500kV变电站三维仿真系统

摘要

本发明涉及一种变电站仿真系统，特别是一种500kV变电站三维仿真系统，在计算机中预设有变电站各零部件的三维模型、软导线形态数学模型等模块，确定变电站设计参数、线路标记、三维显示角度，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，可以直接作为施工预防性工具来模拟各个具体实际的变电站，对改扩建变电工程在实际施工前进行虚拟仿真展示，以满足方案设计、施工、线路检修、相关的投标、工程宣传等需求，起到了将“设计风险犯在计算上”的作用，从而降低了变电站设计及施工的错误风险，并且在实际系统未施工之前，能很好地将变电站全景展示出来，也保证工程顺利实施提供前期基础。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变电站仿真系统，特别是一种500kV变电站三维仿真系统。

背景技术

随着电网电压等级的不断提高和规模的扩大，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，就必须依赖于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，即不能对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，具有十分重要 的应用价值。而变电站是电力系统的重要组成部分，具有不同电压等级、结构复杂、设备众 多、集成度高等特点，建立变电站三维架空软导线仿真系统具有很好的应用价值。

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；国内也有一 些变电站仿真系统，如基于VRML的变电站三维场景仿真的培训系统；利用3Dmax技术实 现变电站仿真培训系统、利用solidworks的电站设备检修三维仿真培训系统等等，这些三维 仿真系统主要特点是虚拟建立通用的变电站，用于电力人员培训来掌握变电站设备与技术。 这些三维仿真系统具有通用的不足之处在于：无法作为施工预防性工具来模拟各个具体实际 的变电站，因此难以实现对改扩建变电工程在实际施工前进行虚拟仿真展示，无法满足方案 设计、施工、线路检修、相关的投标、工程宣传等需求，起不到将“设计风险犯在计算上” 的作用，从而增加了变电站设计及施工的错误风险。其次，根据各个实际变电站数据，依赖 专业计算机绘图人员手工逐一绘制与设计变电站全景，只能起到一个示意的作用且工作量巨 大；最后，无法实现模块化、可编程化或计算机半自动化生成，使得三维仿真工作繁重、耗 时且需要专业技术人员才能完成。

发明内容

本发明的目的在于根据现有技术的不足之处而提供一种能够根据具体实际的变电站进行 设计式模拟，实现施工前的仿真展示，降低变电站设计及施工的错误风险、保证工程顺利实 施500kV变电站架空软母线的三维仿真系统。

本发明的目的是通过以下途径来实现的：

500kV变电站三维仿真系统，其要点在于，包括如下组成：

提供计算机三维处理平台，其上预先设计并存储有变电站各零部件的三维模型、设计参 数模块、设备物理模型、导线形态模型、连接方式模型以及显示输出模块；

所述的设计参数模块包括变电站结构参数设定、各层软导线连接方式；其中，变电站结 构参数（主要是空间距离参数）设定包括变电站横担参数、HGIS参数、相序及连接方式、线 路单元设置及其参数、软导线相间距的设定；

所述的设备物理模型包括场景模型与设备模型；其中设备模型包括HGIS模型、人形架 和横担模型、绝缘子串模型、母线管模型和电塔模型；

首先，计算机三维处理平台根据变电站的实际测量数据对设计参数模块中的各个参数进 行设定；并导入所述的各个设备物理模型和导线形态模型，然后根据以下连接方式模型进行 连接；

所述连接方式模型具体为：

第一层线路连接：第一层母线管为东西向的，母线管双联悬垂串一端接第一层横担，另 一端与母线管进行连接，然后母线管与前、后排单元中最外层的HGIS接线柱相连，设置母 线管的相序和HGIS相序，保持三相一致地连接；

第二层线路连接：第二层导线是南北向的，单联悬垂串一端与第二层的横担相连，另一 端与导线和前、后排单元中最里层的HGIS接线柱相连；第二层导线相序与HGIS相序一致， 由HGIS相序设定来控制；

第三层线路连接：第三层导线是东西向的；单联悬垂串一端接第三层横担，另一端接导 线，当相邻串的横担层数为3或4层时，横担两边的绝缘子串的另一端接跳线接到横担下的 V型双联悬垂串，否则无跳线，第三层和第二层的三相导线可设置是否连接，并根据相序的 情况保证三相一致；

完成连接后，由输出模块将架空软导线通过全角度的三维仿真形式进行全景模拟。

本发明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，简洁了代码量，提高了执行效率，利于系统的 优化及进一步的开发。本发明所述的仿真方法可以直接作为施工预防性工具来模拟各个具体 实际的变电站，对改扩建变电工程在实际施工前进行虚拟仿真展示，以满足方案设计、施工、 线路检修、相关的投标、工程宣传等需求，起到了将“设计风险犯在计算上”的作用，从而 降低了变电站设计及施工的错误风险，并且在实际系统未施工之前，能很好地将变电站全景 展示出来，也保证工程顺利实施提供前期基础。

本发明可以进一步具体为：

所述设计参数模块具体包括如下7个参数设置模块：1）地面参数设置：地面的长和宽； 2）各线路单元参数设置：各线路的长及前、后排宽；3）变电站横担参数设定：横担各层高 度和母线管高度；4）软导线相间距设定：每层横担上各线路相间距设置；5）HGIS参数设置： HGIS相间距、排间距、接线柱高度；6）相序及连接方式设置：相序排列、引下线连接方式 的选择；7）线路单元设置：包括串名、层数、2层和3层是否连接设置。

这样，本发明只需要对上述各个参数根据具体实际的变电站进行设置，即可逼真的对 500kV变电站进行仿真模拟。这些参数设置采用模块式设计，可以方便的从计算机中进行输 入和设置，无需专业计算机人员，只需具备变电站电气知识人员就能简洁快速地完成500KV 变电工程屋外配电装置的架空软导线进行三维模拟仿真，大大节省了施工时间，从而修正设 计的错误。

所述的导线形态模型具体为：

导线两端的悬挂点坐标分别为A（x₁,y₁,z₁）和B（x₂,y₂,z₂），则两点间的档距 高差h=y₂-y₁，把档距l和AB两点在X轴、Z轴方向上的距离分 别作N等分，那么AB两点接连的导线第n个点的空间坐标为：

$X=x_1+\frac{n(x_2-x_1)}{N}$

$Y=\left(\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{nh}}{N}-\frac{\mathrm{\gamma nl}(N-n)\sqrt{l^2+h^2}}{2{\sigma }_0{N}^2}+y_1& (h/l>0.15)\\ \frac{\mathrm{nh}}{N}-\frac{\mathrm{\gamma n}{l}^2(N-n)}{2{\sigma }_0{N}^2}+y_1& (h/l<0.15)\end{array}\right)$

$Z=z_1+\frac{n(z_2-z_1)}{N}$

当h/l≤0.15时，采用平抛物线方程；当h/l>0.15时，采用斜抛物线方程，其中，γ表示 输电线比载，σ₀表示输电线最低点的应力。

导线在重力下呈现特有的曲线形态，其应力、弧垂等影响着电力运行的安全与可靠性， 应尽量模拟其真实情况。

在第二层线路连接时：其连接方式：或者是通过单联悬垂串与导线的连接处下拉与HGIS 接线柱相连，或者是通过单联悬垂串与导线的连接处与横担下的V型双联悬垂串相连后接于 HGIS接线柱。

当横担具有第四层时，还包括第四层线路连接：第四层导线是南北向的，单联悬垂串一 端接第四层横担，另一端接导线，当横担为四层时，单联悬垂串与导线连接处通过跳线接到 横担下的V型双联悬垂串，再接到另一排第二层的的单联悬垂串与导线连接处；第四层和第 三层的三相导线进行连接，并根据相序的情况保证三相一致；第四层导线的相序与HGIS相 序一致，也由HGIS相序的设定来控制。

这样，变电站中，母线管I、II分别与GIS第一行与最后一行接线柱连接，第二、三层软 导线分别于第二、三行GIS接线柱连接，第四层软导线与相邻的后排或前排第二层软导线连 接。所述的连接方式体现了变电站的模块化、可编程化或计算机半自动化生成，使得三维仿 真能够简单、快速的完成，避免了耗时、繁复和专业的问题，提高了三维仿真系统的生成效 率，缩短了设计时间，能够根据具体实际的变电站进行设计式模拟，实现施工前的仿真展示， 降低变电站施工错误风险、保证工程顺利实施。

综上所述，本发明的技术效果在于：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，以模块化的设置方式，方便调用和整体 搭建，简洁了代码量，提高了执行效率，利于系统的优化及进一步的开发。通过对各个具体 实际的变电站的参数设置模块，实际的模拟了具体实际的变电站，提高了电力人员的培训效 果，实现施工前的仿真展示，降低变电站施工错误风险、保证工程顺利实施；同时模块化的 参数设置可以直接输入各个实际变电站的数据，实现了模块化、可编程化或计算机半自动化 生成，使得三维仿真工作能够简单、快速的完成。

附图说明

图1所示为本发明所述500kV变电站三维仿真系统的原理方框图；

图2所示为设计参数模块中的模块参数设置流程图。

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

具体实施方式

最佳实施例：

参照附图1，500kV变电站三维仿真系统的目的是虚拟现实，呈现变电站设计和最终的施 工效果。主要功能包括信息显示、场景漫游、多功能观察及错误提示。系统开发围绕以下3 个阶段进行：物理模型的建立、连接方式模型的建立和系统整合。物理建模阶段主要包括设 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；连接方式建模阶段 主要完成软母线连接设计、参数设置、母线形态数学模型等；系统整合阶段主要工作是模型 设置、功能优化、界面设计及动画流畅性等。

首先是物理模型的建立：设备物理模型包括场景模型与设备模型；其中设备模型包括 HGIS模型、人形架和横担模型、绝缘子串模型、母线管模型和电塔模型。

具体为：

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、大门、 HGIS固定水泥地基、地面及地面上的走道构成，这些模型的构建有益于增强变电站的层次感、 美观和逼真性。

根据500kV变电站屋外配电装置CAD平面布局图，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，并在矩形边沿处建立一定高度的围墙及大门，在四面围墙向里 一段距离构建走道，由HGIS的纵向间距建立起固定作用的水泥地基。绿色地面上灰色部分为 走道，白色部分为各串线路的7条间隔走道及HGIS的固定水泥地基，四周为围墙，500kV变 电站屋外配电部分就在此区域中建立。

设备模型包括：

HGIS模型：变电站里HGIS由短路器、隔离开关、套管等七种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。

人形架与横担的建模：变电站一般有2、3或4层的横担，人形架与之相匹配，建立三个 层数的人形架与横担的模型，其中横担有东西和南北两个方向之分，人形架与横担的模型库 函数，在对其调用进行建模时具备横担高度可设置的功能。

母线管模型：母线管A相着黄色，B相着绿色，C相着红色，可根据相序的改变自动选择 颜色。

绝缘子串模型：变电站里大量使用绝缘子，它是支持导线的绝缘体，保证横担、人形架 和导线之间有足够的绝缘。绝缘子一片一片串起来组成绝缘子串，绝缘子的片数由电压等级 来确定。其中绝缘子串方向和绝缘子片数可设置。

电塔模型：变电站附近有很多电塔，电塔是电力部门的重要设施，架空导线起支撑保护 作用。

物理模型完成后，计算机三维处理平台根据变电站的实际测量数据对设计参数模块中的 各个参数进行设定，参照附图2；即数据模型：主要是对构建变电站屋外配电部分所需要的 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，横担的各层 高度，母线管高度，4层线路三相导线之间的间距设定后，对HGIS的相间距、排间距及HGIS 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。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 投影长度均由VC++实现500kV变电站软母线弧垂和线长计算设计而得。由这些数据，可生成 变电站屋外配电部分三维模拟图，与实际尺寸成比列地展现，虚拟设计效果。

具体为：

（1）变电站占地面积设定（地面参数设定）：在二维平面地形图上，以变电站占地形状 的左下角交点为三维仿真模型的坐标原点，根据实际测量数据设定变电站占地面积为长度× 宽度；

（2）线路单元参数设置：线路单元的划分及其面积设定，以变电站占地形状的左下角交 点为三维仿真模型的坐标原点，将变电站分为前、后两排，并且从左到右，依次为第1,2,… 单元，并设定各单元线路长度、前排宽度与后排宽度；

（3）变电站横担层数及其高度设定：根据变电站横担总层数，设定各层横梁高度；

（4）横担上软导线悬挂点间距设定：以各线路单元的左下角交点为三维仿真模型的坐标 原点，设定各层横梁上软导线悬挂点间距，分别为A相与坐标原点的垂直距离，A、B相软导 线间距，以及B、C相软导线间距；

（5）HGIS布置参数设定：HGIS接线柱高度参数设定与各线路单元中HGIS布置参数。每 个线路单元都布置了A、B、C三相HGIS，每相都有4排接线柱，设定A、B、C三相相间距与 排间距以及与单元线路坐标原点横、纵间距；所述的HGIS也适用于GIS；

（6）母线管高度设定：变电站中有两排母线管I、II，具有相同的高度；

（7）线路单元层数、名称与连接方式设定：每个线路单元都划分为前后两排，设定每个 单元前后排的层数，第2与3层软导线连接方式选择，以及线路单元名称设定；

（8）A、B、C三相软导线排列方式及引下线连接方式设定：A、B、C三相软导线排列方 式包括HGIS、第一、三层设定，一共有2种，变电站三维原点从左到右，A、B、C或者C、B、 A顺序。引下线连接方式设定指HGIS与第二层软导线连接方式，直接从软导线一端引下至 HGIS，还是软导线一端增加跳线后连接至HGIS。

（9）导线形态模型：导线两端的悬挂点坐标分别为A（x₁,y₁,z₁）和B（x₂,y₂,z₂），则两 点间的档距高差h=y₂-y₁。把档距l和AB两点在X轴、Z轴方向 上的距离分别作N等分。那么AB两点接连的导线第n个点的空间坐标为：

$X=x_1+\frac{n(x_2-x_1)}{N}$

$Y=\left(\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{nh}}{N}-\frac{\mathrm{\gamma nl}(N-n)\sqrt{l^2+h^2}}{2{\sigma }_0{N}^2}+y_1& (h/l>0.15)\\ \frac{\mathrm{nh}}{N}-\frac{\mathrm{\gamma n}{l}^2(N-n)}{2{\sigma }_0{N}^2}+y_1& (h/l<0.15)\end{array}\right)$

$Z=z_1+\frac{n(z_2-z_1)}{N}$

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，σ₀表示输电线最低点的应力。

在根据变电站的实际测量数据对设计参数模块中的各个参数进行设定；并导入所述的各 个设备物理模型和导线形态模型，然后根据以下连接方式模型进行连接：

连接方式模型是变电站屋外配电部分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，达到适用于不同变电站 的效果，便于日后推广应用。

（1）第一层线路连接

第一层母线管为东西向的。母线管双联悬垂串一端接第一层横担，另一端与母线管进行 连接，然后母线管与前、后排单元中最外层的HGIS接线柱相连，母线管的相序和HGIS相序 可设置，并总能保持三相一致地连接。

（2）第二层线路连接

第二层导线是南北向的。单联悬垂串一端与第二层的横担相连，另一端与导线和前、后 排单元中最里层的HGIS接线柱相连，有两种方式：一、通过单联悬垂串与导线的连接处下拉 与HGIS接线柱相连，二、通过单联悬垂串与导线的连接处与横担下的V型双联悬垂串相连后 接于HGIS接线柱。方式可选择。第二层导线相序与HGIS相序一致，由HGIS相序设定来控制。

（3）第三层线路连接

第三层导线是东西向的。单联悬垂串一端接第三层横担，另一端接导线。当相邻串的横 担层数为3或4层时，横担两边的绝缘子串的另一端接跳线接到横担下的V型双联悬垂串， 否则无跳线。第三层和第二层的三相导线可设置是否连接，并根据相序的情况保证三相一致。

（4）第四层线路连接

第四层导线是南北向的。如果前排单元为四层，后排单元一定为2层。此时前、后排单 元2、3层之间导线规定都不能相连。单联悬垂串一端接第四层横担，另一端接导线，当横担 为四层时，单联悬垂串与导线连接处通过跳线接到横担下的V型双联悬垂串，再接到另一排 第二层的的单联悬垂串与导线连接处。第四层和第三层的三相导线进行连接，并根据相序的 情况保证三相一致。第四层导线的相序与HGIS相序一致，也由HGIS相序的设定来控制。

最后是系统的整合和显示输出，系统整合主要包括系统界面和系统效率等方面。500kV 变电站屋外配电部分情况复杂，设施种类多，为系统设计这样的一个构架：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，简洁了代码量，提高了执行效率，利于系统的优化及进一步的开发。

在系统整合中，可以对参数设置进行如下校验：当线路只有两层或者为四层时，如果误 操作会出现线路2，3层不能连接的情况；在相关高度设置时，从第四层至第一层高度依次递 减，母线管高度要低于第一层高度，HGIS接线柱高度要低于母线管高度，母线管高度不能高 于第一层高度就是不注意或意外设计错误出现的情况；如果层数设置为1或大于4，就会出 现线路只能为2、3或4层的提示信息；如果某一参数漏输入，系统会提示用户对参数进行设 这，如请输入地面长度的提示；在每串线路前、后排单元中有一个为4层时，另一个必须设 置为2层，否则会出现提示情况。错误信息提示的功能，方便用户及时纠错，有效避免设计 失误。

在设计的技术方案上，本发明利用计算机中的三维仿真技术模拟500KV变电站架空软母 线施工后的全景，检查设计是否失误及完整施工后全站软母线的施工概况。在计算机中预设 有变电站各零部件的三维模型、软导线形态数学模型等模块，首先由VC++语言设计人机界面 确定变电站设计参数、线路标记、三维显示角度，再由OpenGL语言根据设计规则调用各零部 件三维模型，生成虚拟三维变电站工程全景。本发明利用VC++语言与OpenGL语言较完美地 实现了500KV变电站三维仿真设计，较为精细地呈现出软导线布线形态，提供了细节展示和 高效准确的半自动化设计500KV变电站的方法，为进一步的需求开发奠定基础。

本发明未述部分与现有技术相同。