電力工程教學試驗三維仿真探討

楊柏松　王濤　鄭桂彬　李長庚

摘要 電力工程教學試驗存在高風險、高能耗、高成本等問題而無法開展。針對這些問題，以電力工程典型的低壓柜教學試驗為案例，對三維仿真技術在電力工程相關教學試驗中的應用進行探討。實踐表明，三維仿真的教學試驗對培養學生的實際操作能力、解決學生實踐與電力安全生產之間的矛盾具有不可替代的作用。

關鍵詞 電力工程教學試驗；三維仿真；虛擬場景

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）08-0146-03

1 前言

電力工程教學試驗是電氣工程及其自動化專業的核心實驗課程，它綜合了電力系統穩態分析、工廠供電、變電站綜合自動化技術等多門課程試驗。該課程試驗全過程中具有很多高電壓、高壓力、高溫度等極端和危險的環境，存在高風險、高能耗、高成本等問題而無法開展。雖然各高校的基礎不同，但是在辦學過程中如何做到在保證教學效果的前提下少投入，即追求教學效果的“性價比”，這一點認識是統一的。

目前，國外各高等院校電力工程高電壓教學試驗已經發展到用物聯網技術為核心，并已形成一定的標準。而我國電力工程教學試驗主要有兩種形式。

第一種是基于物理平臺的硬件仿真系統結合部分計算機仿真系統，能夠建立與真實電廠、變電站等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，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。

針對我國電力工程教學試驗的不足，提出在電力工程教學試驗中引入高壓試驗三維仿真系統，對其教學試驗方法作一個探討，并對電力工程典型的低壓柜試驗操作作為一個案例講述。教學實踐表明，它具有真實性與交互性的特點，使其能夠完美地完成教學任務，尤其針對電力工程教學試驗方式的改革，它的交互性將更加有效地提高教學質量。

2 教學方法探討

教學思路 電力工程規范的安全運行對于維持電力工程的穩定、保證電力工程的可靠供電具有十分重要的意義，同時為了兼顧學時減少和學校培養的畢業生能與上崗單位要求零距離，在教學中必須根據教學采取靈活多樣的教學方法和教學手段。其總體教學思路是：打破以知識傳授為主要特征的傳統學科課程模式，轉變為以工作任務為中心組織課程內容，并讓學生在完成具體項目的過程中學會完成相應工作任務，并構建相關理論知識，發展職業能力。

教學試驗目標 結合學生在知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀等方面的基本要求，通過電力工程教學試驗的學習，學生應達到以下目標。

1）專業能力：以電氣試驗工職業標準為目標，掌握一定的高電壓理論、高電壓試驗設備、高電壓測試技術等專業知識；學會繪制各項高壓電氣試驗接線圖；能對試驗數據進行整理、計算及正確編寫試驗報告；具備選擇試驗設備和材料及進行各項試驗的測試能力；具備試驗工作的組織和判斷能力；具備試驗儀器、設備的維護和保養能力；具備一般的電氣檢修及調試能力；能核對和修正試驗的安全措施，能進行安全緊急救護，有較強的試驗現場管理能力。

2）方法能力：能熟悉各種電氣設備試驗方法（絕緣電阻和吸收比的測量、泄漏電流及直流耐壓試驗、介質損失角正切值tgδ的測量、局部放電測試、油氣相色譜分析、交直流耐壓試驗、沖擊耐壓試驗；學會綜合利用學習資源，不斷提高自學能力；在綜合實踐中學會試驗項目管理能力。

3）社會能力：具備電氣試驗工的職業素養，培養嚴謹的試驗工作作風；遵守勞動紀律，安全文明工作，愛護工具設備，刻苦鉆研技術，誠實團結協作，嚴守崗位職責；全面培養協同能力、創新意識、綜合應用能力、職業能力和職業素質。

3 教學試驗內容

采用虛擬現實等技術設計建立的具有三維交互功能的高壓試驗仿真學習系統，全部采用軟件實現，可以基于網絡運行；既能針對學生開展電氣試驗的實踐教學，又能進行電氣試驗工技師和高級技師的學習鑒定。

通過網絡，學生將進入絕對安全的高壓試驗仿真學習實訓場。在實訓場中，可以學習高壓試驗設備和試驗儀表等高壓試驗方面的基本知識，能反復練習變壓器、斷路器、避雷器、互感器等高壓設備的各種試驗操作。實訓場的設計研發綜合采用虛擬現實、分布交互式仿真等先進技術，實現高壓設備及運行環境的三維重現，形象地反映了設備的正常、異常及其動作過程，學生不但可以對虛擬場景中的設備巡視、檢查，而且可以進行虛擬操作，虛擬設備會隨著學生的巡視及操作而相應地變化，提高系統的真實感和現場感。

高壓仿真學習過程的設計充分考慮電力運行部門和管理部門對學生素質的需求，使受訓學生通過學習不但可以掌握具體設備的知識和技能，而且能從理論上對高壓試驗的特點和要求有比較深入的理解，即力求使受訓學生掌握怎樣做，理解為什么這樣做，明白這樣做的作用和結果。高壓試驗仿真學習環境擬進行人性化設計，充分利用虛擬現實等多媒體技術，通過刺激學生的感官神經，調動學生的學習積極性和主動性。

4 案例分析

系統整體介紹 電力工程教學試驗三維仿真系統包含“110kV變電站電氣設備高壓試驗三維仿真系統”“10kV配網高壓試驗三維仿真系統”和“高低壓倒閘操作三維仿真系統”等多個子系統。其中的“高低壓倒閘操作三維仿真系統”是為了加強倒閘操作標準化，采用虛擬現實等技術設計建立的一個具有三維交互功能的虛擬仿真系統。該系統能以最小的人力、物力建立一個仿真學習實訓場，從而開展大規模的電氣試驗方面的教學和學習培訓，實現110kV等級電氣設備的電氣絕緣試驗的仿真模擬，使學生了解電力系統更高電壓等級的設備進行電氣絕緣試驗的方法、步驟和試驗過程，在虛擬環境下達到訓練學習的目的。系統主控界面如圖1所示。

下面以電力工程典型的低壓柜教學試驗操作為案例，講解三維仿真系統在電力工程教學試驗中是如何應用的。

試驗停電操作步驟

1）進入控制中心，選擇“低壓柜操作——停電操作”。

2）選擇安全用具并點擊提交選擇按鈕。

3）對安全用具分別進行安全檢驗，檢驗合格后提交工具選擇任務并進入試驗場景。

4）核對線路設備名稱。

5）觀察低壓柜是否處于帶電狀態。低壓柜處于帶電狀態時，合閘指示燈（綠燈）熄滅，跳閘指示燈（紅燈）亮，同時A、B、C三電流表有顯示。帶電狀態見圖2。

6）點擊紅色跳閘按鈕進行分閘操作。

7）查看低壓柜是否停電成功。合閘指示燈（綠燈）熄滅，跳閘指示燈（紅燈）亮，同時A、B、C三電流表指示為零。

8）停電操作完成，點擊提交任務。斷電狀態見圖3。

9）取下手柄插入小車操作孔，將小車搖至檢修位，取下小車操作手柄。此時，停電并將小車由運行位搖至檢修位操作完成。小車搖至檢修位見圖4。

試驗送電操作步驟

1）進入控制中心，選擇“低壓柜操作——送電操作”。

2）選擇安全用具并點擊提交選擇按鈕。

3）對安全用具分別進行安全檢驗，檢驗合格后提交工具選擇任務并進入試驗場景。

4）核對線路設備名稱。

5）觀察低壓柜是否處于停電狀態。低壓柜處于停電狀態時，合閘指示燈（綠燈）熄滅，跳閘指示燈（紅燈）亮，同時A、B、C三電流表示數為零。斷電狀態見圖4。

6）點擊綠色合閘按鈕進行合閘操作。

7）查看低壓柜是否送電成功。合閘指示燈（綠燈）亮，跳閘指示燈（紅燈）熄滅，同A、B、C三電流表有顯示，點擊提交任務。送電成功狀態見圖3。

8）送電操作成功。

5 結束語

針對我國各高等院校電力工程教學試驗存在高風險、高能耗、高成本等問題而無法開展試驗，為了進一步彌補現狀不足，提出電力工程教學試驗三維仿真探討的教學模式，詳細介紹教學試驗的思路、目標、內容及案例分析。實踐表明，學生通過三維仿真試驗提高試驗操作能力，節省教學成本；同時虛擬試驗還可以作為現場試驗的技術培訓方式，讓學生學習試驗設備的操作程序，全面掌握試驗設備的注意事項和步驟，并為現場試驗操作資格提供評估依據。但由于三維仿真技術是建立在三維仿真平臺上，對三維仿真軟件性能依賴性較高，因此對三維仿真軟件的性能有待進一步研究與提高。