电缆故障定位可视化仿真试验方法

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电缆故障定位可视化仿真试验方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及电力系统仿真技术，特别是涉及一种电缆故障定位可视化仿真试验方法。\n背景技术\n[0002] 高压电缆是电力系统、大型城市电网可靠供电的关键设备。高压电缆故障定位测试是高压电缆出厂试验、运行中事故诊断的必备试验项目。因此，在设备制造企业、科技研发机构、电力系统、大型用户变电站、大型城市电网开展电缆故障定位测试仪器的开发、运行中高压电缆缺陷定位的检测、技术人员的培训极为必要。上述工作都需要来对电缆故障定位进行仿真试验。\n[0003] 目前，电力系统仿真系统已经在电网系统中得到广泛的应用，基于不同仿真平台实现的数字仿真的技术，数字仿真系统不但可以用于电力系统实时的仿真分析研究，它还可以提供电力系统一次设备，各类控制系统，各种电力系统自动化设备实时数字仿真试验的闭环试验环境。这类电力系统数字仿真器，由高速计算机及信号输入输出通道，结合被仿真系统的数学模型，实时仿真算法、良好的人机接口，并配以性能优良的电压/电流等功率放大部件的综合组成。\n[0004] 可视化（Visualization）是利用计算机图形学和图像处理技术，实现数据图形、图像之间的转换，并进行交互处理的理论、方法和技术。自20世纪80年代后期出现以来，目前已经在各个领域受到广泛重视和飞速发展，近年来，在电力系统中也是开始得到深入的研究，随着电力系统的规模不断扩大，电力系统可视化的需求也是在不断增加，目前在电力系统调度方面的成效显著、效益明显，而对于在电力自动化设备以及其试验仿真技术，虽然基于不同仿真平台实现的数字仿真的技术已经可以达到了极其强的功能，通过建立完善的数学模型，进行各种试验的仿真，但其在仿真试验过程中，可视化程度低，仿真试验人员仍然是要面对大量繁杂的数据，这些繁杂的数据，要求仿真试验人员必须是个专业技术人员才可以了解，同时，处理这些繁杂的数据也会导致仿真试验的效率低，这些缺陷也是其可视化程度低所致。\n[0005] 综上所述，传统的电缆故障定位仿真试验技术，已经无法适应不断增加的电力系统可视化的需求。\n发明内容\n[0006] 基于此，有必要针对传统的电缆故障定位仿真试验技术，已经无法适应不断增加的电力系统可视化的需求的问题，提供一种电缆故障定位可视化仿真试验方法。\n[0007] 一种电缆故障定位可视化仿真试验方法，包括如下步骤：\n[0008] 建立可视化的电缆模型：\n[0009] 利用虚拟现实技术建立电缆三维模型，导入被测电缆的电缆仿真数学模型，建立所述电缆三维模型与所述电缆仿真数学模型的对应关系；\n[0010] 建立可视化的仪器模型：\n[0011] 利用虚拟现实技术建立用于检测所述被测电缆的仪器三维模型，导入电缆故障定位测试仪器的仪器仿真数学模型，建立所述仪器三维模型与所述仪器仿真数学模型的对应关系；\n[0012] 执行可视化的仿真试验：\n[0013] 运行仿真系统，调入所述电缆模型和仪器模型进行可视化的仿真试验。\n[0014] 上述电缆故障定位可视化仿真试验方法，将虚拟现实技术与电缆故障定位仿真试验技术相结合，通过建立可视化的电缆模型和仪器模型，在仿真试验过程中可以实现可视化的展示，极大提高了电缆故障定位仿真试验的可视化程度，大幅度地提高了仿真试验中人机交互界面的可视化程度，减少了仿真测试人员对繁杂数据的处理过程，提高了仿真试验操作的准确性和工作效率，满足了日趋增加的电力系统可视化需求，具有极高的推广价值。\n附图说明\n[0015] 图1为一个实施例的电缆故障定位可视化仿真试验方法流程图。\n具体实施方式\n[0016] 下面结合附图对本发明的电缆故障定位可视化仿真试验方法的具体实施方式作详细描述。\n[0017] 图1示出了一个实施例的电缆故障定位可视化仿真试验方法流程图，主要包括如下步骤：\n[0018] 步骤S100，建立可视化的电缆模型：\n[0019] 利用虚拟现实技术建立电缆三维模型，导入被测电缆的电缆仿真数学模型，建立所述电缆三维模型与所述电缆仿真数学模型的对应关系；\n[0020] 步骤S200，建立可视化的仪器模型：\n[0021] 利用虚拟现实技术建立用于检测所述被测电缆的仪器三维模型，导入电缆故障定位测试仪器的仪器仿真数学模型，建立所述仪器三维模型与所述仪器仿真数学模型的对应关系；\n[0022] 步骤S300，执行可视化的仿真试验：\n[0023] 运行仿真系统，调入所述电缆模型和仪器模型进行可视化的仿真试验。\n[0024] 为了更清晰本发明的技术，下面阐述较佳实施例。\n[0025] 对于步骤S100，主要是利用虚拟现实技术建立可视化的电缆模型，可以包括如下步骤：\n[0026] 首先，以被测电缆为原型，利用虚拟现实技术并根据设定的比例在计算机上虚拟出电缆三维模型；\n[0027] 具体地，根据被测电缆的长度、连接方式等，按其原型以缩小的比例，采用3DMAX商业软件虚拟出电缆三维模型，例如，以一直线表示实际被测电缆，该直线的两个端点为测试点。\n[0028] 然后，在电缆三维模型上设定被测电缆的故障点模型；其中，故障点模型包括故障位置与实际故障位置的对应关系；\n[0029] 具体地，由于按比例进行缩小，如被测电缆的实际长度为L，缩小比例为 则电缆三维模型的长度 假设故障点Q（x，y，z），被测电缆的两个端点分别为A（xA，yA，zA），B（xB，yB，zB），则实际故障点的位置（离A端点距离）可以用如下公式计算：\n[0030] 公式（1）\n[0031] \n[0032] 实际故障点的位置（离B端点距离）可以用如下公式计算：\n[0033] 公式（2）\n[0034] \n[0035] 通过上述公式，可以将电缆仿真数学模型与电缆长度等有关的数据进行实时转换，在电缆三维模型实现可视化的展示故障位置。\n[0036] 对于步骤S200，主要是调入3DMAX制作仪器的三维外壳、三维部件，定义仪器上控件的作用范围，并设定相应的功能。\n[0037] 下面以GZD-2型电缆故障定位测试仪器为例进行阐述，步骤S200包括如下步骤：\n[0038] 第一，根据电缆故障定位测试仪器的外部结构虚拟仪器的三维外壳；\n[0039] 具体地，采用3DMAX商业软件按照GZD-2型电缆故障定位测试仪器的长、宽、高的比例关系建立检测仪器三维外壳；依据显示屏的长、宽比例及在仪器上的位置，在仪器的三维外壳上帖深色底图。\n[0040] 第二，在所述三维外壳上虚拟仪器的仿真部件；其中，所述仿真部件包括三维按键、三维显示屏；\n[0041] 具体地，依据按键排列顺序在仪器正面制作三维按键、三维显示屏；另外，进一步地还可以按照连接头等部件的排列顺序在仪器侧边制作三维连接头等其它三维部件。\n[0042] 第三，建立一个平面坐标系，在该坐标系内设定所述仿真部件的外接矩形区域为鼠标事件的作用范围；\n[0043] 具体地，以仪器正面矩形的左下角为原点，建立平面坐标系，在该坐标系内定义为每个三维按键、三维显示屏定义一个矩形去作为作用范围用于响应鼠标事件；以鼠标点击该矩形范围为设定事件的触发指令。\n[0044] 第四，建立所述仿真部件与所述仪器仿真数学模型的对应关系；\n[0045] 主要包括以下两个方面，其一，建立所述三维按键与所述仪器仿真数学模型输入的操作指令之间的对应关系；其二，建立所述三维显示屏与所述仪器仿真数学模型输出的数据之间的对应关系；\n[0046] 具体地，以三维按键代替选择键和数据输入框等，使得仪器仿真数学模型的指令、数据输入都通过以实际按键为原型的三维按键来进行输入，同时，将仪器仿真数学模型的输出数据在三维显示屏外接矩形所确定的坐标范围内进行显示，通过上述方式，实现了对仪器操作高度的可视化展示，解决了传统的选择按键、输入框等可视化低的缺陷。\n[0047] 对于步骤S300，主要是在进行仿真试验过程中，调用上述建立的电缆模型和仪器模型来进行控制指令、数据输入及输出数据显示（包括各种测量值、波形等），从而实现仿真试验的高度可视化，作为一个实施例，首先将电缆三维模型和仪器三维模型导入到基于虚拟现实技术虚拟场景中；其中，该虚拟场景是以电缆所在的场景为原型，采用3DMAX商业软件进行仿真的三维场景模型。然后在该三维场景模型中使用仪器三维模型对电缆三维模型进行仿真试验，具体包括如下：\n[0048] a、当检测到所述电缆三维模型上有设定的故障点时，根据所述对应关系计算该故障点的故障位置对应的实际故障位置，并将实际故障位置的数据输入所述电缆仿真数学模型中；\n[0049] 例如，当需要在电缆三维模型上进行缺陷实验而设置故障点时，则根据公式（1）、公式（2）的转换关系，对于采用单端或双端的定位方法，都可以计算得到实际故障位置离两个端点的位置数据，实现可视化输入，无需通过输入框进行输入。\n[0050] b、当检测到所述电缆仿真数学模型有实际故障位置的数据输出时，根据所述对应关系计算该设定的实际故障位置对应的故障位置，并根据该故障位置在所述电缆三维模型上生成故障点；\n[0051] 例如，当需要将故障点的实际故障位置在电缆三维模型上进行可视化展示时，根据公式（1)、公式（2）的转换关系，对于采用单端或双端的定位方法，都可以在电缆三维模型上，清晰的可视化展示故障点，可以将故障点高亮、闪烁地显示。\n[0052] c、当检测到所述三维按键上有鼠标点击时，根据该三维按键的生成相应的操作指令输入至所述仪器仿真数学模型；\n[0053] 例如，当需要开始测试时，可以通过三维按键输入该控制指令，触发设定的事件，输出对应的操作指令至仪器仿真数学模型，从而进行仿真测试操作，相对于通过选择按键的形式，更具有逼真的可视化效果。\n[0054] d、当检测到所述仪器仿真数学模型有输出的显示数据时，将所述显示数据在所述三维显示屏的区域内进行显示；\n[0055] 例如，当需要显示在仿真实验中的故障定位波形时，将该波形文件跟随三维显示屏的显示范围内进行显示，相对于固定的显示，更具有逼真的可视化效果。\n[0056] 需要说明的是，所运行的仿真系统不限定于上述仿真系统，基于该仿真系统可以建立与电缆模型和仪器模型之间的对应关系。\n[0057] 进一步地，对于步骤S300，还可以根据可视化的仿真试验获得的仿真试验数据监测所述被测电缆的运行工况及故障状态；\n[0058] 具体地，通过电力系统专用的实时仿真系统，可以方便地构造系统结构，设置参数，并进行实时仿真试验获得仿真试验数据，根据这些数据，可以实时监测被测电缆的运行状况，以及实时监测器故障状态，为故障预测和定位分析提供了重要的参考。\n[0059] 本发明的技术方案以高度的沉浸感和良好的交互性为特征的虚拟现实技术，获取逼真的人工模拟环境，有效地模拟人在实验环境中各种感知系统的行为，把原来各种各样的数据和操作指令与以实际的设备为原型的三维模型进行关联，大幅度地提高了仿真试验中人机交互界面的可视化程度，避免了仿真试验人员与大量的繁杂数据处理，有助于仿真试验人员的输入数据和操作指令的准确性，并提高了仿真试验的工作效率，满足了日趋增加的电力系统可视化需求。\n[0060] 目前，本发明的技术已经在电网系统的多个仿真中得到广泛应用，并且已经取得了相当好的效果，例如，在仿真试验安全培训教育方面，能带来更好的培训效果，在对电缆的运行工况及故障状态进行监测方面，具有积极的意义。\n[0061] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。