110 kV变电站VR虚拟仿真系统设计

摘  要：随着电力系统的发展，电力行业对一线人员的专业水平提出更高要求。因此，提高电工培训效果至关重要，而电力生产的高危险性，是电工培训待解决的缺点。我们急需一种安全有效的培训方式，110 kV变电站VR虚拟仿真系统应运而生。该平台利用虚拟现实技术，充分发挥其技术特性，使该平台给学员多感官的沉浸式体验。克服了电力培训长久以来的难点和痛点，实现了设备学习、漫游巡视和操作演练的功能，可为受训人员打下扎实的实践操作基础。

关键词：VR虚拟仿真;虚拟现实;电工培训;克服缺点

中图分类号：TP391.9           文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）03-0080-04

Design of VR Virtual Simulation System for 110 kV Substation

LIU Haoyang

（State Grid Yulin Electric Power Supply Company， State Grid， Yulin  719000， China）

Abstract： With the development of power system， the power industry puts forward higher requirements for the professional level of front-line personnel. Therefore， it is very important to improve the effect of electrician training， and the high risk of power production is the disadvantage to be solved in electrician training. We urgently need a safe and effective training method， then an application of VR virtual simulation system in 110 kV substation is born at the right moment. This platform uses virtual reality technology to give full play to its technical characteristics， so that the platform can give students multi sensory immersive experience. It overcomes the difficulties and pain points of power training for a long time， realizes the functions of equipment learning， roaming inspection and operation drill， and can lay a solid practical operation foundation for trainees.

Keywords： VR virtual simulation; virtual reality; electrician training; overcome the shortcoming

0  引  言

電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。

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。

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。

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、易于理論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[1-4]。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[5]。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[6-8]。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[9-12]。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。

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。

（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[13，14]。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[15]。避免了文字的枯燥。

（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。

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）建模工作煩琐，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。

参考文献：

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作者简介：刘昊洋（1999—），男，汉族，陕西榆林人，助理工程师，学士学位，研究方向：电力系统。