.1 Software functional structure

500 kV变电站导线布局三维仿真系统的目的是虚拟现实呈现变电站设计效果， 主要功能包括参数设置、 信息显示、 运行效率、 人机交互界面等等. 如图1所示， 软件系统开发分为3个层次： 物理模型、 规则模型和系统功能. 物理模型主要包括设备模型(变电站设备)和场景模型(地面、 天空、 周围环境等)的建模. 其中设备模型主要为人形架、 横梁、 管母线、 绝缘子、 塔架、 GIS、 软导线等等； 规则模型包括软导线空间形态数学模型、 软导线连接模型、 管母线连接模型、 数据模型. 物理模型和规则模型共同组成模型库. 系统功能包括人机界面、 参数设置、 运行效率、 信息显示、 状态显示、 错误提示、 场景漫游、 鼠标功能、 键盘功能、 数据管理等等.

1.1 物理模型

软件系统采用构建一个立方体的思路实现对周围景物建模， 在整个立方体空间中为变电站的模型， 把天空的图像贴在立方体的顶面， 地面的图像贴在底面， 剩下的四面贴上周围环境的图像， 观察点设在立方体中， 可达到如临其境的效果.

1.1.1 场景模型

场景模型是为了配合变电站而构建的虚拟环境部分， 包括围墙、 天空、 周围景物、 GIS(gas insulated substation)、 固定水泥地基、 地面及其过道等. 这些模型有益于增强变电站的真实感、 层次感， 达到美观和逼真效果. 地面、 走道及围墙模型是根据500 kV变电站屋外配电装置CAD平面布置图， 由线路串数、 各线路的长及前后两排的宽， 得出矩形地面的面积， 在矩形边沿处建立一定高度的围墙， 在四面围墙向里一段距离构建走道， 由GIS的纵向间距建立起固定作用的水泥地基. 变电站的周围环境相当复杂， 对于周围景物的建模单纯地用OpenGL提供的诸如点、 线、 面、 体等函数建立周围环境中的草地、 树木、 天空等模型， 既增加了建模的工程量， 也达不到逼真的效果， 还会影响系统运行的效率. 纹理贴图把图像映射到三维物体上， 达到模拟现实世界和提高三维场景渲染速度的效果[8-9].

1.1.2 设备模型

图2 GIS模型Fig.2 The model of GIS

变电站屋外配电装置中有众多设备， 如塔架、 人形架、 横梁、 绝缘子、 GIS等， 根据现场拍照结合设备安装图纸等比例， 依次建立各设备模型存于系统中. 具体介绍其中GIS模型的建立和具体实现. 变电站GIS是由短路器、 隔离开关、 套管等高压电器而组成的高压配电装置， 是一种金属封闭开关设备. 其模型见图2. 模型创建具体过程为： ① 利用3Dmax软件绘制模型； ② 将绘制好的的模型导入三维仿真软件中； ③ 根据模型设置光照、 颜色； ④ 将模型按照一定的尺寸放大缩小并安置在程序计算给定的空间坐标点上. 以下为步骤执行代码：

void CSCDlg::Drawgis(floatx, floaty, floatz, floatz1)

{

glPushMatrix();

glColor3ub(48, 3, 3);

glTranslatef(x,y,z);

glRotated(90, 1.0, 0.0, 0.0);

Drawgiss(x,y,z) ;

glPopMatrix();

}

1.2 规则模型1.2.1 数据模型

数据模型主要是对构建变电站屋外配电装置所需要的参数数据进行设置， 需要的参数有地面的长和 宽，各串线路的前、 后排的长及宽， 各层横梁高度， 管母线高度. 四层线路三相导线之间的间距设定后， 对GIS的相间距、 排间距及GIS接线柱的高度进行设定， 最后设置各串前、 后单元的线路名称及第一串和最后一串的左、 右线路名称. 由这些数据及导线属性参数， 如比载、 弹性系数等， 还有绝缘子串比载、 水平投影长度、 垂直投影长度等， 可生成变电站屋外配电部分三维模拟图， 与实际尺寸成比例地展现虚拟设计效果.

1.2.2 数学模型

软导线在不同连接方式下由重力作用时所呈现特有的曲线形态， 其应力、 弧垂等因素影响着电力运行的安全与可靠性， 应尽量模拟其真实情况. 在OpenGL中， 导线悬垂曲线二维数学模型转化为三维数学模型之后， 才能体现出其空间效果.

当h/l≤0.15时， 采用平抛物线方程； 当h/l>0.15时， 应考虑用斜抛物线方程. 其中，γ表示输电线比载;σo表示输电线最低点的应力. 绝缘子串和导线使用相同的数学模型， 不同的是绝缘子串的比载比导线的比载大， 这一参数的不同使二者显示不同的弧形[10].

1.2.3 连接模型

500 kV变电站主体一般由前后两排构成， 每排七串， 每串层数2、 3、 4层不等. 第一层设定为管母线， 2、 3、 4层均为软导线层. 地面层为GIS， 每串在地面上设置4排3列GIS. 因此， 连接模型就是提取变电站中各层软导线连接方式规则， 包括跳线、 引下线、 等高线、 不等高线的连接方式， 也使得连接模型为变电站屋外配电装置三维建模中最重要也是最复杂的环节， 必须保证设计的正确性、 连接的多样性、 可设置性及设置后相互之间的协调性， 以达到适用于不同变电站的效果， 便于推广应用. 在同一变电站中， 主变之间的同一层导线连接规则是相同的， 而同一主变中不同层导线连接规则是不同的， 因此只要掌握同一主变每层的线路连接规则， 就能进一步推导出整个变电站的线路连接规则.

1.3 系统整合

500 kV变电站导线布局情况复杂， 设施种类多. 采取归类处理的方法， 把不同的连接方式、 不同物体的模型、 颜色的配置、 背景图片等都建立模型库， 方便调用和整体搭建， 将软件系统整合能够简洁代码量， 提高执行效率. 利于系统的优化及进一步的开发， 需要解决如下几个关键技术.

1.3.1 运行效率

在归类处理， 使用模型库的情况下， 对于一个复杂的系统， 这些措施还无法使系统在画面更新时达到流畅显示的效果. 针对这一问题， 系统使用了OpenGL提供的双缓冲技术和显示列表技术.

1.3.2 人机交互界面

500 kV变电站导线布局三维仿真系统的人机交互界面如图3所示， 具有良好的操作性、 可控性. 使用的控件如下： 编辑框、 组框、 按钮、 复选框及静态文本. 该软件不需要专业的计算机仿真人员， 只需设置一些简单的结构参数， 就能够准确、 快速、 方便地实现变电站屋外配电装置三维仿真. 在图3中所需设置的参数有地面参数、 各线路单元参数、 相序及连接方式、 线路单元、 层数、 GIS等. 系统生成模型只需要7个步骤的参数设置， 如图4所示， 即可得500 kV变电站导线布局的三维模型效果.

图3 人机交互界面Fig.3 Man-machine interface

图4 参数设置流程图Fig.4 Flow chart of parameters

由于500 kV变电站导线的布局相当复杂， 要设置众多条件， 如相序排列、 第二层线路引下线方式. 三维场景构建好之后， 为了便于用户观察软导线线路分布， 选择显示几处线路， 是否显示信息标注、 围墙和周围背景都用到了复选框进行选择， 导致界面应用了大量的复选框. 按钮的用处主要是执行用户的命令， 当所有的设置完成之后， 点击隐藏设置按钮， 相关控件就会隐藏， “隐藏设置”按钮随即变成“显示设置”按钮， 只剩下观察时需要用到的控件， 当要更改设置时， 点击“显示设置按钮”， 相关控件会重新出现. 每次设置完成之后点击“更新”按钮， 会出现500 kV变电站导线布局的三维模型， 界面上的前、 后、 左、 右、 俯视图按钮实现对其多方位的观察.

2 仿真效果及系统验证

以园顶500 kV变电站为基础， 完成三维仿真系统设计. 园顶变电站结构参数设置如图3所示， 图5为根据该参数设置得到的园顶变电站导线布局三维模拟效果图. 该仿真系统操作简单， 三维模型构建快， 设置好参数后瞬时得到效果， 画面逼真， 且具有友好的人机交互.

为了验证系统的通用性， 用500 kV燕墩变电站做进一步的验证， 重新设置500 kV燕墩变电站结构参数， 得到三维仿真模拟效果如图6所示. 从图5与图6对比可知两个变电站之间各组主变的层数不同， 主变间隔断面横截面的相间距不同， 软导线各层相间距不同. 因此该系统参数可根据不同的变电站施工图纸设置， 生成不同的500 kV变电站三维仿真效果图， 可适用于不同500 kV变电站的设计.

图5 园顶500 kV变电站三维仿真Fig.5 Simulations of 500 kV substation in Yuanding

图6 燕墩500 kV变电站三维仿真Fig.6 Simulations of 500 kV substation in Yandun

3 结语

500 kV变电站导线布局三维仿真系统以结构化设计理念， 将系统分为三个层次, 即物理模型、 规则模型和系统功能. 物理模型包括设备模型和场景模型； 规则模型包括数据模型、 数学模型和连接模型； 系统功能需要解决运行效率、 软件界面、 逼真效果、 场景漫游等几个关键技术. 该仿真系统软件操作方便， 无需专业计算机人员, 仅需设置几个结构参数就能完美生成500 kV变电站软导线布局三维仿真图， 虚拟效果画面逼真. 通过园顶、 燕墩等500 kV变电站数据验证该仿真系统软件是可行、 正确的， 达到适用于不同500 kV变电站的可编程设计功能.

[1] 朱宁， 吴崇昊， 李志坚， 等. 一种继电保护应用软件仿真验证系统的设计[J]. 电力自动化设备, 2012， 32(6)： 140-143.

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[3] 周有庆， 周成林， 彭红海， 等. 变电站综合自动化数字物理仿真培训系统[J]. 电力系统及其自动化学报, 2010, 22(3): 113-117.

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[10] 郭思顺. 架空送电线路设计基础[M]. 北京： 中国电力出版社， 2009.

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(责任编辑： 洪江星)

Three-dimension simulations of flexible wire in 500 kV substation

LIN Miaohan1, WANG Ting’an1, XIAO Xianfu2, HUANG Yanwei1

(1. College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China；2. Fujian Province Transmission Engineering Company， Fuzhou, Fujian 350013, China)

A three-dimension simulation system of flexible wire in 500 kV substation is developed by using the hierarchical design idea. Firstly, setup the physical modes including scene model and equipment model. Secondly, setup the rule modes including data modes, flexible wire math modes and connection modes. Finally, design the simulation system functions to display the layout of flexible wire by the three-dimension in 500 kV substations. This system has the advantage of the programmable design by only need 7 structure parameters to set. In a word, this simulation system is verified to be accurate and executable by the datum of 500 kV substations in Yuanding and Yandun.

500 kV substations； flexible wire； three-dimension simulation； hierarchical design； programmable design

10.7631/issn.1000-2243.2015.04.0495

1000-2243(2015)04-0495-05

2014-06-23

黄宴委(1976-)， 博士， 副教授， 主要从事电机控制、 变电站软导线三维仿真研究， sjtu_huanghao@sina.com

福建省自然科学基金资助项目(2015J01245)

TP311

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