第30卷  第11期
2023年11月仪器仪表用户INSTRUMENTATION
Vol.302023  No.11
基于3Ds Max三维建模软件的变电站电气设备
虚拟仿真系统设计
许路广，李锐锋
（国网浙江省电力有限公司 嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000）
摘    要：
随着计算机技术和虚拟现实技术的快速发展，基于3Ds Max 软件开发的变电站电气设备虚拟仿真系统，为变电站电气设备虚拟仿真系统的开发提供了新思路。此次研究使用3Ds Max 建模技术，搭建了变电站电气设备的虚拟仿真系统，通过对现实和虚拟程序的交互式模拟，实现了电气设备的虚拟场景运行。这使得从业人员能够直观展示变电设备的内部结构及参数，可快速有效地提升一线业务人员的运维及检修水平，从而保障电力系统和设备的安全生产运行。
关键词：虚拟现实技术；3Ds Max ；电气设备；仿真系统
中图分类号：TP391.9                      文献标志码：A
Design of A Virtual Simulation System for Substation Electrical
Equipment Based on 3Ds Max 3D Modeling Software
Xu Luguang ，Li Ruifeng
（State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd., Jiaxing Electric Power Supply Company,
Zhejiang, Jiaxing,314000,China ）
Abstract：With the rapid development of computer technology and virtual reality technology, the virtual simulation system for substation electrical equipment developed based on 3Ds Max software provides new ideas for the development of virtual simulation systems for substation electrical equipment. This study used 3Ds Max modeling technology to build a virtual simulation system for electrical equipment in substations. Through interactive simulation of real and virtual programs, virtual scene operation of electrical equipment was achieved. This enables practitioners to visually display the internal structure a
nd parameters of substation equipment, which can quickly and effectively improve the operation, maintenance, and repair level of frontline business personnel, thereby ensuring the safe production and operation of the power system and equipment.
Key words：virtual reality technology ；3Ds Max ；electrical equipment ；simulation system
收稿日期：2023-08-15
作者简介：许路广（1985-），男，浙江嘉兴人，本科，高级工程师，研究方向：电气工程及其自动化。
DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2023.11.018
文章编号：1671-1041(2023)11-0073-04
0  引言
随着电力系统规模的不断扩大，电网结构的日趋复杂，还有许多问题没有彻底解决，对电力设备的维修管理，防范大面积停电事故发生仍是一项长期而复杂的工作[1]
。
在传统电力设备运维方法中，大多采用计划检修维护体制。其本身存在着严重缺陷，如临时性维修频繁，维修不足或
维修过剩，盲目维修等，解决问题途径受限，且极大地依赖于现场人员技术水平，低效率的作业与高效可靠的现场作业管理要求矛盾日益突出[2]。随着电力设备运维的智能化设备逐步增加，一线新生代员工质量与数量均不能满足电力设备行业快速发展的需求。一线人员往往专业知识不足、经验不足，不能独立完成维修任务，需专业人士协助而协助过程中信息的实时准确传达对维修时间有很大影响，
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仪器仪表用户INSTRUMENTATION 所以一种建立现场与专家的有效连接方法显得尤为重要[3]。基于此，此次研究在三维建模的基础上，搭建电气设备虚拟仿真模型。这使得电气设备能够更好地检查维修，让从业人员能够通过仿真模型实现专业培训。
1  3Ds Max仿真软件功能介绍
3Ds Max 是由美国3Ds Max 公司研发的一款三维建模软件，支持多个平台使用，具备强大的建模功能。该软件不仅可以进行三维建模，还能进行三维动画设计、渲染等工作。3Ds Max 还能根据需求对模型进行编辑，包括添加纹理、材质、灯光、光照等。在3Ds Max 中，可以通过鼠标和键盘操作实现模型创建和编辑。3Ds Max 中的建模方法包括特征建模、实体建模、体积建模等。特征建模是根据场景中的几何对象，通过添加材质来模拟场景中物体的形状。实体建模是对模型进行细致化处理，通过设置参数来模拟物体的尺寸大小、材料以及质量等[4]3ds
。体积建模是根据场景中物体的体积大小进行建模，可以通过设置参数来控制模型的体积大小。3Ds Max 还可以对模型进行纹理贴图处理，以模拟真实世界中物体的表面纹理效果。3Ds Max 是一款功能强大的三维建模软件，在电力行业应用较多，在变电站电气设备虚拟仿真系统设计中也得到了广泛应用。如图1所示为变电站的基本建模功能介绍。
图1中，对于变电站电气设备的建模主要分为三维模型的搭建和系统设计，模型搭建部分需要对固有的
电气设备部件进行三维模型的分析，如对变压器、电抗器等部件进行搭建，三维模型的系统部分主要是搭建交互系统，通过视频讲解、设备操作等实现对三维模型的使用。
3Ds Max 是具有较强的兼容性和扩展性的，可以根据实际需求选择不同版本的3Ds Max 软件进行操作，以满足不同需求的使用。在电力行业中，电力设备种类众多、型号复杂，通过3Ds Max 软件可以轻松创建三维模型。在变电站电气设备虚拟仿真系统设计中，通过使用鼠标、键盘操作可以创建仿真场景，在场景中添加模型参数可以生成逼真的三维模型，同时能够通过鼠标和键盘操作对场景进行编辑，包括设置场景灯光效果，添加场景中物体，修改物体材质等操作，以实现对电气设备虚拟仿真系统的设计和开发[5]
。
图1  变电站三维模拟图
Fig.1  3D Simulation diagram of substation
3Ds Max 软件具有强大的三维建模功能，可以轻松实现三维模型的创建。通过对设备模型进行特征分析，可以快速构建设备模型。同时通过鼠标和键盘操作可以对模型进行编辑，如改变物体表面颜，修改物体表面的凹凸纹理，添加光照效果等。
2  变电站电气设备的三维模型功能设计
2.1  变电站电气设备虚拟仿真模型功能应用
在变电站电气设备虚拟仿真系统设计中，可以通过设置场景灯光效果，提高电力设备虚拟仿真系统的沉浸感和真实感。在场景中添加灯光效果可以模拟真实世界中物体的表面颜，增强电力设备虚拟仿真系统的视觉效果。在3Ds Max 中，还能够通过点击、拖动、旋转、镜像等操作，对场景灯光效果进行设置。在添加光源时，需要注意光源与电力设备之间的距离问题，以免影响电力设备虚拟仿真系统的视觉效果。
在场景中添加灯光效果需要调整灯光温。在场景中添加灯光温时，需要根据不同季节对照明颜进行调整。例如，在夏季和冬季时需要将灯光温调整为暖。通过点击、拖动等操作可以对灯光温进行调整，以满足不同季节对电力设备虚拟仿真系统的照明需求。
在3Ds Max 中添加光效是模拟真实世界物体表面颜的重要方法之一。通过点击、拖动、旋转等操作可以对光效进行设置，以模拟真实世界物体表面颜。在添加物体时，需要根据实际需求对所添加的物体进行命名[6]。在3Ds Max 中，可以选择添加，然后在弹出的菜单中选择对象，通过该菜单可以选择不同种类的需求目标进行添加。在变电站电气设备虚拟仿真系统设计中，系统可以根据需要对场景中的物体进行添加，同时还可以对所添加的物体进行编辑和修改。例如，在添加变电站电气设备虚拟仿真系统场
景中的变压器时，需要按照实际需求对变压器进行添加，可以选择菜单进行操作。通过该菜单可以选择不同种类的变压器，并对其尺寸、材料等进行设置。
变压器的设计是在变电站电气设备虚拟仿真系统场景中进行的，首先需要根据实际需求对场景中的变压器进行选择，然后对其尺寸、材质等进行设置。在添加变压器时，还需要在场景中选择一个合适的变压器模型，然后将模型
许路广·基于3Ds Max三维建模软件的变电站电气设备虚拟仿真系统设计第11期75
图2  变电站电气设备三维场景模拟
Fig.2  3D Scene simulation of substation electrical equipment
拖动至场景中并使其与其他模型产生关联。例如，在添加变压器时，可以先添加一个普通变压器模型，然后将其拖动到变电站电气设备虚拟仿真系统场景中，这样可以使变压器与其他模型产生关联。通过在3Ds Max 中对变压器进行添加操作，可以完成变压器模型的构建。同时还需要注意的是，在添加变压器模型时，可以选择将其放置在场景中某个位置，这样可以使其与其他模型产生关联。
2.2  变电站电气设备三维模型绘制
对于三维模型的绘制，首先需要对模型进行草图绘制，在绘制完成后，需要将其保存为格式文件。在3Ds Max 软件中，点击格式文件后会弹出一个对话框，在此对话框中可以对模型进行修改，通过鼠标右键可以对其进行删除操作。其次，还要将模型导入到3Ds Max 中进行编辑。在导入模型后，需要选择拾取法方式进行操作。在使用操作时，需要对模型中的小零件进行拾取，并将其放置在场景中的相应位置。常见的3Ds Max 支持多种材质类型，包括表面材质、贴图材质、透明材质、半透明材质等。在3Ds Max 中，可以通过点击鼠标右键，选择菜单中的创建或者替换命令，或者按下键盘上的B 键等方式将3Ds Max 中的材质添加到场景中。在3Ds Max 使用中，还可以对不同类型的贴图进行选择，以达到不同效果的贴图使用。
3Ds Max 提供了多种贴图材质类型，包括照片贴图、数字贴图、相/饱和度贴图、纹理贴图等[7]。在3Ds Max 软件中，贴图方式有图元、着、纹理等多种类型，可以根据实际情况选择适合自己的贴图类型进行贴图修改和制作。在3Ds Max 软件中贴图类型包括面片贴、图元贴、半面片贴、数字贴等。在3Ds Max 软件中，贴图大小与物体表面纹理数量有关。当物体表面纹理数量较大时，需要使用较大的贴图尺寸来达到效果。
3  基于变电站电气设备的三维模型系统设计
3.1  变电站电气设备系统场景模型介绍
变电站电气设备虚拟仿真系统包含仿真场景、三维模型、模型编辑、场景操作4个部分，变电站电气设备虚拟仿真系统分为4个主要模块，分别是虚拟场景、电气设备、交互操作、变电站电气设备场景操作，如图2所示。
图2中虚拟场景是指在三维环境中模拟变电站运行环境的一个场景，包含变电站的各种设施，如建筑物、树木等，可以创建出变电站的整体模型，还能够在三维空间中随意站立、行走。变电站电气设备场景操作是指虚拟仿真系统中对虚拟的变电站电气设备进行操作，包括开关的合闸和分闸操作，断路器和隔离开关等，可以通过鼠标和键盘控制虚拟仿真系统中的各种电器进行运行和维护。以上4个模块相互关联，构成了系统整体功能，可以在仿真场景中随意走动，并以任意方式移动到指定地点或目标位置[8]。
仿真场景包含变电站的各种设施，如建筑物、树木等，并且可以动态变化，可以在仿真场景中随意移动、走动，
并与虚拟场景中的各种设备进行交互操作。
变电站虚拟仿真系统采用三维建模软件3Ds Max 进行建模，在建模过程中，为了保证虚拟场景的真实感，需要根据变电站实际情况进行建模，并对变电站的各种设施进行详细地描述。首先，在三维建模软件中建立变电站的整体模型，并根据实际情况进行必要的编辑和修改。然后，对变电站内的各种设施进行详细地描述和设定。最后，在3Ds Max 软件中建立起整个虚拟场景。在建立起整个变电站仿真场景后，需要对其进行渲染处理。在渲染过程中，需要利用3Ds Max 软件中的插件对三维场景进行渲染处理。
对于变电站仿真场景中的各种设备和设施可以采用3Ds Max 软件中自带的插件来进行渲染处理。在进行渲染过程中，需要根据实际情况对一些特殊效果，如光照和阴影等进行处理。同时，在进行渲染处理时还需要使用到3Ds Max 软件中自带的一些贴图功能来实现对不同材质、贴图和纹理的切换处理。为了实现在三维空间中的任意走动、站立等动作，在仿真场景中设计一些交互操作模块。这些交互操作模块包括鼠标控制和键盘控制两种方式。鼠标控制方式是指在三维空间中移动虚拟场景中的各种物体，并通过鼠标点击来实现对物体的控制；键盘控制方式是指通过键盘来控制虚拟场景中的各种物体移动和移动位
置等操作。
建筑物是指在3Ds Max 软件中对变电站建筑物进行建模，建立变电站建筑物的三维模型，如变电站围墙、变电站大门等。在建立3Ds Max 的模型时，需要根据实际情况合理选择建模工具和建模方法。对于不同建筑物，选择不同的建模工具和建模方法会得到不同类型、不同特征和不同功能的模型。建筑类物体和树木类物体使用不同的建筑指令进行搭建，如建筑类物体使用软件自带的建筑类指令，树木类则使用树木类指令。
在建立3Ds Max 的模型时，还需要保证模型之间的关联关系和位置关系正确。对于电气设备模型，需要保证三维模型之间能够正确关联和相互位置关系。例如，在电气设备三维模型与虚拟场景中其他物体之间的关联关系方面，需要保证三维模型之间具有正确的关联关系。
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3.2  变电站电气设备三维模型系统功能介绍
在三维建模完成后，系统会对生成的虚拟场景进行展示，展示方式可以是静态的也可以是动态的。静态展示时，在虚拟场景中显示出各种电气设备，如开关和断路器等，可以通过鼠标和键盘控制这些设备的动作；动态展示时，在虚拟场景中显示出各种电气设备，如断路器、隔离开关和刀闸等。
交互操作是指在虚拟场景中，可以通过鼠标和键盘对虚拟场景进行操作，主要包括对虚拟场景中的物体进行移动，改变运动方向，改变位置等，可以在虚拟场景中任意走动，并通过鼠标和键盘控制虚拟场景中的各种电器，如断路器的分闸、合闸等。在交互操作中，可以随时查看各个电气设备的状态，了解设备的使用方法和注意事项。交互操作需要借助三维模型和交互漫游功能实现，因此需要将三维模型、交互漫游、虚拟场景三者结合起来使用。
交互漫游是指在虚拟场景中，可以通过鼠标和键盘对虚拟场景中的物体进行移动，改变运动方向，改变位置等操作，可以根据需要随时查看各个电气设备的状态。在交互漫游时，可以直接使用鼠标或键盘来控制各个电气设备的运动方向和运动速度，而不用进入虚拟场景中进行操作。在进行交互操作时，可以通过鼠标和键盘来控制虚拟场景中的各种电器运动状态，包括开关的合闸和分闸操作、断路器和隔离开关等。
互动教学是指在虚拟仿真系统中提供一个交互式的教学环境，可以通过交互操作对所学知识进行巩固练习，互动教学需要借助三维模型和交互漫游功能实现。安全教育是指在虚拟仿真系统中，为提供一个安全的环境，让其在安全环境中学习安全知识。在进行互动教学时，需要先进入到安全环境中，再通过鼠标和键盘进行操作。辅助测试是指在交互式功能的基础上，为系统添加一些辅助测试功能。辅助测试可以对整个系统进行操作演练，了解整个系统的运行过程和具体使用方法。自动保存是指在虚拟仿真系统中完成对各个功能模块的操作后，自动保存对各个功能模块的操作记录。变电站电气设备虚拟仿真系统
的场景操作功能，如图3所示。
如图3所示，电气设备的仿真系统中包括选择系统功能、复制功能、移动功能、旋转功能、漫游功能、删除功能和拖拽功能。这些功能都能够通过在三维模型中使用键盘鼠标拖动就能完成。搭建的三维模拟系统中还有一些额外的操作功能，如交互式操作，能够实现对电气设备的关闭、移动、旋转；漫游功能能够在虚拟场景中移动和位置确定；碰撞检测功能能够自动检测两个设备是否发生碰撞；交互式漫游功能能够实现电气设备的状态信息传递；防护功能是在场景中实现虚拟防护；控制功能能够对场景中的人物或设备进行漫游控制。
4  结论
此次研究在变电站电气设备的基础上结合三维模拟的特点，搭建了变电站电气设备的虚拟仿真模型系统，系统包括选择、移动、漫游等功能，能够实现和现实的交互从而能够使得设备更好的进行检查和维修。3Ds Max三维建模软件的变电站电气设备虚拟仿真系统具有操作简便、功能完善等特点，为变电站电气设备培训提供了新思路，有效降低了变电站电气设备培训成本，提高了培训效果。未来，需要进一步对变电站电气设备虚拟仿真系统进行优化和完善，开发出更多符合电力行业需求的变电站电气设备虚拟仿真系统，使其更好地为电力行业服务。
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图3  电气仿真系统功能模块
Fig.3  Functional modules of electrical simulation system
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