三維仿真技術在電力工程試驗中的應用

◆楊柏松 鄭桂彬 李長庚

1 引言

近幾年，隨著我國電力工程規模不斷擴大，結構日益復雜，先進自動化設備的不斷投入，自動化技術的不斷更新，對電力工程的穩定運行提出更高的要求[1-2]。電力工程規范的安全運行對于維持電力工程的穩定、保證電力工程的可靠供電具有十分重要的意義[3]。因此，加強對運行人員的技術培訓，提高他們的運行操作和事故處理能力，是目前電力培訓的重點。用人單位都希望學校培養的畢業生能與上崗單位要求零距離，特別是專業技術專項能力模塊的訓練能力與實際電力工程要求相符[2-4]。

目前，國外各高職院校電力工程高電壓教學試驗已經發展到用物聯網技術為核心，并已形成一定的標準，而我國電力工程教學試驗主要有兩種形式。

第一種是基于物理平臺的硬件仿真系統結合部分計算機仿真系統，能夠建立與真實電廠、變電站等十分相似的外觀環境，配備有各種配電屏、控制屏等[5]。學生能通過儀表監視、開關操作、操作票等，了解電廠、變電站的基本操作流程。但這種方式不僅占地而積較大，投資大，且對于電廠的動力部分受到場地、設備的限制而難以仿真。

第二種形式則完全利用計算機軟件，在計算機上可以進行所有的操作，使學生對整個電廠、變電站的結構、設備組成、操作流程有一個較為完整的概念[1-6]。

這兩種形式的仿真雖然各有利弊，但都存在一個共同的缺點：與真實操作不一致、真實感較差，無法對一次設備進行倒閘操作、設備巡視[3-7]。

結合我國電力工程教學試驗的不足，提出利用三維仿真技術的設想，并結合VR仿真平臺的建設，對高壓倒閘柜出線柜停電操作仿真試驗所能達到的效果予以簡要描述，旨在解決規避在教學試驗過程中因電壓過高可能存在的安全風險，又可用試驗儀器對被試品直接進行試驗，用真實儀器在真實的設備上進行接線、加壓，實現優勢互補，讓學生快速掌握各類電壓等級設備的試驗接線和儀器的操作方法。它具有真實性與交互性的特點，能夠完美地完成教學任務；尤其針對電力工程教學方式的改革，它的交互性將更加有效地提高教學質量。

2 三維仿真技術平臺的搭建

三維圖形原理是利用一系列的光學方法使人左、右眼產生視差，從而接收到不同的畫面，在人腦中形成具有距離感的三維立體效果，使人看到的就像真的一樣。3D-VR平臺正是基于這種可視化的技術而實現的。三維仿真技術具有如下功能。

1）仿真平臺可提供參數設置、快門設置、時標設置、趨勢記錄設置、報警紀律以及成績評定要求等選項，便于教學任務的開展。

2）在仿真平臺上，學生可以根據自己的具體學習情況有選擇地學習，如可自行設計、試驗不同的開閉所高壓柜操作方案，實現復雜的控制和優化實現。

3）與實地操作相比，具有實際操作無法比擬的安全性以及經濟效益。

通過構建三維仿真VR平臺，電力工程試驗仿真培訓環境擬進行人性化設計，充分利用虛擬現實等多媒體技術，通過刺激學生的感官神經，調動學生的學習積極性和主動性，還能提高學生綜合分析問題、解決問題的能力。

3 “高壓倒閘柜操作”仿真試驗平臺設計

高壓倒閘柜出線柜停電操作是電力系統教學中一個典型的教學試驗。與實地試驗相比，“高壓倒閘柜出線柜停電操作”三維仿真實習平臺可訓練學生構建工程的操作步驟與工程素養。這樣的試驗可以更好地達到預期教學的目標要求，同時滿足工業工廠人員崗位的操作技術要求。

試驗的步驟

1）進入控制中心，選擇“全林開閉所——出線柜停電操作”。

2）選擇安全用具并點擊提交選擇按鈕；安全用具包括（個人工具包、絕緣鞋、安全帽、0V絕緣手套、高壓驗電器）。

3）對安全用具分別進行安全檢驗，檢驗合格后提交工具選擇任務并進入全林開閉所場景。

4）檢查儲能指示狀態。觀察儲能指示黃燈和小車面板上的儲能狀態指示器：指示黃燈熄滅，指示器箭頭指向上方時，表示彈簧未儲能；指示黃燈亮，指示器指向下方時，表示儲能已經完成。確認此時彈簧未儲能，不能進行斷路器分閘操作。如果儲能完成，則可以直接進行斷路器的分閘操作；如果儲能未完成，則首先要進行手動儲能操作。

5）儲能。打開斷路器室面板，在儲能操作孔插入儲能操作桿，反復下壓操作桿，并觀察下方的儲能狀態指示器，當箭頭變為指向下方時，停止操作取下操作桿，觀察儲能指示燈亮起，關閉斷路器室面板，儲能完成。

6）檢查斷路器和接地開關狀態。查看斷路器狀態和計數器顯示的次數，斷路器合閘指示紅燈亮時表示連通，斷路器分閘指示綠燈亮時表示斷開。停電操作前，斷路器連通（圖1），接地開關斷開。

7）斷開斷路器。通過斷路器操作開關進行斷路器操作，首先注意將操作方式開關打到“就地”一側（圖2），然后將斷路器操作開關的旋鈕打到“分閘”一側。

8）再次檢查斷路器狀態。觀察斷路器分合閘指示燈顯示，當分閘指示燈亮時，表示斷路器已經斷開（圖3），小車面板上的計數器顯示次數加1。

圖1

圖2

圖3

9）搖出小車。從工具箱中取出小車操作手柄，插入小車操作孔，逆時針旋轉手柄大約20圈；操作完成后，取下手柄，放回工具箱，此時觀察小車從運行位置移動至試驗位置（圖4、圖5），小車運行位置指示紅燈熄滅，試驗位置指示綠燈亮起。

圖4

圖5

10）拉出小車。首先，打開斷路器室柜門，取下小車二次側插頭；然后安放置放小車支架，將小車拉出斷路器室，此時小車狀態為檢修位置。

11）驗電。首先，在斷路器室內置放輔助移動絕緣隔板工具，將小車操作手柄插入移開絕緣隔板工具操作孔，逆時針旋轉手柄大約20圈，移開母線側及線路側的絕緣隔板（圖6、圖7）；然后，對高壓驗電器進行試驗合格證檢驗和自檢后，再對高壓柜母線側及線路側進行驗電；驗電完成后，順時針旋轉輔助移動絕緣隔板工具上的小車操作手柄，關閉絕緣隔板，取下手柄和輔助工具。

圖6

圖7

12）放回小車。將小車從檢修位置放回試驗位置，并插上小車二次側插頭，關閉斷路器室面板。

13）閉合接地開關。打開接地操作孔閉鎖彈片，將接地開關操作桿插入接地操作孔，順時針旋轉90°，取下手柄，接地開關閉鎖彈片自動關閉，將接地操作孔閉鎖。

14）掛上停電警示牌。

試驗的操控分析 由于正常工業生產的需要，在實地實習過程中企業不可能對學生進行拉出小車、放回小車的培訓，而三維仿真VR教學試驗平臺卻極易實現這種需求。

利用可視化的三維動畫仿真技術，仿真實習平臺可實現電力工程教學模擬試驗操作，對極限工況以及操作失誤會給學生以適當的提示、報警，甚至會給出相應的指導。對高電壓設備的電氣試驗項目進行三維仿真，無需在試驗場進行實升電壓，規避了在教學培訓過程中可能存在的安全風險，同時也能讓學員了解和掌握儀器的基本使用方法和高電壓試驗的操作規范，達到技能訓練的目的。

4 結束語

針對我國各高等院校在電力工程教學試驗過程中遇到的教育制度、客觀環境以及實際條件帶來的困難，為了進一步解決目前的問題，提出利用三維仿真技術結合VR仿真平臺實現常規的電力工程教學試驗。并且本文談了電力工程教學試驗中典型的高壓倒閘柜操作試驗在三維仿真平臺的應用，并詳細介紹了該方法的可行性分析。實驗結果表明，學生通過仿真實習，可獲得與實地考察相近的視覺和聽覺感受，可以學習高壓試驗設備和試驗儀表等高壓試驗方面的基本知識，能反復練習變壓器、斷路器、避雷器、互感器等高壓設備的各種試驗操作。同時，該試驗平臺的建設也為我國電力工程教學試驗進行改革提供了一條新的思路、新的方法。但由于三維仿真技術是建立在VR仿真平臺上，對VR仿真軟件性能依賴性較高，因此對VR仿真軟件的性能有待進一步研究。■

[1]TAO Jinliang, SHI Xiaoping, HU Baisong, WEI Feng, SUN Jiao, CHEN Wenyi, GAO Binjun. 2010 Third International Conference on Education Technology and Training(ETT)[M].2010:120-123.

[2]高楠楠,宋榮偉,裴英,等.三維仿真培訓系統在電氣試驗專業培訓中的應用[J].國網技術學院學報,2014,17(2):32-34.

[3]馬元忠.淺析電力安全三維仿真培訓平臺的設計與開發[J].科技與創新,2015(2):108-110.

[4]喬卉,龔慶武,江傳文.面向電力培訓的三維交互仿真平臺的設計與實現[J].電力自動化設備,2013,33(6):157-159.

[5]湯奕,蔣平,高山,等.電力工程教學實驗中心建設的探索[J].電氣電子教學學報,2007(12):67-69.

[6]曾國,余民郭,馮煊,等.電力安全三維仿真培訓平臺的設計與開發[J].湖北電力,2014,38(4):54-56.,

[7]孫麗華,劉慶瑞,趙靜.《電力工程》課程教材建設與教學改革探究[J].中國電力教育,2008(9):130-131.