◆楊柏松 鄭桂彬 李長庚

1 引言

近幾年，隨著我國電力工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，先進(jìn)自動化設(shè)備的不斷投入，自動化技術(shù)的不斷更新，對電力工程的穩(wěn)定運(yùn)行提出更高的要求[1-2]。電力工程規(guī)范的安全運(yùn)行對于維持電力工程的穩(wěn)定、保證電力工程的可靠供電具有十分重要的意義[3]。因此，加強(qiáng)對運(yùn)行人員的技術(shù)培訓(xùn)，提高他們的運(yùn)行操作和事故處理能力，是目前電力培訓(xùn)的重點(diǎn)。用人單位都希望學(xué)校培養(yǎng)的畢業(yè)生能與上崗單位要求零距離，特別是專業(yè)技術(shù)專項能力模塊的訓(xùn)練能力與實(shí)際電力工程要求相符[2-4]。

目前，國外各高職院校電力工程高電壓教學(xué)試驗已經(jīng)發(fā)展到用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，并已形成一定的標(biāo)準(zhǔn)，而我國電力工程教學(xué)試驗主要有兩種形式。

第一種是基于物理平臺的硬件仿真系統(tǒng)結(jié)合部分計算機(jī)仿真系統(tǒng)，能夠建立與真實(shí)電廠、變電站等十分相似的外觀環(huán)境，配備有各種配電屏、控制屏等[5]。學(xué)生能通過儀表監(jiān)視、開關(guān)操作、操作票等，了解電廠、變電站的基本操作流程。但這種方式不僅占地而積較大，投資大，且對于電廠的動力部分受到場地、設(shè)備的限制而難以仿真。

第二種形式則完全利用計算機(jī)軟件，在計算機(jī)上可以進(jìn)行所有的操作，使學(xué)生對整個電廠、變電站的結(jié)構(gòu)、設(shè)備組成、操作流程有一個較為完整的概念[1-6]。

這兩種形式的仿真雖然各有利弊，但都存在一個共同的缺點(diǎn)：與真實(shí)操作不一致、真實(shí)感較差，無法對一次設(shè)備進(jìn)行倒閘操作、設(shè)備巡視[3-7]。

結(jié)合我國電力工程教學(xué)試驗的不足，提出利用三維仿真技術(shù)的設(shè)想，并結(jié)合VR仿真平臺的建設(shè)，對高壓倒閘柜出線柜停電操作仿真試驗所能達(dá)到的效果予以簡要描述，旨在解決規(guī)避在教學(xué)試驗過程中因電壓過高可能存在的安全風(fēng)險，又可用試驗儀器對被試品直接進(jìn)行試驗，用真實(shí)儀器在真實(shí)的設(shè)備上進(jìn)行接線、加壓，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，讓學(xué)生快速掌握各類電壓等級設(shè)備的試驗接線和儀器的操作方法。它具有真實(shí)性與交互性的特點(diǎn)，能夠完美地完成教學(xué)任務(wù)；尤其針對電力工程教學(xué)方式的改革，它的交互性將更加有效地提高教學(xué)質(zhì)量。

2 三維仿真技術(shù)平臺的搭建

三維圖形原理是利用一系列的光學(xué)方法使人左、右眼產(chǎn)生視差，從而接收到不同的畫面，在人腦中形成具有距離感的三維立體效果，使人看到的就像真的一樣。3D-VR平臺正是基于這種可視化的技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的。三維仿真技術(shù)具有如下功能。

1）仿真平臺可提供參數(shù)設(shè)置、快門設(shè)置、時標(biāo)設(shè)置、趨勢記錄設(shè)置、報警紀(jì)律以及成績評定要求等選項，便于教學(xué)任務(wù)的開展。

2）在仿真平臺上，學(xué)生可以根據(jù)自己的具體學(xué)習(xí)情況有選擇地學(xué)習(xí)，如可自行設(shè)計、試驗不同的開閉所高壓柜操作方案，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制和優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。

3）與實(shí)地操作相比，具有實(shí)際操作無法比擬的安全性以及經(jīng)濟(jì)效益。

通過構(gòu)建三維仿真VR平臺，電力工程試驗仿真培訓(xùn)環(huán)境擬進(jìn)行人性化設(shè)計，充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)等多媒體技術(shù)，通過刺激學(xué)生的感官神經(jīng)，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，還能提高學(xué)生綜合分析問題、解決問題的能力。

3 “高壓倒閘柜操作”仿真試驗平臺設(shè)計

高壓倒閘柜出線柜停電操作是電力系統(tǒng)教學(xué)中一個典型的教學(xué)試驗。與實(shí)地試驗相比，“高壓倒閘柜出線柜停電操作”三維仿真實(shí)習(xí)平臺可訓(xùn)練學(xué)生構(gòu)建工程的操作步驟與工程素養(yǎng)。這樣的試驗可以更好地達(dá)到預(yù)期教學(xué)的目標(biāo)要求，同時滿足工業(yè)工廠人員崗位的操作技術(shù)要求。

試驗的步驟

1）進(jìn)入控制中心，選擇“全林開閉所——出線柜停電操作”。

2）選擇安全用具并點(diǎn)擊提交選擇按鈕；安全用具包括（個人工具包、絕緣鞋、安全帽、0V絕緣手套、高壓驗電器）。

3）對安全用具分別進(jìn)行安全檢驗，檢驗合格后提交工具選擇任務(wù)并進(jìn)入全林開閉所場景。

4）檢查儲能指示狀態(tài)。觀察儲能指示黃燈和小車面板上的儲能狀態(tài)指示器：指示黃燈熄滅，指示器箭頭指向上方時，表示彈簧未儲能；指示黃燈亮，指示器指向下方時，表示儲能已經(jīng)完成。確認(rèn)此時彈簧未儲能，不能進(jìn)行斷路器分閘操作。如果儲能完成，則可以直接進(jìn)行斷路器的分閘操作；如果儲能未完成，則首先要進(jìn)行手動儲能操作。

5）儲能。打開斷路器室面板，在儲能操作孔插入儲能操作桿，反復(fù)下壓操作桿，并觀察下方的儲能狀態(tài)指示器，當(dāng)箭頭變?yōu)橹赶蛳路綍r，停止操作取下操作桿，觀察儲能指示燈亮起，關(guān)閉斷路器室面板，儲能完成。

6）檢查斷路器和接地開關(guān)狀態(tài)。查看斷路器狀態(tài)和計數(shù)器顯示的次數(shù)，斷路器合閘指示紅燈亮?xí)r表示連通，斷路器分閘指示綠燈亮?xí)r表示斷開。停電操作前，斷路器連通（圖1），接地開關(guān)斷開。

7）斷開斷路器。通過斷路器操作開關(guān)進(jìn)行斷路器操作，首先注意將操作方式開關(guān)打到“就地”一側(cè)（圖2），然后將斷路器操作開關(guān)的旋鈕打到“分閘”一側(cè)。

8）再次檢查斷路器狀態(tài)。觀察斷路器分合閘指示燈顯示，當(dāng)分閘指示燈亮?xí)r，表示斷路器已經(jīng)斷開（圖3），小車面板上的計數(shù)器顯示次數(shù)加1。

圖1

圖2

圖3

9）搖出小車。從工具箱中取出小車操作手柄，插入小車操作孔，逆時針旋轉(zhuǎn)手柄大約20圈；操作完成后，取下手柄，放回工具箱，此時觀察小車從運(yùn)行位置移動至試驗位置（圖4、圖5），小車運(yùn)行位置指示紅燈熄滅，試驗位置指示綠燈亮起。

圖4

圖5

10）拉出小車。首先，打開斷路器室柜門，取下小車二次側(cè)插頭；然后安放置放小車支架，將小車?yán)鰯嗦菲魇?，此時小車狀態(tài)為檢修位置。

11）驗電。首先，在斷路器室內(nèi)置放輔助移動絕緣隔板工具，將小車操作手柄插入移開絕緣隔板工具操作孔，逆時針旋轉(zhuǎn)手柄大約20圈，移開母線側(cè)及線路側(cè)的絕緣隔板（圖6、圖7）；然后，對高壓驗電器進(jìn)行試驗合格證檢驗和自檢后，再對高壓柜母線側(cè)及線路側(cè)進(jìn)行驗電；驗電完成后，順時針旋轉(zhuǎn)輔助移動絕緣隔板工具上的小車操作手柄，關(guān)閉絕緣隔板，取下手柄和輔助工具。

圖6

圖7

12）放回小車。將小車從檢修位置放回試驗位置，并插上小車二次側(cè)插頭，關(guān)閉斷路器室面板。

13）閉合接地開關(guān)。打開接地操作孔閉鎖彈片，將接地開關(guān)操作桿插入接地操作孔，順時針旋轉(zhuǎn)90°，取下手柄，接地開關(guān)閉鎖彈片自動關(guān)閉，將接地操作孔閉鎖。

14）掛上停電警示牌。

試驗的操控分析 由于正常工業(yè)生產(chǎn)的需要，在實(shí)地實(shí)習(xí)過程中企業(yè)不可能對學(xué)生進(jìn)行拉出小車、放回小車的培訓(xùn)，而三維仿真VR教學(xué)試驗平臺卻極易實(shí)現(xiàn)這種需求。

利用可視化的三維動畫仿真技術(shù)，仿真實(shí)習(xí)平臺可實(shí)現(xiàn)電力工程教學(xué)模擬試驗操作，對極限工況以及操作失誤會給學(xué)生以適當(dāng)?shù)奶崾?、報警，甚至?xí)o出相應(yīng)的指導(dǎo)。對高電壓設(shè)備的電氣試驗項目進(jìn)行三維仿真，無需在試驗場進(jìn)行實(shí)升電壓，規(guī)避了在教學(xué)培訓(xùn)過程中可能存在的安全風(fēng)險，同時也能讓學(xué)員了解和掌握儀器的基本使用方法和高電壓試驗的操作規(guī)范，達(dá)到技能訓(xùn)練的目的。

4 結(jié)束語

針對我國各高等院校在電力工程教學(xué)試驗過程中遇到的教育制度、客觀環(huán)境以及實(shí)際條件帶來的困難，為了進(jìn)一步解決目前的問題，提出利用三維仿真技術(shù)結(jié)合VR仿真平臺實(shí)現(xiàn)常規(guī)的電力工程教學(xué)試驗。并且本文談了電力工程教學(xué)試驗中典型的高壓倒閘柜操作試驗在三維仿真平臺的應(yīng)用，并詳細(xì)介紹了該方法的可行性分析。實(shí)驗結(jié)果表明，學(xué)生通過仿真實(shí)習(xí)，可獲得與實(shí)地考察相近的視覺和聽覺感受，可以學(xué)習(xí)高壓試驗設(shè)備和試驗儀表等高壓試驗方面的基本知識，能反復(fù)練習(xí)變壓器、斷路器、避雷器、互感器等高壓設(shè)備的各種試驗操作。同時，該試驗平臺的建設(shè)也為我國電力工程教學(xué)試驗進(jìn)行改革提供了一條新的思路、新的方法。但由于三維仿真技術(shù)是建立在VR仿真平臺上，對VR仿真軟件性能依賴性較高，因此對VR仿真軟件的性能有待進(jìn)一步研究?！?/p>

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