基于VR虚拟仿真技术的变电运行课程教学设计

程序　张兴然

【摘 要】变电站运行工作需要较强的实践能力，然而目前的变电站运行实训教学受资金，场地的限制，还不能真正地满足学生的需求，因此本文通过分析变电站运行课程建设和教学现状，得出使用传统教学模式实施变电站运行课程的主要难题，以“变电站巡视”项目为例探讨变电站运行教学模式的设计及应用，提出了基于VR技术和虚拟仿真的实训教学设计。

【关键词】VR技术；虚拟仿真；变电站巡视；教学设计

中图分类号： G712；U41-4；U44-4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）31-0181-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.087

0 引言

《變配电运行》课程是发电厂及电力系统专业、供用电技术专业的必修核心课程。主要培养学生具有本专业所包含的中（或高）级变电站值班员所必需的专业知识和专业技能，培养学生的团队协作、沟通表达、工作责任心、职业规范和职业道德等综合素质和能力，为从事供电企业、工矿企业供用电相关技术工作做准备。通过本课程的学习使学生掌握变电站一次系统主接线及二次接线，掌握变电站开关、线路、主变、母线和旁路代路的运行监控和倒闸操作，掌握变电站线路、主变、母线事故分析处理，掌握变电站线路、主变、母线事故分析处理，掌握变电站小接地系统的运行监控和故障运行处理，掌握变电站设备巡视制度、项目以及异常情况处理等知识和技能。本文以变电站巡视项目教学为例，说明了目前变电运行教学中存在问题，VR技术和变电站虚拟仿真技术的基本情况以及基于VR技术和变电站虚拟仿真技术的实训教学设计。

变电站巡视检查工作是运行人员日常工作中的一项重要内容，设备巡视的质量直接影响着变电站的安全运行；有人值班的变电站对全站一、二次设备每天要进行3次检查。设备巡视的工具和方法是影响巡检工作效率的一个主要因素，在一个侧面上反映现场的生产管理水平。为了监视设备的运行情况，及时发现和消除设备缺陷，预防事故发生，确保设备安全运行，每个运行人员必须严格按照规程要求，认真负责，一丝不苟地做好设备检查工作。

1 变电运行教学中存在的问题

1.1 带电变电站实训场地难以在校园实现

变电站的功能是变换电压，将电压由低压变为高压或者由高压变为低压，是电力系统“发变输配用”五大环节中的一部分。而电压等级的选择是根据电能输送距离、用电量等因素，学校、企业等单位的输入电压通常是10kV或35kV，所以对于高电压等级的变电站想在学校中实现首先就是没有相应的电压等级。其次，一个变电站的占地面积多则几万平方米，投资甚至需要上亿。这样的成本与代价，对于学校只是作为教学用途来说显然也是不可能实现的。如果与企业合作，去真实变电站进行实训，只能进行参观学习，无法操作否则将会影响供电。

1.2 高压危险难以实物操作

变电站中必然有高压侧，高压侧最低也有10kV，对于大型变电站更是高达500kV、1000kV，而人体能够承受的安全电压是36V。特别是对于1kV以上的电压等级称为高压，人体不仅不能接触而且不能靠近。对于作为初学者的高校学生在这种环境中学习显然太危险了，同时面对一个班的学生往往有几十人作为老师想要保障所有学生的安全恐怕困难重重，相比企业中常是师傅只带一个或几个徒弟，为实物操作带来了可能但是效率不高。

2 VR技术和变电站虚拟仿真技术

2.1 VR技术和变电站虚拟仿真技术介绍

变电站虚拟仿真系统采用先进的仿真支撑技术、仿真建模技术，建立变电站一次系统、二次测控系统、保护系统、自动装置系统的全物理、全过程的精确数学模型，逼真的模拟变电站各种运行工况和各种故障现象。VR是英文单词Virtual Reality的缩写，意思是虚拟现实技术。它是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。使用 VR 可以为各级学校的学生提供身临其境的多感官的体验，比起传统的讲课、字卡图卡、或教科书等方法更有效。学生们可以在VR眼镜中近距离观察变电站每种设备的外观、铭牌，接线方式以及内部结构。还可以与实物结合，操作手柄实物，在眼镜中模拟效果现象，例如，进行拉合隔离开关操作，无需制造整个隔离开关，只需制造把手和开关通过传感装置和仿真，使人即可以体验到如何真实的控制操作又可以看到虚拟的逼真隔离开关开合过程。

2.2 VR技术和变电站虚拟仿真技术应用于变电站巡视实训的优势

传统的面授课堂中，难免会存在时空情景、逻辑思维上的局限，学生对教学难点吸收困难，教学效率低。VR的优点在于提供空间场中的交互，营造沉浸式的感官，能将相对抽象复杂的内容可视化、形象化。VR训练场和实验台就是在虚拟世界中构建出实验场所来供学习者进行活动与操作。由于操作对象从实际存在的物体变成了虚拟世界中的模型，允许操作方式会随着教学设计者的设计精细程度而增加或者减少（一般是减少），设计者可以给出较为精简的操作流程提示告知学习者应当怎样控制和处理“眼前”的对象。同时，即使学习者由于失误导致实验失败，也不会造成实际的财产损毁甚至生命危险，是一种相对安全的训练方法。

3 基于VR技术和变电站虚拟仿真技术的实训教学设计

3.1 课前准备巡视卡

课前由教师发放变电站资料，包括主变压器、断路器、隔离开关、互感器、避雷器、母线、电力电缆、电容器、电抗器、耦合电容器、室内设备等变电站所有设备的基本信息。学生根据这些信息提前设计编写巡视卡。巡视卡的内容就是列出所有要巡视的设备以及设备上要巡视的部位和项目，并留出记录参数和设备状态的空格。

3.2 组班组分任务定计划

电力系统的各类实际操作工作都要求有工作负责人，监护人，操作人，记录人等角色组成的工作班组，经过人员分配、任务分配、班前会班后会等一系列环节后，由完善的组织措施保障才可以实施。所以教师可以将总的巡视设备配给各学生组成的小组，每组再进行分工。巡视时，运行人员应两人进行。并对照设备巡视标准逐项检查，每检查完一项，随即在“巡视检查卡”对应检查结果栏内打“√”、“×”或填入相应数据。打“×”的设备，其异常、缺陷内容应及时记录，认真分析，正确处理，并汇报有关部门。

3.3 “真实”巡视做记录

在工作过程的实施阶段时，首先教师要像实际工作一样进行巡视危险点分析和安全措施介绍。教师与学生进行角色扮演，模拟实际电厂生产过程中运行人员值班过程，使学生仿佛置身于真实的生产场景，而且使学生对变电站值班人员的分工与职责更加明确。小组工作任务完成之后，由小组长选出代表向教师和全班同学演示汇报本组的成果，并说明为什么这么做。由教师和其他小组的学生来进行评判、纠错。培养学生的观察能力、表达能力、总结能力等。巡视高压设备必须按照巡视路线进行巡视，并不得移开或越过遮栏从事其它工作。运行人员根据巡视类别及微机系统的巡检提示，进行正常巡视检查。遇有特殊情况时，要进行特殊巡视。运行人员巡视后，应及时记录检查情况和巡视时间。

3.4 游戏模式评价体系

利用软件的编写可以实现将学习任务嵌入到游戏模式中，每一游戏关卡为一个学习单元，完成即为通过，没有完成则被淘汰，特别是变电站工作危险，一旦工作错误常常面临着设备损坏。给学生呈现电力生产企业所发生的典型事故案例，展示事故后果，让学生分析事故原因，学习现场处理事故的流程。案例真实可靠，具有代表性，且结合生产现场，给学生的头脑形成比较大的冲击力，使学生充分认识到发电厂电气值班员岗位职责的重要性。对于学生完成的任务，设置荣誉殿堂、荣誉徽章等奖励符号，也就是将以前的评分具体化形象化，激发学生兴趣，吸引学生眼球。

4 總结

目前在课程教学中虚拟仿真技术得到了大量的应用，特别是像变电运行这种实物难以实现、危险度高、内容不易想象理解的课程，虚拟仿真技术即节省资金，又生动形象，大大帮助了学生理解，帮助了教师实施教学。当增加了VR技术以及丰富了仿真内容后，使得教学效果更加扩展，如何将技术充分利用，让教学设计更加合理有效，更加适应实际应用的发展是教师们不同于传统教学需要更多去思考的内容。

【参考文献】

[1]戴士弘.职业院校整体教改[M].北京：清华大学出版社， 2012.1-16.