基于VR的GIS斷路器可視化系統介紹

秦路垚 趙博 黃遠為

摘要：本文針對現階段電力系統中關于GIS設備的仿真培訓資源不足的問題，介紹了一種基于虛擬現實技術的GIS斷路器仿真培訓系統，系統針對河南某500kv抽水蓄能電站GIS斷路器進行結構展示、關鍵機構原理展示，具有較強的沉浸感，能夠為電力培訓提供服務及高教學質量。

【關鍵詞】：GIS斷路器 虛擬現實 沉浸 培訓

0引言

GIS設備作為電力系統比較關鍵的部分，其穩定運行對系統穩定運行十分重要，因而對其相關工作人員的工作能力要求很高。GIS斷路器作為GIS設備中比較常用的主要設備之一，它的作用更是不可忽視的。斷路器構成了氣體絕緣開關設備的中心元件。其構成了氣體絕緣開關設備的中心元件，能夠控制負荷在正常工作方式下的電流以及當發生短路時能夠斷開短路時產生的電流，所以斷路器對電力系統的安全運行起著非常重要的作用。與傳統斷路器相比，GIS斷路器內采用了SF6氣體，其綜合能力以及對環境的適應能力也比一般傳統的斷路器要更加好。如果GIS斷路器在電力系統的正常運行過程中發生故障，將對整個系統的正常運行產生非常嚴重的后果。

由于GIS斷路器的特殊性，操作人員很難使用實際運行的設備進行培訓，因此研發與實際GIS斷路器結構相同的虛擬仿真模型來提供操作人員的開展培訓具有非常重要的現實意義?，F階段電力系統非實物檢修培訓方式普遍采用二維可視化技術。由于GIS設備的封閉性及其內的斷路器結構復雜，二維圖片缺乏立體感與動態感，就使操作人員對設備結構的認識理解和學習效率大大降低。

與實物運行系統相比，虛擬仿真系統具有以下特點：

（1）充分運用三維模型、圖片、文字、聲音等多媒體形式調動檢修培訓人員的積極性和主動性，提高培訓效果。

（2）降低硬件投入的同時豐富設備資源庫，便于設備升級換代。

（3）更為安全可靠。

因此應用前景十分廣闊。

1系統介紹

本文基于虛擬現實技術建立了一套仿真模擬系統，利用3dmax建模軟件建立GIS斷路器的三維模型，再利用Unity3d軟件開發模擬出一套仿真培訓系統。該系統的開發實現了GIS斷路器的三維可視化、工作原理展示等模塊供操作人員學習，能夠讓操作人員身處其中，感受到和真實場景的一樣的感受，讓操作人員很好的置身于虛擬場景中，構建了一個直觀的可視化虛擬仿真系統。該系統運用在電力技能培訓中可減少因不熟悉設備結構導致的檢修次數，也可降低對培訓設備場地的要求，更加具有靈活性，同時提高操作人員對設備的理解，提高了自身專業知識素養。

本系統是針對GIS設備之中非常重要的斷路器開發的，利用虛擬現實技術對設備進行三維模型可視化展示，實現斷路器結構教學、動作結構工作原理展示。使用虛擬現實技術的仿真系統具有以往許多同類系統難以匹及的優勢，它通過調動GUI控件、三維模型、圖片、聲音，物理引擎等，極大程度的模擬了現實中的真實情況，功能豐富、易于實現且極大減少了開發投資，解決了常規軟件中不可視、不可摸、不可入的問題，而且更新速度快，所以其應用前景十分廣闊。

2系統構架

本系統中的GIS斷路器來源于河南某抽水蓄能電站的GIS設備中的斷路器，其工作于500KV的電力系統中。由于其內SF6氣體的絕緣和滅弧特性，具有絕緣水平高、機械可靠性高、電氣壽命長的特點，非常適合應用在高電壓等級電力系統中。

本系統通過虛擬現實（VR）技術實現，具有很強的人機交互性能以及沉浸感，再結合使用HTC vive等硬件設備及立體音響，用以給操作培訓人員身臨其境的觀感體驗。本系統利用Unity3D 軟件搭建虛擬平臺環境，用C#及Java Script語言進行程序編寫，在Windows操作系統環境下運行。

根據實物設備及其操作原理結構說明書進行建模，在3dmax中建立GIS斷路器的三維模型，并完成動作機構的動畫、材質和燈光的渲染，導入Unity3D軟件中進行實時交互設計。

本系統為實現較為真實的虛擬交互體驗，對硬件設備有較高要求，計算機需要具有較高的圖形處理能力，且基于Windows系統運行增強了其通用性，便于設備升級換代。并且配合專用VR 設備及立體音響，沉浸感較強、3d體驗性好，可加深操作培訓人員對設備的理解。

3三維模型可視化展示

根據GIS斷路器實際結構，建立三維仿真模型，通過Unity3D交互語言，模擬操作仿真人員在操作或檢修設備之前對設備的環視觀察情況，通過操作手柄可自由選擇在虛擬場景中相對于斷路器的位置，通過VR頭盔轉換視角，來調整至最合適的觀察位置。通過操作手柄可以實現斷路器整體設備的透明化，對設備外殼和其內主要部件工作原理的演示，操作培訓人員可以清楚地看到斷路器滅弧室中靜觸頭和動觸頭部分結構，操作機構的結構組成。原理演示過程伴隨文字及語音提示，詳細介紹斷路器的結構特點及其在電力系統中的作用，運用圖片的形式提醒檢修人員在進入設備現場進行檢修時的安全要求，包括操作注意事項。

4工作原理展示

系統在三維模型展示的基礎上，通過3dmax中設置的交互動畫，可以模擬斷路器的實際運行情況，包括：

（1）分閘過程、合閘過程、自能式滅弧室的動作原理;

（2）彈簧操動機構儲能機構、結構原理展示;

（3）液壓操作機構中控制模塊、儲能模塊、充壓模塊、檢測模塊的動作原理。

配合文字及語音講解，展示介紹各種機構的特點，加深操作檢修人員對結構原理的理解。并學習當機構操作出現故障時，正確對異?，F象進行分析判斷，分析故障原因并選擇合適的處理方法。

5模擬檢修流程

由于斷路器在實際運行中會發生拒不分斷、閉合后拒動現象，需要在相對應故障處理及提出解決辦法前，了解拒動產生的原因，包括彈簧儲能故障或機械部分安裝不正確等問題。本系統針對常見的電路連接錯誤、SF6氣壓不足設置檢修流程。通過對照虛擬斷路器中發生故障的部分，結合文字、語音、圖片及視頻的運用，敘述每項檢修流程的具體步驟，包含：

（1）前期準備工作（工具材料、人員配備、環境要求）;

（2）辦理相關工作票;

（3）檢查故障部件。

通過交互動作設計，可以使操作培訓人員按照正確的操作步驟能完成全部檢修流程。

6結語

本文基于虛擬現實技術建立了一套仿真模擬系統，能夠讓操作人員身處其中，感受到和真實場景的一樣的感受，實現自然又直觀的人機交互系統，讓操作人員很好的置身于虛擬場景中，構建了一個直觀的可視化的虛擬仿真系統。通過交互式體驗，學習斷路器中各操作機構的動作原理。

該系統的開發應用，使理論實踐內容與多媒體新技術相結合，節約時間和成本，提高效率，也可降低對培訓設備場地的要求，為電力培訓提供新的解決方案，更加具有靈活性，也同時提高操作人員對設備的理解，并提高了自身專業知識素養。

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