GIS變電站仿真系統的開發及其在電力培訓中的應用

郭連仲 ，張紀平，唐振江，王英杰 ，李海生 , 甄 利

(1．河北省電力公司保定培訓中心，河北 保定 071051；2.保定供電公司，河北 保定 071000；3.河北省電力公司，石家莊 050021)

隨著氣體絕緣金屬封閉式開關(Gas Insulated Metal-enclosed Switchgear，GIS)設備的不斷發展成熟，其以封閉性好、占地少、受環境影響小等優點在全國得到了廣泛應用。但由于GIS設備的封閉性，在檢修工作中，必須根據設備特點制定正確的檢修方案，調整運行方式，而不能照搬變電站的常規工作方法，否則將引起不必要的事故,因此對相關人員進行GIS相關技術培訓十分必要。為解決以上問題，開發了基于三維虛擬現實仿真技術的GIS變電仿真系統，通過VR-platform三維技術和Windows程序進行設計開發，實現了變電站綜合自動化仿真和GIS設備三維動畫仿真功能。

1 GIS設備結構及存在的問題

GIS主要由斷路器、隔離開關、接地開關、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成[1]，這些設備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中，在其內部充有一定壓力的SF6絕緣氣體，故也稱SF6全封閉組合電器[2]。

GIS設備的封閉性為運行、維護及檢修等工作帶來的不便之處主要體現在以下幾方面。

a. 內部結構不明確。由于金屬外殼的包圍，使運行及檢修人員無法直接判斷內部導體的工作狀態，而只能通過外部指示裝置進行間接信息判斷，因此當設備指示裝置不精確時容易出現誤判斷。

b. 運行方式同常規變電站有差異。由于GIS設備內部導體被SF6氣體密封并經組裝而成，每一個元件設備之間用封閉的盆式絕緣子隔離，因此在進行故障檢修時，其停電方式比較嚴格，停電操作方案不同于常規變電站。

c. 拆卸安裝不方便。由于GIS變電站設備的拆卸和安裝工作普遍由生產廠家指派專業人員進行，因此作為GIS設備用戶的各供電公司工作人員無法完全掌握GIS設備拆卸和安裝流程及工藝，不僅增加了維護成本，而且也降低了整個GIS變電站的安全性及運行效率。例如在更換斷路器時，常規變電站只需斷開其兩側隔離開關即可，但對于GIS變電站，還需將I母線進行停電操作，否則，當打開斷路器下方的氣體隔離開關時，1號隔離開關氣室壓力降低，由于I母上方的氣體隔離開關絕緣子同1號隔離開關靜觸頭為一體，會造成閃絡，擴大事故范圍。

2 GIS變電站仿真系統建立的流程

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱“VR”)[3]技術在社會生活的許多方面有著很好的發展前景， 其目的是使信息系統盡可能地滿足人的需要，人機的交互更加人性化。

VR技術中廣泛應用的基本技術就是三維立體仿真，其基本步驟為：首先建立目標對象三維模型及動畫內容，其次導入VR-platform編輯器設置交互式仿真內容。

由于GIS變電站的特殊性及復雜性，利用現有VR軟件的基礎上，在實現GIS變電站三維仿真場景的同時，利用Delphi語言及數據庫編程技術可以實現變電站二維監控仿真系統，并最終實現二維及三維界面的互動操作。

GIS變電站仿真系統建立的主要流程見圖1。

圖1 GIS變電站仿真系統建立的主要流程

根據圖1的流程，整體仿真系統分為兩部分，即三維系統和二維系統。三維系統中，首先用3D MAX進行GIS變電站整體模型的建立，包括GIS設備主體、GIS內部元件、變壓器外觀、電抗/容器及變電站其他主要設施等，模型烘焙之后導入VR-platfrom編輯器進行互動操作的設置，并利用SDK二次開發包進行更為專業的互動內容開發。二維仿真系統則首先建立二維監控界面設計，通過Delphi編寫變電站監控及運行狀態邏輯代碼，針對主要元件統一命名之后建立數據庫系統，三維及二維系統通過各自的接口讀寫公共數據庫進行數據交換。

3 GIS變電站仿真系統主要結構

系統主要結構見圖2。

圖2 GIS變電站三維仿真系統主要結構

由于培訓的需要，該系統同時配備了服務器終端及教師機監控系統。學員機同時運行二維和三維程序，對于共有設備，通過訪問公用的接口數據庫，實現2個程序中設備狀態的同步；通過訪問SQL Server 2000的學員庫，完成登錄、獲取操作題目和交卷工作。教師機運行教師監控(出題收卷)程序，通過訪問SQL Server 2000，完成用戶分發、出題、收卷、存檔、打印等任務。

4 GIS變電站仿真系統主要功能

系統具有GIS變電站三維場景，可實現GIS設備內部透明、GIS設備拆卸和安裝、氣室壓力監視及報警、氣室充放氣演示、地線掛接和拆除操作、保護操作關聯、考核等功能。

4.1 GIS設備內部透明

同實際設備比較，該仿真系統GIS設備的內部是透明的，如圖3所示。

圖3 GIS設備內部透明示意

4.2 三維系統與二維系統的互動操作

三維仿真系統和二維監控仿真系統可以實現互動操作，如圖4所示。通過二維監控界面將149斷路器斷開之后，三維系統立即變為斷開狀態，而利用就地(三維系統)操作小開關打開149-5隔離開關，二維界面通過讀取數據庫更新數據顯示斷開，由此實現三維系統與二維系統的互動。

圖4 三維系統與二維系統互動操作示意

4.3 GIS設備的拆卸和安裝

由于實際GIS設備拆卸與安裝操作十分復雜，且涉及到設備安全運行等問題，導致檢修人員了解和掌握設備拆裝流程及工藝的機會較少，而通過此仿真手段，可便捷地向學員提供設備拆卸和安裝技術的培訓。雙擊拆卸和安裝培訓界面中的TA兩端螺絲之后，點擊“拆裝工具”界面中的拆卸或安裝，便可模擬設備拆卸和安裝過程。

4.4 氣室壓力監控及報警

GIS設備是一個封閉的系統，每一個間隔有若干個氣室，一般用紅色的盆式絕緣子標示。不同設備氣室內的SF6氣體壓力不同，并且都有對應的壓力檢測裝置(密度繼電器)，該系統除具備三維場景中必要的氣室模型外，在二維監控界面中也設有對氣室壓力進行監控的按鈕。在該界面中，選取220 kV母聯開關的電流互感器氣室進行監視及操作，分別可以監控該氣室的當前壓力、報警壓力、閉鎖壓力和閃絡壓力等。為了讓學員方便地觀測到氣室壓力變化對系統的影響，通過調節“設置壓力”可以看到相應的系統報警或動作信息。

4.5 氣室充放氣演示

該仿真系統中，通過調節二維界面某氣室壓力值，可以根據內部數據庫來實時更新三維場景中對應壓力表的數值，實現氣室數據的交互；同時，通過三維動畫的方式展示了設備某氣室進行充氣和放氣的演示，使學員了解實際工作中進行GIS設備絕緣氣體充放的過程。

4.6 地線掛接和拆除操作

系統在二維模塊中設計了地線，采用鼠標拖拽方法實現對地線的掛接和拆除操作，系統自動記錄地線狀態并有敏感反應。如在帶電設備上掛接地線或給掛有地線的設備送電，保護會有相應動作和信號。該功能為學員進行仿真練習提供了一種自行設置故障的方法，亦可進行“檢查XXX設備上有無接地短路線”的常規操作項目。

4.7 保護操作關聯

該仿真系統二維監控模塊設計了變壓器、母線、線路等各種保護壓板操作界面，相當于實際變電站的軟壓板，可以通過鼠標進行各保護功能壓板和出口壓板的投、退操作。保護壓板的狀態與相應設備故障情況下的動作行為相關聯，當功能壓板在退出狀態時，該保護不啟動；當功能壓板投入而出口壓板在退出狀態時，保護啟動但不能跳閘。另外，通過邏輯圖的方式將保護壓板聯絡成有機的整體，是該系統的特點，是從培訓需要出發專門設計的，用以增強學員對保護的整體認知，操作界面見圖5。

圖5 保護壓板操作界面

4.8 考核

系統具有考核功能，設計了教師端監控模塊，用以實現出題、收卷；學員端模塊提供變電站二維畫面和三維場景，可以模擬變電站的“遠方”和“就地”操作，系統自動順序記錄操作步驟及事故情況下的保護動作等事件，該記錄可作為答卷提交，由教師端收取存檔或打印，作為對學員考核評價的依據。

5 GIS變電站仿真系統的應用效果

該系統于2009年1月正式安裝于河北省電力公司保定培訓中心變電運行實訓室。該實訓室的計算機裝配有2 GB內存、512 MB顯存和19英寸LED顯示屏，并采用一機雙屏配置，可分別為二維監控和三維場景提供顯示，實現“遠方”和“就地”操作訓練。

經反復調試修改，系統于2009年4月正式投入培訓使用。到目前為止，共培訓7個班次，包括變電站值班員高級工鑒定前培訓班、變電站值班員中級工鑒定班、電力調度員高級工鑒定班和4期電力調度員培訓，累計培訓321人次。

培訓應用取得了良好效果，受到學員普遍好評，尤其三維仿真培訓系統提供的直觀、透明、交互動作的GIS變電站場景，以及對封裝于GIS密室內部的斷路器、開關、互感器、避雷器、母線等設備內部結構的剖析、拆裝功能。系統的二維監控功能，實現了對“遠方”操作的仿真及其與三維模塊的有機結合，為變電站操作提供了有效交互式培訓手段。

系統在培訓應用中也顯示出了不足和需要改進的地方，如三維模塊就地設備的檢查功能有缺陷，針對檢修工作中的仿真內容需進一步細化，同時，為增強系統運行效果，還需對三維模塊進行優化，以降低系統運行使用門檻。

6 結束語

利用3D MAX建模工具及VR互動平臺，同Windows軟件編程工具及數據庫技術相結合，完成了GIS變電站三維仿真系統的研究。將虛擬現實技術應用于GIS變電站仿真培訓，不但能夠模擬運行人員的工作流程，還可以模擬變電站檢修工作基本內容。培訓應用情況表明，系統研究成果為GIS變電站相關培訓提供了一種有效的培訓手段。

參考文獻:

[1] 張宗九. 高壓斷路器技術問答[M]. 北京：中國電力出版社，2007.

[2] 羅學琛. SF6氣體絕緣全封閉組合電器(GIS)[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3] 李 華，陳偉偉. 基于虛擬現實建模語言的彈道可視化仿真[J]. 探測與控制學報，2009，31(1)：77-80.