基于虚拟现实的水电厂仿真系统的研究及应用

林益江

［摘           要］  采用虚拟现实技术建立一套混流式发电机组的仿真系统，该系统主要由机组设备的盘台监控系统和运行三维系统组成，可连续、实时地仿真电厂机电设备运行与维护情况，可以提供全工况、全方位的理论和实训教学，发电厂及电力系统专业的学生可在系统上模拟现场运行人员进行设备监控、操作等功能，不用亲临电厂现场，也可以掌握必备的运行操作技能。

［关    键   词］  虚拟现实；水电厂；运维培训

［中图分类号］  TV737                   ［文献标志码］  A                    ［文章编号］  2096-0603（2019）23-0216-03

虚拟现实技术是指利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入”该环境中，实现用户该环境直接进行自交互的技术。虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是随着计算机技术的发展出现的一种高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用计算机模拟出一个三维的虚拟世界，给使用者进行视觉、听觉、触觉等感官的模拟，使用者会有身临其境的感觉，可以没有限制地感觉三维空间里的事物。虚拟现实汇集了计算机图形学、图像处理与模式识别、人机智能接口技术、传感器技术、多媒体技术、高度并行的计算机技术和人的行为研究等多项关键技术。

一、研究的背景及意义

我校发电厂及电力系统专业主要培养面向发配电领域，从事电气运行与维护、电气设备安装与调试、电气设备生产与装配三个岗位的高素质技能型人才。随着发配电领域由建设转为内涵发展，近十年已建或新建电厂都进行了计算机监控改造，自动化水平很高，企业用人单位要求生产人员逐渐向运维一体、机电一体、一专多能方向发展，因此培养技能复合型人才的需求极为迫切。目前，国内水力发电厂向“无人值班、少人值守”发展，而对水电技术人员的要求也向“机电合一、运维一体”转化，水轮发电机组是一个包含多设备、涉及多学科的复杂耦合大系统，运维人员必须十分了解设备，并对其检修过程进行反复的训练操作才能达到标准，新的检修人员很难通过一两次现场检修工作经验掌握机组检修需把握的各个环节。水力发电类专业在培养水电厂运行时，必需紧跟电力行业水电企业的特殊要求。是建立现阶段先进的水电站运行虚拟仿真系统，更新原有的物理仿真系统，以适应职业教学的发展，跟上水电技术发展的步伐，使我校培养的专业人才所具備的知识和技能满足企业的岗位要求。由于电力系统运行对安全性要求极高，难以提供学生开展实践教学和锻炼的机会。而脱离了实际环境进行的教学，没有人的角色参与其中，达不到一种一目了然和切身体会的效果，学生不能够全方位了解设备的物理特性和设备检修过程，很难真正掌握检修知识，而且对检修现场突发状况，也很难对其做出为了满足水电站对专业检修技术人员培训的要求，怎样保证学习质量和效率，降低学习或实训的安全风险，采用新技术、新模式已成为一种必然趋势。而VR仿真系统可连续、实时地仿真电厂机电设备运维情况，可以提供全工况、全方位的教学，通过该技术的应用，学生只需要一台电脑，就能够在虚拟环境中全方位、快速了解机组结构，以交互方式掌握检修流程及工艺，加上文本和音频解说，从而获得更加生动形象的学习，达到一种似真非真的境界。学生可在系统上模拟现场运行人员进行设备监控、操作等功能，不用亲临电厂现场，也可以掌握必备的运行操作技能，对接企业提出的能力需求。

二、水电厂仿真系统的组成及功能

水电厂仿真系统以实际的发电厂混流式水轮发电机组为原型，其计算机监控的参数与实际的机电设备型号、参数保持一致，主要由教员台和学员台两部分组成。

1.教员台的作用是担负仿真系统运行控制及监视仿真过程的任务。主要功能有：仿真控制、状态监视、故障设置、事件记录、教案操作。

2.学员台由虚拟盘台和三维系统两部分组成，学员可以在虚拟盘台中完成机组自动启停、机组出力调整、开关站监控、油气水系统监视、厂用电系统、直流系统监视。主要功能有：电厂运行监视、现场操作、事故处理。

此外，不同于实际监控系统，油气水系统和辅助系统界面中增加了操作及控制功能，学员在系统图上就可以完成辅助系统的阀门操作，而不必每次都到虚拟现场进行。

3.报警台部分可以查看现场发生故障的光字，虚拟盘台部分包括机旁盘、中控继保盘、厂用电盘、辅助系统盘等。可以模拟现场的盘台操作，盘上的各种表计、指示灯、液晶屏显示与现场实际保持一致，各种小开关、转换把手、按钮、压板、保护装置均可操作，其动作结构与原型电厂保持一致。

点击不同部分的按钮可以打开相应部分三维虚拟现实场景，学员可以在场景中完成设备巡视、设备操作、故障处理等工作。

三、水电厂仿真系统的演示

（一）教案功能

“教案功能”的下拉菜单中包括“教案”和“开始记录操作到教案”“结束开始记录操作到教案”三个选项。

教员可以提前设置故障加入教案，上课的时候，设置故障可以直接调用教案，不必一一设置。点击“教案”选项弹出如图1对话框。

首先选择“新建教案”，弹出图7对话框，“名称”中填入新建教案名称，“选择初始工况”下拉框中选择新建教案的初始工况。

教案新建完成后，在图7对话框中选中刚才建立的教案，点击右侧的“确定”按钮，弹出图8窗口。这里可以设置教案延时执行的时间，可以根据需要设置，默认为0毫秒。

上述设置完成后，就可以向教案中添加故障了。选择“开始记录操作到教案”，在弹出的窗口中选择要添加故障的教案（图同7），点击“确定”，在弹出的延时设置窗口（图9）中设置故障延时（主要是为防止在设置多个故障时，前一个故障还未设置完成时，又设置新的故障，导致系统错误），点击“确定”后窗口关闭。

接下来可以在主接线上选择设备设置故障，可以逐一设置多个故障。所有故障都设置完成后，点击“结束开始记录操作到教案”，在弹出的图10中设置延时即可完成教案的全部设置过程。

教案设置完成后，若想执行教案或删除教案，可以在菜单中选择“教案”，在弹出的图7中选择教案名，然后点击相应按钮按提示完成操作即可。

（二）盘台监控系统功能

1.通过保护盘台查看保护动作信息

在教员台设置故障后，可以进入保护盘查看微机保护液晶中保护动作报文及保护盘上的信号灯从而判断发生了什么故障。

2.通过简报信息窗查看操作及保护动作情况

（三）界面上的控制操作

1.各种按钮、电磁阀等元件操作时通过鼠标单击来完成。如电磁阀的控制操作，鼠标左键单击电磁阀任意一侧方框，则该侧方框内的箭头所指的两个油路接通。如图12。

2.通过鼠标就可以控制机组的开停机操作，模拟实际机组的运行和控制方式，如在机组并网后，机旁盘上的负荷增减在调速器界面或调功界面通过给定值进行即可。如图13。

3.某些元件操作只需要点击右键，在弹出的新窗口中进行（将鼠标放在元件上会有提示）；一些保护盘面以及触摸屏显示也是如此。操作完成后，在弹出窗口中双击鼠标右键关闭窗口即可。

（四）三维系统操作

现场一次设备部分的仿真利用3D技术，根据现场一次设备的外形建造模型，形成虛拟现实，可以对设备进行操作、巡视，使学员置身于真实的水电厂中。同时它应用影像、图像、声音等多媒体手段，使仿真效果更加真实。三维部分操作简单、直观，基本实现了水电厂厂房内部及开关站现场设备的巡检、操作，其主要内容有：断路器操作，刀闸操作，地刀操作，手动阀门操作，调节阀门操作，电磁阀操作，电动阀及滤水器操作，各种开关、保险和把手的操作及现场设备巡检等。

1.三维系统中的菜单功能

三维系统窗口主菜单中有如下几个菜单项：“远程机”“模式”“工具”“巡视记录”“导航图”“场景切换”“帮助”“天气”。

2.远程机

“远程机”菜单项主要用于实现在三维场景与教员台的连接。点击“远程机”，出现下拉菜单：

“连接”选项，正常情况下不可用，只有当系统未与服务器连接或连接中断时才可使用。这时，点击“连接”，出现选择服务器窗口。“断开”选项，用于将系统与服务器中断连接。比如，想更改要连接的服务器，可先点击“断开”，再点击“连接”选择需要的服务器IP。

“当前连接”选项，可以查看当前三维场景连接的服务器IP地址。

3.模式

“模式”菜单项主要用于实现在各个模式之间切换。本系统共有四种模式：“运行模式”“验电模式”“挂地线”和“设围栏”。点击“模式”，出现下拉菜单：

“运行模式”为三维系统的正常操作和漫游模式，所有的开关、按钮、刀闸、地刀等的操作和巡视都需要在这种模式下进行。此外，此模式下可以为系统中某些设备挂警示牌。这种模式下在需要挂牌的设备上点击鼠标右键，选择要挂的标示牌类型即可。

四、结语及展望

基于虚拟现实技术的真实感主要体现在视觉和听觉上，随着“多感知交互”的发展以及力反馈系统的进一步研究，可将培训人员置身于模拟检修环境中，实现嗅觉、味觉和体表感受的功能是未来虚拟现实检修培训的发展方向。通过基于虚拟现实的大型水轮机检修与培训考核系统的应用，培训人员能够在此系统中产生很强的沉浸感和交互性。虚拟与现实检修的相互融合，摒弃了集中教学、课下温习、现场讲解的培训模式，有利于培训人员更有效地掌握专业检修技能，全面提高检修质量，降低培训成本。

该系统已成功应用于某中型混流式水轮机的检修培训，取得了良好的培训效果，是水轮发电机组检修培训的有效方式，可以为其他行业人员进行专业培训提供参考。该系统可以为国家级精品课程水电站计算机监控技术及应用、核心课程水电站电气设备、发电厂电气运行与维护提供实训场所。同时该系统也可为行业员工培训搭建一个拥有先进仿真技术、优秀教学师资的培训平台，为全省水电企业提供电气及水轮机运行工急需的继续教育和技术培训。具有较大的经济效益和社会效益，可提高我院服务行业企业的能力，扩大我院在行业企业的影响力。提供职业技能竞赛的训练条件，提高学生培养质量。

参考文献：

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编辑 马燕萍