基于虛擬現實的水電廠仿真系統的研究及應用

林益江

［摘 ? ? ? ? ? 要］ ?采用虛擬現實技術建立一套混流式發電機組的仿真系統，該系統主要由機組設備的盤臺監控系統和運行三維系統組成，可連續、實時地仿真電廠機電設備運行與維護情況，可以提供全工況、全方位的理論和實訓教學，發電廠及電力系統專業的學生可在系統上模擬現場運行人員進行設備監控、操作等功能，不用親臨電廠現場，也可以掌握必備的運行操作技能。

［關 ? ?鍵 ? 詞］ ?虛擬現實；水電廠；運維培訓

［中圖分類號］ ?TV737 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ［文獻標志碼］ ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?［文章編號］ ?2096-0603（2019）23-0216-03

虛擬現實技術是指利用計算機生成一種模擬環境，并通過多種專用設備使用戶“投入”該環境中，實現用戶該環境直接進行自交互的技術。虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）是隨著計算機技術的發展出現的一種高新技術，也稱靈境技術或人工環境。虛擬現實是利用計算機模擬出一個三維的虛擬世界，給使用者進行視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，使用者會有身臨其境的感覺，可以沒有限制地感覺三維空間里的事物。虛擬現實匯集了計算機圖形學、圖像處理與模式識別、人機智能接口技術、傳感器技術、多媒體技術、高度并行的計算機技術和人的行為研究等多項關鍵技術。

一、研究的背景及意義

我校發電廠及電力系統專業主要培養面向發配電領域，從事電氣運行與維護、電氣設備安裝與調試、電氣設備生產與裝配三個崗位的高素質技能型人才。隨著發配電領域由建設轉為內涵發展，近十年已建或新建電廠都進行了計算機監控改造，自動化水平很高，企業用人單位要求生產人員逐漸向運維一體、機電一體、一專多能方向發展，因此培養技能復合型人才的需求極為迫切。目前，國內水力發電廠向“無人值班、少人值守”發展，而對水電技術人員的要求也向“機電合一、運維一體”轉化，水輪發電機組是一個包含多設備、涉及多學科的復雜耦合大系統，運維人員必須十分了解設備，并對其檢修過程進行反復的訓練操作才能達到標準，新的檢修人員很難通過一兩次現場檢修工作經驗掌握機組檢修需把握的各個環節。水力發電類專業在培養水電廠運行時，必需緊跟電力行業水電企業的特殊要求。是建立現階段先進的水電站運行虛擬仿真系統，更新原有的物理仿真系統，以適應職業教學的發展，跟上水電技術發展的步伐，使我校培養的專業人才所具備的知識和技能滿足企業的崗位要求。由于電力系統運行對安全性要求極高，難以提供學生開展實踐教學和鍛煉的機會。而脫離了實際環境進行的教學，沒有人的角色參與其中，達不到一種一目了然和切身體會的效果，學生不能夠全方位了解設備的物理特性和設備檢修過程，很難真正掌握檢修知識，而且對檢修現場突發狀況，也很難對其做出為了滿足水電站對專業檢修技術人員培訓的要求，怎樣保證學習質量和效率，降低學習或實訓的安全風險，采用新技術、新模式已成為一種必然趨勢。而VR仿真系統可連續、實時地仿真電廠機電設備運維情況，可以提供全工況、全方位的教學，通過該技術的應用，學生只需要一臺電腦，就能夠在虛擬環境中全方位、快速了解機組結構，以交互方式掌握檢修流程及工藝，加上文本和音頻解說，從而獲得更加生動形象的學習，達到一種似真非真的境界。學生可在系統上模擬現場運行人員進行設備監控、操作等功能，不用親臨電廠現場，也可以掌握必備的運行操作技能，對接企業提出的能力需求。

二、水電廠仿真系統的組成及功能

水電廠仿真系統以實際的發電廠混流式水輪發電機組為原型，其計算機監控的參數與實際的機電設備型號、參數保持一致，主要由教員臺和學員臺兩部分組成。

1.教員臺的作用是擔負仿真系統運行控制及監視仿真過程的任務。主要功能有：仿真控制、狀態監視、故障設置、事件記錄、教案操作。

2.學員臺由虛擬盤臺和三維系統兩部分組成，學員可以在虛擬盤臺中完成機組自動啟停、機組出力調整、開關站監控、油氣水系統監視、廠用電系統、直流系統監視。主要功能有：電廠運行監視、現場操作、事故處理。

此外，不同于實際監控系統，油氣水系統和輔助系統界面中增加了操作及控制功能，學員在系統圖上就可以完成輔助系統的閥門操作，而不必每次都到虛擬現場進行。

3.報警臺部分可以查看現場發生故障的光字，虛擬盤臺部分包括機旁盤、中控繼保盤、廠用電盤、輔助系統盤等。可以模擬現場的盤臺操作，盤上的各種表計、指示燈、液晶屏顯示與現場實際保持一致，各種小開關、轉換把手、按鈕、壓板、保護裝置均可操作，其動作結構與原型電廠保持一致。

點擊不同部分的按鈕可以打開相應部分三維虛擬現實場景，學員可以在場景中完成設備巡視、設備操作、故障處理等工作。

三、水電廠仿真系統的演示

（一）教案功能

“教案功能”的下拉菜單中包括“教案”和“開始記錄操作到教案”“結束開始記錄操作到教案”三個選項。

教員可以提前設置故障加入教案，上課的時候，設置故障可以直接調用教案，不必一一設置。點擊“教案”選項彈出如圖1對話框。

首先選擇“新建教案”，彈出圖7對話框，“名稱”中填入新建教案名稱，“選擇初始工況”下拉框中選擇新建教案的初始工況。

教案新建完成后，在圖7對話框中選中剛才建立的教案，點擊右側的“確定”按鈕，彈出圖8窗口。這里可以設置教案延時執行的時間，可以根據需要設置，默認為0毫秒。

上述設置完成后，就可以向教案中添加故障了。選擇“開始記錄操作到教案”，在彈出的窗口中選擇要添加故障的教案（圖同7），點擊“確定”，在彈出的延時設置窗口（圖9）中設置故障延時（主要是為防止在設置多個故障時，前一個故障還未設置完成時，又設置新的故障，導致系統錯誤），點擊“確定”后窗口關閉。

接下來可以在主接線上選擇設備設置故障，可以逐一設置多個故障。所有故障都設置完成后，點擊“結束開始記錄操作到教案”，在彈出的圖10中設置延時即可完成教案的全部設置過程。

教案設置完成后，若想執行教案或刪除教案，可以在菜單中選擇“教案”，在彈出的圖7中選擇教案名，然后點擊相應按鈕按提示完成操作即可。

（二）盤臺監控系統功能

1.通過保護盤臺查看保護動作信息

在教員臺設置故障后，可以進入保護盤查看微機保護液晶中保護動作報文及保護盤上的信號燈從而判斷發生了什么故障。

2.通過簡報信息窗查看操作及保護動作情況

（三）界面上的控制操作

1.各種按鈕、電磁閥等元件操作時通過鼠標單擊來完成。如電磁閥的控制操作，鼠標左鍵單擊電磁閥任意一側方框，則該側方框內的箭頭所指的兩個油路接通。如圖12。

2.通過鼠標就可以控制機組的開停機操作，模擬實際機組的運行和控制方式，如在機組并網后，機旁盤上的負荷增減在調速器界面或調功界面通過給定值進行即可。如圖13。

3.某些元件操作只需要點擊右鍵，在彈出的新窗口中進行（將鼠標放在元件上會有提示）；一些保護盤面以及觸摸屏顯示也是如此。操作完成后，在彈出窗口中雙擊鼠標右鍵關閉窗口即可。

（四）三維系統操作

現場一次設備部分的仿真利用3D技術，根據現場一次設備的外形建造模型，形成虛擬現實，可以對設備進行操作、巡視，使學員置身于真實的水電廠中。同時它應用影像、圖像、聲音等多媒體手段，使仿真效果更加真實。三維部分操作簡單、直觀，基本實現了水電廠廠房內部及開關站現場設備的巡檢、操作，其主要內容有：斷路器操作，刀閘操作，地刀操作，手動閥門操作，調節閥門操作，電磁閥操作，電動閥及濾水器操作，各種開關、保險和把手的操作及現場設備巡檢等。

1.三維系統中的菜單功能

三維系統窗口主菜單中有如下幾個菜單項：“遠程機”“模式”“工具”“巡視記錄”“導航圖”“場景切換”“幫助”“天氣”。

2.遠程機

“遠程機”菜單項主要用于實現在三維場景與教員臺的連接。點擊“遠程機”，出現下拉菜單：

“連接”選項，正常情況下不可用，只有當系統未與服務器連接或連接中斷時才可使用。這時，點擊“連接”，出現選擇服務器窗口。“斷開”選項，用于將系統與服務器中斷連接。比如，想更改要連接的服務器，可先點擊“斷開”，再點擊“連接”選擇需要的服務器IP。

“當前連接”選項，可以查看當前三維場景連接的服務器IP地址。

3.模式

“模式”菜單項主要用于實現在各個模式之間切換。本系統共有四種模式：“運行模式”“驗電模式”“掛地線”和“設圍欄”。點擊“模式”，出現下拉菜單：

“運行模式”為三維系統的正常操作和漫游模式，所有的開關、按鈕、刀閘、地刀等的操作和巡視都需要在這種模式下進行。此外，此模式下可以為系統中某些設備掛警示牌。這種模式下在需要掛牌的設備上點擊鼠標右鍵，選擇要掛的標示牌類型即可。

四、結語及展望

基于虛擬現實技術的真實感主要體現在視覺和聽覺上，隨著“多感知交互”的發展以及力反饋系統的進一步研究，可將培訓人員置身于模擬檢修環境中，實現嗅覺、味覺和體表感受的功能是未來虛擬現實檢修培訓的發展方向。通過基于虛擬現實的大型水輪機檢修與培訓考核系統的應用，培訓人員能夠在此系統中產生很強的沉浸感和交互性。虛擬與現實檢修的相互融合，摒棄了集中教學、課下溫習、現場講解的培訓模式，有利于培訓人員更有效地掌握專業檢修技能，全面提高檢修質量，降低培訓成本。

該系統已成功應用于某中型混流式水輪機的檢修培訓，取得了良好的培訓效果，是水輪發電機組檢修培訓的有效方式，可以為其他行業人員進行專業培訓提供參考。該系統可以為國家級精品課程水電站計算機監控技術及應用、核心課程水電站電氣設備、發電廠電氣運行與維護提供實訓場所。同時該系統也可為行業員工培訓搭建一個擁有先進仿真技術、優秀教學師資的培訓平臺，為全省水電企業提供電氣及水輪機運行工急需的繼續教育和技術培訓。具有較大的經濟效益和社會效益，可提高我院服務行業企業的能力，擴大我院在行業企業的影響力。提供職業技能競賽的訓練條件，提高學生培養質量。

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編輯 馬燕萍