電力計(jì)量回路虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)模擬

曹永進(jìn) 劉釗 范祺紅

摘 要：電力計(jì)量在電力系統(tǒng)發(fā)送、輸出、供電過(guò)程中有著重要作用，電力計(jì)量回路一旦出現(xiàn)故障，就會(huì)嚴(yán)重影響電力供應(yīng)。為此，電力系統(tǒng)需要消耗大量的人力物力資源對(duì)員工進(jìn)行定期培訓(xùn)。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)模式不僅效率低下，而且存在安全隱患，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以解決這一問(wèn)題。首先生成計(jì)量系統(tǒng)常見(jiàn)模型，然后搭建三維教學(xué)環(huán)境，使用語(yǔ)音技術(shù)設(shè)計(jì)交互模式和考試模式。該系統(tǒng)可降低80%的培訓(xùn)時(shí)間成本，提高了培訓(xùn)效率，方便學(xué)員進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)和考核。

關(guān)鍵詞：電力計(jì)量回路;虛擬現(xiàn)實(shí);模擬操作;培訓(xùn)系統(tǒng)

DOI：10. 11907/rjdk. 191511 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）008-0178-04

Abstract： In electric power system， electric power measurement plays an important role in the process of electric power transmit， electric output and electric supply. Once the electric power metering circuit breaks down， peoples daily life will be seriously affected. In order to address the above problem， electric power department takes large amount of resources to carry out training tasks periodically. The tradational on-the-job training pattern is not only inefficient but also has security threat. A training system for simulating electric metering circuit by means of virtual reality technique has been proposed. First， the common model of the power metering system is generated to construct the three-dimensional teaching environment. And the voice technology is used to implement the interaction pattern and exam pattern. The designed training system can improve the teaching efficiency and reduce 80% of time cost.

Key Words： electric power metering circuit; virtual reality; simulating operation; training system

0 引言

電力計(jì)量是電力系統(tǒng)發(fā)送、輸出、供電工程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，電能計(jì)量的準(zhǔn)確性決定電能是否能合理調(diào)度，滿足生產(chǎn)與生活需求[1-2]。電能計(jì)量不但是電力市場(chǎng)交易和營(yíng)銷的基本技術(shù)支撐與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源，同時(shí)也是生產(chǎn)技術(shù)單位判斷設(shè)備是否經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源。通過(guò)準(zhǔn)確的計(jì)量核算，可以分析電力變壓器等電網(wǎng)設(shè)備損耗是否超過(guò)允許值，對(duì)高損耗電網(wǎng)設(shè)備可進(jìn)行處理或更換，降低單位能耗[3-4]。然而在現(xiàn)實(shí)生活中，由于設(shè)備的自然損耗、人為破壞、自然災(zāi)害等因素，電能計(jì)量回路故障時(shí)有發(fā)生。為了在發(fā)生故障后迅速恢復(fù)正常供電，電力部門需要耗費(fèi)大量的人力物力進(jìn)行培訓(xùn)工作。

目前，國(guó)家電網(wǎng)公司營(yíng)銷裝表接電專業(yè)主要培訓(xùn)方式是理論講授與現(xiàn)場(chǎng)操作相結(jié)合。梁永昌等[5]設(shè)計(jì)一個(gè)多功能裝表接電培訓(xùn)裝置，集成了裝表接電、錯(cuò)誤接線的培訓(xùn)功能;岳瑞華等[6]基于專家系統(tǒng)，從計(jì)量學(xué)培訓(xùn)的意義和方法論述了計(jì)量培訓(xùn)系統(tǒng);祝唯微等[7]在分析電力計(jì)量系統(tǒng)工作原理和檢測(cè)原理基礎(chǔ)上，通過(guò)與BP網(wǎng)絡(luò)診斷測(cè)試對(duì)比進(jìn)行電力計(jì)量故障診斷及仿真研究;古麗華[8]對(duì)接線位置和狀態(tài)等問(wèn)題進(jìn)行深入分析，優(yōu)化檢查技術(shù)方法，進(jìn)一步提升計(jì)量準(zhǔn)確性;單增禮等[9]通過(guò)論述當(dāng)前供電企業(yè)使用電力計(jì)量裝置過(guò)程中發(fā)生的常見(jiàn)問(wèn)題，對(duì)其產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，給出相關(guān)監(jiān)測(cè)方法，促進(jìn)電力計(jì)量及監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化建設(shè)。

隨著時(shí)代的發(fā)展，社會(huì)對(duì)安全生產(chǎn)及施工質(zhì)量越來(lái)越重視，對(duì)營(yíng)銷計(jì)量裝表接電現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求也越來(lái)越高。而傳統(tǒng)營(yíng)銷計(jì)量培訓(xùn)主要以正確導(dǎo)向?yàn)樵瓌t，一些現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量事故往往通過(guò)視頻錄像等資料復(fù)現(xiàn)，且現(xiàn)場(chǎng)事故資料不齊全，很難形成系統(tǒng)性影像，因而不利于后續(xù)故障分析。

電力系統(tǒng)事故具有極大的危險(xiǎn)性和破壞性[10-11]，因而各類安全隱患的排查顯得極為重要。營(yíng)銷計(jì)量現(xiàn)場(chǎng)具有分布廣、數(shù)量多、涉及范圍大等特點(diǎn)，要求改革營(yíng)銷裝表接電培訓(xùn)方式。計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，以下簡(jiǎn)稱：VR）技術(shù)的快速發(fā)展使模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示三維立體逼真圖像[12-13]成為可能。利用基于VR技術(shù)的模擬仿真及故障再現(xiàn)技術(shù)，還原實(shí)際操作工況，通過(guò)故障模擬、動(dòng)態(tài)展示，對(duì)一線人員進(jìn)行施工規(guī)范培訓(xùn)，避免因操作失誤導(dǎo)致人身傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。

本文在高、低壓領(lǐng)域借助計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)電力計(jì)量回路裝置、原理構(gòu)成及接線方法等進(jìn)行模擬操作與培訓(xùn)，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)與實(shí)際電力計(jì)量回路原理、裝置構(gòu)成、接線方法無(wú)限接近的虛擬環(huán)境，利用720°沉浸式互動(dòng)體驗(yàn)，完成對(duì)接線方法操控與模擬演練;開(kāi)發(fā)教學(xué)演練、故障排除、模擬考試3個(gè)模式，對(duì)受訓(xùn)者進(jìn)行訓(xùn)練與考核，實(shí)現(xiàn)零風(fēng)險(xiǎn)、低成本的培訓(xùn)效果。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是20世紀(jì)末興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)，它融合了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個(gè)信息技術(shù)分支，大大推進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)并不是真實(shí)的世界，而是一種可交互的環(huán)境，人們通過(guò)計(jì)算機(jī)等各種媒介進(jìn)入該環(huán)境進(jìn)行交流和互動(dòng)。從超脫不同的應(yīng)用背景來(lái)看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可把抽象、復(fù)雜的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)空間轉(zhuǎn)化為直觀的、用戶熟悉的事物，實(shí)質(zhì)是提供一種高級(jí)人機(jī)接口。利用VR技術(shù)產(chǎn)生的局部世界是人造和虛構(gòu)的，但當(dāng)用戶進(jìn)入這一局部世界時(shí)，在感覺(jué)上與現(xiàn)實(shí)世界卻是基本相同的。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改變了人與計(jì)算機(jī)之間枯燥、生硬和被動(dòng)交互的現(xiàn)狀，給用戶提供了一個(gè)趨于人性化的虛擬信息空間。

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種最有效模擬人在自然環(huán)境中視、聽(tīng)、動(dòng)等行為的高級(jí)人機(jī)交互技術(shù)，它以模擬方式為使用者創(chuàng)造了一個(gè)實(shí)時(shí)反映實(shí)體對(duì)象變化與相互作用的三維圖像世界，在視、聽(tīng)、觸、嗅等感知行為的逼真體驗(yàn)中，使參與者直接參與和探索虛擬對(duì)象所處環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是多種技術(shù)的結(jié)合，包括實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、寬視野廣角立體顯示技術(shù)、對(duì)觀察者頭、眼和手的跟蹤技術(shù)以及觸覺(jué)反饋系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、語(yǔ)音輸入輸出技術(shù)等[14]。它利用計(jì)算機(jī)生成模擬環(huán)境，是一種多源信息融合、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中[15]。

1.2 系統(tǒng)模型建立

首先通過(guò)三維建模，構(gòu)建與實(shí)物1∶1比例的開(kāi)關(guān)柜柜體、電流互感器、電壓互感器、接線盒、電能表（三相四線制、三相三線制等）、電能采集終端等仿真模型，并最大程度還原產(chǎn)品本身的顏色與紋理，為后續(xù)搭建系統(tǒng)場(chǎng)景作準(zhǔn)備[16-17]。采用可復(fù)現(xiàn)技術(shù)，對(duì)可能出現(xiàn)的各種故障類型進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)和仿真輸出，形成具有指導(dǎo)意義的可視化產(chǎn)出，便于后期教學(xué)培訓(xùn)。圖1為現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量柜設(shè)備仿真示意圖，圖2展示了電能計(jì)量線路中的三相三線智能電能表。

1.3 模型搭建場(chǎng)景

通過(guò)生成系統(tǒng)中的各個(gè)單獨(dú)模型，按照實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)方式組成一套完整的計(jì)量裝置并放置在專用計(jì)量柜內(nèi)，構(gòu)建出一個(gè)專用計(jì)量場(chǎng)景。本文分別實(shí)現(xiàn)了電力計(jì)量的所有方式，包括高供高計(jì)計(jì)量方式、高供低計(jì)計(jì)量方式以及低供低計(jì)計(jì)量方式，分別將3種方式展示如圖3所示[18-20]。3個(gè)場(chǎng)景的培訓(xùn)模式全部采用“語(yǔ)音、文字引導(dǎo)”和“虛擬特效”方式，語(yǔ)音播報(bào)每個(gè)設(shè)備時(shí)，時(shí)間間隔保證3秒鐘，讓用戶有停頓觀察時(shí)間。在語(yǔ)音播報(bào)設(shè)備名稱時(shí)，對(duì)應(yīng)設(shè)備疊加突出特效和設(shè)備名稱，用戶可直觀認(rèn)識(shí)對(duì)應(yīng)設(shè)備。

通過(guò)上述方式模擬裝表接電主要操作步驟，讓學(xué)員在虛擬場(chǎng)景中自行完成對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握和運(yùn)用，最終將整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景配置為一個(gè)720°視角的虛擬仿真場(chǎng)景，虛擬場(chǎng)景尺寸為10m×5m×6m，如圖4所示。

2 培訓(xùn)交互

學(xué)員佩戴VR頭鏡，沉浸在構(gòu)建的虛擬教室場(chǎng)景中進(jìn)行觀察，同時(shí)配備有語(yǔ)音提示，可根據(jù)語(yǔ)音提示完成相應(yīng)的虛擬線路選擇、連接和故障排查等教學(xué)培訓(xùn) [21-23]，交互場(chǎng)景如圖5所示。當(dāng)需要完成A相電壓采樣信號(hào)接線時(shí)，受訓(xùn)者需要根據(jù)語(yǔ)音提示“連接A相電壓型號(hào)Ua：A相電壓互感器二次端子a至接線盒A相電壓槽”、“連接A相電壓信號(hào)Ua：接線盒A相電壓槽至電表2#接點(diǎn)”，完成A相電壓從電壓互感器二次側(cè)—接線盒—電表的兩根線自動(dòng)連接，虛擬線路連接如圖6所示。培訓(xùn)模式內(nèi)，系統(tǒng)具有暫停和重新開(kāi)始等功能。學(xué)員可以選擇 “暫停/繼續(xù)”按鈕，暫停或者繼續(xù)培訓(xùn)內(nèi)容，或者點(diǎn)擊“重新開(kāi)始”按鈕重新開(kāi)始進(jìn)行培訓(xùn)。

在進(jìn)行裝表接電操作時(shí)，需要按照標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范選擇正確的顏色與線徑導(dǎo)線，如A、B、C三相連接導(dǎo)線分別選用黃、綠、紅色單股銅芯導(dǎo)線，零線可選用藍(lán)色或者黑色單股銅芯導(dǎo)線，接地線為黃綠雙色線。RS485通訊導(dǎo)線，紅色代表正極性端、藍(lán)色代表負(fù)極性端。對(duì)于導(dǎo)線線徑選擇，電流連接導(dǎo)線須選用4mm2及以上規(guī)格導(dǎo)線，電壓連接導(dǎo)線須選用2.5 mm2及以上規(guī)格導(dǎo)線，RS485通訊線選用0.75 mm2專用通訊線。

電壓、電流互感器至聯(lián)合接線盒間的模擬接線操作如下：首先連接電壓互感器至接線盒的電壓導(dǎo)線，三相三線電壓互感器采用V/V接線。具體操作如下：①連接A相電壓線：連接A相電壓互感器二次端子a至接線盒A相電壓槽;②短接B相電壓線：連接A相電壓互感器二次端子b（或x）至C相電壓互感器二次端子a并工作接地;③連接B相電壓線：連接A相電壓互感器二次端子b（或x）至接線盒B相電壓槽;④連接C相電壓線：連接C相電壓互感器二次端子b（或x）至接線盒C相電壓槽[24-26]。然后，連接電流互感器至接線盒的電流導(dǎo)線，該步驟采用兩相四線制接法。最后，將A、C相電流互感器二次端子1S2 分別保護(hù)接地。

系統(tǒng)還具有考試和故障模式。在考試模式中，語(yǔ)音提示被關(guān)閉，學(xué)員進(jìn)行實(shí)際操作訓(xùn)練。根據(jù)掌握的作業(yè)流程進(jìn)行接線作業(yè)，完成后提交，系統(tǒng)自動(dòng)判斷是否正確，如果錯(cuò)誤會(huì)給予相關(guān)提示，引導(dǎo)學(xué)員糾正。當(dāng)系統(tǒng)切換到故障模式時(shí)，培訓(xùn)系統(tǒng)會(huì)隨機(jī)生成錯(cuò)誤線路由學(xué)員進(jìn)行修正，學(xué)員利用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行判別，然后修正錯(cuò)誤線路。

該系統(tǒng)基于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法再現(xiàn)的故障現(xiàn)象，通過(guò)動(dòng)態(tài)展示裝表接電流程，結(jié)合故障現(xiàn)象和二次運(yùn)行信息反推一次運(yùn)行關(guān)系，形成營(yíng)配數(shù)據(jù)貫通一致的重要節(jié)點(diǎn)性典型經(jīng)驗(yàn)。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

本文使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將原來(lái)的電力計(jì)量回路培訓(xùn)模式場(chǎng)景模擬生成為虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，與現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)方式比較具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)模式需要學(xué)員親自動(dòng)手操作，而現(xiàn)場(chǎng)帶電操作有可能發(fā)生事故，極具危險(xiǎn)性。虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)只需佩戴VR頭顯設(shè)備就可輕松進(jìn)行學(xué)習(xí)，可降低現(xiàn)場(chǎng)操作風(fēng)險(xiǎn)，有效避免事故發(fā)生，使培訓(xùn)變得安全可控。

（2）現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)通常需要調(diào)動(dòng)大量師資力量并采購(gòu)相關(guān)操作設(shè)備，耗費(fèi)大量人力和物力資源。而虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)可以提前將培訓(xùn)內(nèi)容和考試內(nèi)容錄入操作系統(tǒng)，配置語(yǔ)音提示和糾錯(cuò)功能，學(xué)員可根據(jù)語(yǔ)音提示完成相應(yīng)的教學(xué)培訓(xùn)，完成虛擬線路的選擇、連接和故障排查等操作，不僅節(jié)省了大量師資，而且學(xué)員可以隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)。因此，本文開(kāi)發(fā)的培訓(xùn)系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)培訓(xùn)更有效更便捷。學(xué)員熟悉各種電力計(jì)量場(chǎng)景至少需要數(shù)月甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，該系統(tǒng)極大縮短了這一周期，可縮短至1個(gè)月左右。

（3）傳統(tǒng)培訓(xùn)模式中，學(xué)員只能接觸到局部設(shè)備。本培訓(xùn)系統(tǒng)能夠生成720°全景虛擬環(huán)境，通過(guò)佩戴VR頭顯設(shè)備，學(xué)員能感受到如同現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的各種設(shè)備，因而能全面系統(tǒng)地了解電力計(jì)量回路的整體構(gòu)造和工作原理。另外，虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)可方便地編輯培訓(xùn)和考試內(nèi)容，將硬件操控與軟件邏輯控制結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)零延遲模擬接線操作，具有更高的可拓展性。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)營(yíng)銷計(jì)量專業(yè)培訓(xùn)主要以正確導(dǎo)向?yàn)樵瓌t，一些現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量事故往往都是通過(guò)視頻錄像等資料復(fù)現(xiàn)，但現(xiàn)場(chǎng)事故資料往往不全，很難形成系統(tǒng)性影像。針對(duì)上述狀況，本文利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建了電能計(jì)量過(guò)程中各個(gè)裝置的實(shí)體仿真模型，將這些模型組成虛擬環(huán)境模擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了一種模擬電力計(jì)量回路原理的培訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)只需學(xué)員佩戴VR眼鏡，根據(jù)語(yǔ)音提示即可隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)和考試，具有更高的安全性和便捷性，培訓(xùn)成本低，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，值得推廣。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）