基于虚拟现实技术的变电站交直流电源仿真设计

马宝忠，杨 蓬，孙 聪，赵连政，高文彬，孙晶晶

(1.国网冀北电力有限公司管理培训中心, 北京 102401；2.智洋创新科技股份有限公司，淄博 255000)

变电站作为电压变换场所，能够将发电厂传输的电分别进行升压和降压处理，同时将处理之后的电压传输至更远地区或者基于用户用电需求分配电压，进而满足生活和工业等方面的用电需要，并促进经济高速、稳定发展。中国对变电站相关规划经历了将基层变电站规划建设为重点，同时更为智能化向规划制定智能变电站预期目标，提高电网智能化进程方向发展[1]。然而，至今为止，中国变电站的事故还是很多，在一定程度上威胁着站内员工的生命安全，且经济损失也不容小觑。由此，变电站事故相关问题是国家电力行业良性发展中亟待解决的问题。

当前，加拿大等国家已陆续将虚拟现实技术引入至变电站规划设计中，相比而言国内的变电站虚拟仿真系统主要还是设备照片等形式，逼真感、临场感等效果还有待优化。文献[2]针对目前工作中的应急抢修和变电站内直流电源系统更换都缺乏与之配套的专用应急转接箱,以往所使用的配电柜体积大、重量重、保护功能缺乏、安全性差,远远不能满足工作中的需要,所以急需一个体积小、重量轻、保护功能全面、强度可靠、适于野外和站内都能快速使用的装置解决面临的问题，在前人研究的基础上开发一种应急转接箱,服务于变电站内直流电源系统更换，但该方法成本较高。文献[3]提出了一种基于双向DC/DC变换器的智能型母联装置,使两段直流母线互为备用,提高了变电站直流系统的可靠性,保证电网安全运行，但该方法可操作性差。传统虚拟现实技术不仅可以使变电站环境变得真实，且人机交互会变得和谐友好，相关人员不但能够在三维虚拟中巡视，还能够随时随地操作虚拟设备，不存在任何危险，高效仿真模拟变电站中各项操作，不但节约了变电站硬件投资，对于站内维护而言也十分有益。使用纯软件方式开展模拟，如果变电站内设备需要更新换代，仅需换其中的软件即可升级，可以有效解决仿真模拟难以跟随电网发展的问题。

在虚拟现实智能变电站不断推广和发展下，对站内的交直流电源提出的要求也随之提高，原本的独立且分散的站用交直流电源在一定程度上已无法很好地满足现实需求，急需向智能化和一体化及节能化发展。针对此种情形，提出基于虚拟现实技术的变电站交直流电源仿真设计方法。

1 虚拟变电站仿真

虚拟变电站视景模拟实现是变电站交直流电源仿真设计的重要基础。其以C#为开发平台，根据Multigen Creator所创立的变电站实体和场景模型，利用Unity 3D仿真平台实现虚拟变电站各种功能。

1.1 变电站模型

利用Multigen Creator构建变电站模型。Multigen Creator软件根基为OpenFlight格式的数据库。该格式为一种树状层次架构，因此模型构建过程中需要遵守各种节点类型间严格层级关系，尤其要注意当下节点合适与否。大型模型的设计构建基本保障为合适的节点，这会利于之后的修改和使用。考虑到层次细分法，在变电站模型场景过程中将其节点组织划分成八叉树架构。图1所示为变电站模型树状结构，在Multigen Creator内实现变电站模型统一管控。

图1 变电站模型树状结构

1.2 视点变换

虚拟现实技术下的变电站模型中，视点变换模块的作用为管控用户观察视点移动、自定义漫游线路等。在不考量电表计量误差前提下，基于视点计算基本原理，系统视点变换表达式为

Ei=Ept

(1)

视点变换误差表达式为

(2)

式中：Ei为视点实际测量结果；Ep为视点标准值；t为系统视点变换用时。

基于上述分析的视点变换误差主要构成部分，合并单元导致的误差主要来自电压和电流幅值误差以及相角差误差。

将式(1)代入式(2)，并综合考量到电压和电流测量结果的视点变换控制值，能够得到

(3)

式(3)中：ru为电压幅值实测值和标准值之间存在的差值；ri为电流幅值实测值和标准值之间存在的差值；φ′、φ分别为电压、电流间相角差实测值与标准值之间存在的差值；U为电压；I为电流。

除了上述视点变换误差构成部分之外，还有视点变换装置影响因素会对计量误差存在一定程度上的影响。

漫游路线对于视点变换装置影响非常大，经相关测试可知，该影响和漫游路线大小方向及视点表存在相关性。漫游路线导致的视点变换操作运行表达式为

e=VnIncosφ-VnInsinφ

(4)

式(4)中：Vn为漫游路线电压；In为漫游路线电流。

图2所示为视点变换功能。该功能是模型界面给用户提供的控制浏览的交互功能，用户能够使用鼠标实现视点三维平移和角度旋转等各种功能的操作。

图2 视点变换功能

1.3 三维模型操作

三维模型操作主要功能为用户对三维模型进行操作，其中包含选取部件模型方式、单项或者多项选择、模型空间旋转和平移变换等。图3所示为三维模型操作功能。

图3 三维模型操作功能

对变电站内各种设备模型开展相应操作首先需要做的是拾取设备部件的三维模型。如果可以选中设备部分模型，那么必须针对可操作设备部件模型实行单独设计构建。

1.4 辅助环境操作

一些适时的特效可以使仿真场景更贴近实际，强化视觉逼真感，Unity 3D仿真平台中的Special Effect能够实现此种特效。

用户操作系统过程中，要添加一些辅助线和网格等，辅助环境操作模块的主要功能为解决上述问题。具体功能为模型空间测量和辅助网格显示以及环境光照等。图4所示为辅助环境操作模块功能。

图4 辅助环境操作模块功能

2 变电站交直流电源仿真设计

在上述环境和功能下，对变电站交直流电源进行仿真设计。

该一体化电源模型使用的是分层分布结构，一体化电源将站用交流电源和直流电源以及UPS等设备依据一体化设计和配置，利用统一智能虚拟平台，实现变电站交直流电源集中管控与供电，以此检测电源在线状况。一体化电源模型运行工作情况及相关信息可以经一体化监控模块显示，同时转换成标准模型数据，利用标准DL/T860格式与当地站控层交换机连接，上传到远程控制中心。

利用典型方案的智能化变电站交直流电源一体化，分析其应用系统概念设计站用电源的整体思想。仿真设计变电站交直流电源模型如图5所示。

图5 变电站交直流电源模型

2.1 站用交流电源

站用交流电源主要组成部分为自动转换开关ATS和电流互感器及馈线断路器等模块。配置方案分为两种：第1种方案为1台自动转换开关装备，利用两路交流变电站用电源实现进线，采用单母线接线。此种方案比较适合用在35 kV及以下的站用。第2种方案为2台自动转换开关装备，同样利用两路交流变电站用电源实现进线，采用2段单母线接线。此种方案比较适合用在110 kV及以上的站用[4]。

2.2 直流操作电源

直流操作电源在交流电源正常运行和发生事故情况下均可以保持稳定供电，同时给变电站中各种控制负荷与各种类型动力负荷提供电源[5-6]。该电源系统主要组成部分为蓄电池组和交流配电模块等单元。配置方案有3种：第1种方案为1组蓄电池、1组充电装备，并且采用单母线接线。此种方案比较适合用在110 kV及以下的站用。第2种方案为2组蓄电池、2组充电装备，并且采用两段单母线接线，此种方案比较适合用在110 kV及220 kV站用。第3种方案为2组蓄电池、3组充电装备，并且采用两段母线接线，此种方案比较适合用在重要的220 kV及以上站用。

2.3 直流电源的监控模块

直流电源的监控模块为直流电源系统管控核心部分，主要功能为长期自适应监控系统中各功能模块及蓄电池，得到系统中各种类型的运行参数及状况，基于测量所得信息数据和运行状态进行实时处理，同时将此当作依据针对该电源系统实行管控。

2.4 电池巡检模块

电池巡检模块主要功能为实时在线监控电池组的各个组成部分的电压情况，同时利用直流电源系统监控模块将不同工况下的各部分电压信息记录下来，一旦发现异常，则及时处理，保障蓄电池组的安全稳定运行。电池巡检模块将监测得到的运行参数，利用RS-485接口传输到直流电源系统监控模块，并接收来自监控模块的控制指令。

2.5 直流电源系统绝缘监测模块

直流电源系统绝缘监测模块主要功能为对直流控制母线与馈电支路整体绝缘情况进行实时在线监测，一旦某点出现节点故障，该模块会立即发出相应告警，以此提醒相关人员找到故障点并解决故障，进而杜绝直流电源系统的接地故障导致的一系列电力事故。基于不同使用需求，绝缘监测模块能够配置不同的巡检方式。绝缘监测模块将监测得到的相关参数利用RS-485接口传输到直流电源系统监控模块，并接收来自监控模块的控制指令。

绝缘监测模块可以对三维立体虚拟场景开展监测，还可以针对单独设备执行相应操作。构建变电站空间坐标(x,y,z)与纹理坐标(u,v)之间呈现出的关系，表达式为

(4)

式(4)中：(xs，ys，zs)为交互屏幕坐标；a代表比例因子；u和v与模型中各点相互对应，由此使二维图像可以映射至三维物体上。

2.6 交流不间断电源

交流不间断电源主要包含专用UPS与INV两种类型，INV比较适合用在后备运行模式中，主要是站内事故照明等一些对电源质量需求不是很高的负荷供电。其中的UPS适合用在在线模式，功能为提供重要负荷供电给站内计算机监控等质量要求严格的装置模块。

2.7 DC-DC通信电源

DC-DC通信电源直接使用直流220 V或者110 V电源输入，通过DC-DC电源变换模块代替专业-48 V通信电源，其和直流操作电源系统充电模块、蓄电池组互相协调配合，能够为变电站通信设备供给电源。DC-DC电源各个性能指标均满足相关通信电源技术规范，同时满足电网系统控制电源技术规范，可为变电站交换机等一系列设备供给直流电源[7-8]。

2.8 配电单元

配电单元主要功能为将交流或者直流电源利用负荷开关传输到各个用电设备的一个馈线模块，其中，变电站内交直流的一体化电源中配电单元依据功能能够划分成交流配电、直流操作电源以及DC/DC通信电源几种配电单元[9-10]。该单元监控过程中，采取的方案为通用硬件方案，进而能够实时地对一体化电源中各个配电单元正常工作参数进行监测，同时利用RS-485接口输送到电源系统监控中心进行统一管控。

2.9 交直流一体化电源监控

交直流一体化电源监控系统整体架构中的现场测控层将Modbus总线当作基础，远程将变电站中自动化网络当作网络平台，以此构建一个分层分布式的监控架构。交直流一体化电源监控主要组成部分如图6所示。

图6 变电站内交直流一体化电源监控结构

图6中，在系统管理层中，利用变电站的监控系统计算机智能设备以及后台维护软件，可高效实现一体化电源管控功能；在现场监控层中，利用一体化监控模块对现场测控层采集到的信息数据进行收集，并显示出来，实现告警处理，基于处理进行相应判断，给出对应控制指令，除此之外，还能够实现通信协议的转换，进而实现和变电站监控的各项信息数据通信，接收并且传达上位机传输来的指令；在现场测控层中，利用现场的各种智能设备，对交直流一体化电源中各个功能模块数据进行实时采集，同时执行现场监控层传输来的指令。

变电站交直流一体化电源模型的监控模块利用RS-485通信串口分别采集电池巡检及绝缘监测等模块的信息数据，同时显示出来。还能够基于系统各种类型的设置数据实现报警和历史数据管理等功能。除此之外，还可以针对处理所得结果进行判断，基于不同情况给出相应站用电以及电池管理等方面的方案。在最后，利用以太网结构，把系统各种运行参数以及主要数据通过相应归约接入变电站中综合性自动化模块，进而实现交直流一体化电源各种远程功能。

3 实验结果与分析

实验主要针对基于虚拟现实技术的变电站交直流电源仿真方法效益情况进行验证，将利用该技术设计的交直流电源系统用在某500 kV变电站中，分析其应用成本。

在上述变电站模型构建环境下，设计的变电站三维立体场景如图7所示。变电站三维场景中漫游相应功能键如表1所示。

表1 变电站三维场景中漫游相应功能键

图7 虚拟变电站三维立体场景

采用交直流一体化电源之后的文献[2]方法和文献[3]方法和所提方法整体使用设备数目、购买成本比较结果如图8、图9所示。

分析图8和图9可知，基于虚拟现实技术的变电站交直流电源仿真设计方法能够有效降低站内设备购买成本，效益显著。该方法技术先进，且运维便利，能够在不浪费成本和不威胁到相关人员人身安全的前提下，配置站内交直流电源，实现了电源的智能化和一体化管理。

图8 不同方法所需设备数目对比

图9 不同方法购买成本对比

为了进一步验证所提方法的优势，对比传统方法针对用电能耗进行实验，实验结果如图10所示。

由图10可知，本文方法用电能耗大约在5%。远远低于传统方法，具有较高的实际应用性，符合实验目的。

图10 不同方法用电能耗对比

4 结论

鉴于电力系统的现实需求，提出基于虚拟现实技术的变电站交直流电源仿真设计方法。依据变电站三维虚拟模型和功能模块，设计分层分布结构的一体化电源模型，并对其运行效果进行了验证。结果显示，所提方法鲁棒性强，可为变电站智能化构建提供一定依据。此外，所提虚拟现实技术还可应用到站用交直流电源仿真培训系统设计中，利用所提三维建模方法，实现变电站交直流电源系统虚拟可视化及可操作化。通过站用交直流电源仿真培训系统进行仿真培训，将有效改善传统站用电源理论培训效果不佳的现状。