基于VR的GIS断路器可视化系统介绍

秦路垚 赵博 黄远为

摘要：本文针对现阶段电力系统中关于GIS设备的仿真培训资源不足的问题，介绍了一种基于虚拟现实技术的GIS断路器仿真培训系统，系统针对河南某500kv抽水蓄能电站GIS断路器进行结构展示、关键机构原理展示，具有较强的沉浸感，能够为电力培训提供服务及高教学质量。

【关键词】：GIS断路器 虚拟现实 沉浸 培训

0引言

GIS设备作为电力系统比较关键的部分，其稳定运行对系统稳定运行十分重要，因而对其相关工作人员的工作能力要求很高。GIS断路器作为GIS设备中比较常用的主要设备之一，它的作用更是不可忽视的。断路器构成了气体绝缘开关设备的中心元件。其构成了气体绝缘开关设备的中心元件，能够控制负荷在正常工作方式下的电流以及当发生短路时能够断开短路时产生的电流，所以断路器对电力系统的安全运行起着非常重要的作用。与传统断路器相比，GIS断路器内采用了SF6气体，其综合能力以及对环境的适应能力也比一般传统的断路器要更加好。如果GIS断路器在电力系统的正常运行过程中发生故障，将对整个系统的正常运行产生非常严重的后果。

由于GIS断路器的特殊性，操作人员很难使用实际运行的设备进行培训，因此研发与实际GIS断路器结构相同的虚拟仿真模型来提供操作人员的开展培训具有非常重要的现实意义。现阶段电力系统非实物检修培训方式普遍采用二维可视化技术。由于GIS设备的封闭性及其内的断路器结构复杂，二维图片缺乏立体感与动态感，就使操作人员对设备结构的认识理解和学习效率大大降低。

与实物运行系统相比，虚拟仿真系统具有以下特点：

（1）充分运用三维模型、图片、文字、声音等多媒体形式调动检修培训人员的积极性和主动性，提高培训效果。

（2）降低硬件投入的同时丰富设备资源库，便于设备升级换代。

（3）更为安全可靠。

因此应用前景十分广阔。

1系统介绍

本文基于虚拟现实技术建立了一套仿真模拟系统，利用3dmax建模软件建立GIS断路器的三维模型，再利用Unity3d软件开发模拟出一套仿真培训系统。该系统的开发实现了GIS断路器的三维可视化、工作原理展示等模块供操作人员学习，能够让操作人员身处其中，感受到和真实场景的一样的感受，让操作人员很好的置身于虚拟场景中，构建了一个直观的可视化虚拟仿真系统。该系统运用在电力技能培训中可减少因不熟悉设备结构导致的检修次数，也可降低对培训设备场地的要求，更加具有灵活性，同时提高操作人员对设备的理解，提高了自身专业知识素养。

本系统是针对GIS设备之中非常重要的断路器开发的，利用虚拟现实技术对设备进行三维模型可视化展示，实现断路器结构教学、动作结构工作原理展示。使用虚拟现实技术的仿真系统具有以往许多同类系统难以匹及的优势，它通过调动GUI控件、三维模型、图片、声音，物理引擎等，极大程度的模拟了现实中的真实情况，功能丰富、易于实现且极大减少了开发投资，解决了常规软件中不可视、不可摸、不可入的問题，而且更新速度快，所以其应用前景十分广阔。

2系统构架

本系统中的GIS断路器来源于河南某抽水蓄能电站的GIS设备中的断路器，其工作于500KV的电力系统中。由于其内SF6气体的绝缘和灭弧特性，具有绝缘水平高、机械可靠性高、电气寿命长的特点，非常适合应用在高电压等级电力系统中。

本系统通过虚拟现实（VR）技术实现，具有很强的人机交互性能以及沉浸感，再结合使用HTC vive等硬件设备及立体音响，用以给操作培训人员身临其境的观感体验。本系统利用Unity3D 软件搭建虚拟平台环境，用C#及Java Script语言进行程序编写，在Windows操作系统环境下运行。

根据实物设备及其操作原理结构说明书进行建模，在3dmax中建立GIS断路器的三维模型，并完成动作机构的动画、材质和灯光的渲染，导入Unity3D软件中进行实时交互设计。

本系统为实现较为真实的虚拟交互体验，对硬件设备有较高要求，计算机需要具有较高的图形处理能力，且基于Windows系统运行增强了其通用性，便于设备升级换代。并且配合专用VR 设备及立体音响，沉浸感较强、3d体验性好，可加深操作培训人员对设备的理解。

3三维模型可视化展示

根据GIS断路器实际结构，建立三维仿真模型，通过Unity3D交互语言，模拟操作仿真人员在操作或检修设备之前对设备的环视观察情况，通过操作手柄可自由选择在虚拟场景中相对于断路器的位置，通过VR头盔转换视角，来调整至最合适的观察位置。通过操作手柄可以实现断路器整体设备的透明化，对设备外壳和其内主要部件工作原理的演示，操作培训人员可以清楚地看到断路器灭弧室中静触头和动触头部分结构，操作机构的结构组成。原理演示过程伴随文字及语音提示，详细介绍断路器的结构特点及其在电力系统中的作用，运用图片的形式提醒检修人员在进入设备现场进行检修时的安全要求，包括操作注意事项。

4工作原理展示

系统在三维模型展示的基础上，通过3dmax中设置的交互动画，可以模拟断路器的实际运行情况，包括：

（1）分闸过程、合闸过程、自能式灭弧室的动作原理;

（2）弹簧操动机构储能机构、结构原理展示;

（3）液压操作机构中控制模块、储能模块、充压模块、检测模块的动作原理。

配合文字及语音讲解，展示介绍各种机构的特点，加深操作检修人员对结构原理的理解。并学习当机构操作出现故障时，正确对异常现象进行分析判断，分析故障原因并选择合适的处理方法。

5模拟检修流程

由于断路器在实际运行中会发生拒不分断、闭合后拒动现象，需要在相对应故障处理及提出解决办法前，了解拒动产生的原因，包括弹簧储能故障或机械部分安装不正确等问题。本系统针对常见的电路连接错误、SF6气压不足设置检修流程。通过对照虚拟断路器中发生故障的部分，结合文字、语音、图片及视频的运用，叙述每项检修流程的具体步骤，包含：

（1）前期准备工作（工具材料、人员配备、环境要求）;

（2）办理相关工作票;

（3）检查故障部件。

通过交互动作设计，可以使操作培训人员按照正确的操作步骤能完成全部检修流程。

6结语

本文基于虚拟现实技术建立了一套仿真模拟系统，能够让操作人员身处其中，感受到和真实场景的一样的感受，实现自然又直观的人机交互系统，让操作人员很好的置身于虚拟场景中，构建了一个直观的可视化的虚拟仿真系统。通过交互式体验，学习断路器中各操作机构的动作原理。

该系统的开发应用，使理论实践内容与多媒体新技术相结合，节约时间和成本，提高效率，也可降低对培训设备场地的要求，为电力培训提供新的解决方案，更加具有灵活性，也同时提高操作人员对设备的理解，并提高了自身专业知识素养。

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