电气设备高压试验三维仿真系统的研发

2018-08-22陈忠朱迅德吴靓

新型工业化 2018年7期

陈忠，朱迅德，吴靓

（广东水利电力职业技术学院，广东广州 510635）

0 引言

随着经济的高速发展，我国电网的规模越来越大，电压等级不断上升，电力系统新技术新设备的投入也越来越多。电力系统快速发展的同时，对电力系统运行安全、电力运维人员的专业素质提出了更高的要求。为了提高现场试验人员的素质，培养更多的符合电力系统发展的专业素质人才，电力系统部门普遍加大了培训工作力度，投入巨资建立了培训基地。大专院校的电气工程专业也相继开设了电气设备高压试验课程，建立了电气试验实验室。然而，目前我国高压试验技术培训与技能鉴定工作还存在很多问题。现行的电气设备高压试验培训与技能鉴定主要是集中在室内进行理论培训和一般基地进行技能培训等形式。由于被试设备、试验仪器、试验方法种类繁多,试验环境千变万化，一般的基地难以满足技能培训与技能鉴定工作要求，在一般高等院校更难满足试验要求[1-3]。

电气设备高压试验有明显的特殊性，试验电压等级高，试验种类、试验设备繁多，试验内容覆盖面广，实验室建设投入巨大，使得现场培训存在可预见性和不可预见性的困难。比如由于经费的限制，实验室可培训的试验内容就较少，达不到完整的试验培训效果[4-6]；或者由于培训现场的条件限制，难以真实的模拟现场试验背景，难以模拟所有的设备缺陷类型，造成培训与技能鉴定效果非常不理想，很难实现真正意义的培训与技能鉴定。另外，传统的现场技能培训与鉴定模式需要到指定场所鉴定，不能灵活的选择时间、项目、工种进行技能考评；鉴定与考评场地需要需占用大量场地，配备各种试验设施以及监考人员和辅助人员，使得费效比很低；而且在培训和技能鉴定过程中有人为因素影响，使得考评客观性难以得到保证。

电气设备高压试验三维仿真培训系统的研发，解决了以上传统模式的培训和评定方式中存在的问题。它费效比高[7-10]，有着安全的试验环境，丰富的现场试验背景。试验种类繁多，包含了所有的110 kV变电站关键设备预防性试验和配网关键设备预防性试验，能模拟任何试验现场试验条件和试验背景，而且能灵活的选择试验时间和试验种类。最重要的是在培训过程中能保证培训人员的人身安全和设备安全。因此，电气设备高压试验三维仿真培训系统是对传统的培训与技能鉴定模式进行改革，具有很强实用性，可以广泛的推广应用在电气设备高压试验培训中[11-13]。

1 系统的研究方向

以《国家电网公司生产技能人员职业能力培训专用教材：电气试验》为指导，以一个真实110 kV变电站和一条10 kV配网线路进行建模，采用交互式仿真方式研发一套“电气设备高压试验三维仿真系统”软件。对变电站等典型设备进行绝缘预防性试验进行模拟仿真，展现电气试验的标准化流程和风险措施等，让电力从业人员在三维场景中操作，操作时会有标准化流程的列表提示，操作正确后会播放三维动画和风险措施的语音提示，所有设备的状态都完全还原现实，让电力从业人员一目了然的掌握流程和注意事项。

1）建立真实的试验环境。按照1:1的比例在三维环境中创建试验环境，比如：110 kV变电站的站内建筑，站内所有的设备，根据电压等级划分有10 kV电压等级的线路设备，35 kV电压等级的线路设备，110 kV电压等级的线路设备等环境。10 kV配网线路周边环境，10 kV线路柱上变压器，水泥杆，柱上联络开关，开关或变压器的接地装置，环网柜，箱变等设备。开闭所内高压柜，低压柜，高压柜的型号，设备编号，高压柜的继电保护室，小车断路器室，电缆室，小车断路器，电缆等开闭所内电气运行设备。

2）模拟设备状态。比如变电站内110 kV六氟化硫断路器开关状态，断电后接地状态，线路停电后挂接地线状态，设备试验时接线状态；配网变压器试验状态，联络开关停电检修状态，其接地装置试验状态，试验连线状态；开闭所内高压柜、低压柜运行和检修状态，发生故障以后高压柜、低压柜各种指示灯的状态；试验时高压柜、低压柜断路器开关状态，接地状态；电缆试验接线的状态等。

3）模拟试验设备动作。比如测量设备的绝缘电阻时，摇表的动作，对被测设备放电的动作，试验连线、拆线的动作。测量设备交流耐压时，耐压控制箱控制电压电流对设备升压、降压的动作，试验后对设备放电的动作。

4）模拟设备故障状态。比如交流耐压试验过程中出现设备击穿、闪络等故障。

5）实现实操考核和理论考核。理论考核和实操考核功能，对学员的理论学习和实际操作学习效果进行检验和评估。提高运行人员的技术水平和管理水平，运行人员职业能力鉴定考试能力，使其获得从事职业资格准入证。

仿真过程的设计充分考虑电力运行部门和管理部门对员工素质的需求，使受训人员通过培训不但可以掌握具体设备的知识和技能，而且能从理论上对高压试验的特点和要求有比较深入的理解，即力求使受训人员掌握怎样做，理解为什么这样做，明白这样做的作用和结果。

2 系统设计标准

本系统依据《发电厂及变电站电气设备》《电气设备运行与维护》《高电压技术》等教学大纲实验实训要求，全真模拟电气设备高压试验内容。遵循《国家电网公司电力安全工作规程》的规定，以满足电气设备高压试验培训，全真模拟110 kV变电站和配网线路电气设备高压试验内容。

3 系统采用的技术

3.1 三维建模技术

在三维建模中应遵循以下原则[14]：

1）真实合理。三维建模实际上是对现实事物的展示，所以在建模过程中应该真实的反应事物的特征，维持事物固有的空间信息及自身特点，保证事物的物理关系。

2）主次分明。在三维建模的过程中应该突出主体，保证主体在整个场景中的展示效果。同时可以适度降低辅助物体的精度，从而体现出整体环境的主次。

3）建模简单明了，精细程度适宜。如果在三维建模中，建模过于复杂，模型和场景过于精细，数据量过于庞大，就可能无法重现现实中的环境。所以在三维系统中，应该在保证必须的模型质量的情况下做到数据量尽量小，以保证三维模型应用的效果。

4）整体统一。如果同一区域地块内，出现两种及其以上的不同色相地物，其基本原则是以区域内大面积色调为主色调，个别不同色相地物与主色调相协调（采用降低突出颜色的饱和度、调整色相以偏向主色调方式）来达到整片区域的和谐统一。如果同一区域地块内，个别地物明度过度突出以致曝光，其基本原则是以区域内整体明度为中间明度，曝光地物通过降低明度的从而方式向中间明度靠拢。如果出现个别地物明度太低而以致过度偏黑，其基本原则是以区域内整体明度为中间明度，偏黑地物通过提高明度的方式从而向中间明度靠拢。

3.2 Unity3D游戏引擎进行交互功能的开发

Unity3D是一个3D开发工具和游戏引擎套件，其中包括了图形、音频、物理、网络等多方面的引擎支持，并且有一个非常强大的编辑器来整合这一切。Unity3D使用Mono作为脚本引擎的虚拟机，并以C#或者一种类似JavaScript的语言为脚本语言。Unity3D是一款跨平台的游戏开发工具，从一开始就被设计成易于使用的产品。用Unity3D作为虚拟现实开发平台，开发效率高，效果逼真，交互能力强，数据量小。

使用Unity3D开发电气设备高低压倒闸操作三维仿真系统充分的使用Unity3D高效、易用等优秀特性：

1）Unity3D与三维建模软件很好的对接，可以直接导入Fbx模型文件，模型导入到Unity3D引擎过程完全是自动完成，不需要再做第三方软件的格式转换。

2）Unity3D集成了丰富的灯光，动画，粒子，物理效果，开发人员不用编辑大部分内容，就可以直接使用。

3） Unity3D编写和使用交互程序十分简单。只需要新建一个脚本文件，把执行交互动作的代码编辑成一个函数，然后把脚本拖拽到需要交互的模型上，然后运行Unity3D就能检验交互结果。

4 系统的功能模块

系统功能模块图见图1。

图1 系统功能模块图Fig.1 System function module figure

4.1 10 kV配网高压试验三维仿真模块

此模块为10 kV配网关键设备预防性试验提供了一条10 kV配网线路作为背景的试验环境，其环境有室外线路环境和开闭所内部试验环境。提供了仿真试验需要的任务向导功能，工具选择功能，现场试验功能。

1）任务向导功能。由于配网试验设备众多，针对设备又有很多种试验方法和试验内容，具体的试验标准和试验结果又不一样，任务向导就是引导系统使用者根据设备选择相对应的试验。

2）工器具选择动能。通过工器具选择，加强受训人员的安全意识，掌握安全工器具的检验方法，判断工器具是否能正常工作，分辨工作中需要佩戴的安全工器具的种类，针对不同的设备需要准备相对应的试验工具。比如不同的设备测量绝缘电阻，就需要不同电压等级的绝缘电阻表。

3）现场试验功能。此功能是仿真试验过程模块，进入此模块就进入试验操作的虚拟场景，在此场景可以观看现场的设备运行状态，试验设备的工作状态，可以按照试验步骤对设备进行试验操作。

4.2 110 kV变电站高压试验三维仿真模块

此模块为110 kV变电站关键设备预防性试验提供了一个仿真背景环境和试验操作功能。其环境有变电站内部各种设备，比如母线，变压器，断路器，电压互感器，电流互感器，隔离开关，避雷器等。提供了仿真试验需要的任务向导功能，工具选择功能，现场试验功能。

1）任务向导功能。由于变电站内试验设备众多，针对设备又有很多种试验方法和试验内容，具体的试验标准和试验结果又不一样，任务向导就是引导系统使用者根据设备选择相对应的试验。

2）工器具选择动能。通过工器具选择，加强受训人员的安全意识，掌握安全工器具的检验方法，判断工器具是否能正常工作，分辨工作中需要佩戴的安全工器具的种类，针对不同的设备需要准备相对应的试验工具。

3）现场试验功能。此功能是变电站仿真试验过程模块，进入此模块就进入高压试验操作的变电站虚拟场景，在变电站场景可以观看变电站内设备运行状态，试验设备的工作状态，可以按照试验步骤对设备进行试验操作。

4.3 电气设备高压试验在线考核模块

此模块是对电气设备高压试验培训效果的检验，主要是针对试验过程中试验参数，试验安全工器具的选择，试验结果判断等理论内容的考核。

5 系统试验三维仿真具体实现

系统试验内容主要包含变压器，断路器，电流互感器，避雷器，电缆等关键设备的预防性试验，试验的三维仿真采用的是相同的技术方案，区别只是试验内容不同。下面通过变压器绝缘电阻测量试验为例，建立电气设备高压试验三维仿真培训系统。

5.1 建立试验系统的三维虚拟环境

根据110 kV变电站的布局，使用3DMAX按照1:1的比例创建变电站三维模型，试验仪器模型。由于需要考虑系统运行效率，保证流畅的运行三维交互仿真，需要把变电站模型分为低精度模型和高精度模型两类。变电站中不需要做试验的设备使用低精度模型,做试验的设备或者需要重点展示的设备使用高精度模型，单个高精度模型的面数控制在3万面以内。如图2和图3中，需要做试验的设备是变压器，使用高精度变压器模型，远处隔离开关、断路器使用低精度模型。

5.2 实现变压器绝缘电阻测量试验三维仿真

图2 110 kV变电站俯视图Fig.2 110 kV substation overview

图3 变压器模型Fig.3 Transformer model

变压器绝缘电阻测量试验三维仿真模拟下列试验流程：① 选择试验任务；② 选择工器具，包括安全工器具和试验仪器；③ 高压试验。

5.2.1 选择试验任务

打开Unity创建选择试验任务的场景（Scene），如图4所示，然后在场景中创建任务列表和任务说明窗口。任务列表包含多个Button控件，每个Button代表一个试验任务，在Button的Label控件中填写试验名称，为Button控件添加一个NGUΙ类型的UΙButton Message脚本用来响应Button的点击事件。在响应Button点击事件的函数中，实现试验目的的说明。

图4 任务选择界面Fig.4 Task selection interface

5.2.2 选择工器具

建立一个试验工具分类列表XML配置文件，在XML文件中按照试验分类列举每个高压试验所需的安全工器具和试验仪器。

图5 工器具选择Fig.5 Selection of tools

在Unity中创建一个工具选择场景（Scene）,在场景中创建两个工器具列表和一个用来渲染三维模型的Render Texture纹理。一个工器具列表（List1）显示所有的的安全工器具和试验仪器，另一个工器具列表（List2）显示被选中的工器具。通过给工器具列表中的工器具添加NGUΙ插件中包含的已有的DragDropΙtem.cs脚本和UΙButtonMessage.cs脚本，使工器具具有拖拽功能，当列表List1中的工器具被拖拽到列表List2中的时候，List1删掉被拖拽的工器具，List2中添加被拖拽进来的工器具。当工器具选择完毕以后，把List2中的工器具和试验工具分类列表XML文件中当前试验所需工器具进行对比，如果是一样的，就说明工器具选择正确，如果不一样，就说明选择错误，需要重新选择，如图5所示。

5.2.3 高压试验

分析整个试验过程中所有设备仪器的动作。变压器绝缘电阻测量试验中，兆欧表的手柄在兆欧表短路和开路自测时分别按照顺时针每分钟20转和每分钟120转匀速转动。测量三绕组变压器不同电压等级的绝缘电阻时，兆欧表的指针旋转的角度也不相同。根据以上分析结果，在3DMax或者Maya中制作兆欧表手柄和指针的旋转动画，完成动画以后导出为.FBX格式的文件。

分析试验过程中设备运行状态，不同试验阶段，设备的运行状态不同，有的设备状态是下一步试验的必要条件。比如安全围栏的状态是收拢未展开状态，就不能进行下一步试验；试验仪器与设备之间的连线不正确，就不能进行测量操作。分析试验过程中设备运行状态，与试验步骤相对应，确认每一步试验的必要条件。分析完毕后，编写试验步骤以及与之对应的设备状态列表。

在Unity中创建变压器绝缘电阻测量试验场景(Scene)，导入试验系统的三维虚拟环境，即变电站三维模型；添加天空盒(skybox)的材质，添加Directional Light并调整其参数，改变光照强度和方向；导入.FBX格式的动画文件。至此，建立起一个完整的静态三维虚拟试验环境。

向变压器绝缘电阻测量试验场景中添加C#脚本，使静态三维虚拟试验环境中的设备运行起来，实现人机交互功能。虚拟试验环境中添加脚本，可响应鼠标点击事件、可播放预制动画。首先确定被点击的模型添加了物理属性 BoxCollider，然后添加消息传递组件UΙButtonMessage，编写鼠标点击事件的函数，给 UΙButtonMessage组件的 FunctionName属性赋值为鼠标点击事件的函数名。使用Unity3D自带的动画播放函数animation.play播放设备动画。如果设备只是简单的旋转、位移动作，使用Unity3D自带的transform.Rotate函数可以使设备旋转，transform.Translate使设备位移。

图6 110 kV SF6断路器绝缘电阻测量试验现场Fig.6 110 kV SF6 circuit breaker insulation resistance measurement test site

图7 110 kV SF6断路器交流耐压试验现场Fig.7 110 kV SF6 circuit breakers AC voltage resistance test site

图8 110 KV 电流互感器交流耐压试验现场Fig.8 110 KV current transformer AC pressure resistance test site

电气设备高压试验三维仿真培训系统的其他内容，如六氟化硫断路器，绝缘子串，变压器，避雷器，电流互感器，绝缘油的高压试验仿真均按照前面的流程进行开发。试验仿真场景如图6、图7和图8所示。

5.3 试验系统整合

完成所有设备高压试验仿真以后进行试验系统整合，系统整合的过程就是把前面创建的一个个单独的场景(Scene)整合在一个工程文件中。当一个场景(Scene)中的操作完成以后进入另一个场景(Scene),使用Applicationg.Loadlevel()函数进行场景（Scene）加载。比如：在任务选择场景中选择变压器绝缘电阻测量试验，下一步选择试验所需的安全工器具和试验仪器，调用场景加载函数Application.LoadLevel()进入工器具选择场景(Scene)；选择正确的工器具后，调用Application.LoadLevel()进入变压器绝缘电阻测量试验场景进行试验。