技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力系统仿真培训领域，尤其涉及一种基于Unity动态生成的智能站三维场景仿真系统及实现方法。
背景技术
[0002] 随着智能
电网的不断发展，针对智能变电站的一次设备智能化、二次设备网络化的技术特征，这就要求用于电力系统仿真培训要更加现代化，更加切合实际，从而达到高效实训的培训目的。
[0003] 目前的仿真
软件系统建模，利用初始模型*.FBX和*.prefab去共同搭建场景*.unity文件。当模型文件及其属性发生变化后，需要重新保存场景*.unity文件，从而造成重复工作及增加维护成本。
[0004] 目前针对基于真实的现场环境并且可动态生成智能变电站三维场景(*.unity文件)的
可视化仿真培训系统的方法尚不存在，而且目前基于Unity的智能变电站三维仿真系统的操作行为及故障模拟功能尚未完善。
[0005] 本发明涉及一种智能变电站三维仿真培训系统中动态生成各类三维模型，并上报仿真系统实时
数据库的实现方法，属于电力系统仿真培训领域。适用于智能变电站三维仿真系统中的智能终端、合并单元、保护装置、测控装置等三维组件模型搭建的场景仿真，主要用于对电力系统智能变电站运维、继电保护人员的培训。
发明内容
[0006] 针对背景技术中的问题，本发明的目的在于提供一种基于Unity动态生成的智能站三维场景仿真系统及实现方法，动态生成*.unity场景文件，解决了每次更换
基础模型后，需要重新搭建场景环境的相关工作。具有良好自适应能力，可根据设备台账等事先录入的数据信息，将模型库里现有全部模型与实际场景需要摆放的新增模型进行比对，将比对后的结果送给计算程序并动态生成新模型。
[0007] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0008] 一种基于Unity动态生成的智能站三维场景仿真系统，所述系统包括仿真系统资源文件库、仿真系统配置文件库、三维仿真模型、保护数据配置文件、三维场景仿真
支撑平台和实时数据库、保护计算程序、三维通信服务转发器、三维仿真系统Unity场景和三维仿真
人机界面，其特征在于：
[0009] 所述仿真系统资源文件库用于储存基础模型资源，通过收集智能站一二次设备基础资料，建立起初始模型库并根据实际需求不断新增模型；
[0010] 所述仿真系统配置文件库用于储存保护数据文件集合体，主要功能是通过编辑策略实现静态模型的动态化逻辑功能；
[0011] 所述三维场景仿真支撑平台和实时数据库为三维场景、数据模型、计算方法与逻辑提供引擎和数据临时存储服务；
[0012] 所述保护计算程序是链接仿真系统配置文件库、三维仿真支撑平台和三维通信服务转发器的
中间件计算程序；
[0013] 所述三维通信服务转发器为三维仿真支撑平台、保护计算程序和三维仿真系统Unity场景之间提供消息接收发送服务；
[0014] 所述三维仿真系统Unity场景是通过数据通信
接口中间件计算程序，整合智能变电站各个仿真模型进而动态生成的三维场景单元；
[0015] 所述三维仿真人机界面是聚集全部动态生成的三维场景单元的集合体。
[0016] 进一步地，所述基础模型资源包括全部主流厂家的一二次设备、
建筑物、巡视路线、杆塔和标志牌。
[0017] 进一步地，所述保护数据文件集合体包括全部主流厂家的各类继电保护和自动装置保护
插件、整定计算时间、策略文件、网络拓扑结构文件、报文数据流向配置文件和控制
逻辑文件。
[0018] 进一步地，所述三维仿真模型包括智能终端、合并单元、
变压器保护装置、线路保护装置、
母线保护装置、测控装置、SV网交换机、GOOSE网交换机场景显示模
块；该模块以模型文件的形式存放在仿真系统资源文件库中。
[0019] 进一步地，所述保护数据配置文件包括GOOSE网络报文信息配置文件、SV网采集信息配置文件、测控装置策略文件、保护装置策略文件、保护整定时限文件；这些文件由自定义配置文件组成，会因仿真培训案例的不同而进行对应调整，自定义配置文件存放在仿真系统配置文件库中。
[0020] 进一步地，三维仿真人机界面场景实现与实际智能变电站现场机房设备1:1比例的三维仿真机房场景。
[0021] 一种如上所述的基于Unity动态生成的智能站三维场景仿真系统的实现方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
[0022] 步骤1、创建三维模型；
[0023] 步骤2、在Unity中新建C#程序读取自定义配置文件，自动生成三维场景；
[0024] 步骤3、在三维场景仿真模块中新建监听线程，订阅实时数据库的消息频道，获取设备仿真模块中仿真设备状态的实时消息；
[0025] 步骤4、在三维场景中创建屏盘组件库，并将屏盘库配置数据文件信息发送给外部的保护计算程序，进行仿真计算和判断。
[0026] 进一步地，步骤1包括如下步骤：
[0027] 1-1、依据真实的机房和设备尺寸数据及机房结构图，在3DMAX建模工具中按照1:1的尺寸创建机房和设备的三维模型；并依据机房内饰图、设备外观图和设备布局图，创建机房、设备的材质来
渲染机房和设备的三维模型效果；
[0028] 1-2、在Unity中创建资源文件夹，安装模型属性分类：将在3DMAX中创建好的机房.FBX三维模型文件拖入到机房模型库中，将设备.FBX三维模型文件拖入到设备模型库中；以此类推，将各类模型分别存储在不同的基础模型库3DModelBase中。
[0029] 进一步地，步骤2包括如下步骤：
[0030] 2-1、自定义配置文件分层次定义数据类型、装置型号、保护套号、网络拓扑及报文；
[0031] 2-2、读取所述自定义配置文件，解析该文件中的数据；
[0032] 2-3、根据从数据文件中读取到的设备、拓扑及报文，通过C#程序循环调用Unity中的Resources.Load(Name)方法，从Unity中的设备模型库prefab载入之前预设好的.prefab模型；机房模型和第一个载入的设备模型将会按照之前设定好的
位置摆放到三维场景中，之后循环载入的设备模型将根据Unity中transform.position＝new Vector3()方法，重新自动设定相应的位置。
[0033] 进一步地，步骤3包括如下步骤：
[0034] 3-1、三维场景仿真模块与设备仿真模块，通过Redis数据库的“订阅/发布”机制进行消息和数据的传输，三维场景仿真模块根据所订阅的消息频道，监听接收设备仿真模块发送来的消息，并根据消息中的内容，实时输出新增设备模型；
[0035] 3-2、三维场景仿真模块接收来自外部的保护计算程序的消息并进行解析，此解析出所述消息的协议格式为：“厂站名称@设备类型@设备ID@装置型号@装置套号”。
[0036] 进一步地，步骤4包括如下步骤：
[0037] 4-1、根据智能变电站的保护配置及实际现场机房设备情况，分别建立母线设备库、主变保护设备库、线路保护设备库、容抗设备库及操作机构设备库；
[0038] 4-2、完成各类设备库的建设后，外部的保护计算程序向三维场景仿真模块发送操作消息，其消息格式为：“厂站名称@设备类型@
保护类型@装置型号@装置套号@控件ID”；
[0039] 4-3、三维场景仿真模块中的监听线程，接收外部的保护计算程序发送来的仿真计算结果：
[0040] 首先三维场景仿真模块中的监听线程会接收到保护计算程序的消息，进而解析收到的消息，然后再判断现有三维模型是否与现场实际设备匹配；如果现有模型与需要调用的模型能匹配上，则直接调用已有模型并输出，否则根据实际需要读取保护配置数据文件动态生成新模型；可继续执行步骤4，进行模型库的扫描与扩建，如此循环执行。
[0041] 本发明相对于
现有技术的有益效果在于：
[0042] 本发明中创建的方法，是基于三维仿真模型.FBX和.prefab、保护数据配置文件及三维仿真支撑平台，将三维模型与保护数据配置文件有机结合，通过数据
通信接口程序读取保护数据配置文件相关内容，再将相应的操作行为及故障动作逻辑发送给三维仿真系统Unity场景，最终通过三维仿真人机界面呈现。并实时上报信息报文给实时数据库，创新地将传统的三维仿真模型和控制逻辑数据连接起来，使三维仿真培训系统中学员的学习、操作行为、故障逻辑模拟等相关数据规范化地上报至实时数据库中，并通过后台程序处理后，将处理结果发送给人机。实现了模型、数据及程序的整合与封装，从而可以利用
数据挖掘等先进技术对数据进行深度分析，并利用动态生成的三维场景(*.unity文件)迅速完成整个培训环境的搭建与集成，而且能够根据不同的培训需求，及时新增和同步更新培训用教案。通过掌握学员的学习动态，了解智能变电站三维仿真培训系统中课程设置或培训计划的合理性，并不定期动态生成出灵活多变三维场景(*.unity文件)及功能数据文件以适应不断变化的培训需求，从而提高了智能变电站三维仿真培训的
质量和学员学习的效率。
[0043] (1)本发明在基于Unity动态生成三维场景的智能变电站建模方法中，通过对真实的各类智能变电站进行
三维建模，并真实模拟实际智能变电站的典型操作和事故处理，创建出各个真实的智能变电站各类机房的三维仿真场景；与此同时，该三维场景仿真模块可以通过三维通信服务转发器与保护计算程序进行交互，实时接收和发送仿真设备的运行状态及数据。
[0044] (2)利用本发明相关专业人员在三维场景仿真模块中进行培训操作具有很好的现实感，解决了在智能设备类型不全面而导致的培训与实际相脱节的问题，提高了培训效率和培训质量，缩短了培训周期，能够极大地提高智能变电站运维人员的技术
水平。
[0045] (3)本发明应用在智能变电站三维可视化仿真培训系统中，利用3D建模仿真技术实现智能变电站设备相关模型的创建。
[0046] (4)本发明通过读取自定义配置文件，能自动生成相应的三维仿真场景，真实感强。
[0047] (5)本发明中三维场景仿真模块与外部的保护计算程序之间的通信机制，通过实时数据库提供的消息总线来完成，能够保证三维仿真场景中各个控件的状态显示与培训时的进行典型操作后的运行状态同步，从而使智能变电站仿真培训更加接近现实。
附图说明
[0048] 图1是本发明的智能站三维场景仿真系统结构
框图。
[0049] 图2是本发明的智能站三维场景仿真系统实现过程示意图。
[0050] 图3是本发明中自定义配置文件层次结构图。
具体实施方式
[0052] 下面结合附图和具体实施方式，对本发明的具体实施方案作详细的阐述。这些具体实施方式仅供叙述而并非用来限定本发明的范围或实施原则，本发明的保护范围仍以
权利要求为准，包括在此基础上所作出的显而易见的变化或变动等。
[0053] 本发明提出一种基于Unity动态生成的智能站三维场景仿真系统，包括三维仿真模型、保护数据配置文件、三维场景仿真支撑平台、数据通信接口、三维仿真系统Unity场景、三维仿真人机界面，如图1所示。
[0054] 所述仿真系统资源文件库包括全部主流厂家的一二次设备、建筑物、巡视路线、杆塔和标志牌等基础模型资源(主要包括*.FBX和*.prefab文件)。
[0055] 所述仿真系统配置文件库包括全部主流厂家的各类继电保护和自动装置保护插件、整定计算时间、策略文件、网络拓扑结构文件、报文数据流向配置文件、控制逻辑文件等保护数据文件集合体。
[0056] 所述三维仿真模型包括智能终端、合并单元、变压器保护装置、线路保护装置、母线保护装置、测控装置、SV网交换机、GOOSE网交换机等场景显示模块。这些模型以模型文件的形式存放在仿真系统资源文件库中。
[0057] 所述保护数据配置文件包括GOOSE网络报文信息配置文件、SV网采集信息配置文件、测控装置策略文件、保护装置策略文件、保护整定时限文件。这些文件由自定义配置文件组成，会因仿真培训案例的不同而进行对应调整，自定义配置文件存放在仿真系统配置文件库中。
[0058] 所述三维场景仿真支撑平台、实时数据库为三维场景、数据模型、计算方法与逻辑提供引擎和数据临时存储服务。
[0059] 所述保护计算程序是链接仿真系统配置文件库、三维仿真支撑平台和三维通信服务转发器的中间件计算程序。实现三维场景模块与支持平台、实时数据库的互联互通。并将从仿真系统配置文件库中动态读取并解析
指定的自定义保护数据配置文件，根据解析后的数据，从仿真系统资源文件库中调取相关三维仿真模型文件，从而动态生成三维仿真系统Unity场景单元。实时获取三维仿真设备的运行状态、操作激励和动作行为，并将处理结果发送给支撑平台，再由平台发送给三维场景呈现出对应的现象、结果。与此同时，保存住学员在三维场景仿真场景中的全部操作，并可以打印出对应的操作记录文件。
[0060] 所述三维通信服务转发器为三维仿真支撑平台、保护计算程序和三维仿真系统场景之间提供消息接收发送服务。作为各个模块之间的信息中转站，实时转发、传递消息并记录操作步骤及动作响应。
[0061] 所述三维仿真系统Unity场景是通过数据通信接口中间件计算程序，整合智能变电站各个仿真模型进而动态生成的三维场景单元。
[0062] 所述三维仿真人机界面场景是聚集全部动态生成的三维场景单元的集合体。实现与实际智能变电站现场机房设备1:1的三维仿真机房场景。也是真实机房的虚拟化可视化仿真场景，培训人员可在该场景中完成日常
缺陷巡视、设备倒闸操作、一二次设备异常
定位及故障处理等功能。
[0063] 利用基于Unity动态生成三维场景的智能变电站场景仿真方法，其实现过程如图2所示，具体如下：
[0064] 步骤1、创建三维模型:
[0065] 1-1、通常智能变电站的机房包括：主控室保护机房、各个
电压等级的GIS机房、安全工具室、高压
开关室、低压配电室、电容器室等。
[0066] 通过对现场机房、装置的实际测量及土建等文档资料，获取每个机房和装置的三维尺寸、机房平面布置图、机房内饰图、以及装置外观图。所述设备的三维尺寸即其长度、宽度和高度。
[0067] 依据真实的机房和设备尺寸数据及机房结构图，在3DMAX建模工具中按照1:1的尺寸创建机房和设备的三维模型；并依据机房内饰图、设备外观图和设备布局图，创建机房、设备的材质来渲染机房和设备的三维模型效果。
[0068] 1-2、在Unity中创建资源文件夹，安装模型属性分类：将在3DMAX中创建好的机房.FBX三维模型文件拖入到机房模型库中，将设备.FBX三维模型文件拖入到设备模型库中。以此类推，将各类模型分别存储在不同的基础模型库3DModelBase中。
[0069] 在Unity中将机房模型库中每种规格的机房三维模型初始位置坐标(x,y,z)，设置为(0,0,0)；将设备模型库中每种类型的设备三维模型初始位置坐标(x,y,z)，设置为(33,1.7,3.8),此坐标为设备在机房模型中摆放时指定的起始坐标。将上述设置好初始坐标的机房模型和设备模型保存成为.prefab预设模型文件，并分别存到Unity的设备模型库prefab中。
[0070] 步骤2、在Unity中新建C#程序读取自定义配置文件，自动生成三维场景。
[0071] 2-1、自定义配置文件中分层次定义了数据类型、装置型号、保护套号、网络拓扑及报文等，如图3所示。
[0072] 所述自定义配置文件的层次结构如图3所示。
[0073] 下面是一个应用实例中的配置文件定义格式：
[0074] 在“**变@CB@1356@PCS-222C@1■湖西1356线智能终端■GOOSE断链●报警●GOOSE异常●收保护装置1GOOSE断链”中，“**变”表示厂站信息；“CB”表示
断路器；“1356”表示开关编号；“PCS-222C”表示装置型号；“1”表示保护套号；“湖西1356线智能终端”表示装置设备。“GOOSE断链●报警●GOOSE异常●收保护装置1GOOSE断链”表示该装置对应的属性。
[0075] 2-2、读取所述自定义配置文件，解析该文件中的数据：
[0076] 扫描文件中的“●”,如果未找到“●”结束处理；如果找到了，取出“●”中的字符串，并分割“■”前后的的字符串和数据，并分别赋值给程序中的设备名变量和报文变量；
[0077] 扫描文件中的“@”,取出“@”中的字符串，并分割“■”前后的数据和字符串，并分别赋值给程序中的装置变量和设备名变量；
[0078] 扫描“GOOSE”关键字，分割“●”前后的的数据和字符串，并分别赋值给程序中的拓扑搜索变量；
[0079] 2-3、根据从数据文件中读取到的设备、拓扑及报文，通过C#程序循环调用Unity中的Resources.Load(Name)方法，从Unity中的设备模型库prefab载入之前预设好的.prefab模型；机房模型和第一个载入的设备模型将会按照之前设定好的位置摆放到三维场景中，之后循环载入的设备模型将根据Unity中transform.position＝new Vector3()方法，重新自动设定相应的位置。
[0080] 步骤3、在三维场景仿真模块中新建监听线程，订阅实时数据库的消息频道，获取设备仿真模块中仿真设备状态的实时消息。
[0081] 3-1、三维场景仿真模块与设备仿真模块，通过Redis数据库的“订阅/发布”机制进行消息和数据的传输，三维场景仿真模块根据所订阅的消息频道，监听接收设备仿真模块发送来的消息，并根据消息中的内容，实时输出新增设备模型。
[0082] 3-2、三维场景仿真模块接收来自外部的保护计算程序的消息并进行解析，此解析出所述消息的协议格式为：“厂站名称@设备类型@设备ID@装置型号@装置套号”。
[0083] 当三维场景仿真模块接收到消息后，对消息进行解析：根据“@”将消息进行分割，首先判断所属厂站和设备，根据所属的设备类型配置装置型号及套数。
[0084] 监听线程接收消息示例如下：
[0085] “**变@XF@xf11@PCS-978@1■#1主变第一套保护■0发端”；
[0086] “**变@XF@xf11@PCS-978@1”表示三维场景模块收到的消息；“#1主变第一套保护”表示主变保护的总称；关键字“发端”：表示告警报文信息流拓扑的初始起点，与关键字“收端”相对应。
[0087] 步骤4、在三维场景中创建屏盘组建库，并将屏盘库配置数据文件信息发送给外部的保护计算程序，进行仿真计算和判断。通过加载对应的保护装置屏、测控装置屏和控制柜等现有模型，组建不同类型的主控室机房、高压开关室机房及GIS室机房，如图4所示。
[0088] 4-1、根据智能变电站的保护配置及实际现场机房设备情况，分别建立母线设备库、主变保护设备库、线路保护设备库、容抗设备库及操作机构设备库等；
[0089] 根据现场实际设备外观、各个厂家的装置
说明书等资料，将模型控件的各类属性以填数的方式与保护数据策略文件关联起来，不仅能够能利用保护计算程序动态生成模型文件，而且还可以将保护动作的逻辑同时集成到标准模型中去。
[0090] 4-2、完成各类设备库的建设后，外部的保护计算程序向三维场景仿真模块发送操作消息，其消息格式为：“厂站名称@设备类型@保护类型@装置型号@装置套号@控件ID”；。
[0091] 如下所示：
[0092] “**变@CB@902@PCS-222C@1”；
[0093] 此消息表示，动态生成断路器的第一套PCS-222C智能终端三维模型设备。
[0094] 4-3、三维场景仿真模块中的监听线程，接收外部的保护计算程序发送来的仿真计算结果：
[0095] 首先三维场景仿真模块中的监听线程会接收到保护计算程序的消息，进而解析收到的消息，然后再判断现有三维模型是否与现场实际设备匹配。如果现有模型与需要调用的模型能匹配上，则直接调用已有模型并输出，否则根据实际需要读取保护配置数据文件动态生成新模型；可继续执行步骤4，进行模型库的扫描与扩库，如此循环执行。
