多能互补低碳型电站的沉浸式设计.pdf

26上海电气技术2023,16(2)多能互补低碳型电站的沉浸式设计徐欣上海电气集团股份有限公司中央研究院摘要：为满足能源装备制造企业对多能互补综合能源电站高效规划设计的需求，基于虚拟现实技术，对多能互补低碳型电站进行沉浸式设计，建立三维可交互体验的虚拟电站模型，实现电站地理环境、厂房建筑、各主要设备运行状态及相关数据等的沉浸式虚拟呈现。用户可以通过沉浸式交互体验，对规划方案进行可视化高质量评审。设计者可以通过模块化增减，对设计方案进行高效优化迭代。基于沉浸式设计，企业可以进行设计方案的宣传、展示与竞标，以及装备产品的数字化运维服务，实现数字资产沉淀。关键词：电站；设计；虚拟现实中图分类号：TP391.7Abstract:In order to meet the need of energy equipment manufacturing enterprise for efficient planningand design of multiple energy complementary comprehensive energy power plant,based on virtual realitytechnology,an immersive design of multiple energy complementary low-carbon power plant was carried out,and a three-dimensional interactive virtual power plant model was established to achieve immersive virtualpresentation of the power plant geographical environment,factory building,operation status and related dataof major equipment.User can conduct visual and high-quality review of planning scheme through immersiveinteractive experience.Designer can efficiently optimize and iterate the design scheme through modular additionand deletion.Based on immersive design,enterprise can promote,showcase,and compete for design solution,as well as provide digital operation and maintenance service for equipment product,achieving digital assetprecipitation,Keywords:Power Plant;Design;Virtual Reality完上海2200070文献标志码：A文章编号：16 7 4-540 X（2 0 2 3)0 2-0 2 6-0 5的低碳型发电站建设及运营提供高效低耗的发电装1项目背景备，也为实现双碳目标贡献力量。化石能源的加速消耗是全球气候趋于恶化的主因之一，化石能源向低碳可再生能源的持续转换势在必行，高比例可再生能源的高质量消纳，已成为当前新旧动能转换的关键所在，以光热、光伏、风电等多能互补为标志的综合能源发电方案是当前研究及应用的焦点。作为大型发电设备生产制造及集成解决方案的供给企业，自然应当具备多能互补综合能源整体解决方案的设计规划与实施的能力，为我们国家更多传统的电站规划设计一般采用纸质绘图或二维平面数字制图，以这种方式在大型电站前期的规划阶段进行设计，客户对方案的信息获取较抽象，方案的更改优化其效率较低，后续的模型复用性也较差。高维度数字建模设计是工程类项目方案规划设计的发展趋势，具有形象直观、方便更改、所见即所得及复用度高等优势，其中的沉浸式设计方法，是未来产业元宇宙环境下产品规划设计的必由之路。就应用场景而言，国内外大量专家学者主要围收稿日期：2 0 2 3-0 2作者简介：徐欣（198 6 一），男，硕士，高级工程师，主要从事机电装备设计及建模仿真工作2023,16(2)绕文旅、娱乐、教育和培训等场景研发沉浸式设计。就应用对象来说，多数主要在单一的小体量的产品研发设计过程中应用沉浸式设计。笔者将基于虚拟现实的沉浸式设计应用于某大型多能互补综合能源发电站的规划方案设计，为潜在客户建立一套三维可视化综合能源虚拟电站，实现沉浸式设计与交互性体验的融合，满足设计版本迭代优化、规划方案多轮评审、功能效果宣传展示等一系列需求，同时也有助于企业进行数字资产沉淀，实现商业中标及未来数字化运维服务。2电站方案与传统高碳消耗的火力发电不同的是，多能互补低碳型综合能源电站主要由光热、光伏、风电、汽发和输配电等系统组成，大量直接和间接地利用太阳能产热。其中，光热系统主要由槽式集热场、低温熔盐罐、高温熔盐罐、空气冷凝器等设备组成，是该电站的重要组成部分，是太阳能转换成热能的最关键部件之一，也是此电站方案沉浸式设计与呈现的主要内容之一。电站方案的设计，要求后续能以此为基础，对不同规格、不同布局、不同优化程度的综合能源电站进行拓展应用，实现整体电站的沉浸式虚拟漫游、交互体验和方案模块化优化设计等功能。沉浸式虚拟现实电站的总体设计架构包含模型环境设计和交互体验设计共两个部分，如图1所示。首先，需要对虚拟现实电站的设备及其环境进行数字化建模，包括视觉、听觉和触觉的三维虚拟建模。视觉建模是设计方案可视化的最重要且最基础的组成部分，包括场景中所能看到的所有的地理环境、厂房建筑、产品设备和运行数据等。听觉建模主要包括方案中所需的各种产品设备的音效及其语音讲解，提高场景的逼真度和完整性。触觉建模主要通过交互手柄的振动，为体验者提供触觉反馈。其次，需要将虚拟现实电站数字化模型环境导入虚拟现实开发引擎Unity3D或UE4等设计平台中，在其中完成模型环境的方位布局、光线设置、材质美术等处理工作，使虚拟模型环境更加贴近真实电站实体，为后续更佳的交互体验做好模型基础。最后，需要根据设计者要求，进行交互体验程序的编辑和测试，包括移动、按钮、拆装、播放、切换等视、听、触的相关交互控制程序的开发，为实现多通道交互体验做好准备。上海电气技术模型环境地理环境模型产品设备模型电站运行数据音效与讲解图1虚拟现实电站总体设计架构33三维建模3.1王环境建模以槽式光热为主要特征的综合能源电站位于我国光照资源丰富的西北部地区，站区包含占地数平方公里的大面积集热场，因此地理环境建模成为电站良好可视化的一个直观且重要的因素。设计方案需要特别关注电站站址的地形地貌、植被情况、道路、河流等环境因素，这些因素将很大程度上影响电站整体规划的现实可行性及虚拟可视化效果。通过读取地理信息系统数据信息，并结合现场环境数据勘测，对电站所在地区的地貌特征进行三维几何数字化建模，建立了包含戈壁、山脉、道路、树木等地形地貌与自然植被条件的三维数字化地理环境模型，为在此基础上进行电站建筑与设备等核心对象的构建打好基础。3.2设备建模综合能源电站所包含的建筑与设备等的三维实体主要有主厂房、汽轮机、发电机、升压站、槽式集热器、蒸汽发生器、空冷系统、导热油系统、油盐热交换器、电加热器、储热系统、追光式光伏、风力发电机等，建模所使用的上述三维模型均由实施单位提供，这样可保证模型的准确性，部分设备的初始三维模型如图2 所示。在进行虚拟场景构建过程中，实际设备包含了许多结构细节和技术秘密，不需要呈现。因此，在满足客户沉浸式场景可视化需求的前提下，需要对模型进行优化处理，主要是针对不同显示颗粒度需求的位置进行减面操作，通过对模型优化，可以减少对硬件系统资源特别是显卡资源的消耗，增加运行流畅度。3.3美术煊染为实现高逼真度沉浸式场景体验要求，需要根27交互体验计算工作站、头显、投影仪等硬件设备工具漫游交互程序Unity3D.UE4、_St e a m等引擎软件平台28据项目的规划意图进行美术及染处理，根据提供的相关地理环境数据，营造戈壁的地形地貌和自然环境。根据建筑及设备的真实外观，创造逼真的建筑风格和设备外观视觉效果。笔者在Unity3D引擎中基于真实环境和各设备、建筑的照片，利用UV纹理贴图和编写shader等方式，针对不同的建筑构件、设备零部件、环境等要素，设计开发了不同的材质球，用于三维模型的最终美术染。对于诸如集热器中导油管流动效果的可视化呈现，可以通过编写程序控制贴图的UV值随时间进行变化，从而呈现出材质流动的效果。3.4运动模拟电站包含多个需要持续运动的设备，为了将这些设备的运行动作状态在虚拟现实场景中进行可视化呈现，需要在Unity3D中设置关键帧来创建它们的运行动作模拟动画，并通过编写脚本程序，控制这些动画的播放。一般情况下，槽式集热器和追光式光伏的朝向角度会随着一天中太阳位置的变化进行实时跟随，以确保最大限度地利用太阳能。在虚拟现实系统场景中要表现该效果，需要在通过关键帧创建槽式集热器和追光式光伏的转动动画基础上，编写脚本程序，将场景平行光的照射角度与集热器的转动角度相关联，这样就可以呈现出槽式集热器和追光式光伏随太阳照射角度变化而跟随转动的效果，并在地面上显现出因光照角度变化而移动的阴影。3.5特效及语音多能互补低碳型综合能源电站的目标就是将更多太阳能转化为电能，因此能量流动的显示是电站可视化方案的重要组成部分。通常，以槽式光热为主要特征的综合能源电站的能量流动包含三个回路，每个回路的导热介质和温度都不相同，采用流动的粒子特效并配合不同的材质，可以有效地表现不同回路、不同介质的能量流动效果，如图3所示。同时，为进一步增强场景的交互体验丰富度，在虚拟场景中增加了语音讲解功能，具体包括了设备运行的上海电气技术音效和语音讲解功能，通过录音、音效模拟和讲解配音等方式，将场景中各处对应需要听觉参与的部分录制成MP3音频文件，并通过设置交互插件，使用户在漫游到相应位置时，可以个性化选择触发对应的听觉体验。集热器空冷图2 部分设备初始三维模型2023,16(2)蒸发器图3能量流动效果4交互设计4.1漫游开发根据系统方案的总体设计架构，漫游交互方式包括被动式漫游和主动式漫游。被动式漫游指体验者可以选择预先规划好的路径进行漫游交互，预先规划的路径结合地形地貌、建筑结构、设备型号等实际场景的具体特点进行确定，包含鸟瞰、透视、穿越等不同类型视角。同时需要考虑人体感官的接收程度，即在不降低高空视角、连续运动等视觉效果的同时，减小眩晕等不适感。当视角移动到对应的位置时，系统自动触发相应的场景变化、设备运行动作、音效和语音讲解等。主动式漫游则是让体验者借助手柄等操控设备进行个性化移动，自由地选择非预设视角与路径，自由地通过交互界面操控场景中的各种对象、动作及其状态，从而实现完全体现用户意志的漫游交互体验。4.2交互开发用户需要通过手柄将控制指令传递到系统中，进而控制虚拟场景中的设备运动、目标的出现和隐藏、漫游位置的变化、音效和语音讲解播放等，同时也需要呈现部分设备的状态参数信息。在Unity3D引擎中，开发了用于交互操作的图形和用户界面，如图4所示。在多能互补低碳型综合能源电站沉浸可视系统中，除了佩戴虚拟现实头显设备的用户需要进行交互操作之外，旁边辅助人员也可以通过键盘进行相关辅助操作。因此，这一系统设计方案特地在键盘上设置了对应的按键功能，增加了辅助人员可在旁通过键盘控制相关虚拟场景，从而提高了系统操控的鲁棒性。2023,16(2)上海电气技术29风光储一体化项目实时数据实时总功事手43.8 0 958光快动排9.18 97 94RA9437368环滤收据当前风速47MM图4交互操作界面图6 设备5实实现效果整体实现效果如图5所示。基于上述方案沉浸式设计规划的场景可视化构建策略，以某50 MW多能互补低碳型综合能源电站为对象，基于Unity3D引擎建立沉浸式可视虚拟现实呈现系统。硬件选用HTC VIVECosmos作为虚拟现实头显，由戴尔Precision7720移动工作站提供运算，设备如图6 所示。用户佩戴虚拟现实头显，可以沉浸式地漫游体验该综合能源虚拟现实电站的规划场景、设备的运行效果、能量传递效果等，并配合有音效和语音讲解，实现具有高逼真度、沉浸体验、人机交互的虚拟电站场景方案体验，以满足后续对产品结构设计迭代、设计方案宣传展示、综合能源各容量组合布局、多人异地方案规划评审等多项功能的需求。图5整体实现效果6结束语沉浸式数字建模设计是大型工程项目方案规划设计的发展趋势，笔者将基于虚拟现实的沉浸式设计应用于多能互补低碳型综合能源电站的规划方案设计，为客户建立一套三维沉浸式可视的虚拟电站，实现整体设计方案的视、听、触沉浸式体验。此类沉浸式设计方案有助于用户进行产品与服务的高效宣传和介绍、数字模块化的方案投标、设备运行维护的教育培训、企业资产的数字化沉淀等，实现一系列功能，直接和间接为企业创造巨大价值。参考文献1J LI U ZB,LI U B Q,D I NG X Y,e t a l.R e s e a r c h o nOptimization of EnergyStorage Regulation ModelConsidering Wind-solar and Multi-energy ComplementaryIntermittent Energy Interconnection J.Energy Reports,2022,8(S7):490-501.2 王魏，程松，谢文韬.塔式太阳能定日镜聚光策略及其应用仿真J.上海电气技术，2 0 14，7（3）：35-40.3赵雨，籍楚雄，朱艳燕.基于AutoCAD的分布式光伏电站设计软件的介绍J.太阳能，2 0 2 2（4）：12 8-132.4J HUANG S H,ALI N A M,SHAARI N,et al.Design上海惠of New Energy Vehicle Exhibition Space Based onVirtual Reality TechnologyLJJ.Energy Reports,2022,8(S4):812-822.5J BI R R ELL S,PA YR E W,ZD A NO WI C Z K,e t a l.U r b a nAir Mobility Infrastructure Design:Using Virtual Realityto Capture User Experience within the World s FirstUrban Airport J/OLJ.Applied Ergonomics,2022,105,https:/doi.org/10.1016/j.apergo.2022.103843.6 J DE LIMA E S,SILVA B M C,GALAM G T.AdaptiveVirtual Reality Horror Games Based on Machine Learningand Player Modeling J/OL.Entertainment Computing,2022,43,https:/doi.org/10.1016/j.entcom.2022.100515.7 J BR A U N P,G R A FELM A NN M,G I LL F,e t a l.V ir t u a lReality for Immersive Multi-User Firefighter TrainingScenariosJJ.Virtual Reality&.Intelligent Hardware,2022,4(5):406-417.(下转第41 页）2023,16(2)7问题与解决三相共箱式组合电器用耐压试验工装在最初设计时，滑动密封组件完全参照国家标准设计，结果在使用中发现，因配合过紧，现场操作工人不能拉动动密封连杆。由此，对滑动密封进行改进，将连杆车薄，之后情况明显改善。2022年6 月，现场耐压试验时，发现工装的动密封连杆出现脱出情况，分析原因为现场人员旋转动密封连杆，使动密封连杆脱离螺纹。为避免同样情况发生，采取如下措施：现有全部工装编号，对动密封连杆进行排查，动密封连杆不牢固或者动密封连杆有损坏的，更换并重新用厌氧胶粘合；在工装每相盖板上贴禁止逆时针旋转动密封连杆的警示语，并进行记录；同时对工装的动密封屏蔽和动密封连杆图纸进行改进，增加轴用弹性挡圈卡槽，加装轴用弹性挡圈。8结束语根据工程实际需求，设计了三相共箱式组合电器用耐压试验工装，大大减少了现场使用试验套管的数量，为更高效地完成组合电器现场试验提供了上海电气技术有力保障。在今后工作中，计划加大工装的设计裕量，以满足雷电冲击试验及更高电压等级设备耐压试验的需求。还计划将手动推拉动密封连杆改为远程电动控制，这样可以节省现场作业时间。采用远程电动控制，还可以使操作人员尽可能远离带电设备，从而保障现场试验人员的人身安全。参考文献1成大先.机械设计手册M.6版.北京：化学工业出版社，2 0 16.2史兴文.110 kV电力电缆现场交流耐压试验J.水电站机电技术，2 0 2 3，46（1）：2 2-2 4，143.3液压气动用O形橡胶密封圈第1部分：尺寸系列及公差:GB/T3452.12005S.4液压气动用O形橡胶密封圈第2 部分：外观质量检验规范:GB/T3452.22007S.5液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸：GB/T3452.32005S.6 张兴伟.气体绝缘全封闭组合电器耐压试验控制设备损坏的处理J.电世界，2 0 18,59（2）：2 5.7 陶风波，王帅，贾勇勇，等.特高压气体绝缘金属封闭式组合电器的现场冲击耐压试验方法J.高电压技术，2 0 18，44(12):3936-3943.(编辑：尔东)41(上接第2 9 页）8 SIMONETTO M,ARENA S,PERON M.A MethodologicalFramework to Integrate Motion Capture System and VirtualReality for Assembly System 4.0 Workplace DesignJ/OLJ.Safety Science,2022,146,https:/doi.org/10.1016/j.ssci.2021.105561.9 J D A SI LV A NP,ELO Y S,R ESEND E R.R o b o ticConstruction Analysis:Simulation with Virtual RealityJ/OLJ.Heliyon,2022,8(10),https:/doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.el1039.(编辑：禾禾）中国期刊方阵“双百”期刊华东地区优秀期刊机械制造月刊邮发代号 4-18欢迎订阅欢迎来稿欢迎刊登广告