三维仿真技术在电力工程试验中的应用

◆杨柏松 郑桂彬 李长庚

1 引言

近几年，随着我国电力工程规模不断扩大，结构日益复杂，先进自动化设备的不断投入，自动化技术的不断更新，对电力工程的稳定运行提出更高的要求[1-2]。电力工程规范的安全运行对于维持电力工程的稳定、保证电力工程的可靠供电具有十分重要的意义[3]。因此，加强对运行人员的技术培训，提高他们的运行操作和事故处理能力，是目前电力培训的重点。用人单位都希望学校培养的毕业生能与上岗单位要求零距离，特别是专业技术专项能力模块的训练能力与实际电力工程要求相符[2-4]。

目前，国外各高职院校电力工程高电压教学试验已经发展到用物联网技术为核心，并已形成一定的标准，而我国电力工程教学试验主要有两种形式。

第一种是基于物理平台的硬件仿真系统结合部分计算机仿真系统，能够建立与真实电厂、变电站等十分相似的外观环境，配备有各种配电屏、控制屏等[5]。学生能通过仪表监视、开关操作、操作票等，了解电厂、变电站的基本操作流程。但这种方式不仅占地而积较大，投资大，且对于电厂的动力部分受到场地、设备的限制而难以仿真。

第二种形式则完全利用计算机软件，在计算机上可以进行所有的操作，使学生对整个电厂、变电站的结构、设备组成、操作流程有一个较为完整的概念[1-6]。

这两种形式的仿真虽然各有利弊，但都存在一个共同的缺点：与真实操作不一致、真实感较差，无法对一次设备进行倒闸操作、设备巡视[3-7]。

结合我国电力工程教学试验的不足，提出利用三维仿真技术的设想，并结合VR仿真平台的建设，对高压倒闸柜出线柜停电操作仿真试验所能达到的效果予以简要描述，旨在解决规避在教学试验过程中因电压过高可能存在的安全风险，又可用试验仪器对被试品直接进行试验，用真实仪器在真实的设备上进行接线、加压，实现优势互补，让学生快速掌握各类电压等级设备的试验接线和仪器的操作方法。它具有真实性与交互性的特点，能够完美地完成教学任务；尤其针对电力工程教学方式的改革，它的交互性将更加有效地提高教学质量。

2 三维仿真技术平台的搭建

三维图形原理是利用一系列的光学方法使人左、右眼产生视差，从而接收到不同的画面，在人脑中形成具有距离感的三维立体效果，使人看到的就像真的一样。3D-VR平台正是基于这种可视化的技术而实现的。三维仿真技术具有如下功能。

1）仿真平台可提供参数设置、快门设置、时标设置、趋势记录设置、报警纪律以及成绩评定要求等选项，便于教学任务的开展。

2）在仿真平台上，学生可以根据自己的具体学习情况有选择地学习，如可自行设计、试验不同的开闭所高压柜操作方案，实现复杂的控制和优化实现。

3）与实地操作相比，具有实际操作无法比拟的安全性以及经济效益。

通过构建三维仿真VR平台，电力工程试验仿真培训环境拟进行人性化设计，充分利用虚拟现实等多媒体技术，通过刺激学生的感官神经，调动学生的学习积极性和主动性，还能提高学生综合分析问题、解决问题的能力。

3 “高压倒闸柜操作”仿真试验平台设计

高压倒闸柜出线柜停电操作是电力系统教学中一个典型的教学试验。与实地试验相比，“高压倒闸柜出线柜停电操作”三维仿真实习平台可训练学生构建工程的操作步骤与工程素养。这样的试验可以更好地达到预期教学的目标要求，同时满足工业工厂人员岗位的操作技术要求。

试验的步骤

1）进入控制中心，选择“全林开闭所——出线柜停电操作”。

2）选择安全用具并点击提交选择按钮；安全用具包括（个人工具包、绝缘鞋、安全帽、0V绝缘手套、高压验电器）。

3）对安全用具分别进行安全检验，检验合格后提交工具选择任务并进入全林开闭所场景。

4）检查储能指示状态。观察储能指示黄灯和小车面板上的储能状态指示器：指示黄灯熄灭，指示器箭头指向上方时，表示弹簧未储能；指示黄灯亮，指示器指向下方时，表示储能已经完成。确认此时弹簧未储能，不能进行断路器分闸操作。如果储能完成，则可以直接进行断路器的分闸操作；如果储能未完成，则首先要进行手动储能操作。

5）储能。打开断路器室面板，在储能操作孔插入储能操作杆，反复下压操作杆，并观察下方的储能状态指示器，当箭头变为指向下方时，停止操作取下操作杆，观察储能指示灯亮起，关闭断路器室面板，储能完成。

6）检查断路器和接地开关状态。查看断路器状态和计数器显示的次数，断路器合闸指示红灯亮时表示连通，断路器分闸指示绿灯亮时表示断开。停电操作前，断路器连通（图1），接地开关断开。

7）断开断路器。通过断路器操作开关进行断路器操作，首先注意将操作方式开关打到“就地”一侧（图2），然后将断路器操作开关的旋钮打到“分闸”一侧。

8）再次检查断路器状态。观察断路器分合闸指示灯显示，当分闸指示灯亮时，表示断路器已经断开（图3），小车面板上的计数器显示次数加1。

图1

图2

图3

9）摇出小车。从工具箱中取出小车操作手柄，插入小车操作孔，逆时针旋转手柄大约20圈；操作完成后，取下手柄，放回工具箱，此时观察小车从运行位置移动至试验位置（图4、图5），小车运行位置指示红灯熄灭，试验位置指示绿灯亮起。

图4

图5

10）拉出小车。首先，打开断路器室柜门，取下小车二次侧插头；然后安放置放小车支架，将小车拉出断路器室，此时小车状态为检修位置。

11）验电。首先，在断路器室内置放辅助移动绝缘隔板工具，将小车操作手柄插入移开绝缘隔板工具操作孔，逆时针旋转手柄大约20圈，移开母线侧及线路侧的绝缘隔板（图6、图7）；然后，对高压验电器进行试验合格证检验和自检后，再对高压柜母线侧及线路侧进行验电；验电完成后，顺时针旋转辅助移动绝缘隔板工具上的小车操作手柄，关闭绝缘隔板，取下手柄和辅助工具。

图6

图7

12）放回小车。将小车从检修位置放回试验位置，并插上小车二次侧插头，关闭断路器室面板。

13）闭合接地开关。打开接地操作孔闭锁弹片，将接地开关操作杆插入接地操作孔，顺时针旋转90°，取下手柄，接地开关闭锁弹片自动关闭，将接地操作孔闭锁。

14）挂上停电警示牌。

试验的操控分析 由于正常工业生产的需要，在实地实习过程中企业不可能对学生进行拉出小车、放回小车的培训，而三维仿真VR教学试验平台却极易实现这种需求。

利用可视化的三维动画仿真技术，仿真实习平台可实现电力工程教学模拟试验操作，对极限工况以及操作失误会给学生以适当的提示、报警，甚至会给出相应的指导。对高电压设备的电气试验项目进行三维仿真，无需在试验场进行实升电压，规避了在教学培训过程中可能存在的安全风险，同时也能让学员了解和掌握仪器的基本使用方法和高电压试验的操作规范，达到技能训练的目的。

4 结束语

针对我国各高等院校在电力工程教学试验过程中遇到的教育制度、客观环境以及实际条件带来的困难，为了进一步解决目前的问题，提出利用三维仿真技术结合VR仿真平台实现常规的电力工程教学试验。并且本文谈了电力工程教学试验中典型的高压倒闸柜操作试验在三维仿真平台的应用，并详细介绍了该方法的可行性分析。实验结果表明，学生通过仿真实习，可获得与实地考察相近的视觉和听觉感受，可以学习高压试验设备和试验仪表等高压试验方面的基本知识，能反复练习变压器、断路器、避雷器、互感器等高压设备的各种试验操作。同时，该试验平台的建设也为我国电力工程教学试验进行改革提供了一条新的思路、新的方法。但由于三维仿真技术是建立在VR仿真平台上，对VR仿真软件性能依赖性较高，因此对VR仿真软件的性能有待进一步研究。■

[1]TAO Jinliang, SHI Xiaoping, HU Baisong, WEI Feng, SUN Jiao, CHEN Wenyi, GAO Binjun. 2010 Third International Conference on Education Technology and Training(ETT)[M].2010:120-123.

[2]高楠楠,宋荣伟,裴英,等.三维仿真培训系统在电气试验专业培训中的应用[J].国网技术学院学报,2014,17(2):32-34.

[3]马元忠.浅析电力安全三维仿真培训平台的设计与开发[J].科技与创新,2015(2):108-110.

[4]乔卉,龚庆武,江传文.面向电力培训的三维交互仿真平台的设计与实现[J].电力自动化设备,2013,33(6):157-159.

[5]汤奕,蒋平,高山,等.电力工程教学实验中心建设的探索[J].电气电子教学学报,2007(12):67-69.

[6]曾国,余民郭,冯煊,等.电力安全三维仿真培训平台的设计与开发[J].湖北电力,2014,38(4):54-56.,

[7]孙丽华,刘庆瑞,赵静.《电力工程》课程教材建设与教学改革探究[J].中国电力教育,2008(9):130-131.