杜欣源, 聶萬慶, 劉喜軍

1.山東科技大學(xué) 電氣信息系 濟南 250031

2.勝利油田電力分公司 山東東營 257000

1 電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)概況

在開展電力日常操作培訓(xùn)時,電力設(shè)備處于正常運行中,而電力消缺、搶修需要在帶電情況下進行作業(yè),由此造成培訓(xùn)與實際作業(yè)存在脫節(jié)。當(dāng)前需要培訓(xùn)的人員多,電力企業(yè)無法提供足夠的設(shè)備進行實際訓(xùn)練,特別是在大規(guī)模災(zāi)難模式下,由于各種條件限制,無法真實還原現(xiàn)場實際情況[1]。針對這一問題,建設(shè)了勝利油田電力體感培訓(xùn)系統(tǒng),以現(xiàn)實環(huán)境為基礎(chǔ),應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù),實現(xiàn)了跨步電壓體感、人體電擊模擬、高壓開關(guān)柜操作體感、高空墜物體感、安全帶吊掛體感等功能,具有用戶及權(quán)限管理、虛擬現(xiàn)實場景管理、事故體感、仿真操作、數(shù)據(jù)統(tǒng)計五大模塊。勝利油田電力分公司下屬單位較多,并且分布在勝利油田的各個油區(qū),電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)建設(shè),可以擴大參訓(xùn)人員范圍,提高培訓(xùn)效率。

勝利油田電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)與勝利油田電力分公司信息管理系統(tǒng)緊密融合,成為安全培訓(xùn)管理模塊中的重要組成部分。這一電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)以不同電壓等級變電站和輸電線路、不同規(guī)格低壓配電柜等為典型作業(yè)場景,以變電站和輸電線路事故實訓(xùn)、電力調(diào)度實訓(xùn)、電力修試實訓(xùn)為主要訓(xùn)練內(nèi)容,構(gòu)建安全事故處理與作業(yè)操練三維虛擬現(xiàn)實環(huán)境。勝利油田電力分公司下屬各單位人員通過計算機或虛擬現(xiàn)實體感設(shè)備,接入勝利油田局域網(wǎng),即可參加培訓(xùn)。

2 電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)功能

2.1 跨步電壓體感

《電力安全工作規(guī)程》規(guī)定,高壓設(shè)備發(fā)生接地時,室內(nèi)人員應(yīng)距離故障點4 m以外,室外人員應(yīng)距離故障點8 m以外[2-3]。這是因為接地人員跨步行走時,兩腳之間會產(chǎn)生電位差,在距離故障點過近的情況下,會引發(fā)跨步電壓電擊。高壓設(shè)備發(fā)生接地時,現(xiàn)場人員可以采取雙腳并緊跳出跨步電壓區(qū)域的方式安全撤離。電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬室內(nèi)室外兩種場景,通過腿部傳感器對人體進行模擬電擊刺激,使參訓(xùn)人員在距離接地點的不同位置感受不同的模擬電擊體驗,并在參訓(xùn)人員并緊雙腳后消除模擬電擊刺激。距離接地點的遠(yuǎn)近由參訓(xùn)人員腿部佩戴的距離感應(yīng)器采集。

跨步電壓室外模擬場景如圖1所示,室內(nèi)模擬場景如圖2所示。電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)具體可以模擬正常行走時進入跨步電壓區(qū)域體感、單只腳著地退出跨步電壓區(qū)域體感、雙腳并攏退出跨步電壓區(qū)域體感,能夠根據(jù)參訓(xùn)人員與接地點的距離、電壓等級的高低智能模擬跨步電壓的大小,在屏幕上顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖2 跨步電壓室內(nèi)模擬場景

圖1 跨步電壓室外模擬場景

2.2 人體電擊模擬

通過電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)的人體電擊模擬功能,可以深入了解電擊的原理、危害,掌握防止電擊的方法。人體電擊體感功能通過透明模擬人體演示人體電擊時的電流回路,體現(xiàn)人體電擊未形成回路和形成回路時的區(qū)別,并演示不同電擊電流情況下心臟的工作狀態(tài),以及遭受感知電流、擺脫電流和致命電流時人體的不同反應(yīng)。

圖3 人體電擊模擬

2.3 高壓開關(guān)柜操作體感

高壓開關(guān)柜廣泛應(yīng)用于配電系統(tǒng),通過操作高壓開關(guān)柜,可以根據(jù)電網(wǎng)運行需要使電力設(shè)備和線路投入或退出運行,在電力設(shè)備和線路發(fā)生故障時將故障部分從電網(wǎng)中快速切除,從而保證電網(wǎng)中無故障部分的正常運行。錯誤操作高壓開關(guān)柜,會給作業(yè)人員及設(shè)備帶來危害。根據(jù)《電力安全工作規(guī)程》相關(guān)技術(shù)要求,電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用聲、光、電、煙仿真技術(shù),具備電弧放電、爆炸、跳閘、柜門沖開、聲光報警、語音提示,實現(xiàn)高壓開關(guān)柜操作體感功能,使參訓(xùn)人員能夠進行高壓開關(guān)柜運行轉(zhuǎn)檢修和檢修轉(zhuǎn)運行過程中的帶負(fù)荷拉刀開關(guān)、帶負(fù)荷合刀開關(guān)、帶電合接地刀開關(guān)、帶接地刀開關(guān)合斷路器、操作錯誤編號高壓開關(guān)柜、誤入帶電間隔等錯誤操作體感培訓(xùn)。高壓開關(guān)柜操作體感場景如圖4所示。

圖4 高壓開關(guān)柜操作體感場景

2.4 高空墜物體感

在電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)中,高空墜物體感場景為現(xiàn)實場景,如圖5所示。由控制開關(guān)控制吊掛鋼球,如圖6所示。在氣缸的作用下,鋼球會產(chǎn)生自由落體運動,撞擊在安全帽上。高空墜物體感現(xiàn)場可供三人培訓(xùn),參訓(xùn)人員身高區(qū)間為158～190 cm。

圖6 吊掛鋼球

圖5 高空墜物體感場景

2.5 安全帶吊掛體感

與高空墜物體感相類似,安全帶吊掛體感場景同樣為現(xiàn)實場景,如圖7所示。安全帶吊掛體感功能的作用為使參訓(xùn)人員在實驗室中體驗處于高空且懸空時的感受,為未來電力施工做好準(zhǔn)備[4]。參訓(xùn)人員系好安全帶,將安全帶一端的鎖扣固定在吊鉤上,確認(rèn)安全帶穿戴正確,且各項安全措施無誤。由升降裝置將參訓(xùn)人員提升到一定高度,人體懸掛在半空中,然后脫鉤使參訓(xùn)人員下落5～10 cm,直至被防墜器和保護繩拉住,再緩慢下落至地面。

圖7 安全帶吊掛體感場景

3 虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)油田電網(wǎng)的實際運行情況,在電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)中建立220 kV、110 kV、35 kV典型變電站和輸電線路虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)場景,實現(xiàn)對油田電網(wǎng)變電站和輸電線路運行、檢修、搶修,以及違章行為與后果的體感培訓(xùn)。

電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖8所示。通過建立虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,實現(xiàn)多個終端的同時訪問?？梢栽L問變電站和輸電線路的虛擬場景,選擇對不同變電站進行不同操作,選擇對不同輸電線路進行不同作業(yè)。通過勝利油田局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程交互功能,確保電力體感培訓(xùn)不受人員數(shù)量和地域的影響。

4 電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)模塊

電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)包括用戶及權(quán)限管理、虛擬現(xiàn)實場景管理、事故體感、仿真操作、數(shù)據(jù)統(tǒng)計五大模塊,實現(xiàn)對培訓(xùn)過程的全面管理與統(tǒng)計,用于分析培訓(xùn)效果。

4.1 用戶及權(quán)限管理

電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)與勝利油田電力分公司信息管理系統(tǒng)相融合,實現(xiàn)賬號通用登錄,并根據(jù)組織機構(gòu)劃分相應(yīng)的系統(tǒng)權(quán)限,對進行培訓(xùn)的人員進行網(wǎng)絡(luò)實名認(rèn)證。

4.2 虛擬現(xiàn)實場景管理

根據(jù)不同的仿真操作任務(wù),為參訓(xùn)人員提供不同的培訓(xùn)場景,并在場景內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的事故體感,形成一個逼真的虛擬現(xiàn)實操作環(huán)境。參訓(xùn)人員可以自行選擇操作場景、操作內(nèi)容和事故類型,管理員可以通過后臺添加操作任務(wù)、操作場景、操作內(nèi)容、事故類型等。所有虛擬現(xiàn)實場景均以勝利油田下屬變電站及變電站內(nèi)不同電壓等級、不同型號設(shè)備為基礎(chǔ)構(gòu)建,現(xiàn)實場景與虛擬現(xiàn)實場景無縫連接,如圖9所示[5]。對參訓(xùn)人員的操作全過程進行記錄、分析,辨識可能存在的風(fēng)險因素,后期逐步構(gòu)建自分析自研判的智慧安全仿真平臺。

圖9 電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實場景

4.3 事故體感

設(shè)置事故發(fā)生前背景,使參訓(xùn)人員通過第一人稱視角和第三人稱視角體驗事故過程,最后進行事故解析,以試題的形式提示事故的直接原因、主要原因和整改措施,使參訓(xùn)人員強化對電力事故的重視。帶電安裝接地線事故虛擬現(xiàn)實場景如圖10所示。

圖10 帶電安裝接地線事故虛擬現(xiàn)實場景

4.4 仿真操作

根據(jù)不同崗位職責(zé)設(shè)置相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)化操作內(nèi)容,使參訓(xùn)人員嚴(yán)格按照安全標(biāo)準(zhǔn)化操作內(nèi)容進行操作,同時配有視覺、聽覺、觸覺提示[6]。以變電站值班員倒閘操作為例,其安全標(biāo)準(zhǔn)化操作內(nèi)容如圖11所示。

圖11 變電站值班員倒閘安全標(biāo)準(zhǔn)化操作內(nèi)容

通過虛擬現(xiàn)實場景模擬操作流程,結(jié)合操作過程中的風(fēng)險提示和防范措施,在每一個操作節(jié)點根據(jù)規(guī)程要求為參訓(xùn)人員提供多個場景,使參訓(xùn)人員進行選擇。當(dāng)參訓(xùn)人員選擇違章操作時,系統(tǒng)給出相應(yīng)后果。結(jié)合實際情況編制了工作票據(jù)辦理、設(shè)備日常巡視、設(shè)備缺陷處理、設(shè)備清掃、缺陷處理等的安全標(biāo)準(zhǔn)化操作內(nèi)容,用于電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)的仿真操作。

4.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊得到參訓(xùn)人員的培訓(xùn)數(shù)據(jù),包括培訓(xùn)次數(shù)、培訓(xùn)時長、具體操作內(nèi)容、操作熟練程度、操作正確率等,基于培訓(xùn)數(shù)據(jù)可以根據(jù)崗位和工作職責(zé)對參訓(xùn)人員進行有針對性的考核。

5 電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)基本模型

電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)基本模型包括變電站和輸電線路兩部分。在建立基本模型時,先根據(jù)實際設(shè)備型號與電壓等級建立配件數(shù)據(jù)庫。在配件數(shù)據(jù)庫中選取相應(yīng)配件,便可建立基本模型所需的設(shè)備,確保虛擬現(xiàn)實場景中所建立的變電站、輸電線路基本模型與現(xiàn)場一致[7]。

變電站基本模型中,一次設(shè)備包括斷路器、刀開關(guān)、電容器、電抗器、站用變壓器、主變壓器、避雷器等,二次設(shè)備包括保護裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、通信設(shè)備、小電流接地選線設(shè)備等,安全工器具包括絕緣手套、絕緣靴、安全帽、接地線、遮攔、布幔等。

以35 kV輸電線路為例,輸電線路基本模型包括電桿、上導(dǎo)線橫擔(dān)、下導(dǎo)線橫擔(dān)、上吊桿、下吊桿、二合抱箍、上導(dǎo)線橫擔(dān)抱箍、下導(dǎo)線橫擔(dān)抱箍、起動精制螺栓、旋轉(zhuǎn)精制螺栓、拉線環(huán)、楔形線夾、UT型線夾、鋼絞線、拉線棒、拉線盤、底盤、懸式絕緣子、直角掛板、球頭掛環(huán)、單聯(lián)碗頭、導(dǎo)線懸垂線夾、導(dǎo)線防振錘、U形掛環(huán)、避雷線懸垂線夾、避雷線防振錘等配件?；诓煌呐浼?可以建立不同的輸電線路基本模型設(shè)備,以電桿為例,可以建立直線單桿/雙桿、耐張單桿/雙桿、轉(zhuǎn)角單桿/雙桿、轉(zhuǎn)角跨越桿等。

6 結(jié)束語

勝利油田電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)以現(xiàn)實環(huán)境為基礎(chǔ),應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù),實現(xiàn)了跨地域的電力體感培訓(xùn)。通過規(guī)程和操作手冊要求,編制安全標(biāo)準(zhǔn)化操作內(nèi)容,使參訓(xùn)人員規(guī)范日常操作,并針對違章操作展現(xiàn)對應(yīng)后果,實現(xiàn)正向培訓(xùn)與逆向培訓(xùn)的結(jié)合。勝利油田電力體感培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用以來,取得了良好的效果,具有推廣價值。