3D技術在變電站仿真教學中的應用

摘要 文章探討圖和將3D技術引入電站仿真系統，將為仿真系統構建具有真實空間距離的虛擬環境，能大大提高變電站場景的真實感。

關鍵詞 3D技術 變電站 仿真教學

中圖分類號： G424文獻標識碼：A

Application of 3D Technology in Substation Simulation Teaching

YANG Qing

(Guangxi University， Nanning， Guangxi 530000)

AbstractThis paper discusses on how to use 3D technology in substation silulation system， and will build a real space distance of the virtual environment， which can greatly increase the realism of the scene substation.

Key words3D technology; substation; simulation teaching

近幾年，隨著我國電網規模不斷擴大，結構日益復雜，先進自動化設備的不斷投入，自動化技術的不斷更新，對電網的穩定運行提出了更高的要求。變電站是電力系統的重要組成部分，變電站的安全運行對于維持電力系統的穩定、保證電網的可靠供電具有十分重要的意義。因此，加強對運行人員的技術培訓，提高他們的運行操作和事故處理能力，是目前電力培訓的重點。用人單位都希望學校培養的畢業生能與上崗要求零距離，特別是專業技術專項能力模塊的訓練能與實際電廠或變電站相符。因此，各個院校都將仿真培訓列為電力專業培訓的有效手段。

目前大多高等院校的變電站仿真形式有兩種：第一種是基于物理平臺的硬仿真系統結合部分計算機仿真系統，能夠建立與真實電廠、變電站十分相似的外觀環境，配備有各種配電屏、控制屏等。學生能通過儀表監視、開關操作、操作票等訓練項目了解電廠、變電站的基本操作流程，但這種方式不僅占地面積較大，投資大，且對于電廠的動力部分受到場地、設備的限制難以仿真。第二種形式則完全利用計算機軟件，在計算機上可以進行所有的操作，使學生對整個電廠、變電站的結構、設備組成、操作流程有一個較為完整的概念。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：與真實操作不一致、真實感較差。即無論是第一種方式的配備的低壓配電屏、開關等與實際電廠、變電站的高壓配電裝置還是有很大的區別；第二種方式即使設計的圖片、圖標再逼真，也只能反映在一個二維平面上，無法對一次設備進行倒閘操作、設備巡視。若要營造出與真實場景十分相似的虛擬變電站環境、設備，通常采用3D技術。

3D是three-dimensional的縮寫，就是三維圖形。其原理是利用一系列的光學方法使人左、右眼產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3D立體效果的技術，使人看到的就像真的一樣。

若將3D技術引入電站仿真系統，將為仿真系統構建具有真實空間距離的虛擬環境，能大大提高變電站場景的真實感。同時，將電力系統仿真軟件與虛擬變電站連接起來模擬變電站的各種運行狀態，為學校的變電站仿真教學帶來技術飛躍。

1 逼真顯現各類關鍵設備

3D系統集圖形圖象技術、數據庫等技術于一體，根據某一具有代表性的變電站進行設計，主要包含室內、外兩部分的電氣設備。例如室內的主控室、蓄電池室、10KV 開關室、繼電保護室。室外的變壓器、互感器、避雷器、斷路器、電抗器、母線等及設備連接狀況展現在屏幕上。由于3D技術采用高速三維圖形加速卡，三維圖形的繪制速度、分辨率都很高，使人身臨其境，其動態、逼真的電力系統模型加上360度的視角使學生學習興趣高漲，學生由知識的被動接受者變成了虛擬環境中的參與者，充分調動了學生的學習積極性，帶給學生體驗式學習的愉悅經歷。在培訓中，學生可在一次設備、二次設備以及監控畫面上進行相應操作，采用鼠標和鍵盤相結合的操作方式，簡單、直觀、能很快熟悉要操作的實際設備，提高了培訓效率，縮短了培訓周期。在培訓中可結合仿真系統中3D角色（例如刀閘操作、檢修停電、一次設備巡視等）的動作完成操作流程。進一步提高了操作人員實際操作的能力，避免產生誤操作以及一些不規范的操作。

2 為專業課程提供更形象、直觀的教學手段

電力類專業課程中有不少涉及到電氣設備的講解。例如《發電廠電氣設備》是電力類的學生必修的課程。在這些課程教師往往只能依靠現場圖片或者平面結構原理圖來講解，學生無法建立一個空間的想象把這些各個角度的圖片結合在一起，往往導致盡管老師一再重復講解，教學效果卻不好。或者在講完課程后帶學生到現場走馬觀花的參觀變電站，學生也印象不深。將3D引入電氣設備的講解，學生就能通過老師的指導以360度的視角全方位觀察室外電氣設備的布置，清楚的看到各個間隔、各回路間的連接方式、各設備動作瞬間產生的現象（聲音、電弧）及動作后相關指示的變化。更好的掌握電氣設備的有關知識。

3 實現了電氣設備的巡視模式

在電壓作用下，運行狀態中的電氣設備，其性能和狀態的變化，除了依靠保護、監視裝置和表計等顯示外，對于故障和異常狀態萌芽初期的外部現象，主要是依靠值班人員定期和特殊的巡視檢查來發現，以便及時發現和消除設備缺陷，預防事故發生，確保設備安全運行。因此電氣設備巡視是變電站非常重要的一項日常工作。以往傳統的平面二維電站仿真系統是無法實現設備巡視的。采用3D仿真系統，學生可在教師預先設置的場景（例如雨天、下雪天、霧天、晴天等）進行戶外一次設備的巡視。要考核學生是否認真巡視，教師可預先通過設置設備缺陷或異?，F象（例如瓷瓶污垢、油箱漏油、設備冒煙、接地線銹蝕等等），讓學生在巡視模式下找到這些缺陷、異常，將信息傳回教師機，教師即可根據事先設置的缺陷異常與學生傳回的信息進行比較后打分。設備巡視模塊的訓練可培養學生養成良好的工作習慣和工作責任心，善于觀察設備的重點部位，及時發現缺陷、異?，F象。

4 完善倒閘操作過程的項目

電力部門歷來十分重視電力系統的安全運行，然而每年仍發生許多因操作人員誤操作而導致的重大事故，造成人員傷亡，設備損壞，大面積停電，甚至引起電網的振蕩和瓦解，經濟損失慘重。由于電力系統運行管理的特殊性和設備操作次序的規則性，我國在上世紀90年代初就提出了電氣設備“五防”的要求，并制定了電氣防誤的管理、運行、設計和使用原則，現已列入《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》中，我國的電力部門規定了操作票制度與電力五防細則。所謂“五防”是指：防止誤分、合斷路器；防止帶負荷分、合隔離開關；防止帶電掛接，地線或合接地刀閘；防止帶電接地線(接地刀閘)合斷路器(隔離開關)；防止誤人帶電間隔。

傳統的仿真系統操作票生成系統通常采用自動推理生成，缺乏靈活性，且一般無校驗功能，它僅加深操作人員對整個操作過程的印象，但不能檢查出所開的操作票在當時運行方式下是否符合操作規則、是否存在不安全隱患。3D系統可提供微機五防開票，自動生成解五防鎖的步驟，形成安全性、標準化的操作票系統。學生可按照操作票順序進行操作，拿著電腦鑰匙解鎖后操作，前一項操作結束后，電腦鑰匙會自動顯示下一項操作內容。若操作順序相反或出現誤操作，則系統將無法操作或出現相應故障提示。若走錯間隔，電腦鑰匙會檢測出編碼鎖的編號與要求操作的編號不符，則不能開鎖并同時報警，防止運行人員誤操作來達到強制閉鎖的目的。這一模塊的培訓使學生學習如何規范、正確、有效地填寫操作票，正確指導學生安全、規范地進行變電站電氣倒閘操作。

此外，在倒閘操作前，學生還應根據具體操作項目選擇適當的安全用具、操作用具。3D系統可以提供安全用具、操作用具，例如安全帽、絕緣手套、絕緣棒、驗電器、接地線等。這一模塊可培養學生對安全用具的重視，以及正確選擇安全工具。

5 結束語

電站仿真系統成為各個高校培訓電力專業學生的有效手段，目前已廣泛應用。3D仿真系統使高校培訓更為貼近實體電站的運行與操作。 但在仿真教學中，還存在許多仿真與實際銜接問題。只有大膽嘗試，不斷總結，調整教學適應實際需求，才能使仿真教學更好的服務于教學。