基于虛擬現(xiàn)實的水電廠仿真系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

林益江

［摘 ? ? ? ? ? 要］ ?采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立一套混流式發(fā)電機組的仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由機組設(shè)備的盤臺監(jiān)控系統(tǒng)和運行三維系統(tǒng)組成，可連續(xù)、實時地仿真電廠機電設(shè)備運行與維護情況，可以提供全工況、全方位的理論和實訓(xùn)教學，發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè)的學生可在系統(tǒng)上模擬現(xiàn)場運行人員進行設(shè)備監(jiān)控、操作等功能，不用親臨電廠現(xiàn)場，也可以掌握必備的運行操作技能。

［關(guān) ? ?鍵 ? 詞］ ?虛擬現(xiàn)實；水電廠；運維培訓(xùn)

［中圖分類號］ ?TV737 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ［文獻標志碼］ ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?［文章編號］ ?2096-0603（2019）23-0216-03

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是指利用計算機生成一種模擬環(huán)境，并通過多種專用設(shè)備使用戶“投入”該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶該環(huán)境直接進行自交互的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)的一種高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實是利用計算機模擬出一個三維的虛擬世界，給使用者進行視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，使用者會有身臨其境的感覺，可以沒有限制地感覺三維空間里的事物。虛擬現(xiàn)實匯集了計算機圖形學、圖像處理與模式識別、人機智能接口技術(shù)、傳感器技術(shù)、多媒體技術(shù)、高度并行的計算機技術(shù)和人的行為研究等多項關(guān)鍵技術(shù)。

一、研究的背景及意義

我校發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè)主要培養(yǎng)面向發(fā)配電領(lǐng)域，從事電氣運行與維護、電氣設(shè)備安裝與調(diào)試、電氣設(shè)備生產(chǎn)與裝配三個崗位的高素質(zhì)技能型人才。隨著發(fā)配電領(lǐng)域由建設(shè)轉(zhuǎn)為內(nèi)涵發(fā)展，近十年已建或新建電廠都進行了計算機監(jiān)控改造，自動化水平很高，企業(yè)用人單位要求生產(chǎn)人員逐漸向運維一體、機電一體、一專多能方向發(fā)展，因此培養(yǎng)技能復(fù)合型人才的需求極為迫切。目前，國內(nèi)水力發(fā)電廠向“無人值班、少人值守”發(fā)展，而對水電技術(shù)人員的要求也向“機電合一、運維一體”轉(zhuǎn)化，水輪發(fā)電機組是一個包含多設(shè)備、涉及多學科的復(fù)雜耦合大系統(tǒng)，運維人員必須十分了解設(shè)備，并對其檢修過程進行反復(fù)的訓(xùn)練操作才能達到標準，新的檢修人員很難通過一兩次現(xiàn)場檢修工作經(jīng)驗掌握機組檢修需把握的各個環(huán)節(jié)。水力發(fā)電類專業(yè)在培養(yǎng)水電廠運行時，必需緊跟電力行業(yè)水電企業(yè)的特殊要求。是建立現(xiàn)階段先進的水電站運行虛擬仿真系統(tǒng)，更新原有的物理仿真系統(tǒng)，以適應(yīng)職業(yè)教學的發(fā)展，跟上水電技術(shù)發(fā)展的步伐，使我校培養(yǎng)的專業(yè)人才所具備的知識和技能滿足企業(yè)的崗位要求。由于電力系統(tǒng)運行對安全性要求極高，難以提供學生開展實踐教學和鍛煉的機會。而脫離了實際環(huán)境進行的教學，沒有人的角色參與其中，達不到一種一目了然和切身體會的效果，學生不能夠全方位了解設(shè)備的物理特性和設(shè)備檢修過程，很難真正掌握檢修知識，而且對檢修現(xiàn)場突發(fā)狀況，也很難對其做出為了滿足水電站對專業(yè)檢修技術(shù)人員培訓(xùn)的要求，怎樣保證學習質(zhì)量和效率，降低學習或?qū)嵱?xùn)的安全風險，采用新技術(shù)、新模式已成為一種必然趨勢。而VR仿真系統(tǒng)可連續(xù)、實時地仿真電廠機電設(shè)備運維情況，可以提供全工況、全方位的教學，通過該技術(shù)的應(yīng)用，學生只需要一臺電腦，就能夠在虛擬環(huán)境中全方位、快速了解機組結(jié)構(gòu)，以交互方式掌握檢修流程及工藝，加上文本和音頻解說，從而獲得更加生動形象的學習，達到一種似真非真的境界。學生可在系統(tǒng)上模擬現(xiàn)場運行人員進行設(shè)備監(jiān)控、操作等功能，不用親臨電廠現(xiàn)場，也可以掌握必備的運行操作技能，對接企業(yè)提出的能力需求。

二、水電廠仿真系統(tǒng)的組成及功能

水電廠仿真系統(tǒng)以實際的發(fā)電廠混流式水輪發(fā)電機組為原型，其計算機監(jiān)控的參數(shù)與實際的機電設(shè)備型號、參數(shù)保持一致，主要由教員臺和學員臺兩部分組成。

1.教員臺的作用是擔負仿真系統(tǒng)運行控制及監(jiān)視仿真過程的任務(wù)。主要功能有：仿真控制、狀態(tài)監(jiān)視、故障設(shè)置、事件記錄、教案操作。

2.學員臺由虛擬盤臺和三維系統(tǒng)兩部分組成，學員可以在虛擬盤臺中完成機組自動啟停、機組出力調(diào)整、開關(guān)站監(jiān)控、油氣水系統(tǒng)監(jiān)視、廠用電系統(tǒng)、直流系統(tǒng)監(jiān)視。主要功能有：電廠運行監(jiān)視、現(xiàn)場操作、事故處理。

此外，不同于實際監(jiān)控系統(tǒng)，油氣水系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)界面中增加了操作及控制功能，學員在系統(tǒng)圖上就可以完成輔助系統(tǒng)的閥門操作，而不必每次都到虛擬現(xiàn)場進行。

3.報警臺部分可以查看現(xiàn)場發(fā)生故障的光字，虛擬盤臺部分包括機旁盤、中控繼保盤、廠用電盤、輔助系統(tǒng)盤等。可以模擬現(xiàn)場的盤臺操作，盤上的各種表計、指示燈、液晶屏顯示與現(xiàn)場實際保持一致，各種小開關(guān)、轉(zhuǎn)換把手、按鈕、壓板、保護裝置均可操作，其動作結(jié)構(gòu)與原型電廠保持一致。

點擊不同部分的按鈕可以打開相應(yīng)部分三維虛擬現(xiàn)實場景，學員可以在場景中完成設(shè)備巡視、設(shè)備操作、故障處理等工作。

三、水電廠仿真系統(tǒng)的演示

（一）教案功能

“教案功能”的下拉菜單中包括“教案”和“開始記錄操作到教案”“結(jié)束開始記錄操作到教案”三個選項。

教員可以提前設(shè)置故障加入教案，上課的時候，設(shè)置故障可以直接調(diào)用教案，不必一一設(shè)置。點擊“教案”選項彈出如圖1對話框。

首先選擇“新建教案”，彈出圖7對話框，“名稱”中填入新建教案名稱，“選擇初始工況”下拉框中選擇新建教案的初始工況。

教案新建完成后，在圖7對話框中選中剛才建立的教案，點擊右側(cè)的“確定”按鈕，彈出圖8窗口。這里可以設(shè)置教案延時執(zhí)行的時間，可以根據(jù)需要設(shè)置，默認為0毫秒。

上述設(shè)置完成后，就可以向教案中添加故障了。選擇“開始記錄操作到教案”，在彈出的窗口中選擇要添加故障的教案（圖同7），點擊“確定”，在彈出的延時設(shè)置窗口（圖9）中設(shè)置故障延時（主要是為防止在設(shè)置多個故障時，前一個故障還未設(shè)置完成時，又設(shè)置新的故障，導(dǎo)致系統(tǒng)錯誤），點擊“確定”后窗口關(guān)閉。

接下來可以在主接線上選擇設(shè)備設(shè)置故障，可以逐一設(shè)置多個故障。所有故障都設(shè)置完成后，點擊“結(jié)束開始記錄操作到教案”，在彈出的圖10中設(shè)置延時即可完成教案的全部設(shè)置過程。

教案設(shè)置完成后，若想執(zhí)行教案或刪除教案，可以在菜單中選擇“教案”，在彈出的圖7中選擇教案名，然后點擊相應(yīng)按鈕按提示完成操作即可。

（二）盤臺監(jiān)控系統(tǒng)功能

1.通過保護盤臺查看保護動作信息

在教員臺設(shè)置故障后，可以進入保護盤查看微機保護液晶中保護動作報文及保護盤上的信號燈從而判斷發(fā)生了什么故障。

2.通過簡報信息窗查看操作及保護動作情況

（三）界面上的控制操作

1.各種按鈕、電磁閥等元件操作時通過鼠標單擊來完成。如電磁閥的控制操作，鼠標左鍵單擊電磁閥任意一側(cè)方框，則該側(cè)方框內(nèi)的箭頭所指的兩個油路接通。如圖12。

2.通過鼠標就可以控制機組的開停機操作，模擬實際機組的運行和控制方式，如在機組并網(wǎng)后，機旁盤上的負荷增減在調(diào)速器界面或調(diào)功界面通過給定值進行即可。如圖13。

3.某些元件操作只需要點擊右鍵，在彈出的新窗口中進行（將鼠標放在元件上會有提示）；一些保護盤面以及觸摸屏顯示也是如此。操作完成后，在彈出窗口中雙擊鼠標右鍵關(guān)閉窗口即可。

（四）三維系統(tǒng)操作

現(xiàn)場一次設(shè)備部分的仿真利用3D技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)場一次設(shè)備的外形建造模型，形成虛擬現(xiàn)實，可以對設(shè)備進行操作、巡視，使學員置身于真實的水電廠中。同時它應(yīng)用影像、圖像、聲音等多媒體手段，使仿真效果更加真實。三維部分操作簡單、直觀，基本實現(xiàn)了水電廠廠房內(nèi)部及開關(guān)站現(xiàn)場設(shè)備的巡檢、操作，其主要內(nèi)容有：斷路器操作，刀閘操作，地刀操作，手動閥門操作，調(diào)節(jié)閥門操作，電磁閥操作，電動閥及濾水器操作，各種開關(guān)、保險和把手的操作及現(xiàn)場設(shè)備巡檢等。

1.三維系統(tǒng)中的菜單功能

三維系統(tǒng)窗口主菜單中有如下幾個菜單項：“遠程機”“模式”“工具”“巡視記錄”“導(dǎo)航圖”“場景切換”“幫助”“天氣”。

2.遠程機

“遠程機”菜單項主要用于實現(xiàn)在三維場景與教員臺的連接。點擊“遠程機”，出現(xiàn)下拉菜單：

“連接”選項，正常情況下不可用，只有當系統(tǒng)未與服務(wù)器連接或連接中斷時才可使用。這時，點擊“連接”，出現(xiàn)選擇服務(wù)器窗口?！皵嚅_”選項，用于將系統(tǒng)與服務(wù)器中斷連接。比如，想更改要連接的服務(wù)器，可先點擊“斷開”，再點擊“連接”選擇需要的服務(wù)器IP。

“當前連接”選項，可以查看當前三維場景連接的服務(wù)器IP地址。

3.模式

“模式”菜單項主要用于實現(xiàn)在各個模式之間切換。本系統(tǒng)共有四種模式：“運行模式”“驗電模式”“掛地線”和“設(shè)圍欄”。點擊“模式”，出現(xiàn)下拉菜單：

“運行模式”為三維系統(tǒng)的正常操作和漫游模式，所有的開關(guān)、按鈕、刀閘、地刀等的操作和巡視都需要在這種模式下進行。此外，此模式下可以為系統(tǒng)中某些設(shè)備掛警示牌。這種模式下在需要掛牌的設(shè)備上點擊鼠標右鍵，選擇要掛的標示牌類型即可。

四、結(jié)語及展望

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的真實感主要體現(xiàn)在視覺和聽覺上，隨著“多感知交互”的發(fā)展以及力反饋系統(tǒng)的進一步研究，可將培訓(xùn)人員置身于模擬檢修環(huán)境中，實現(xiàn)嗅覺、味覺和體表感受的功能是未來虛擬現(xiàn)實檢修培訓(xùn)的發(fā)展方向。通過基于虛擬現(xiàn)實的大型水輪機檢修與培訓(xùn)考核系統(tǒng)的應(yīng)用，培訓(xùn)人員能夠在此系統(tǒng)中產(chǎn)生很強的沉浸感和交互性。虛擬與現(xiàn)實檢修的相互融合，摒棄了集中教學、課下溫習、現(xiàn)場講解的培訓(xùn)模式，有利于培訓(xùn)人員更有效地掌握專業(yè)檢修技能，全面提高檢修質(zhì)量，降低培訓(xùn)成本。

該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某中型混流式水輪機的檢修培訓(xùn)，取得了良好的培訓(xùn)效果，是水輪發(fā)電機組檢修培訓(xùn)的有效方式，可以為其他行業(yè)人員進行專業(yè)培訓(xùn)提供參考。該系統(tǒng)可以為國家級精品課程水電站計算機監(jiān)控技術(shù)及應(yīng)用、核心課程水電站電氣設(shè)備、發(fā)電廠電氣運行與維護提供實訓(xùn)場所。同時該系統(tǒng)也可為行業(yè)員工培訓(xùn)搭建一個擁有先進仿真技術(shù)、優(yōu)秀教學師資的培訓(xùn)平臺，為全省水電企業(yè)提供電氣及水輪機運行工急需的繼續(xù)教育和技術(shù)培訓(xùn)。具有較大的經(jīng)濟效益和社會效益，可提高我院服務(wù)行業(yè)企業(yè)的能力，擴大我院在行業(yè)企業(yè)的影響力。提供職業(yè)技能競賽的訓(xùn)練條件，提高學生培養(yǎng)質(zhì)量。

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編輯 馬燕萍