三維仿真技術(shù)在電力工程試驗(yàn)中的應(yīng)用

◆楊柏松 鄭桂彬 李長(zhǎng)庚

1 引言

近幾年，隨著我國(guó)電力工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，先進(jìn)自動(dòng)化設(shè)備的不斷投入，自動(dòng)化技術(shù)的不斷更新，對(duì)電力工程的穩(wěn)定運(yùn)行提出更高的要求[1-2]。電力工程規(guī)范的安全運(yùn)行對(duì)于維持電力工程的穩(wěn)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(qiáng)對(duì)運(yùn)行人員的技術(shù)培訓(xùn)，提高他們的運(yùn)行操作和事故處理能力，是目前電力培訓(xùn)的重點(diǎn)。用人單位都希望學(xué)校培養(yǎng)的畢業(yè)生能與上崗單位要求零距離，特別是專業(yè)技術(shù)專項(xiàng)能力模塊的訓(xùn)練能力與實(shí)際電力工程要求相符[2-4]。

目前，國(guó)外各高職院校電力工程高電壓教學(xué)試驗(yàn)已經(jīng)發(fā)展到用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，并已形成一定的標(biāo)準(zhǔn)，而我國(guó)電力工程教學(xué)試驗(yàn)主要有兩種形式。

第一種是基于物理平臺(tái)的硬件仿真系統(tǒng)結(jié)合部分計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，能夠建立與真實(shí)電廠、變電站等十分相似的外觀環(huán)境，配備有各種配電屏、控制屏等[5]。學(xué)生能通過(guò)儀表監(jiān)視、開(kāi)關(guān)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(duì)于電廠的動(dòng)力部分受到場(chǎng)地、設(shè)備的限制而難以仿真。

第二種形式則完全利用計(jì)算機(jī)軟件，在計(jì)算機(jī)上可以進(jìn)行所有的操作，使學(xué)生對(duì)整個(gè)電廠、變電站的結(jié)構(gòu)、設(shè)備組成、操作流程有一個(gè)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(gè)共同的缺點(diǎn)：與真實(shí)操作不一致、真實(shí)感較差，無(wú)法對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行倒閘操作、設(shè)備巡視[3-7]。

結(jié)合我國(guó)電力工程教學(xué)試驗(yàn)的不足，提出利用三維仿真技術(shù)的設(shè)想，并結(jié)合VR仿真平臺(tái)的建設(shè)，對(duì)高壓倒閘柜出線柜停電操作仿真試驗(yàn)所能達(dá)到的效果予以簡(jiǎn)要描述，旨在解決規(guī)避在教學(xué)試驗(yàn)過(guò)程中因電壓過(guò)高可能存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，又可用試驗(yàn)儀器對(duì)被試品直接進(jìn)行試驗(yàn)，用真實(shí)儀器在真實(shí)的設(shè)備上進(jìn)行接線、加壓，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，讓學(xué)生快速掌握各類電壓等級(jí)設(shè)備的試驗(yàn)接線和儀器的操作方法。它具有真實(shí)性與交互性的特點(diǎn)，能夠完美地完成教學(xué)任務(wù)；尤其針對(duì)電力工程教學(xué)方式的改革，它的交互性將更加有效地提高教學(xué)質(zhì)量。

2 三維仿真技術(shù)平臺(tái)的搭建

三維圖形原理是利用一系列的光學(xué)方法使人左、右眼產(chǎn)生視差，從而接收到不同的畫(huà)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(tái)正是基于這種可視化的技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的。三維仿真技術(shù)具有如下功能。

1）仿真平臺(tái)可提供參數(shù)設(shè)置、快門設(shè)置、時(shí)標(biāo)設(shè)置、趨勢(shì)記錄設(shè)置、報(bào)警紀(jì)律以及成績(jī)?cè)u(píng)定要求等選項(xiàng)，便于教學(xué)任務(wù)的開(kāi)展。

2）在仿真平臺(tái)上，學(xué)生可以根據(jù)自己的具體學(xué)習(xí)情況有選擇地學(xué)習(xí)，如可自行設(shè)計(jì)、試驗(yàn)不同的開(kāi)閉所高壓柜操作方案，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制和優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。

3）與實(shí)地操作相比，具有實(shí)際操作無(wú)法比擬的安全性以及經(jīng)濟(jì)效益。

通過(guò)構(gòu)建三維仿真VR平臺(tái)，電力工程試驗(yàn)仿真培訓(xùn)環(huán)境擬進(jìn)行人性化設(shè)計(jì)，充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)等多媒體技術(shù)，通過(guò)刺激學(xué)生的感官神經(jīng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，還能提高學(xué)生綜合分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

3 “高壓倒閘柜操作”仿真試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

高壓倒閘柜出線柜停電操作是電力系統(tǒng)教學(xué)中一個(gè)典型的教學(xué)試驗(yàn)。與實(shí)地試驗(yàn)相比，“高壓倒閘柜出線柜停電操作”三維仿真實(shí)習(xí)平臺(tái)可訓(xùn)練學(xué)生構(gòu)建工程的操作步驟與工程素養(yǎng)。這樣的試驗(yàn)可以更好地達(dá)到預(yù)期教學(xué)的目標(biāo)要求，同時(shí)滿足工業(yè)工廠人員崗位的操作技術(shù)要求。

試驗(yàn)的步驟

1）進(jìn)入控制中心，選擇“全林開(kāi)閉所——出線柜停電操作”。

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

3）對(duì)安全用具分別進(jìn)行安全檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后提交工具選擇任務(wù)并進(jìn)入全林開(kāi)閉所場(chǎng)景。

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

5）儲(chǔ)能。打開(kāi)斷路器室面板，在儲(chǔ)能操作孔插入儲(chǔ)能操作桿，反復(fù)下壓操作桿，并觀察下方的儲(chǔ)能狀態(tài)指示器，當(dāng)箭頭變?yōu)橹赶蛳路綍r(shí)，停止操作取下操作桿，觀察儲(chǔ)能指示燈亮起，關(guān)閉斷路器室面板，儲(chǔ)能完成。

6）檢查斷路器和接地開(kāi)關(guān)狀態(tài)。查看斷路器狀態(tài)和計(jì)數(shù)器顯示的次數(shù)，斷路器合閘指示紅燈亮?xí)r表示連通，斷路器分閘指示綠燈亮?xí)r表示斷開(kāi)。停電操作前，斷路器連通（圖1），接地開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

7）斷開(kāi)斷路器。通過(guò)斷路器操作開(kāi)關(guān)進(jìn)行斷路器操作，首先注意將操作方式開(kāi)關(guān)打到“就地”一側(cè)（圖2），然后將斷路器操作開(kāi)關(guān)的旋鈕打到“分閘”一側(cè)。

8）再次檢查斷路器狀態(tài)。觀察斷路器分合閘指示燈顯示，當(dāng)分閘指示燈亮?xí)r，表示斷路器已經(jīng)斷開(kāi)（圖3），小車面板上的計(jì)數(shù)器顯示次數(shù)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(shí)針旋轉(zhuǎn)手柄大約20圈；操作完成后，取下手柄，放回工具箱，此時(shí)觀察小車從運(yùn)行位置移動(dòng)至試驗(yàn)位置（圖4、圖5），小車運(yùn)行位置指示紅燈熄滅，試驗(yàn)位置指示綠燈亮起。

圖4

圖5

10）拉出小車。首先，打開(kāi)斷路器室柜門，取下小車二次側(cè)插頭；然后安放置放小車支架，將小車?yán)鰯嗦菲魇遥藭r(shí)小車狀態(tài)為檢修位置。

11）驗(yàn)電。首先，在斷路器室內(nèi)置放輔助移動(dòng)絕緣隔板工具，將小車操作手柄插入移開(kāi)絕緣隔板工具操作孔，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手柄大約20圈，移開(kāi)母線側(cè)及線路側(cè)的絕緣隔板（圖6、圖7）；然后，對(duì)高壓驗(yàn)電器進(jìn)行試驗(yàn)合格證檢驗(yàn)和自檢后，再對(duì)高壓柜母線側(cè)及線路側(cè)進(jìn)行驗(yàn)電；驗(yàn)電完成后，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)輔助移動(dòng)絕緣隔板工具上的小車操作手柄，關(guān)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(yàn)位置，并插上小車二次側(cè)插頭，關(guān)閉斷路器室面板。

13）閉合接地開(kāi)關(guān)。打開(kāi)接地操作孔閉鎖彈片，將接地開(kāi)關(guān)操作桿插入接地操作孔，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，取下手柄，接地開(kāi)關(guān)閉鎖彈片自動(dòng)關(guān)閉，將接地操作孔閉鎖。

14）掛上停電警示牌。

試驗(yàn)的操控分析 由于正常工業(yè)生產(chǎn)的需要，在實(shí)地實(shí)習(xí)過(guò)程中企業(yè)不可能對(duì)學(xué)生進(jìn)行拉出小車、放回小車的培訓(xùn)，而三維仿真VR教學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)卻極易實(shí)現(xiàn)這種需求。

利用可視化的三維動(dòng)畫(huà)仿真技術(shù)，仿真實(shí)習(xí)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)電力工程教學(xué)模擬試驗(yàn)操作，對(duì)極限工況以及操作失誤會(huì)給學(xué)生以適當(dāng)?shù)奶崾尽?bào)警，甚至?xí)o出相應(yīng)的指導(dǎo)。對(duì)高電壓設(shè)備的電氣試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行三維仿真，無(wú)需在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)升電壓，規(guī)避了在教學(xué)培訓(xùn)過(guò)程中可能存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也能讓學(xué)員了解和掌握儀器的基本使用方法和高電壓試驗(yàn)的操作規(guī)范，達(dá)到技能訓(xùn)練的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)各高等院校在電力工程教學(xué)試驗(yàn)過(guò)程中遇到的教育制度、客觀環(huán)境以及實(shí)際條件帶來(lái)的困難，為了進(jìn)一步解決目前的問(wèn)題，提出利用三維仿真技術(shù)結(jié)合VR仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)常規(guī)的電力工程教學(xué)試驗(yàn)。并且本文談了電力工程教學(xué)試驗(yàn)中典型的高壓倒閘柜操作試驗(yàn)在三維仿真平臺(tái)的應(yīng)用，并詳細(xì)介紹了該方法的可行性分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，學(xué)生通過(guò)仿真實(shí)習(xí)，可獲得與實(shí)地考察相近的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)感受，可以學(xué)習(xí)高壓試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)儀表等高壓試驗(yàn)方面的基本知識(shí)，能反復(fù)練習(xí)變壓器、斷路器、避雷器、互感器等高壓設(shè)備的各種試驗(yàn)操作。同時(shí)，該試驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)也為我國(guó)電力工程教學(xué)試驗(yàn)進(jìn)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(shù)是建立在VR仿真平臺(tái)上，對(duì)VR仿真軟件性能依賴性較高，因此對(duì)VR仿真軟件的性能有待進(jìn)一步研究?！?/p>

[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(xùn)系統(tǒng)在電氣試驗(yàn)專業(yè)培訓(xùn)中的應(yīng)用[J].國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2014,17(2):32-34.

[3]馬元忠.淺析電力安全三維仿真培訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].科技與創(chuàng)新,2015(2):108-110.

[4]喬卉,龔慶武,江傳文.面向電力培訓(xùn)的三維交互仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2013,33(6):157-159.

[5]湯奕,蔣平,高山,等.電力工程教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)的探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2007(12):67-69.

[6]曾國(guó),余民郭,馮煊,等.電力安全三維仿真培訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[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(shè)與教學(xué)改革探究[J].中國(guó)電力教育,2008(9):130-131.