抽水蓄能电站发电机检修工艺流程可视化系统的实现

沈斌，黄贤荣

（1.天荒坪抽水蓄能有限责任公司培训部，浙江省安吉市 310012；2.南京聚瑞科技有限公司，江苏省南京市 210061）

抽水蓄能电站发电机检修工艺流程可视化系统的实现

沈斌11，黄贤荣2

（1.天荒坪抽水蓄能有限责任公司培训部，浙江省安吉市 310012；2.南京聚瑞科技有限公司，江苏省南京市 210061）

本文介绍了虚拟仿真技术首次在抽水蓄能电站检修工艺流程可视化的应用策略，希望能借此对抽水蓄能电站的检修培训起到一定的借鉴作用。

抽水蓄能电站；检修；工艺；流程；可视化

0 引言

随着国民经济的快速发展，电网峰谷差逐渐拉大，抽水蓄能机组的灵活启动和事故备用对降低电网峰谷差、提高经济效益及安全稳定性起到了举足轻重的作用。目前，国内抽水蓄能电站的计算机监控系统大多是引进国外产品，如ABB、西门子、阿尔斯通等大公司开发的监控系统在国内抽水蓄能电站中有着广泛的应用，为抽水蓄能电站实现“无人值班，少人值守”的先进管理方式提供了良好的支持，但其检修维护培训系统仅仅是建立在其基础上的初级培训系统。抽水蓄能机组一般有停机、发电、发电调相和抽水、抽水调相等5种稳定运行工况，工况多，转换复杂，仅常用的工况转换就有十多种，电气主设备、重要辅助设备的操作则更多，而且信息量大，控制复杂，这些是厂家自带的培训系统无法全面仿真的。国内抽水蓄能电站正成规模地投入商业运行，新出校门的运检人员也正成建制地进入抽水蓄能生产运行的重要岗位。由于上述条件的限制，运检人员无法得到全方位的模拟培训，这对现场事故处理工作不利。

计算机仿真培训系统是在计算机上建立过程仿真培训模型，通过模拟实际的工作环境，以进行人机接口试验与培训，实现对系统进行正常的启动、停止和不同工况下的事故处理的演练，以提高操作人员的技术素质与综合处理能力。

1 检修工艺开发的意义

对于抽水蓄能电站发电机的检修工作，由于设备种类繁多、结构复杂、涉及专业工种多，对检修工艺以及检修人员的专业技术素质要求较高，尤其是对于机组数量较多的电站，为了确保检修工作的快速、高质量完成，在专业检修技术人员有限的情况下，检修任务与检修压力较重，这也为机组的安全、稳定运行留下了潜在的事故隐患。因此，如何在较短的周期内有效提高发电机检修人员技术水平，保障检修工作的顺利开展，是保障抽水蓄能电站获得长期持续经济效益的重要条件。

天荒坪抽水蓄能电站自建成投运以来，作为大型示范性抽水蓄能电站，先后在全国范围内承担了多项抽水蓄能电站员工的培训任务，积累了大量的培训经验。同时，相比其他抽水蓄能电站水轮发电机组，天荒坪抽水蓄能电站机组具有许多独特之处，机组检修也具有明显的典型性，在发电机检修工艺流程方面也积累了大量的经验，能够发挥自身专业技术优势，有效承担抽水蓄能电站机组检修技术培训工作，带动发电机组检修技术水平的提高，并转化为实际生产力。

目前，电厂对检修人员的培训长期以来一直以现场实习和理论培训为主，培训手段主要有理论授课、实际操作讲解、指导下的操作训练等，授课所使用的媒体也通常为图纸、教科书、讲义等。这种培训方式不仅使检修人员受到电站检修周期、实施培训的人力资源、现场培训安全性等局限，而且在培训内容和培训深度上也难以达到实际工作的要求。同时，检修培训中还存在以下问题：

（1）技术技能传授者水平限制了职业技能人才的培养。

（2）技能人员理解水平和学习能力限制了人才队伍的成长扩大。

（3）检修工作性质对检修人员培训工作的开展造成一定制约。

（4）设备的种类繁多限制了检修人员技术技能培训工作的开展。

（5）检修人员水平参差不齐，对设备安全水平造成不利的影响。

上述不足之处在很大程度上降低了培训效果和效率，此外，不同的培训人员对抽水蓄能安全教育理解的差异，使得培训结果也存在一定差异，造成检修人员对检修工作的认识和理解存在较大的差异，这在很大程度上限制了技术培训效果和效率。近年来，随着计算机技术、仿真技术等先进技术的快速发展，三维仿真及虚拟现实等表现技术的出现为抽水蓄能机组检修工艺培训工作提供了一种非常有效的辅助手段，能够有效弥补传统培训方式方面的存在的缺陷，极大地提高培训的效果和效率。

天荒坪抽水蓄能电站机组检修工艺流程可视化系统开发，将填补国内抽水蓄能电站机组检修培训领域的空白，突出解决机组检修知识与相关技术设备纷繁复杂、难以全面开展培训的问题。系统的投入使用将提高检修人员的仿真培训效果，提高检修人员的综合业务技能，大幅提高培训质量和培训效率，最终实现良好的经济、社会效益。

目前在建与已投运的抽水蓄能电站，在机组检修工艺流程、拆装、检修工具、注意事项等方面基本相似，因此，通过本项目的研究和开发，针对抽水蓄能电站发电机检修技术培训工作，利用先进的三维动画技术、虚拟现实技术、计算机技术及数据库技术等，结合抽水蓄能电站发电机检修技术知识及相关规范标准，研究开发发电机工艺流程可视化系统，对于本电站以及其他抽水蓄能电站相关人员的检修培训工作，具有较强的通用性以及重要的推广价值，并产生可观的经济效益和社会效益。

项目研发完成后，通过集中培训与强大的远程网络培训等多种方式，天荒坪抽水蓄能电站培训中心将更加有效地避免培训力量薄弱的影响，弥补培训工作受时间地点的限制，充分发挥天荒坪抽水蓄能电站自身特长和丰富经验，更加高效地承担发电机检修工艺相关培训工作，提高国家电网公司抽水蓄能电站机组检修技术水平，保障抽水蓄能电站安全、稳定、经济运行。

2 国内外研究水平综述

可视化系统开发将以数字三维虚拟仿真为主，结合各系统的原理、信息技术以及仿真应用领域的有关专业技术为基础，将计算机图形学（CG）、计算机图象学（CP）、仿真学等多种科学技术融合起来，以计算机系统、与应用有关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型对系统进行研究的一门多学科的综合性的技术。三维动画软件在计算机中首先建立一个虚拟的世界，设计师在这个虚拟的三维世界中按照要表现的对象的形状、尺寸建立模型以及场景，再根据要求设定模型的运动轨迹、虚拟摄影机的运动和其他动画参数，最后按要求为模型赋上特定的材质，并打上灯光。当这一切完成后就可以让计算机自动运算，生成最后的画面。由于其精确性、真实性和无限的可操作性，三维动画技术模拟真实物体的方式使其成为一个有用的工具。

20世纪90年代初出现的虚拟现实技术又称VR技术，代表了多媒体技术发展的更高水平。VR技术是把计算机从善于处理数字化的单维信息改变为善于处理人所能感受到的、在思维过程中所接触到的、除了数字化信息之外的其他各种表现形式的多维化的信息空间，在定性和定量相结合、感性认识和理性认识相结合的综合集成环境，给人们逼真的体验；为人们探索宏观世界和微观世界中不便于直接观察的事物提供了极大的便利。

三维实景系统具有以下典型特征：

（1）经过透视处理模拟三维实景，沉浸感强，给操作者带来身临其境的感觉。

（2）数字全景图像，立方体全景显示，与球型全景相同，可以看到场景的任意角度。

（3）可以从各方向移动观看场景，以达到模拟和再现场景的真实环境效果。

（4）系统提供各种操纵功能，通过鼠标或键盘进行人机互动，交互性强。

（5）可与培训知识内容相交替，达到学习和实践相结合的目的。

基于三维仿真技术上述典型特点，近年来，被广泛应用于医学、教育、军事、娱乐等诸多领域。在影视广告制作方面，这项新技术能够给人耳目一新的感觉，因此受到了众多客户的欢迎。三维动画可以用于广告和电影电视剧的特效制作（如爆炸、烟雾、下雨、光效等）、特技（撞车、变形、虚幻场景或角色等）、广告产品展示、片头飞字等。虚拟现实技术作为体验感强烈的新技术，主要用于三维游戏开发等对人机互动有较高要求的行业领域中。在航空飞行行业，法国达索公司开发了一系列三维仿真虚拟互动平台，用于航空领域的系统开发与培训；在设计制造行业，三维仿真技术被广泛应用于机械制造、设备加工、模具设计等方面，并用于复杂的机械结构及工艺开发相关培训系统；在城市规划与建筑行业，结合三维仿真与虚拟互动技术开发完成的用于三维城市地图、三维建筑实体漫游、三维互动体验等应用系统也非常多；此外，在文化、游戏等产业内，三维仿真及虚拟现实技术得到了多方面的应用。

然而，在水电站及抽水蓄能电站工程领域内，由于专业性强、专业知识要求较广、设备种类繁多、结构复杂等特点，仿真技术与抽水蓄能机组检修技术培训一直没有得到成功有效的结合应用，目前水电站及抽水蓄能电站相关发电领域中，已开发完成的三维仿真展示培训系统相对较少，尚处于初步阶段，对于抽水蓄能发电机工艺流程，具有三维仿真与互动操作培训功能的应用系统还未见。

国外发达国家水电及抽水蓄能开发热潮多集中在20世纪中后期，计算机及仿真技术尚未发展成熟。目前，随着计算机及仿真技术的日益成熟，国外发达国家水电及抽水蓄能的开发已基本进入尾声，其行业技术水平相对较落后，仿真技术未得到有效的应用。国外其他国家抽水蓄能电站建设管理水平相对国内较为滞后，大型抽水蓄能电站建设较少，将三维仿真及虚拟现实技术与行业技术相结合的抽水蓄能电站机组检修仿真系统极少。国内将三维动画仿真及虚拟现实技术与抽水蓄能电站机组检修知识技术相结合形成的发电机工艺流程仿真系统尚无公开报道。

3 项目的理论和实践依据

发电机检修工艺流程可视化系统是利用计算机图形图像学，在三维数值算法的基础上，采用点、线、面组合构成空间实体的基本形状，同时采用RGB等图形算法模拟颜色，形成具有色彩视觉的实体造型。此外，考虑光线明暗度等因素，综合发展而成的采用多项先进计算机技术、数值计算技术、图形图像原理的专门技术。此外，利用实体的三维坐标实时转换、实时渲染、物理特性模拟等方法与技术，允许用户在计算机上进行实时互动操作，得到与现实情况几乎一致的互动操作体验。

本项目研究内容是将抽水蓄能电站发电机检修工艺相关专业知识技术，与上述先进的三维仿真及虚拟现实技术、计算机技术相结合，综合开发完成的具有直观、高效、趣味性强的发电机工艺技术培训系统，该系统将实际机组检修过程、要点、工艺等通过计算机技术等进行真实的三维仿真动画方式再现，并开发三维虚拟现实环境，开发机组检修工艺流程互动操作实训，实现学员与计算机的交互，并在交互操作中对各设备的检修工艺进行实时演示讲解。同时，针对机组检修工艺培训工作，开发辅助培训与管理功能，使学员能够直观、清晰、全面地掌握机组检修相关知识与技术。

项目研究的关键技术及难点在于以下几个方面：

（1）发电机检修工艺流程的三维仿真动画开发中：建模与精模的动态转换、三维实体模型比例尺控制、模型光影烘焙贴图技术、三维模型数据转换、三维复杂曲面构造方法等，需要在项目制作前，根据实际特点进行研究与制作控制。

（2）发电机检修工艺流程的三维虚拟互动实训开发中：基于设备连接关系的虚拟场景组织、实时LOD动态加载算法、碰撞检测加速优化算法、不同视距的透视化算法、实时路径的自动分析演算算法等技术关键，均需要本项目中针对系统特点进行研究及应用。

（3）系统集成开发中的关键技术：三维虚拟互动环境与数据库管理的通用数据交换接口标准制定与开发、发电机检修工艺资料文档集成环境与管理、系统整体性能优化算法与控制等。

（4）此外，发电机检修工艺与三维仿真技术的展现策划也是决定项目研发的重要因素。

4 项目研究内容和实施方案

项目的研究内容主要包括发电机检修工艺流程三维仿真动画演示、发电机检修工艺流程三维仿真互动操作实训、发电机工艺流程资料学习模块开发以及具有强大网络支持功能的发电机检修工艺流程集成系统。

4.1 发电机检修工艺流程三维仿真动画演示

运用三维动画等计算机技术，依据天荒坪抽水蓄能电站检修工艺卡、现场检修实际情况以及相关专业知识，结合设计图纸和照片，建立检修仿真演示培训平台，采用直观、生动、趣味的三维仿真动画演示方式，全面、完整地展示检修设备的结构、工作原理、检修工艺以及检修工具结构及使用方法等培训内容。

依据检修作业指导书整体工作流程，采用三维动画等表现方式，直观展示设备检修作业（包括修前准备、安全措施检查、工作交底、检修工艺等）全过程，让学员更好地了解和掌握设备检修作业整体工序工艺。通常，工艺卡为表格形式，采用文字描述工作步骤、操作内容及注意事项，这些工艺流程的文字描述很繁琐，不直观，若没有一定维修经验很难理解。本项目就是要把这种抽象、不具体的工作流程数字化，使每个工序步骤的教学内容更形象化，便于学员吸收掌握所学内容，项目具体实施方案如图1、图2所示。

图1 检修流程图

图2 检修工艺流程图

以天荒坪电厂的球阀枢轴密封更换工艺卡为例，由修前准备、检修工具、安全措施检查、工作交底、工艺流程五大部分80多个步骤组成，修前准备主要是说明本次维修工作的备品备件、检修材料及检修工具的准备工作，由于这些工具材料均有实物，考虑采用实物拍摄方法，用网页页面交互展示，材料、工具条目与实物照片一一对应，学员通过点击菜单条目获得实物照片来认识材料及工具，效果如图3所示。

图3 设备对照图

安全措施检查是检修前的开关设备启停准备工作，是为维修工作做准备的，每个开关的编号、操作均不能有误。目前的安全检查工序全是文字及编号说明的设备开闭流程有30条,不便于识别和找寻，即便是比较熟悉维修工作的员工也未必能凭借文字标注快速找到设备开关，应考虑采用实物照片结合字幕来描述开关设备，并结合导航图标示设备开关的位置，这种图文对照的方式便于维修人员快速认识、找到相应的设备开关，如图4所示。

工作交底主要为表格，内容有工作要求、工作内容、危险点、防范措施及人员分工等一类注意事项（见图5）。

工艺流程是本教学内容的重点，是检修工作的具体实施步骤。这部分内容应考虑采用动画技术来模拟设备的每步拆装工序，用三维技术来展示设备构造。

图4 设备对照图

图5 工作交底图

在检修工艺卡中，有相当多的注意事项，这些注意事项有些仅是一些口头性的操作描述，如球阀枢轴密封更换流程中提到的“涂抹黄油，观察缝隙，擦出灰层、注意轴颈碰撞卡死”等注释性文字，教学系统中对于一些难于表现的注释画面可采用语音解说，合成特效、位置标示、字幕等后期方法来实现。

4.2 发电机检修工艺流程三维仿真互动操作实训

依据天荒坪抽水蓄能电站检修作业要求，运用三维虚拟互动技术，建立三维虚拟互动模拟演练检修培训平台，提供可交互的操作方式。操作人员可以在虚拟环境中手动拆卸、安装检修设备各部件，达到对电站检修作业的仿真练习目的，加深操作人员对检修流程及工艺的详细了解和掌握。同时，操作人员可以手动操作查看检修设备的详细结构，了解和掌握设备部件名称、属性参数等信息。

在对水泵水轮机组中某一具体设备进行检修时，需对当前检修设备的部件进行拆卸和安装操作。为让学员更好地了解、掌握设备检修时，其具体部件的详细拆卸、安装工艺流程，在三维虚拟仿真检修环境中，通过人机互动操作，实现当前检修设备部件拆卸、安装过程的模拟演练。

5 预期目标和成果形式

通过本系统的学习，学员可以了解抽水蓄能电站机组检修的基本知识，理解和掌握抽水蓄能电站检修设备的结构布置、组成和工作原理，同时深入了解和掌握抽水蓄能电站中机组设备检修的详细工序工艺及相关注意事项，在最短周期内、最大程度地掌握抽水蓄能电站机组的检修相关知识技能。

针对天荒坪抽水蓄能电站发电机各设备的检修技术，开发完成直观、全面、功能强大的“发电机工艺流程可视化系统”，在抽水蓄能电站机组检修三维仿真培训方面填补空白,以使本项目成果能够有效的扩展与转移。

[1] 杨仕平.嵌入式实时软件可视化开发方法.系统工程与电子技术，2003，（1）.

[2] 李效旭.水轮发电机组检修三维仿真研究.中国水电设备技术讨论会论文集，2011.

[3] 陈红专.水轮发电机运行故障分析及维护.中国科技博览，2013，（27）.

沈 斌（1977—），男，本科，工程师，主要研究方向：抽水蓄能技术管理。E-mail:thp7@sohu.com

黄贤荣（1981—）男，研究生，高级工程师，主要研究方向：三维技术研究和开发。

The Realization of Visualization System for Generator Maintenance Technology Process of Pumped Storage Power Plant

SHEN Bin, HUANG Xuanrong
(Tianhuangping Pumped Storage Limited Liability Company training department, Anji 310012,China;2.Nanjing Jurui science and technology Ltd.,Nanjing 210061,China)

This essay describes the strategy of the application of the virtual simulation technology in maintenance technology process of pumped storage power plant, hopefully this can be a role model in the maintenance training of pumped storage power plant.

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