变电运行安全培训虚拟情景体验系统研究

赵岱平， 于　传， 房雪雷

(1.国网安徽省电力公司培训中心， 安徽　合肥　230022；

2.安徽电气工程职业技术学院， 安徽　合肥　230051)



变电运行安全培训虚拟情景体验系统研究

赵岱平1,2， 于传1,2， 房雪雷1,2

(1.国网安徽省电力公司培训中心， 安徽合肥230022；

2.安徽电气工程职业技术学院， 安徽合肥230051)

摘要：随着电网运行监控模式有所变化，对电网安全运行提出了更高的要求。电力安全培训应紧跟电网技术发展，创新培训模式和手段，更好地服务电网安全。虚拟情景体验系统基于虚拟情景交互体验平台开发，建立系统性、多方位的变电运行体验安全培训系统，是电力安全培训的一种新模式、新思路，能够在变电运行安全培训中发挥很好的作用。

关键词：变电；安全；虚拟；情景体验

1虚拟情景体验系统概述

虚拟情景体验系统旨在通过系统性、多方位的培训，牢固树立作业员工的安全责任意识，避免在生产作业中因安全意识淡薄、责任不到位和心理影响而引发安全责任事故，保证电网、设备和人身安全。虚拟情景体验系统通过二次开发升级，也可为输电线路、检修等变电专业的工作提供安全培训。

系统的优点包括：(1)正确性：系统所涉及的任务行为过程和设备动态信息必须满足物理规律和电网实际运行规律。(2)开放性：系统具备二次开发接口，通讯和接口必须遵循有关标准和规范。同时可方便地扩展为变电外工种如输电线路、检修等提供安全培训。(3)可维护性：系统维护简便、用户操作界面友好，当系统工作发生异常时，能迅速恢复，充分做到程序代码和数据的独立性，减少操作维护人员的工作量和工作繁重程度。[1](4)安全性：充分考虑系统的数据安全以及严格保证受训人员的人身安全。利用服务器、网络、数据库管理系统提供的安全保障机制，确保整个系统的数据安全。[1]

2虚拟情景体验系统特征

2.1　系统功能

系统以电力系统技术、电力专业人员的技能为基础，重点培训和考核学员的安全意识，尤其是自我保护的生命防护意识，及其相应的防护措施；同时以开放的平台，在逐步吸收技术发展的前提下，为非技术技能因素、心理因素与事故发生率的关系研究积累第一手资料。

将虚拟交互情景体验平台建设成为变电、输电线路、检修等工种安全培训一体化体验平台，通过计算机虚拟三维技术、人机交互与声、光、电等现代技术手段结合，逼真再现现场环境，模拟各种现场环境对行为人心理的影响，训练学员在各种心理条件下进行作业操作，提高学员安全心理与行为的稳定性，促使学员在各种恶劣条件下，保持对行为后果的清醒判断力。

在虚拟交互情景体验平台内建设一套变电运行体验软件，以“强调教育为先、注重预防为主、加强人文关怀、建立长效机制”为设计理念，对典型变电站建立设备模型、真人模型、电气连接拓扑模型，仿真变电站现场电气特性，对设备驱动、真人精细动作捕捉，模拟各种现场环境对变电运行行为人心理的影响，累积外界因素、电网内部对设备的物理、化学、电能和电动力的影响，为变电运行人员构建一个多维度、多层次的培训、体验、心理干预体系。

建立一套安全意识训练系统通过二维图片、三维动画技术实现危险点、违章点直观表述和安全事故案例情景再现，实现以例说理，通过学员对的危险点、违章点的辨识，对真实事故案例的剖析，牢固树立风险意识。

2.2　系统结构

系统结构如图1所示。

图1　系统结构图

3传统电力安全培训中存在的主要问题

(1)对安全教育的重要性认识不够。由于安全培训不能立竿见影地产生经济效益，因而导致了某些企业重经济效益，轻安全培训的局面，受训人员也往往对电力安全培训不够重视，没有真正参与到安全培训中去。

(2)参与培训的人员构成不合理，安全意识参差不齐。对管理人员和生产一线员工的安全培训教育存在“一手软，一手硬”的情况。两者的安全责任同样重大，作为一个团队如果安全意识强弱不均，将影响到电力安全生产。

(3)安全培训方式单一乏味，内容理论多，技能少。在电力安全培训中往往把重点放在了安全法规的宣传和案例分析上，忽视了安全操作技能的培养，[2]一线职工在遇到危险时不能冷静处理，导致事故的发生。

4基于虚拟情景体验系统的变电运行安全培训系统

4.1　系统构成

依据虚拟交互情景体验平台提供的计算机三维技术、人机交互手段，通道环幕立体投影系统和声、光、电等多媒体手段对变电站现场进行体验仿真，营造逼真变电运行体验现场环境。

主要包括10个模块：(1)仿真系统；(2)虚拟情景体验现场；(3)行为仿真；(4)运动捕捉；(5)多角色同步控制；(6)安全体验过程控制；(7)用户体验数据库及应用、分析接口；(8)生命体征数据采集接口；(9)现场体验环境硬件接口；(10)安全意识训练系统。

4.2　软件系统和关键技术

4.2.1仿真模型组态软件

采用图模一体化建模方式，提供完备的设备库和图符库，针对变电、输电线路、检修等多工种培训需求，建立仿真系统一次模型、二次模型，方便用户修改一次系统、二次系统设备参数。

4.2.2变电站仿真一次系统模型

以220kV典型变电站为仿真对象，建立变电站一次系统模型，采用动态数字模拟，其原理和物理参数按实际资料仿真，静态动态特性与实际系统相同，其故障和现象与实际一致，其相互影响和逻辑关系与实际相同。[3]

4.2.3变电站仿真二次系统模型

保护装置配置与实际变电站相同，采样本装置的PT、CT电流电压，按照保护原理计算，与自己的物理量定值和时间定值比较，实现保护装置功能,能自动适应保护装置间相配合的特性，包括定值配合和时序配合。

4.2.4变电站虚拟情景体验场景

建立220kV典型变电站作业场景，建立安全工器具室和施工工器具室，体现在变电站内操作属性和动作属性。建立各种设备、设施、工器具缺陷。

4.2.5动作行为仿真支撑软件

基于OpenGL人物骨骼动画技术，与三维虚拟场景软件无缝融合[4]，支持真人模型的动作行为在三维虚拟场景中展现，体现学员在虚拟场景中作业时的动作行为、与其他工作人员的相互配合行为以及在违反安全规定可能造成的人身伤害后果。

4.2.6运动捕捉分析软件

对智能空间采集的运动数据进行分析，识别和感知用户以及他们的动作和目的，理解和预测用户在完成任务过程中的需要,[5]并驱动相应角色虚拟人进行动作。

4.2.7生命体征数据接口

采集在实际体验过程中的行为人的生命体征数据，并将数据存储到用户体验数据库。

4.2.8体验过程重演模块

依据变电站运行人员情景体验过程记录，针对变电运行虚拟人角色，重演学员变电运行体验操作过程。

4.2.9变电站体验过程分析评价系统

针对变电站安全规程，制定相应的评价规则，通过对学员情景体验过程中的生命体征数据和情景体验过程中的操作记录进行分析，给予相应评价。

4.2.10安全意识训练系统

以《国家电网公司电力安全工作规程(变电部分)》[6]为理论依据，建设二维安全图片库和三维安全动画视频库，分别加以分类、筛选、组题，并与理论题库中安规条款和试题进行关联。

4.3　主要硬件设备

(1)频闪灯：模拟事故发生时的电弧。

(2)烟雾机及烟雾油：模拟烟、雾等效果，并通过添加气味剂模拟现场气味。

(3)负压风机：将产生的烟雾、气味尽快从室内排出。

(4)硬件控制接口装置：对烟雾机、频闪灯、抽风机等设备的控制接口装置，在教练员台中通过软件进行驱动控制。

(5)便携式生命体征采集仪：测量心电、无创血压、血氧饱和度、脉搏、体温，显示心电血氧容积波形。

5结束语

随着电网技术的发展，安全培训需求的提高，传统的变电运行安全培训已难以满足培训需要，虚拟情景体验系统提供了一条新的培训方式。文章主要介绍了虚拟情景体验系统的结构、软件关键技术和硬件主要设备，展示了系统的主要功能，将在电力安全培训中发挥重要的作用。

参考文献：

[1] 孙方楠.淮北电力通信网监控管理系统的研究与设计[D].北京：华北电力大学，2012.

[2] 李秀萍.危险化学品取换证培训之我见[J].新疆有色金属，2010(S1)：150-152..

[3] 郑新才，刘成伟，秦三营，等.电网综合反事故演练仿真系统[J].电力自动化设备，2009(5)：145-149.

[4] 高文胜.三维动画设计基础[M].北京：机械工业出版社，2010.

[5] 彭云，万臣，郭亚军.普适计算及其存在的安全问题[J].武汉生物工程学院学报，2010(02).

[6] 国家电网公司.电力安全工作规程[M].北京：中国电力出版社，2009.

[责任编辑：王敏]

于传(1983-)，男，江苏徐州人，讲师，从事电网运行分析与培训工作。

房雪雷(1969-)，男，安徽合肥人，讲师，从事电网运行分析与培训工作。

Virtual Scene Experience System for Substation Running Safety Training

ZHAODai-ping1,2,YUChuan1,2,FANGXue-lei1,2

(1.TrainingCentreofStateGridAnhuiElectricPowerCorporation,Hefei230022,China;

2.AnhuiElectricalEngineeringProfessionalTechniqueCollege,Hefei230051,China)

Abstract:With the change of grid running monitoring pattern, the higher require of grid safety running is put forward. Electrical safety training should follow the grid technology development, to innovate training pattern and means so as to service grid security better. Virtual scene experience system is based on virtual scene interaction experience platform development, establishes systematic and all-round substation running experience safety training system, is a new model and a new thought of electrical safety training, and can play a good role in the substation running safety training.

Key words:substation; safety; virtual; scene experience

中图分类号：G642

文献标识码：A

文章编号：1672-9706(2015)04- 0114- 04

作者简介：赵岱平(1972-)，男，安徽合肥人，讲师，从事电网运行分析与培训工作。E-mail：zhaodp126@126.com

收稿日期：2015- 08-21 2015-11-10