基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的輸配電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的教學(xué)

摘要：隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國電力建設(shè)日新月異，新的電壓等級不斷涌現(xiàn)，輸（配）電線路里程數(shù)的不斷增加，運行檢修是保證電力設(shè)備安全可靠運行的重要環(huán)節(jié)，帶電作業(yè)已成為電氣設(shè)備的常用檢修測試方法之一，針對輸電線路帶電作業(yè)培訓(xùn)中遇到的問題，本文設(shè)計了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的輸電線路帶電作業(yè)仿真系統(tǒng)，結(jié)合帶電作業(yè)項目案例，挑選輸電、配電、關(guān)鍵技術(shù)等經(jīng)典案例進行虛擬仿真培訓(xùn)。此系統(tǒng)，在幫助學(xué)生了解實際的帶電作業(yè)知識前提下，能使學(xué)生獲得高度仿真的操作體驗。

關(guān)鍵詞：帶電作業(yè) 虛擬仿真 高壓輸配電 教學(xué)實踐

1 概述

帶電作業(yè)作為保障線路運行可靠性的重要手段，是一項危險性較大、操作安全水平要求較高的特殊工種，要求作業(yè)人員在具備扎實的帶電作業(yè)理論知識和良好的技術(shù)水平的基礎(chǔ)上，具有很高的熟練程度。對作業(yè)人員要進行有效培訓(xùn)。傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式是通過理論講解、多媒體課件等教學(xué)形式，同時組織學(xué)生到現(xiàn)場進行實踐教學(xué)、現(xiàn)場觀摩。由于實際電路存在諸多安全隱患，且易受到天氣、場地、設(shè)備等諸多因數(shù)的限制，學(xué)生實際動手操作機會較少，可供學(xué)生學(xué)習(xí)、識別的典型故障、缺陷類型有限，因此，難以達到很好的培訓(xùn)效果。為了消除帶電作業(yè)人員對帶電設(shè)備的恐懼，提升帶電作業(yè)人員的操作技能，增強帶電作業(yè)人實際操作能力，針對輸電線路帶電作業(yè)培訓(xùn)中遇到的問題，本輸配電帶電作業(yè)三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，通過真實的還原作業(yè)場景，覆蓋典型的帶電作業(yè)項目，設(shè)計了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的輸電線路帶電作業(yè)仿真系統(tǒng)，并對系統(tǒng)實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)進行分析，配合相應(yīng)硬件設(shè)備建立了仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality），又稱靈境技術(shù)，是20世紀末興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)。它的興起，為人機交互界面的發(fā)展開創(chuàng)了新的研究領(lǐng)域。這種技術(shù)的特點在于，計算機產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是通過計算機圖形構(gòu)成的三度空間，或是把其它現(xiàn)實環(huán)境編制到計算機中去產(chǎn)生逼真的“虛擬環(huán)境”，從而使得用戶在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感覺。這種技術(shù)的應(yīng)用，改進了人們利用計算機進行多工程數(shù)據(jù)處理的方式，由于這是一種省錢、安全、有效的培訓(xùn)方法，現(xiàn)在已被推廣到各行各業(yè)的培訓(xùn)中。目前，虛擬現(xiàn)實已被推廣到不同領(lǐng)域中，在科技開發(fā)上、商業(yè)上、醫(yī)療上、娛樂上等得到廣泛應(yīng)用。本文采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立起輸電線路帶電作業(yè)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，通過模擬現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境和操作流程，實現(xiàn)基于計算機的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，使學(xué)生在虛擬現(xiàn)實的環(huán)境中形象、直觀地了解并掌握標準的輸電線路帶電作業(yè)方法。

2 高壓輸配電帶電仿真實訓(xùn)的內(nèi)容

2.1 關(guān)鍵技術(shù)仿真

2.1.1 關(guān)鍵技術(shù)仿真的實現(xiàn)

目前，帶電作業(yè)施工的操作培訓(xùn)是基于實物進行的，由于高壓導(dǎo)致一定的危險性存在，為了培訓(xùn)操作者的每一步操作都符合規(guī)范，使用虛擬操作技術(shù)與電路仿真技術(shù)相結(jié)合，可以建立虛擬的作業(yè)工具和絕緣工器具機械的使用方法。本文中，每項關(guān)鍵技術(shù)都是根據(jù)在網(wǎng)運行的線路為依據(jù)，按照國家電網(wǎng)公司配電線路帶電作業(yè)操作手冊，使用三維技術(shù)再現(xiàn)帶電作業(yè)中，以各種關(guān)鍵技術(shù)工作為作業(yè)背景，演示操作流程和方法，以達到培訓(xùn)的目的。虛擬仿真技術(shù)的合理應(yīng)用與帶電作業(yè)施工是密不可分的，關(guān)鍵技術(shù)項目有很多：打繩結(jié)、進工位、絕緣斗臂車、110-220kV更換絕緣子等。

2.1.2 關(guān)鍵技術(shù)仿真的具體項目

本文結(jié)合帶電作業(yè)項目案例，僅以關(guān)鍵技術(shù)之進入工位為例。本項目以在帶電作業(yè)施工中在進入工位的時候為作業(yè)背景說明利用登高板、腳扣、絕緣斗臂車、絕緣平臺、絕緣硬梯進入工位時的使用方法。利用虛擬仿真技術(shù)，再現(xiàn)各種工具進入工位時的背景，使用前的準備、檢測以及操作步驟。利用立體環(huán)幕使學(xué)生猶如身臨其境，演示完畢，學(xué)生再在臺式訓(xùn)練儀上模擬考試，模擬進入工位的操作步驟，針對進入工位的注意事項，編輯成若干題目，使學(xué)生能掌握正確操作方法而杜絕有可能產(chǎn)生的意外。比如：登高板掛鉤時必須正勾，切勿反勾，以免造成脫鉤事故；使用腳扣進入工位時，雨天或冰雪天不宜登桿，容易出現(xiàn)滑落傷人事故等等。

2.1.3 拓展項目

利用虛擬操作技術(shù)還可以檢測安全帶、登高板的質(zhì)量，用人體作沖擊荷載實驗，檢查登高板是否安全可靠，同時對安全帶也可用人體作沖擊荷載實驗。另外，某類作業(yè)工具有新款推出時，如斗臂車，可以模擬斗臂車啟動，并工作一個循環(huán)，檢查是否有液體滲出、液壓缸有無滲漏、異常噪聲、工作失靈、不穩(wěn)定運動、撞擊或其他故障。

2.2 配電線路、輸電線路仿真

2.2.1 配電線路和輸電線路仿真的必要

電力線路主要分為配電線路和輸電線路兩種，隨著供電質(zhì)量要求的不斷提高，輸、配電線路設(shè)備實際利用小時數(shù)已成為輸、配電線路的一項重要考核指標，帶電作業(yè)已成為輸、配檢修方式之一。引起線路故障的原因有很多：設(shè)計方面、施工方面、客觀因素等等，產(chǎn)生一些線路缺陷：塔材丟失、桿塔鳥窩、防護林區(qū)、桿塔異物、絕緣子更換等，需及時維護處理。

為培訓(xùn)學(xué)生正確的帶電作業(yè)意識，積累現(xiàn)場作業(yè)經(jīng)驗，不僅三維演示項目具體作業(yè)步驟，并且包括項目開展前應(yīng)對現(xiàn)場進行勘查、簽發(fā)工作票、準備合適的工器具并進行檢測合格、核對工作地點線路名稱和桿號等等。輸配電線路檢修項目有很多，從10kV配電線路到500kV輸電線路。從檢測、更換絕緣子、線夾、間隔棒等常規(guī)項目到帶電升高、移位桿塔等復(fù)雜項目，還有750kV線路和特高壓交直流輸電線路帶電作業(yè)。具體的項目有：10kV帶電更換跌落式開關(guān)、10kV帶負荷狀態(tài)下更換隔離刀閘、10kV帶電更換直線電桿、500kV帶電安裝避雷器、800kV輸電線路帶電更換耐張任意整串絕緣子。

2.2.2 輸配電仿真項目的實現(xiàn)

本文結(jié)合帶電作業(yè)項目為例，利用虛擬操作技術(shù)僅以10kV帶電清除票掛物為例。本項目根據(jù)桿上電氣設(shè)備布置，準備好作業(yè)設(shè)備及儀表，將絕緣斗臂車定位于最適于作業(yè)的位置，并裝置車體接地線，設(shè)遮攔網(wǎng)。采用絕緣夾鉗，絕緣棘輪大剪夾緊票掛物（比如風箏）。通過大場景的漫游來展示作業(yè)現(xiàn)場和線路實況；通過小場景來展示操作細節(jié)，真實還原了帶電作業(yè)流程。學(xué)生在臺式訓(xùn)練儀上模擬考試時，編輯一些針對本項目注意的一些題型。比如：清除票掛物方法應(yīng)正確，防止力度過大；絕緣斗臂車復(fù)位操作要平穩(wěn)，規(guī)避鄰近高壓線路、桿塔及各類障礙物。

2.2.3 拓展項目

另外還可以設(shè)計典型故障案例：模擬單相接地故障、短路故障等。高壓輸配電是一個綜合電能交互系統(tǒng)，線路故障將會給電力企業(yè)及電力用戶帶來巨大經(jīng)濟損失，通過模擬故障產(chǎn)生，故障快速查找，故障防范的措施，故障的快速切除，對培訓(xùn)人員有深遠的實際意義。

2.3 輸配電仿真的重要意義

為保證向用戶不間斷供電，提高供電可靠性；節(jié)省檢修時間，減輕勞動強度，能夠使設(shè)備檢修對用戶影響降低為零。培養(yǎng)操作規(guī)范、熟練的帶電作業(yè)人員顯得尤為重要，虛擬仿真技術(shù)作為傳統(tǒng)培訓(xùn)的有益補充，培訓(xùn)過程不受時間、天氣、氣候、空間等因素的影響。為帶電作業(yè)培訓(xùn)提供規(guī)范化、常態(tài)化、高效率、低成本的培訓(xùn)環(huán)境，開拓了培訓(xùn)的新模式。

參考文獻：

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作者簡介：陳雅萍（1966-），女，湖南資興人，教師，講師，主要從事電氣控制的教學(xué)與實訓(xùn)工作。