基于虛擬現實技術的輸配電仿真培訓系統的教學

摘要：隨著我國經濟的飛速發展，我國電力建設日新月異，新的電壓等級不斷涌現，輸（配）電線路里程數的不斷增加，運行檢修是保證電力設備安全可靠運行的重要環節，帶電作業已成為電氣設備的常用檢修測試方法之一，針對輸電線路帶電作業培訓中遇到的問題，本文設計了基于虛擬現實技術的輸電線路帶電作業仿真系統，結合帶電作業項目案例，挑選輸電、配電、關鍵技術等經典案例進行虛擬仿真培訓。此系統，在幫助學生了解實際的帶電作業知識前提下，能使學生獲得高度仿真的操作體驗。

關鍵詞：帶電作業 虛擬仿真 高壓輸配電 教學實踐

1 概述

帶電作業作為保障線路運行可靠性的重要手段，是一項危險性較大、操作安全水平要求較高的特殊工種，要求作業人員在具備扎實的帶電作業理論知識和良好的技術水平的基礎上，具有很高的熟練程度。對作業人員要進行有效培訓。傳統的培訓方式是通過理論講解、多媒體課件等教學形式，同時組織學生到現場進行實踐教學、現場觀摩。由于實際電路存在諸多安全隱患，且易受到天氣、場地、設備等諸多因數的限制，學生實際動手操作機會較少，可供學生學習、識別的典型故障、缺陷類型有限，因此，難以達到很好的培訓效果。為了消除帶電作業人員對帶電設備的恐懼，提升帶電作業人員的操作技能，增強帶電作業人實際操作能力，針對輸電線路帶電作業培訓中遇到的問題，本輸配電帶電作業三維仿真培訓系統，通過真實的還原作業場景，覆蓋典型的帶電作業項目，設計了基于虛擬現實技術的輸電線路帶電作業仿真系統，并對系統實現過程中的關鍵技術進行分析，配合相應硬件設備建立了仿真培訓系統。

虛擬現實技術（Virtual Reality），又稱靈境技術，是20世紀末興起的一門嶄新的綜合性信息技術。它的興起，為人機交互界面的發展開創了新的研究領域。這種技術的特點在于，計算機產生一種人為虛擬的環境，這種虛擬的環境是通過計算機圖形構成的三度空間，或是把其它現實環境編制到計算機中去產生逼真的“虛擬環境”，從而使得用戶在視覺上產生一種沉浸于虛擬環境的感覺。這種技術的應用，改進了人們利用計算機進行多工程數據處理的方式，由于這是一種省錢、安全、有效的培訓方法，現在已被推廣到各行各業的培訓中。目前，虛擬現實已被推廣到不同領域中，在科技開發上、商業上、醫療上、娛樂上等得到廣泛應用。本文采用虛擬現實技術，建立起輸電線路帶電作業的仿真培訓系統，通過模擬現場作業環境和操作流程，實現基于計算機的仿真培訓系統，使學生在虛擬現實的環境中形象、直觀地了解并掌握標準的輸電線路帶電作業方法。

2 高壓輸配電帶電仿真實訓的內容

2.1 關鍵技術仿真

2.1.1 關鍵技術仿真的實現

目前，帶電作業施工的操作培訓是基于實物進行的，由于高壓導致一定的危險性存在，為了培訓操作者的每一步操作都符合規范，使用虛擬操作技術與電路仿真技術相結合，可以建立虛擬的作業工具和絕緣工器具機械的使用方法。本文中，每項關鍵技術都是根據在網運行的線路為依據，按照國家電網公司配電線路帶電作業操作手冊，使用三維技術再現帶電作業中，以各種關鍵技術工作為作業背景，演示操作流程和方法，以達到培訓的目的。虛擬仿真技術的合理應用與帶電作業施工是密不可分的，關鍵技術項目有很多：打繩結、進工位、絕緣斗臂車、110-220kV更換絕緣子等。

2.1.2 關鍵技術仿真的具體項目

本文結合帶電作業項目案例，僅以關鍵技術之進入工位為例。本項目以在帶電作業施工中在進入工位的時候為作業背景說明利用登高板、腳扣、絕緣斗臂車、絕緣平臺、絕緣硬梯進入工位時的使用方法。利用虛擬仿真技術，再現各種工具進入工位時的背景，使用前的準備、檢測以及操作步驟。利用立體環幕使學生猶如身臨其境，演示完畢，學生再在臺式訓練儀上模擬考試，模擬進入工位的操作步驟，針對進入工位的注意事項，編輯成若干題目，使學生能掌握正確操作方法而杜絕有可能產生的意外。比如：登高板掛鉤時必須正勾，切勿反勾，以免造成脫鉤事故；使用腳扣進入工位時，雨天或冰雪天不宜登桿，容易出現滑落傷人事故等等。

2.1.3 拓展項目

利用虛擬操作技術還可以檢測安全帶、登高板的質量，用人體作沖擊荷載實驗，檢查登高板是否安全可靠，同時對安全帶也可用人體作沖擊荷載實驗。另外，某類作業工具有新款推出時，如斗臂車，可以模擬斗臂車啟動，并工作一個循環，檢查是否有液體滲出、液壓缸有無滲漏、異常噪聲、工作失靈、不穩定運動、撞擊或其他故障。

2.2 配電線路、輸電線路仿真

2.2.1 配電線路和輸電線路仿真的必要

電力線路主要分為配電線路和輸電線路兩種，隨著供電質量要求的不斷提高，輸、配電線路設備實際利用小時數已成為輸、配電線路的一項重要考核指標，帶電作業已成為輸、配檢修方式之一。引起線路故障的原因有很多：設計方面、施工方面、客觀因素等等，產生一些線路缺陷：塔材丟失、桿塔鳥窩、防護林區、桿塔異物、絕緣子更換等，需及時維護處理。

為培訓學生正確的帶電作業意識，積累現場作業經驗，不僅三維演示項目具體作業步驟，并且包括項目開展前應對現場進行勘查、簽發工作票、準備合適的工器具并進行檢測合格、核對工作地點線路名稱和桿號等等。輸配電線路檢修項目有很多，從10kV配電線路到500kV輸電線路。從檢測、更換絕緣子、線夾、間隔棒等常規項目到帶電升高、移位桿塔等復雜項目，還有750kV線路和特高壓交直流輸電線路帶電作業。具體的項目有：10kV帶電更換跌落式開關、10kV帶負荷狀態下更換隔離刀閘、10kV帶電更換直線電桿、500kV帶電安裝避雷器、800kV輸電線路帶電更換耐張任意整串絕緣子。

2.2.2 輸配電仿真項目的實現

本文結合帶電作業項目為例，利用虛擬操作技術僅以10kV帶電清除票掛物為例。本項目根據桿上電氣設備布置，準備好作業設備及儀表，將絕緣斗臂車定位于最適于作業的位置，并裝置車體接地線，設遮攔網。采用絕緣夾鉗，絕緣棘輪大剪夾緊票掛物（比如風箏）。通過大場景的漫游來展示作業現場和線路實況；通過小場景來展示操作細節，真實還原了帶電作業流程。學生在臺式訓練儀上模擬考試時，編輯一些針對本項目注意的一些題型。比如：清除票掛物方法應正確，防止力度過大；絕緣斗臂車復位操作要平穩，規避鄰近高壓線路、桿塔及各類障礙物。

2.2.3 拓展項目

另外還可以設計典型故障案例：模擬單相接地故障、短路故障等。高壓輸配電是一個綜合電能交互系統，線路故障將會給電力企業及電力用戶帶來巨大經濟損失，通過模擬故障產生，故障快速查找，故障防范的措施，故障的快速切除，對培訓人員有深遠的實際意義。

2.3 輸配電仿真的重要意義

為保證向用戶不間斷供電，提高供電可靠性；節省檢修時間，減輕勞動強度，能夠使設備檢修對用戶影響降低為零。培養操作規范、熟練的帶電作業人員顯得尤為重要，虛擬仿真技術作為傳統培訓的有益補充，培訓過程不受時間、天氣、氣候、空間等因素的影響。為帶電作業培訓提供規范化、常態化、高效率、低成本的培訓環境，開拓了培訓的新模式。

參考文獻：

[1]沈海萍，劉曉偉，等.基于虛擬現實技術的輸電線路帶電作業仿真培訓系統[J].中國水運，2011（5）.

[2]胡毅.輸配電線路帶電作業技術的研究與發展[J].高電壓技術，2006（11）.

[3]周興，張雪峰，等.基于虛擬現實技術的帶電作業仿真培訓系統研究[J].水電能源科學，2012（12）.

作者簡介：陳雅萍（1966-），女，湖南資興人，教師，講師，主要從事電氣控制的教學與實訓工作。