110kV变电站VR虚拟仿真系统设计

刘昊洋

（国家电网 国网榆林供电公司，陕西 榆林 719000）

0 引 言

电力系统是国家最主要的基础设施之一、是国家发展规划和国家增长的基本要素，是国家生产、人民生活、国防体系建设的载体，是国家经济活动的命脉。国家经济社会活动要求电力系统能够给用户提供安全、可靠、优质、经济环保的电力。经济地满足国家生产、人民生活、国防体系建设的需求，现代国家的工业生产、商品流通、人民生活，计算机行业发展与经济交流都离不开电力系统，电力系统为国家的一切经济社会活动予以支持和保障。因此电力系统的稳定性、可靠性对于人民正常生活，促进国家经济和社会的发展都有重要意义。

1 设计背景

作为最大、结构最复杂、技术最密集、安全风险最高的电力系统，其安全稳定运行确保了国民经济持续稳定发展。为实现电力系统高度智能化和自动化，我国积极增添越来越多的新设备，引进或研究了更多的新技术，继电保护装置更加精确，电气安全技术愈加成熟。然而，近几年来却不乏重大电气安全事故。以2014年为例，全国通报了电力人身伤亡事故52起，死亡或失踪93人，电力设备事故4起，电力安全事故事件17起。电力系统人身事故统计如图1所示。

图1 电力系统人身事故统计

2020年3月，中广核阳江核电有限公司冷却水旋转滤网堵塞，4台机组相继自动停机停堆，2台机组随后主动后撤停机，厂内损失出力630万千瓦，经济损失约为320万元。2019年1月，±1 100 kV吉泉直流输电工程昌吉换流站发生极I高端Y/D-C相换流变压器着火事故，换流变压器油箱及附件等有不同程度损伤，估算损失约438万元。事故未影响电网供电和安全。

2016年6月，西安南郊变电站发生爆炸事故。本事故中，1台330 kV变压器、2台110 kV变压器烧损，部分110 kV、35 kV电气设备损坏报废。根据有关部门统计，直接经济损失约400万元人民币，间接损失近5亿元人民币。究其根本，当值电工麻痹大意，玩忽职守，应急能力不强也是造成这次事故的原因之一。

同时，我国电力行业对人才需求量越来越大，国内16家电力企业如表1所示，而对16家电力企业人力资源总量趋势预测如图2所示，正在逐年增加，2020年从事人员可达2 302 789人，所以，做好电工培训是保证各企业良好发展的前提。

表1 国内16家电力企业

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图2 16家电力企业人力资源总量趋势预测

由此可见，提高工作人员素养，由量变到质变已是迫在眉睫，针对这一问题，我们需要加强“电工培训教育”，以此强化电工安全意识，提高电工职业道德，巩固专业知识，提升故障应急水平。

纵观电工行业培训状况，电力行业特有的高危险性始终是电工培训的最大弱点，如图3所示，这极大地限制了受训人员对各个设备乃至整个系统更加深入的了解。对于新老电工而言，老电工的理论知识往往是模糊的，新兴的和成长中的电工缺乏实际操作经验，所以他们不能更好地处理复杂的工况。在传统的教学模式下，老电工更倾向于从实际工作中获得操作经验。他们对课堂教学的兴趣不大，新员工具有扎实的理论知识，但传统的课堂教学不能很好地发挥培养操作能力的作用。

图3 电工培训实例

对于培训方式而言，传统的电工培训形势多为PPT讲授、大课堂讲授、发放学习手册定期考核，或是师带徒一对一教学等等。以PPT讲授、大课堂讲授、发放学习。手册定期考核这类形势的培训方式为例，这类培训方式对于授课者而言，有节约时间、方便管理、易于理论知识传授与考核等优势，而对于学员来说，有枯燥乏味、对知识理解不够深刻、听课地理位置影响听课效率等问题。而对于师带徒一对一教学这种培训方法来说，有益于学员知识体系的建立，学习者会更加集中注意力听课，辅导更具针对性，学生有问题及时提问，可快速得到解决；但是这种培训方式无法高效率利用师资、耗时耗力。因此，我们需要引入一种新的技术来解决电力培训当下的问题。

虚拟现实技术已经用于多种行业的教学培训之中，在医疗培训方面就有显著的成果，如美国的Next Galaxy公司，他们开发了一款针对医务人员技能培训的软件，是与迈阿密儿童医院合作的，该软件可加快医务人员对各类医疗技术的理解记忆，从而使医护人员掌握相应的专业技术。在电工培训方面，我国国家电网公司，针对电工开发设计了一些培训系统，可对500 kV变电站进行虚拟观光学习，但是其建模较为粗糙，主要实现了自动漫游功能，而且国内在110 kV变电站方面的VR虚拟现实培训系统都存在功能较少，培训知识不到位的问题。

2 VR技术概况

虚拟现实（virtual reality）简称VR，是一种高新技术，也称灵境技术。它集成了多项技术，如：CG技术、人机交互、人工智能等，所以虚拟现实是一项综合性的集成技术。可利用计算机生成三维空间的虚拟世界，为用户提供多感官的仿真，使人通过相应设备，即可与虚拟世界进行交互操作。当使用者发出动作时，计算机通过复杂的运算将逼真的三维虚拟世界图像传输回来，让人产生身处其境的感觉。作为一种高级的人机交互技术，虚拟现实的研究围绕着提高系统的沉浸感、交互性和多感知性这三个特性进行。同时，该技术响应了“互联网+大数据+电力教育培训”平台搭建的政策，如图4所示，也符合“中国制造2025”中推进信息化与工业化深度融合的战略目标。

图4 “互联网+大数据+电力教育培训”行动

虚拟现实技术已经用于多种行业的教学培训之中，在医疗培训方面就有显著的成果，如美国的Next Galaxy公司，他们开发了一款针对医务人员技能培训的软件，是与迈阿密儿童医院合作的，该软件可加快医务人员对各类医疗技术的理解记忆，从而使医护人员掌握相应的专业技术。在电工培训方面，我国国家电网公司，针对电工开发设计了一些培训系统，可对500 kV变电站进行虚拟观光学习，但是其建模较为粗糙，主要实现了自动漫游功能，而且国内在110 kV变电站方面的VR虚拟现实培训系统都存在功能较少，培训知识不到位的问题。

3 110 kV变电站虚拟仿真培训平台

基于三维模型与虚拟现实技术的培训软件，极大地提升了培训工作的安全水平，对电力行业的培训方面产生积极影响，可进一步为电力生产保驾护航。本平台通过对陕西省某变电站原始资料及电工培训现状的分析，完成了110 kV变电站VR虚拟仿真设计，阐述了运用相关软件完成该虚拟仿真的开发过程，展示了虚拟仿真平台在培训方面的妙用。

本次设计主要成果体现在如下几个方面：

（1）完成了110 kV变电站设备及相关场景的三维建模工作。如：变压器、断路器、开关柜等。为真实还原各个设备最真实的状态，在模型建设时，严格按照各设备实物参数及物理结构1：1建模，建模精度为mm级，旨在提高模型真实感，确保人机交互开发的顺利进行，变电站鸟瞰图如图5所示。

图5 变电站鸟瞰图

（2）完成了110 kV变电站VR虚拟仿真培训平台的开发与调试。将已经完成110 kV设备及场景三维模型导入设计软件中，利用光照烘焙技术、shader开发优化场景，强化真实感，导入各类声效，利用物理引擎准确展现各个设备电气动作逻辑，惟妙惟肖的展现出一个110 kV变电站，实现了设备认知、运维巡视和倒闸操作的功能，并编写相关代码为实现人机交互做好准备，该VR虚拟仿真培训平台能满足电工培训的要求。

关于设备认知功能：掌握变电站设备的型号功能和工作原理，是变电站工作人员的基本功，也是保证自身安全和电网稳定运行的基本技能。因此，变电站设备学习是所有培训系统均具有的项目。以往的学习过程中，主要是通过讲师课堂讲解和PPT演示等方法。但是由于变电站电气设备众多，设备工作原理复杂，需要记忆量太大。在本系统中，为了解决这个问题，再开发过程中将每个设备的重要信息保存至系统中，通过简单人机交互即可展示设备的重要信息，其中GW4隔离开关学习如图6所示。结合设备模型动作，生动形象展示工作原理和动作原理。避免了文字的枯燥。

图6 GW4隔离开关学习

（3）实现考核和人机交互功能。利用设计软件的GUI控件、脚本调试优化与内存管理等功能完成了考核功能的设计，可对电工进行多方面考核，其中倒闸操作过程考核如图7所示。再将完成的110 kV变电站VR虚拟仿真培训平台发布到Windows端，然后利用Steam应用中的VR插件，搭载于HTC Vive硬件设备后，将一个多感官的沉浸式体验的虚拟现实110 kV变电站呈现在使用者面前，并且可交互性操作，实现零危险性电工培训。

图7 倒闸操作过程考核展示

综上所述，本培训平台成功利用虚拟现实技术，充分发挥其技术沉浸性、交互性、构想性等特性，使得110 kV变电站虚拟仿真培训平台给学员多感官的沉浸式体验。在克服电工培训长期存在高危险性这一弱点的同时，以其高沉浸感、真实感、交互性以及趣味性促进了学员注意力的集中，加深了学员对相关理论知识的记忆，提高学员对知识探求的渴望，而且可完成“高危险性、不可达性、不可见性”的实践性技能培训，可为受训人员打下扎实的实践操作基础。

4 结 论

本110 kV变电站VR虚拟仿真系统，主要针对电工培训，但由于时间有限，相关技术仍在发展阶段，该VR虚拟仿真系统还可进一步完善，现提出以下几点建议，可在今后工作学习中继续改进：

（1）建模工作烦琐，今后可建立元件库，因为建模工作量巨大，从器件选取到资料分析，到确定尺寸，然后进行建模会耗费大量时间。如果有成熟的元件库，会让VR培训平台建设事半功倍，并且便于进行设备调整。

（2）继续完善考核系统。本设计根据任务书，着重于培训系统在设备认知、漫游巡视及人机交互等功能实现工作，考核系统作为一个新的功能，在考核机制及评分系统方面仍有继续改进完善的空间。

（3）更加标准化。随着技术的发展，今后可更加优化系统设计，添加更多新功能，使VR虚拟仿真培训平台更加贴近现实变电站的运行管理，确保培养出技术强、专业精、努力超越，追求卓越的电力从业者。