110kV變電站VR虛擬仿真系統設計

劉昊洋

（國家電網 國網榆林供電公司，陜西 榆林 719000）

0 引 言

電力系統是國家最主要的基礎設施之一、是國家發展規劃和國家增長的基本要素，是國家生產、人民生活、國防體系建設的載體，是國家經濟活動的命脈。國家經濟社會活動要求電力系統能夠給用戶提供安全、可靠、優質、經濟環保的電力。經濟地滿足國家生產、人民生活、國防體系建設的需求，現代國家的工業生產、商品流通、人民生活，計算機行業發展與經濟交流都離不開電力系統，電力系統為國家的一切經濟社會活動予以支持和保障。因此電力系統的穩定性、可靠性對于人民正常生活，促進國家經濟和社會的發展都有重要意義。

1 設計背景

作為最大、結構最復雜、技術最密集、安全風險最高的電力系統，其安全穩定運行確保了國民經濟持續穩定發展。為實現電力系統高度智能化和自動化，我國積極增添越來越多的新設備，引進或研究了更多的新技術，繼電保護裝置更加精確，電氣安全技術愈加成熟。然而，近幾年來卻不乏重大電氣安全事故。以2014年為例，全國通報了電力人身傷亡事故52起，死亡或失蹤93人，電力設備事故4起，電力安全事故事件17起。電力系統人身事故統計如圖1所示。

圖1 電力系統人身事故統計

2020年3月，中廣核陽江核電有限公司冷卻水旋轉濾網堵塞，4臺機組相繼自動停機停堆，2臺機組隨后主動后撤停機，廠內損失出力630萬千瓦，經濟損失約為320萬元。2019年1月，±1 100 kV吉泉直流輸電工程昌吉換流站發生極I高端Y/D-C相換流變壓器著火事故，換流變壓器油箱及附件等有不同程度損傷，估算損失約438萬元。事故未影響電網供電和安全。

2016年6月，西安南郊變電站發生爆炸事故。本事故中，1臺330 kV變壓器、2臺110 kV變壓器燒損，部分110 kV、35 kV電氣設備損壞報廢。根據有關部門統計，直接經濟損失約400萬元人民幣，間接損失近5億元人民幣。究其根本，當值電工麻痹大意，玩忽職守，應急能力不強也是造成這次事故的原因之一。

同時，我國電力行業對人才需求量越來越大，國內16家電力企業如表1所示，而對16家電力企業人力資源總量趨勢預測如圖2所示，正在逐年增加，2020年從事人員可達2 302 789人，所以，做好電工培訓是保證各企業良好發展的前提。

表1 國內16家電力企業

?

圖2 16家電力企業人力資源總量趨勢預測

由此可見，提高工作人員素養，由量變到質變已是迫在眉睫，針對這一問題，我們需要加強“電工培訓教育”，以此強化電工安全意識，提高電工職業道德，鞏固專業知識，提升故障應急水平。

縱觀電工行業培訓狀況，電力行業特有的高危險性始終是電工培訓的最大弱點，如圖3所示，這極大地限制了受訓人員對各個設備乃至整個系統更加深入的了解。對于新老電工而言，老電工的理論知識往往是模糊的，新興的和成長中的電工缺乏實際操作經驗，所以他們不能更好地處理復雜的工況。在傳統的教學模式下，老電工更傾向于從實際工作中獲得操作經驗。他們對課堂教學的興趣不大，新員工具有扎實的理論知識，但傳統的課堂教學不能很好地發揮培養操作能力的作用。

圖3 電工培訓實例

對于培訓方式而言，傳統的電工培訓形勢多為PPT講授、大課堂講授、發放學習手冊定期考核，或是師帶徒一對一教學等等。以PPT講授、大課堂講授、發放學習。手冊定期考核這類形勢的培訓方式為例，這類培訓方式對于授課者而言，有節約時間、方便管理、易于理論知識傳授與考核等優勢，而對于學員來說，有枯燥乏味、對知識理解不夠深刻、聽課地理位置影響聽課效率等問題。而對于師帶徒一對一教學這種培訓方法來說，有益于學員知識體系的建立，學習者會更加集中注意力聽課，輔導更具針對性，學生有問題及時提問，可快速得到解決；但是這種培訓方式無法高效率利用師資、耗時耗力。因此，我們需要引入一種新的技術來解決電力培訓當下的問題。

虛擬現實技術已經用于多種行業的教學培訓之中，在醫療培訓方面就有顯著的成果，如美國的Next Galaxy公司，他們開發了一款針對醫務人員技能培訓的軟件，是與邁阿密兒童醫院合作的，該軟件可加快醫務人員對各類醫療技術的理解記憶，從而使醫護人員掌握相應的專業技術。在電工培訓方面，我國國家電網公司，針對電工開發設計了一些培訓系統，可對500 kV變電站進行虛擬觀光學習，但是其建模較為粗糙，主要實現了自動漫游功能，而且國內在110 kV變電站方面的VR虛擬現實培訓系統都存在功能較少，培訓知識不到位的問題。

2 VR技術概況

虛擬現實（virtual reality）簡稱VR，是一種高新技術，也稱靈境技術。它集成了多項技術，如：CG技術、人機交互、人工智能等，所以虛擬現實是一項綜合性的集成技術。可利用計算機生成三維空間的虛擬世界，為用戶提供多感官的仿真，使人通過相應設備，即可與虛擬世界進行交互操作。當使用者發出動作時，計算機通過復雜的運算將逼真的三維虛擬世界圖像傳輸回來，讓人產生身處其境的感覺。作為一種高級的人機交互技術，虛擬現實的研究圍繞著提高系統的沉浸感、交互性和多感知性這三個特性進行。同時，該技術響應了“互聯網+大數據+電力教育培訓”平臺搭建的政策，如圖4所示，也符合“中國制造2025”中推進信息化與工業化深度融合的戰略目標。

圖4 “互聯網+大數據+電力教育培訓”行動

虛擬現實技術已經用于多種行業的教學培訓之中，在醫療培訓方面就有顯著的成果，如美國的Next Galaxy公司，他們開發了一款針對醫務人員技能培訓的軟件，是與邁阿密兒童醫院合作的，該軟件可加快醫務人員對各類醫療技術的理解記憶，從而使醫護人員掌握相應的專業技術。在電工培訓方面，我國國家電網公司，針對電工開發設計了一些培訓系統，可對500 kV變電站進行虛擬觀光學習，但是其建模較為粗糙，主要實現了自動漫游功能，而且國內在110 kV變電站方面的VR虛擬現實培訓系統都存在功能較少，培訓知識不到位的問題。

3 110 kV變電站虛擬仿真培訓平臺

基于三維模型與虛擬現實技術的培訓軟件，極大地提升了培訓工作的安全水平，對電力行業的培訓方面產生積極影響，可進一步為電力生產保駕護航。本平臺通過對陜西省某變電站原始資料及電工培訓現狀的分析，完成了110 kV變電站VR虛擬仿真設計，闡述了運用相關軟件完成該虛擬仿真的開發過程，展示了虛擬仿真平臺在培訓方面的妙用。

本次設計主要成果體現在如下幾個方面：

（1）完成了110 kV變電站設備及相關場景的三維建模工作。如：變壓器、斷路器、開關柜等。為真實還原各個設備最真實的狀態，在模型建設時，嚴格按照各設備實物參數及物理結構1：1建模，建模精度為mm級，旨在提高模型真實感，確保人機交互開發的順利進行，變電站鳥瞰圖如圖5所示。

圖5 變電站鳥瞰圖

（2）完成了110 kV變電站VR虛擬仿真培訓平臺的開發與調試。將已經完成110 kV設備及場景三維模型導入設計軟件中，利用光照烘焙技術、shader開發優化場景，強化真實感，導入各類聲效，利用物理引擎準確展現各個設備電氣動作邏輯，惟妙惟肖的展現出一個110 kV變電站，實現了設備認知、運維巡視和倒閘操作的功能，并編寫相關代碼為實現人機交互做好準備，該VR虛擬仿真培訓平臺能滿足電工培訓的要求。

關于設備認知功能：掌握變電站設備的型號功能和工作原理，是變電站工作人員的基本功，也是保證自身安全和電網穩定運行的基本技能。因此，變電站設備學習是所有培訓系統均具有的項目。以往的學習過程中，主要是通過講師課堂講解和PPT演示等方法。但是由于變電站電氣設備眾多，設備工作原理復雜，需要記憶量太大。在本系統中，為了解決這個問題，再開發過程中將每個設備的重要信息保存至系統中，通過簡單人機交互即可展示設備的重要信息，其中GW4隔離開關學習如圖6所示。結合設備模型動作，生動形象展示工作原理和動作原理。避免了文字的枯燥。

圖6 GW4隔離開關學習

（3）實現考核和人機交互功能。利用設計軟件的GUI控件、腳本調試優化與內存管理等功能完成了考核功能的設計，可對電工進行多方面考核，其中倒閘操作過程考核如圖7所示。再將完成的110 kV變電站VR虛擬仿真培訓平臺發布到Windows端，然后利用Steam應用中的VR插件，搭載于HTC Vive硬件設備后，將一個多感官的沉浸式體驗的虛擬現實110 kV變電站呈現在使用者面前，并且可交互性操作，實現零危險性電工培訓。

圖7 倒閘操作過程考核展示

綜上所述，本培訓平臺成功利用虛擬現實技術，充分發揮其技術沉浸性、交互性、構想性等特性，使得110 kV變電站虛擬仿真培訓平臺給學員多感官的沉浸式體驗。在克服電工培訓長期存在高危險性這一弱點的同時，以其高沉浸感、真實感、交互性以及趣味性促進了學員注意力的集中，加深了學員對相關理論知識的記憶，提高學員對知識探求的渴望，而且可完成“高危險性、不可達性、不可見性”的實踐性技能培訓，可為受訓人員打下扎實的實踐操作基礎。

4 結 論

本110 kV變電站VR虛擬仿真系統，主要針對電工培訓，但由于時間有限，相關技術仍在發展階段，該VR虛擬仿真系統還可進一步完善，現提出以下幾點建議，可在今后工作學習中繼續改進：

（1）建模工作煩瑣，今后可建立元件庫，因為建模工作量巨大，從器件選取到資料分析，到確定尺寸，然后進行建模會耗費大量時間。如果有成熟的元件庫，會讓VR培訓平臺建設事半功倍，并且便于進行設備調整。

（2）繼續完善考核系統。本設計根據任務書，著重于培訓系統在設備認知、漫游巡視及人機交互等功能實現工作，考核系統作為一個新的功能，在考核機制及評分系統方面仍有繼續改進完善的空間。

（3）更加標準化。隨著技術的發展，今后可更加優化系統設計，添加更多新功能，使VR虛擬仿真培訓平臺更加貼近現實變電站的運行管理，確保培養出技術強、專業精、努力超越，追求卓越的電力從業者。