Разработка виртуальной модели электрической части понизительной подстанции «Жигулевская» 110/35/6 кВ
|
Аннотация 2
Введение 5
1 Характеристика моделируемого объекта электроэнергетического комплекса - подстанции «Жигулевская» 7
2 Выбор программного обеспечения для создания виртуальной модели объекта 9
3 Создание SD-моделей виртуальной реальности объекта моделирования 11
3.1 Создание 3D-модели выключателя 35 кВ 12
3.2 Создание 3D-модели трансформатора напряжения 35 кВ 18
3.3 Создание 3D-модели ОПН-35 кВ 22
3.4 Моделирование разъединителей 35, 110 кВ 25
3.5 Моделирование блоков опорных изоляторов и вентильных разрядников 110 кВ 29
3.6 Моделирование высоковольтного выключателя и трансформатора тока 110 кВ 32
3.7 Моделирование силового трансформатора 37
3.8 Моделирование линейных порталов и металлических опор 110, 35 кВ 45
4 Создание виртуальной модели 48
Заключение 57
Список используемых источников 60
Введение 5
1 Характеристика моделируемого объекта электроэнергетического комплекса - подстанции «Жигулевская» 7
2 Выбор программного обеспечения для создания виртуальной модели объекта 9
3 Создание SD-моделей виртуальной реальности объекта моделирования 11
3.1 Создание 3D-модели выключателя 35 кВ 12
3.2 Создание 3D-модели трансформатора напряжения 35 кВ 18
3.3 Создание 3D-модели ОПН-35 кВ 22
3.4 Моделирование разъединителей 35, 110 кВ 25
3.5 Моделирование блоков опорных изоляторов и вентильных разрядников 110 кВ 29
3.6 Моделирование высоковольтного выключателя и трансформатора тока 110 кВ 32
3.7 Моделирование силового трансформатора 37
3.8 Моделирование линейных порталов и металлических опор 110, 35 кВ 45
4 Создание виртуальной модели 48
Заключение 57
Список используемых источников 60
До настоящего времени сферами применения технологий трехмерного моделирования и, в частности связанными с ними технологиями виртуальной реальности в основном являлись компьютерные игры и конструирование. При этом в электроэнергетической отрасли данные технологии были не востребованы и сводились только к использованию средств трехмерного моделирования при проектировании систем электроснабжения и объектов электроэнергетической отрасли, а также при конструировании различного оборудования на промышленных предприятиях. Однако в настоящее время эти технологии завоевывают новые сферы в электроэнергетической отрасли, что можно связать с ее трансформацией и цифровизацией. [27]
Выделяют два основных направления в технологиях виртуальной реальности - это непосредственно сама технология виртуальной реальности и технологии дополненной виртуальной реальности (VR/AR-технологии) [21].
С помощью виртуальной реальности (virtual reality, VR) пользователю предоставляется возможность взаимодействия с компьютерной трехмерной средой, выполнение тех или иных манипуляций и конкретных задач.
Технология дополненной реальности (augmented reality, AR) позволяет комбинировать информацию с объектами реального мира в форме текста, компьютерной графики и других представлений в режиме реального времени.
Применение данных технологий в электроэнергетической отрасли позволит более эффективно обучать персонал навыкам соблюдения правил по охране труда и техники безопасности, осмотра оборудования, производства оперативных переключений, подготовки рабочего места и допуска к работе, выполнению работ по техническому обслуживанию и ремонту оборудования, повысить эффективность подготовки и объективность оценки уровня знаний сотрудников благодаря реалистичной симуляции рабочих условий [26].
Использование VR-тренажеров и симуляторов позволяет в виртуальном пространстве отрабатывать сложные технические задачи на двойниках объектов и оборудования без приближения персонала к реальному оборудованию, находящемуся в работе, безопасно выполнить учебную задачу, исключить повреждение или отключение действующего оборудования в процессе обучения, а также снизить риски распространения инфекций.
Цель работы заключается в разработке модели виртуальной реальности подстанции 110/35/6 кВ «Жигулевская». На ПС установлено два силовых трансформатора с напряжением обмоток 110/35/6 кВ. Распределительные устройства (РУ) 110 и 35 кВ на подстанции выполнены открытыми, а РУ 6 кВ - закрытым. Воздушная линия 110 кВ выполнена на железобетонных и металлических опорах, и может быть использована в виртуальной модели для повышения достоверности разрабатываемой виртуальной модели.
Для создания модели виртуальной реальности объекта, подстанции 110/35/6 кВ «Жигулевская» использовано несколько программных продуктов. Разработка 3D моделей оборудования подстанции «Жигулевская» будет выполнено с использованием специализированного программного обеспечения для трехмерного проектирования - AutoCAD (Educational). Для разработки самой виртуальной модели, т.е. компоновки подстанции и наделения элементов подстанции свойствами реальных элементов используется межплатформенная среда разработки компьютерных игр (игровой движок) Unity.
Разработанная модель виртуальной реальности подстанции может быть использована в процессе обучения студентов по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», а навыки, полученные в процессе ее реализации при выполнении коммерческих проектов для организаций, заинтересованных в использовании и получении подобных моделей.
Выделяют два основных направления в технологиях виртуальной реальности - это непосредственно сама технология виртуальной реальности и технологии дополненной виртуальной реальности (VR/AR-технологии) [21].
С помощью виртуальной реальности (virtual reality, VR) пользователю предоставляется возможность взаимодействия с компьютерной трехмерной средой, выполнение тех или иных манипуляций и конкретных задач.
Технология дополненной реальности (augmented reality, AR) позволяет комбинировать информацию с объектами реального мира в форме текста, компьютерной графики и других представлений в режиме реального времени.
Применение данных технологий в электроэнергетической отрасли позволит более эффективно обучать персонал навыкам соблюдения правил по охране труда и техники безопасности, осмотра оборудования, производства оперативных переключений, подготовки рабочего места и допуска к работе, выполнению работ по техническому обслуживанию и ремонту оборудования, повысить эффективность подготовки и объективность оценки уровня знаний сотрудников благодаря реалистичной симуляции рабочих условий [26].
Использование VR-тренажеров и симуляторов позволяет в виртуальном пространстве отрабатывать сложные технические задачи на двойниках объектов и оборудования без приближения персонала к реальному оборудованию, находящемуся в работе, безопасно выполнить учебную задачу, исключить повреждение или отключение действующего оборудования в процессе обучения, а также снизить риски распространения инфекций.
Цель работы заключается в разработке модели виртуальной реальности подстанции 110/35/6 кВ «Жигулевская». На ПС установлено два силовых трансформатора с напряжением обмоток 110/35/6 кВ. Распределительные устройства (РУ) 110 и 35 кВ на подстанции выполнены открытыми, а РУ 6 кВ - закрытым. Воздушная линия 110 кВ выполнена на железобетонных и металлических опорах, и может быть использована в виртуальной модели для повышения достоверности разрабатываемой виртуальной модели.
Для создания модели виртуальной реальности объекта, подстанции 110/35/6 кВ «Жигулевская» использовано несколько программных продуктов. Разработка 3D моделей оборудования подстанции «Жигулевская» будет выполнено с использованием специализированного программного обеспечения для трехмерного проектирования - AutoCAD (Educational). Для разработки самой виртуальной модели, т.е. компоновки подстанции и наделения элементов подстанции свойствами реальных элементов используется межплатформенная среда разработки компьютерных игр (игровой движок) Unity.
Разработанная модель виртуальной реальности подстанции может быть использована в процессе обучения студентов по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», а навыки, полученные в процессе ее реализации при выполнении коммерческих проектов для организаций, заинтересованных в использовании и получении подобных моделей.
Выпускная квалификационная работа направлена на разработку модели виртуальной реальности ответвительной подстанции «Жигулевская» с классами напряжения 110/35/6 кВ. При создании виртуальной модели подстанции использовано несколько программных продуктов: AutoCAD и Unity. Разработка 3D моделей оборудования подстанции «Жигулевская» выполнено с использованием специализированного программного обеспечения для трехмерного проектирования - AutoCAD (Educational). Для разработки самой виртуальной модели, т.е. компоновки подстанции и наделения элементов подстанции свойствами реальных элементов используется межплатформенная среда разработки компьютерных игр (игровой движок) Unity.
Для выполнения цели выпускной квалификационной работы на первом этапе выполнен сбор и анализ исходной информации по подстанции. Определены марки оборудования, компоновка ОРУ и электрическая схема подстанции. Проведенный анализ объекта ВКР позволил создать виртуальную модель наиболее точно отражающую реальный объект, т.е. ПС «Жигулевская» 110/35/6 кВ. Кроме того, в первом разделе ВКР создана карта расположения объекта для создания на ее основе плана расположения оборудования.
Во втором разделе ВКР произведен выбор программного обеспечения для создания виртуальной модели объекта. В конечном итоге были выбраны 2 программных продукта - AutoCAD и Unity. Создание 3D-моделей оборудования реализовано в AutoCAD, а, импорт моделей и анимация в платформе Unity.
Третий раздел представляет подробное описание процесса создания 3D-моделей элементов подстанции, созданных в программе AutoCAD. Излагаются приемы использования необходимых команд, манипуляций, инструментов и модификаторов. В нем описывается создание 3D-моделей разъединителей марки РГП-110, РГП-35 кВ, выключателя ВГТ-11011-40/2500 У1 и ВБЭТ-35-111-25/630 УХЛ1 с приводом ПЭМУ-500, трансформатора тока ТФЗМ 110Б - IV У1, силового трансформатора ТДТН25000/110 У1, трансформатора напряжения ЗНОМ-35-65 У1, ОПН-35 УХЛ1, разрядника РВС-110М У1. Все подпункты сопровождаются изображением промежуточных результатов построения отдельных частей моделей оборудования. В конце каждого подраздела представлена иллюстрация готовой 3Э-модели.
В четвертом разделе выполнено описание основных этапов создания виртуальной модели подстанции «Жигулевская».
Процесс создания виртуальной модели подстанции разделен на 5 базовых этапов. Выполнено подробное описание каждого из этапов, а также показаны примеры, иллюстрирующие работу с мультиплатформенной средой разработки Unity.
Основной особенностью виртуальной модели созданной в рамках выполнения выпускной квалификационной работы является использование в Unity моделей, созданных с использованием программного обеспечения, предназначенного для инженерного проектирования. Представлена описание методики конвертирования файлов моделей DWG созданных Autodesk AutoCAD, через инструменты 3ds MAX в файл модели FBS, которая может быть использована в виртуальной модели подстанции.
Используя данные представленные в четвертом разделе ВКР создана виртуальная модель подстанции «Жигулевская».
Результатом выполнения работы являются разработанные элементы оборудования подстанции «Жигулевская», собранные в единую модель. Моделирование стало доступным при помощи использования бесплатных программных средств, умения применять ресурсы и обрабатывать информацию, работать со схемами и чертежами.
Полученная модель подстанции является простой и наглядной в восприятии, что позволяет, сэкономив время, получить широкое представление об оборудовании, как по отдельности, так и в совокупности.
В конечном итоге получена унифицированная интерактивная сборка, которую можно вращать в плоскостях, рассматривать в разных масштабах, перестраивать расположение оборудования для создания новых схем РУ из уже построенных моделей отдельных элементов ПС.
При проектировании наглядной трехмерной интерактивной модели подстанции были достигнуты важные образовательные цели:
• Студентам направления "Электроэнергетика и электротехника" предоставляется возможность рассмотреть любой элемент подстанции в объемном виде с достаточной степенью детализации, так как в рамках университета нет возможности демонстрации крупногабаритных аппаратов;
• В процессе моделирования были существенно развиты навыки работы в САПР, углублены знания в области электроэнергетики;
• Данную модель ПС можно использовать в качестве методического пособия для проведения лабораторных работ с использованием средств мультимедиа.
Использование данной модели для дальнейшей разработки виртуального тренажера позволит существенным образом повысить качество подготовки и аттестаций персонала предприятий энергосетей, а также будут способствовать достижению цели нулевого травматизма путем обучения корректного использования средств индивидуальной защиты.
Для выполнения цели выпускной квалификационной работы на первом этапе выполнен сбор и анализ исходной информации по подстанции. Определены марки оборудования, компоновка ОРУ и электрическая схема подстанции. Проведенный анализ объекта ВКР позволил создать виртуальную модель наиболее точно отражающую реальный объект, т.е. ПС «Жигулевская» 110/35/6 кВ. Кроме того, в первом разделе ВКР создана карта расположения объекта для создания на ее основе плана расположения оборудования.
Во втором разделе ВКР произведен выбор программного обеспечения для создания виртуальной модели объекта. В конечном итоге были выбраны 2 программных продукта - AutoCAD и Unity. Создание 3D-моделей оборудования реализовано в AutoCAD, а, импорт моделей и анимация в платформе Unity.
Третий раздел представляет подробное описание процесса создания 3D-моделей элементов подстанции, созданных в программе AutoCAD. Излагаются приемы использования необходимых команд, манипуляций, инструментов и модификаторов. В нем описывается создание 3D-моделей разъединителей марки РГП-110, РГП-35 кВ, выключателя ВГТ-11011-40/2500 У1 и ВБЭТ-35-111-25/630 УХЛ1 с приводом ПЭМУ-500, трансформатора тока ТФЗМ 110Б - IV У1, силового трансформатора ТДТН25000/110 У1, трансформатора напряжения ЗНОМ-35-65 У1, ОПН-35 УХЛ1, разрядника РВС-110М У1. Все подпункты сопровождаются изображением промежуточных результатов построения отдельных частей моделей оборудования. В конце каждого подраздела представлена иллюстрация готовой 3Э-модели.
В четвертом разделе выполнено описание основных этапов создания виртуальной модели подстанции «Жигулевская».
Процесс создания виртуальной модели подстанции разделен на 5 базовых этапов. Выполнено подробное описание каждого из этапов, а также показаны примеры, иллюстрирующие работу с мультиплатформенной средой разработки Unity.
Основной особенностью виртуальной модели созданной в рамках выполнения выпускной квалификационной работы является использование в Unity моделей, созданных с использованием программного обеспечения, предназначенного для инженерного проектирования. Представлена описание методики конвертирования файлов моделей DWG созданных Autodesk AutoCAD, через инструменты 3ds MAX в файл модели FBS, которая может быть использована в виртуальной модели подстанции.
Используя данные представленные в четвертом разделе ВКР создана виртуальная модель подстанции «Жигулевская».
Результатом выполнения работы являются разработанные элементы оборудования подстанции «Жигулевская», собранные в единую модель. Моделирование стало доступным при помощи использования бесплатных программных средств, умения применять ресурсы и обрабатывать информацию, работать со схемами и чертежами.
Полученная модель подстанции является простой и наглядной в восприятии, что позволяет, сэкономив время, получить широкое представление об оборудовании, как по отдельности, так и в совокупности.
В конечном итоге получена унифицированная интерактивная сборка, которую можно вращать в плоскостях, рассматривать в разных масштабах, перестраивать расположение оборудования для создания новых схем РУ из уже построенных моделей отдельных элементов ПС.
При проектировании наглядной трехмерной интерактивной модели подстанции были достигнуты важные образовательные цели:
• Студентам направления "Электроэнергетика и электротехника" предоставляется возможность рассмотреть любой элемент подстанции в объемном виде с достаточной степенью детализации, так как в рамках университета нет возможности демонстрации крупногабаритных аппаратов;
• В процессе моделирования были существенно развиты навыки работы в САПР, углублены знания в области электроэнергетики;
• Данную модель ПС можно использовать в качестве методического пособия для проведения лабораторных работ с использованием средств мультимедиа.
Использование данной модели для дальнейшей разработки виртуального тренажера позволит существенным образом повысить качество подготовки и аттестаций персонала предприятий энергосетей, а также будут способствовать достижению цели нулевого травматизма путем обучения корректного использования средств индивидуальной защиты.
