電力工程教學(xué)試驗(yàn)三維仿真探討

楊柏松　王濤　鄭桂彬　李長(zhǎng)庚

摘要 電力工程教學(xué)試驗(yàn)存在高風(fēng)險(xiǎn)、高能耗、高成本等問題而無法開展。針對(duì)這些問題，以電力工程典型的低壓柜教學(xué)試驗(yàn)為案例，對(duì)三維仿真技術(shù)在電力工程相關(guān)教學(xué)試驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。實(shí)踐表明，三維仿真的教學(xué)試驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力、解決學(xué)生實(shí)踐與電力安全生產(chǎn)之間的矛盾具有不可替代的作用。

關(guān)鍵詞 電力工程教學(xué)試驗(yàn)；三維仿真；虛擬場(chǎng)景

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2016）08-0146-03

1 前言

電力工程教學(xué)試驗(yàn)是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的核心實(shí)驗(yàn)課程，它綜合了電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析、工廠供電、變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)等多門課程試驗(yàn)。該課程試驗(yàn)全過程中具有很多高電壓、高壓力、高溫度等極端和危險(xiǎn)的環(huán)境，存在高風(fēng)險(xiǎn)、高能耗、高成本等問題而無法開展。雖然各高校的基礎(chǔ)不同，但是在辦學(xué)過程中如何做到在保證教學(xué)效果的前提下少投入，即追求教學(xué)效果的“性價(jià)比”，這一點(diǎn)認(rèn)識(shí)是統(tǒng)一的。

目前，國(guó)外各高等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。學(xué)生能通過儀表監(jiān)視、開關(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面積較大、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。

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。

針對(duì)我國(guó)電力工程教學(xué)試驗(yàn)的不足，提出在電力工程教學(xué)試驗(yàn)中引入高壓試驗(yàn)三維仿真系統(tǒng)，對(duì)其教學(xué)試驗(yàn)方法作一個(gè)探討，并對(duì)電力工程典型的低壓柜試驗(yàn)操作作為一個(gè)案例講述。教學(xué)實(shí)踐表明，它具有真實(shí)性與交互性的特點(diǎn)，使其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)試驗(yàn)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 教學(xué)方法探討

教學(xué)思路 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，同時(shí)為了兼顧學(xué)時(shí)減少和學(xué)校培養(yǎng)的畢業(yè)生能與上崗單位要求零距離，在教學(xué)中必須根據(jù)教學(xué)采取靈活多樣的教學(xué)方法和教學(xué)手段。其總體教學(xué)思路是：打破以知識(shí)傳授為主要特征的傳統(tǒng)學(xué)科課程模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨ぷ魅蝿?wù)為中心組織課程內(nèi)容，并讓學(xué)生在完成具體項(xiàng)目的過程中學(xué)會(huì)完成相應(yīng)工作任務(wù)，并構(gòu)建相關(guān)理論知識(shí)，發(fā)展職業(yè)能力。

教學(xué)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo) 結(jié)合學(xué)生在知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀等方面的基本要求，通過電力工程教學(xué)試驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)達(dá)到以下目標(biāo)。

1）專業(yè)能力：以電氣試驗(yàn)工職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，掌握一定的高電壓理論、高電壓試驗(yàn)設(shè)備、高電壓測(cè)試技術(shù)等專業(yè)知識(shí)；學(xué)會(huì)繪制各項(xiàng)高壓電氣試驗(yàn)接線圖；能對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算及正確編寫試驗(yàn)報(bào)告；具備選擇試驗(yàn)設(shè)備和材料及進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)的測(cè)試能力；具備試驗(yàn)工作的組織和判斷能力；具備試驗(yàn)儀器、設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)能力；具備一般的電氣檢修及調(diào)試能力；能核對(duì)和修正試驗(yàn)的安全措施，能進(jìn)行安全緊急救護(hù)，有較強(qiáng)的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)管理能力。

2）方法能力：能熟悉各種電氣設(shè)備試驗(yàn)方法（絕緣電阻和吸收比的測(cè)量、泄漏電流及直流耐壓試驗(yàn)、介質(zhì)損失角正切值tgδ的測(cè)量、局部放電測(cè)試、油氣相色譜分析、交直流耐壓試驗(yàn)、沖擊耐壓試驗(yàn)；學(xué)會(huì)綜合利用學(xué)習(xí)資源，不斷提高自學(xué)能力；在綜合實(shí)踐中學(xué)會(huì)試驗(yàn)項(xiàng)目管理能力。

3）社會(huì)能力：具備電氣試驗(yàn)工的職業(yè)素養(yǎng)，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)工作作風(fēng)；遵守勞動(dòng)紀(jì)律，安全文明工作，愛護(hù)工具設(shè)備，刻苦鉆研技術(shù)，誠(chéng)實(shí)團(tuán)結(jié)協(xié)作，嚴(yán)守崗位職責(zé)；全面培養(yǎng)協(xié)同能力、創(chuàng)新意識(shí)、綜合應(yīng)用能力、職業(yè)能力和職業(yè)素質(zhì)。

3 教學(xué)試驗(yàn)內(nèi)容

采用虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)設(shè)計(jì)建立的具有三維交互功能的高壓試驗(yàn)仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)，全部采用軟件實(shí)現(xiàn)，可以基于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行；既能針對(duì)學(xué)生開展電氣試驗(yàn)的實(shí)踐教學(xué)，又能進(jìn)行電氣試驗(yàn)工技師和高級(jí)技師的學(xué)習(xí)鑒定。

通過網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生將進(jìn)入絕對(duì)安全的高壓試驗(yàn)仿真學(xué)習(xí)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)。在實(shí)訓(xùn)場(chǎng)中，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。實(shí)訓(xùn)場(chǎng)的設(shè)計(jì)研發(fā)綜合采用虛擬現(xiàn)實(shí)、分布交互式仿真等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高壓設(shè)備及運(yùn)行環(huán)境的三維重現(xiàn)，形象地反映了設(shè)備的正常、異常及其動(dòng)作過程，學(xué)生不但可以對(duì)虛擬場(chǎng)景中的設(shè)備巡視、檢查，而且可以進(jìn)行虛擬操作，虛擬設(shè)備會(huì)隨著學(xué)生的巡視及操作而相應(yīng)地變化，提高系統(tǒng)的真實(shí)感和現(xiàn)場(chǎng)感。

高壓仿真學(xué)習(xí)過程的設(shè)計(jì)充分考慮電力運(yùn)行部門和管理部門對(duì)學(xué)生素質(zhì)的需求，使受訓(xùn)學(xué)生通過學(xué)習(xí)不但可以掌握具體設(shè)備的知識(shí)和技能，而且能從理論上對(duì)高壓試驗(yàn)的特點(diǎn)和要求有比較深入的理解，即力求使受訓(xùn)學(xué)生掌握怎樣做，理解為什么這樣做，明白這樣做的作用和結(jié)果。高壓試驗(yàn)仿真學(xué)習(xí)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。

4 案例分析

系統(tǒng)整體介紹 電力工程教學(xué)試驗(yàn)三維仿真系統(tǒng)包含“110kV變電站電氣設(shè)備高壓試驗(yàn)三維仿真系統(tǒng)”“10kV配網(wǎng)高壓試驗(yàn)三維仿真系統(tǒng)”和“高低壓倒閘操作三維仿真系統(tǒng)”等多個(gè)子系統(tǒng)。其中的“高低壓倒閘操作三維仿真系統(tǒng)”是為了加強(qiáng)倒閘操作標(biāo)準(zhǔn)化，采用虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)設(shè)計(jì)建立的一個(gè)具有三維交互功能的虛擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)能以最小的人力、物力建立一個(gè)仿真學(xué)習(xí)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)，從而開展大規(guī)模的電氣試驗(yàn)方面的教學(xué)和學(xué)習(xí)培訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)110kV等級(jí)電氣設(shè)備的電氣絕緣試驗(yàn)的仿真模擬，使學(xué)生了解電力系統(tǒng)更高電壓等級(jí)的設(shè)備進(jìn)行電氣絕緣試驗(yàn)的方法、步驟和試驗(yàn)過程，在虛擬環(huán)境下達(dá)到訓(xùn)練學(xué)習(xí)的目的。系統(tǒng)主控界面如圖1所示。

下面以電力工程典型的低壓柜教學(xué)試驗(yàn)操作為案例，講解三維仿真系統(tǒng)在電力工程教學(xué)試驗(yàn)中是如何應(yīng)用的。

試驗(yàn)停電操作步驟

1）進(jìn)入控制中心，選擇“低壓柜操作——停電操作”。

2）選擇安全用具并點(diǎn)擊提交選擇按鈕。

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)入試驗(yàn)場(chǎng)景。

4）核對(duì)線路設(shè)備名稱。

5）觀察低壓柜是否處于帶電狀態(tài)。低壓柜處于帶電狀態(tài)時(shí)，合閘指示燈（綠燈）熄滅，跳閘指示燈（紅燈）亮，同時(shí)A、B、C三電流表有顯示。帶電狀態(tài)見圖2。

6）點(diǎn)擊紅色跳閘按鈕進(jìn)行分閘操作。

7）查看低壓柜是否停電成功。合閘指示燈（綠燈）熄滅，跳閘指示燈（紅燈）亮，同時(shí)A、B、C三電流表指示為零。

8）停電操作完成，點(diǎn)擊提交任務(wù)。斷電狀態(tài)見圖3。

9）取下手柄插入小車操作孔，將小車搖至檢修位，取下小車操作手柄。此時(shí)，停電并將小車由運(yùn)行位搖至檢修位操作完成。小車搖至檢修位見圖4。

試驗(yàn)送電操作步驟

1）進(jìn)入控制中心，選擇“低壓柜操作——送電操作”。

2）選擇安全用具并點(diǎn)擊提交選擇按鈕。

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)入試驗(yàn)場(chǎng)景。

4）核對(duì)線路設(shè)備名稱。

5）觀察低壓柜是否處于停電狀態(tài)。低壓柜處于停電狀態(tài)時(shí)，合閘指示燈（綠燈）熄滅，跳閘指示燈（紅燈）亮，同時(shí)A、B、C三電流表示數(shù)為零。斷電狀態(tài)見圖4。

6）點(diǎn)擊綠色合閘按鈕進(jìn)行合閘操作。

7）查看低壓柜是否送電成功。合閘指示燈（綠燈）亮，跳閘指示燈（紅燈）熄滅，同A、B、C三電流表有顯示，點(diǎn)擊提交任務(wù)。送電成功狀態(tài)見圖3。

8）送電操作成功。

5 結(jié)束語

針對(duì)我國(guó)各高等院校電力工程教學(xué)試驗(yàn)存在高風(fēng)險(xiǎn)、高能耗、高成本等問題而無法開展試驗(yàn)，為了進(jìn)一步彌補(bǔ)現(xiàn)狀不足，提出電力工程教學(xué)試驗(yàn)三維仿真探討的教學(xué)模式，詳細(xì)介紹教學(xué)試驗(yàn)的思路、目標(biāo)、內(nèi)容及案例分析。實(shí)踐表明，學(xué)生通過三維仿真試驗(yàn)提高試驗(yàn)操作能力，節(jié)省教學(xué)成本；同時(shí)虛擬試驗(yàn)還可以作為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的技術(shù)培訓(xùn)方式，讓學(xué)生學(xué)習(xí)試驗(yàn)設(shè)備的操作程序，全面掌握試驗(yàn)設(shè)備的注意事項(xiàng)和步驟，并為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)操作資格提供評(píng)估依據(jù)。但由于三維仿真技術(shù)是建立在三維仿真平臺(tái)上，對(duì)三維仿真軟件性能依賴性較高，因此對(duì)三維仿真軟件的性能有待進(jìn)一步研究與提高。