勝利油田電力體感培訓系統的建設

杜欣源, 聶萬慶, 劉喜軍

1.山東科技大學 電氣信息系 濟南 250031

2.勝利油田電力分公司 山東東營 257000

1 電力體感培訓系統建設概況

在開展電力日常操作培訓時,電力設備處于正常運行中,而電力消缺、搶修需要在帶電情況下進行作業(yè),由此造成培訓與實際作業(yè)存在脫節(jié)。當前需要培訓的人員多,電力企業(yè)無法提供足夠的設備進行實際訓練,特別是在大規(guī)模災難模式下,由于各種條件限制,無法真實還原現場實際情況[1]。針對這一問題,建設了勝利油田電力體感培訓系統,以現實環(huán)境為基礎,應用虛擬現實技術,實現了跨步電壓體感、人體電擊模擬、高壓開關柜操作體感、高空墜物體感、安全帶吊掛體感等功能,具有用戶及權限管理、虛擬現實場景管理、事故體感、仿真操作、數據統計五大模塊。勝利油田電力分公司下屬單位較多,并且分布在勝利油田的各個油區(qū),電力體感培訓系統基于網絡建設,可以擴大參訓人員范圍,提高培訓效率。

勝利油田電力體感培訓系統與勝利油田電力分公司信息管理系統緊密融合,成為安全培訓管理模塊中的重要組成部分。這一電力體感培訓系統以不同電壓等級變電站和輸電線路、不同規(guī)格低壓配電柜等為典型作業(yè)場景,以變電站和輸電線路事故實訓、電力調度實訓、電力修試實訓為主要訓練內容,構建安全事故處理與作業(yè)操練三維虛擬現實環(huán)境。勝利油田電力分公司下屬各單位人員通過計算機或虛擬現實體感設備,接入勝利油田局域網,即可參加培訓。

2 電力體感培訓系統功能

2.1 跨步電壓體感

《電力安全工作規(guī)程》規(guī)定,高壓設備發(fā)生接地時,室內人員應距離故障點4 m以外,室外人員應距離故障點8 m以外[2-3]。這是因為接地人員跨步行走時,兩腳之間會產生電位差,在距離故障點過近的情況下,會引發(fā)跨步電壓電擊。高壓設備發(fā)生接地時,現場人員可以采取雙腳并緊跳出跨步電壓區(qū)域的方式安全撤離。電力體感培訓系統使用虛擬現實技術模擬室內室外兩種場景,通過腿部傳感器對人體進行模擬電擊刺激,使參訓人員在距離接地點的不同位置感受不同的模擬電擊體驗,并在參訓人員并緊雙腳后消除模擬電擊刺激。距離接地點的遠近由參訓人員腿部佩戴的距離感應器采集。

跨步電壓室外模擬場景如圖1所示,室內模擬場景如圖2所示。電力體感培訓系統具體可以模擬正常行走時進入跨步電壓區(qū)域體感、單只腳著地退出跨步電壓區(qū)域體感、雙腳并攏退出跨步電壓區(qū)域體感,能夠根據參訓人員與接地點的距離、電壓等級的高低智能模擬跨步電壓的大小,在屏幕上顯示相關數據。

圖2 跨步電壓室內模擬場景

圖1 跨步電壓室外模擬場景

2.2 人體電擊模擬

通過電力體感培訓系統的人體電擊模擬功能,可以深入了解電擊的原理、危害,掌握防止電擊的方法。人體電擊體感功能通過透明模擬人體演示人體電擊時的電流回路,體現人體電擊未形成回路和形成回路時的區(qū)別,并演示不同電擊電流情況下心臟的工作狀態(tài),以及遭受感知電流、擺脫電流和致命電流時人體的不同反應。

圖3 人體電擊模擬

2.3 高壓開關柜操作體感

高壓開關柜廣泛應用于配電系統,通過操作高壓開關柜,可以根據電網運行需要使電力設備和線路投入或退出運行,在電力設備和線路發(fā)生故障時將故障部分從電網中快速切除,從而保證電網中無故障部分的正常運行。錯誤操作高壓開關柜,會給作業(yè)人員及設備帶來危害。根據《電力安全工作規(guī)程》相關技術要求,電力體感培訓系統應用聲、光、電、煙仿真技術,具備電弧放電、爆炸、跳閘、柜門沖開、聲光報警、語音提示,實現高壓開關柜操作體感功能,使參訓人員能夠進行高壓開關柜運行轉檢修和檢修轉運行過程中的帶負荷拉刀開關、帶負荷合刀開關、帶電合接地刀開關、帶接地刀開關合斷路器、操作錯誤編號高壓開關柜、誤入帶電間隔等錯誤操作體感培訓。高壓開關柜操作體感場景如圖4所示。

圖4 高壓開關柜操作體感場景

2.4 高空墜物體感

在電力體感培訓系統中,高空墜物體感場景為現實場景,如圖5所示。由控制開關控制吊掛鋼球,如圖6所示。在氣缸的作用下,鋼球會產生自由落體運動,撞擊在安全帽上。高空墜物體感現場可供三人培訓,參訓人員身高區(qū)間為158～190 cm。

圖6 吊掛鋼球

圖5 高空墜物體感場景

2.5 安全帶吊掛體感

與高空墜物體感相類似,安全帶吊掛體感場景同樣為現實場景,如圖7所示。安全帶吊掛體感功能的作用為使參訓人員在實驗室中體驗處于高空且懸空時的感受,為未來電力施工做好準備[4]。參訓人員系好安全帶,將安全帶一端的鎖扣固定在吊鉤上,確認安全帶穿戴正確,且各項安全措施無誤。由升降裝置將參訓人員提升到一定高度,人體懸掛在半空中,然后脫鉤使參訓人員下落5～10 cm,直至被防墜器和保護繩拉住,再緩慢下落至地面。

圖7 安全帶吊掛體感場景

3 虛擬現實網絡架構

根據油田電網的實際運行情況,在電力體感培訓系統中建立220 kV、110 kV、35 kV典型變電站和輸電線路虛擬現實培訓場景,實現對油田電網變電站和輸電線路運行、檢修、搶修,以及違章行為與后果的體感培訓。

電力體感培訓系統虛擬現實網絡架構如圖8所示。通過建立虛擬現實網絡服務器,實現多個終端的同時訪問?？梢栽L問變電站和輸電線路的虛擬場景,選擇對不同變電站進行不同操作,選擇對不同輸電線路進行不同作業(yè)。通過勝利油田局域網的數據遠程交互功能,確保電力體感培訓不受人員數量和地域的影響。

4 電力體感培訓系統模塊

電力體感培訓系統包括用戶及權限管理、虛擬現實場景管理、事故體感、仿真操作、數據統計五大模塊,實現對培訓過程的全面管理與統計,用于分析培訓效果。

4.1 用戶及權限管理

電力體感培訓系統與勝利油田電力分公司信息管理系統相融合,實現賬號通用登錄,并根據組織機構劃分相應的系統權限,對進行培訓的人員進行網絡實名認證。

4.2 虛擬現實場景管理

根據不同的仿真操作任務,為參訓人員提供不同的培訓場景,并在場景內設置相應的事故體感,形成一個逼真的虛擬現實操作環(huán)境。參訓人員可以自行選擇操作場景、操作內容和事故類型,管理員可以通過后臺添加操作任務、操作場景、操作內容、事故類型等。所有虛擬現實場景均以勝利油田下屬變電站及變電站內不同電壓等級、不同型號設備為基礎構建,現實場景與虛擬現實場景無縫連接,如圖9所示[5]。對參訓人員的操作全過程進行記錄、分析,辨識可能存在的風險因素,后期逐步構建自分析自研判的智慧安全仿真平臺。

圖9 電力體感培訓系統虛擬現實場景

4.3 事故體感

設置事故發(fā)生前背景,使參訓人員通過第一人稱視角和第三人稱視角體驗事故過程,最后進行事故解析,以試題的形式提示事故的直接原因、主要原因和整改措施,使參訓人員強化對電力事故的重視。帶電安裝接地線事故虛擬現實場景如圖10所示。

圖10 帶電安裝接地線事故虛擬現實場景

4.4 仿真操作

根據不同崗位職責設置相應的安全標準化操作內容,使參訓人員嚴格按照安全標準化操作內容進行操作,同時配有視覺、聽覺、觸覺提示[6]。以變電站值班員倒閘操作為例,其安全標準化操作內容如圖11所示。

圖11 變電站值班員倒閘安全標準化操作內容

通過虛擬現實場景模擬操作流程,結合操作過程中的風險提示和防范措施,在每一個操作節(jié)點根據規(guī)程要求為參訓人員提供多個場景,使參訓人員進行選擇。當參訓人員選擇違章操作時,系統給出相應后果。結合實際情況編制了工作票據辦理、設備日常巡視、設備缺陷處理、設備清掃、缺陷處理等的安全標準化操作內容,用于電力體感培訓系統的仿真操作。

4.5 數據統計

通過數據統計模塊得到參訓人員的培訓數據,包括培訓次數、培訓時長、具體操作內容、操作熟練程度、操作正確率等,基于培訓數據可以根據崗位和工作職責對參訓人員進行有針對性的考核。

5 電力體感培訓系統基本模型

電力體感培訓系統基本模型包括變電站和輸電線路兩部分。在建立基本模型時,先根據實際設備型號與電壓等級建立配件數據庫。在配件數據庫中選取相應配件,便可建立基本模型所需的設備,確保虛擬現實場景中所建立的變電站、輸電線路基本模型與現場一致[7]。

變電站基本模型中,一次設備包括斷路器、刀開關、電容器、電抗器、站用變壓器、主變壓器、避雷器等,二次設備包括保護裝置、數據采集裝置、通信設備、小電流接地選線設備等,安全工器具包括絕緣手套、絕緣靴、安全帽、接地線、遮攔、布幔等。

以35 kV輸電線路為例,輸電線路基本模型包括電桿、上導線橫擔、下導線橫擔、上吊桿、下吊桿、二合抱箍、上導線橫擔抱箍、下導線橫擔抱箍、起動精制螺栓、旋轉精制螺栓、拉線環(huán)、楔形線夾、UT型線夾、鋼絞線、拉線棒、拉線盤、底盤、懸式絕緣子、直角掛板、球頭掛環(huán)、單聯碗頭、導線懸垂線夾、導線防振錘、U形掛環(huán)、避雷線懸垂線夾、避雷線防振錘等配件?；诓煌呐浼?可以建立不同的輸電線路基本模型設備,以電桿為例,可以建立直線單桿/雙桿、耐張單桿/雙桿、轉角單桿/雙桿、轉角跨越桿等。

6 結束語

勝利油田電力體感培訓系統以現實環(huán)境為基礎,應用虛擬現實技術,實現了跨地域的電力體感培訓。通過規(guī)程和操作手冊要求,編制安全標準化操作內容,使參訓人員規(guī)范日常操作,并針對違章操作展現對應后果,實現正向培訓與逆向培訓的結合。勝利油田電力體感培訓系統應用以來,取得了良好的效果,具有推廣價值。