110 kV變電站VR虛擬仿真系統設計

摘? 要：隨著電力系統的發展，電力行業對一線人員的專業水平提出更高要求。因此，提高電工培訓效果至關重要，而電力生產的高危險性，是電工培訓待解決的缺點。我們急需一種安全有效的培訓方式，110 kV變電站VR虛擬仿真系統應運而生。該平臺利用虛擬現實技術，充分發揮其技術特性，使該平臺給學員多感官的沉浸式體驗。克服了電力培訓長久以來的難點和痛點，實現了設備學習、漫游巡視和操作演練的功能，可為受訓人員打下扎實的實踐操作基礎。

關鍵詞：VR虛擬仿真;虛擬現實;電工培訓;克服缺點

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）03-0080-04

Design of VR Virtual Simulation System for 110 kV Substation

LIU Haoyang

（State Grid Yulin Electric Power Supply Company， State Grid， Yulin? 719000， China）

Abstract： With the development of power system， the power industry puts forward higher requirements for the professional level of front-line personnel. Therefore， it is very important to improve the effect of electrician training， and the high risk of power production is the disadvantage to be solved in electrician training. We urgently need a safe and effective training method， then an application of VR virtual simulation system in 110 kV substation is born at the right moment. This platform uses virtual reality technology to give full play to its technical characteristics， so that the platform can give students multi sensory immersive experience. It overcomes the difficulties and pain points of power training for a long time， realizes the functions of equipment learning， roaming inspection and operation drill， and can lay a solid practical operation foundation for trainees.

Keywords： VR virtual simulation; virtual reality; electrician training; overcome the shortcoming

0? 引? 言

電力系統是國家最主要的基礎設施之一、是國家發展規劃和國家增長的基本要素，是國家生產、人民生活、國防體系建設的載體，是國家經濟活動的命脈。國家經濟社會活動要求電力系統能夠給用戶提供安全、可靠、優質、經濟環保的電力。經濟地滿足國家生產、人民生活、國防體系建設的需求，現代國家的工業生產、商品流通、人民生活，計算機行業發展與經濟交流都離不開電力系統，電力系統為國家的一切經濟社會活動予以支持和保障。因此電力系統的穩定性、可靠性對于人民正常生活，促進國家經濟和社會的發展都有重要意義。

1? 設計背景

作為最大、結構最復雜、技術最密集、安全風險最高的電力系統，其安全穩定運行確保了國民經濟持續穩定發展。為實現電力系統高度智能化和自動化，我國積極增添越來越多的新設備，引進或研究了更多的新技術，繼電保護裝置更加精確，電氣安全技術愈加成熟。然而，近幾年來卻不乏重大電氣安全事故。以2014年為例，全國通報了電力人身傷亡事故52起，死亡或失蹤93人，電力設備事故4起，電力安全事故事件17起。電力系統人身事故統計如圖1所示。

2020年3月，中廣核陽江核電有限公司冷卻水旋轉濾網堵塞，4臺機組相繼自動停機停堆，2臺機組隨后主動后撤停機，廠內損失出力630萬千瓦，經濟損失約為320萬元。2019年1月，±1 100 kV吉泉直流輸電工程昌吉換流站發生極I高端Y/D-C相換流變壓器著火事故，換流變壓器油箱及附件等有不同程度損傷，估算損失約438萬元。事故未影響電網供電和安全。

2016年6月，西安南郊變電站發生爆炸事故。本事故中，1臺330 kV變壓器、2臺110 kV變壓器燒損，部分110 kV、35 kV電氣設備損壞報廢。根據有關部門統計，直接經濟損失約400萬元人民幣，間接損失近5億元人民幣。究其根本，當值電工麻痹大意，玩忽職守，應急能力不強也是造成這次事故的原因之一。

同時，我國電力行業對人才需求量越來越大，國內16家電力企業如表1所示，而對16家電力企業人力資源總量趨勢預測如圖2所示，正在逐年增加，2020年從事人員可達2 302 789人，所以，做好電工培訓是保證各企業良好發展的前提。

由此可見，提高工作人員素養，由量變到質變已是迫在眉睫，針對這一問題，我們需要加強“電工培訓教育”，以此強化電工安全意識，提高電工職業道德，鞏固專業知識，提升故障應急水平。

縱觀電工行業培訓狀況，電力行業特有的高危險性始終是電工培訓的最大弱點，如圖3所示，這極大地限制了受訓人員對各個設備乃至整個系統更加深入的了解。對于新老電工而言，老電工的理論知識往往是模糊的，新興的和成長中的電工缺乏實際操作經驗，所以他們不能更好地處理復雜的工況。在傳統的教學模式下，老電工更傾向于從實際工作中獲得操作經驗。他們對課堂教學的興趣不大，新員工具有扎實的理論知識，但傳統的課堂教學不能很好地發揮培養操作能力的作用。

對于培訓方式而言，傳統的電工培訓形勢多為PPT講授、大課堂講授、發放學習手冊定期考核，或是師帶徒一對一教學等等。以PPT講授、大課堂講授、發放學習。手冊定期考核這類形勢的培訓方式為例，這類培訓方式對于授課者而言，有節約時間、方便管理、易于理論知識傳授與考核等優勢，而對于學員來說，有枯燥乏味、對知識理解不夠深刻、聽課地理位置影響聽課效率等問題。而對于師帶徒一對一教學這種培訓方法來說，有益于學員知識體系的建立，學習者會更加集中注意力聽課，輔導更具針對性，學生有問題及時提問，可快速得到解決;但是這種培訓方式無法高效率利用師資、耗時耗力。因此，我們需要引入一種新的技術來解決電力培訓當下的問題。

虛擬現實技術已經用于多種行業的教學培訓之中，在醫療培訓方面就有顯著的成果，如美國的Next Galaxy公司，他們開發了一款針對醫務人員技能培訓的軟件，是與邁阿密兒童醫院合作的，該軟件可加快醫務人員對各類醫療技術的理解記憶，從而使醫護人員掌握相應的專業技術。在電工培訓方面，我國國家電網公司，針對電工開發設計了一些培訓系統，可對500 kV變電站進行虛擬觀光學習，但是其建模較為粗糙，主要實現了自動漫游功能，而且國內在110 kV變電站方面的VR虛擬現實培訓系統都存在功能較少，培訓知識不到位的問題。

2? VR技術概況

虛擬現實（virtual reality）簡稱VR，是一種高新技術，也稱靈境技術[1-4]。它集成了多項技術，如：CG技術、人機交互、人工智能等，所以虛擬現實是一項綜合性的集成技術[5]。可利用計算機生成三維空間的虛擬世界，為用戶提供多感官的仿真，使人通過相應設備，即可與虛擬世界進行交互操作[6-8]。當使用者發出動作時，計算機通過復雜的運算將逼真的三維虛擬世界圖像傳輸回來，讓人產生身處其境的感覺[9-12]。作為一種高級的人機交互技術，虛擬現實的研究圍繞著提高系統的沉浸感、交互性和多感知性這三個特性進行。同時，該技術響應了“互聯網+大數據+電力教育培訓”平臺搭建的政策，如圖4所示，也符合“中國制造2025”中推進信息化與工業化深度融合的戰略目標。

虛擬現實技術已經用于多種行業的教學培訓之中，在醫療培訓方面就有顯著的成果，如美國的Next Galaxy公司，他們開發了一款針對醫務人員技能培訓的軟件，是與邁阿密兒童醫院合作的，該軟件可加快醫務人員對各類醫療技術的理解記憶，從而使醫護人員掌握相應的專業技術。在電工培訓方面，我國國家電網公司，針對電工開發設計了一些培訓系統，可對500 kV變電站進行虛擬觀光學習，但是其建模較為粗糙，主要實現了自動漫游功能，而且國內在110 kV變電站方面的VR虛擬現實培訓系統都存在功能較少，培訓知識不到位的問題。

3? 110 kV變電站虛擬仿真培訓平臺

基于三維模型與虛擬現實技術的培訓軟件，極大地提升了培訓工作的安全水平，對電力行業的培訓方面產生積極影響，可進一步為電力生產保駕護航。本平臺通過對陜西省某變電站原始資料及電工培訓現狀的分析，完成了110 kV變電站VR虛擬仿真設計，闡述了運用相關軟件完成該虛擬仿真的開發過程，展示了虛擬仿真平臺在培訓方面的妙用。

本次設計主要成果體現在如下幾個方面：

（1）完成了110 kV變電站設備及相關場景的三維建模工作。如：變壓器、斷路器、開關柜等。為真實還原各個設備最真實的狀態，在模型建設時，嚴格按照各設備實物參數及物理結構1：1建模，建模精度為mm級，旨在提高模型真實感，確保人機交互開發的順利進行，變電站鳥瞰圖如圖5所示。

（2）完成了110 kV變電站VR虛擬仿真培訓平臺的開發與調試。將已經完成110 kV設備及場景三維模型導入設計軟件中，利用光照烘焙技術、shader開發優化場景，強化真實感，導入各類聲效，利用物理引擎準確展現各個設備電氣動作邏輯，惟妙惟肖的展現出一個110 kV變電站，實現了設備認知、運維巡視和倒閘操作的功能，并編寫相關代碼為實現人機交互做好準備，該VR虛擬仿真培訓平臺能滿足電工培訓的要求。

關于設備認知功能：掌握變電站設備的型號功能和工作原理，是變電站工作人員的基本功，也是保證自身安全和電網穩定運行的基本技能[13，14]。因此，變電站設備學習是所有培訓系統均具有的項目。以往的學習過程中，主要是通過講師課堂講解和PPT演示等方法。但是由于變電站電氣設備眾多，設備工作原理復雜，需要記憶量太大。在本系統中，為了解決這個問題，再開發過程中將每個設備的重要信息保存至系統中，通過簡單人機交互即可展示設備的重要信息，其中GW4隔離開關學習如圖6所示。結合設備模型動作，生動形象展示工作原理和動作原理[15]。避免了文字的枯燥。

（3）實現考核和人機交互功能。利用設計軟件的GUI控件、腳本調試優化與內存管理等功能完成了考核功能的設計，可對電工進行多方面考核，其中倒閘操作過程考核如圖7所示。再將完成的110 kV變電站VR虛擬仿真培訓平臺發布到Windows端，然后利用Steam應用中的VR插件，搭載于HTC Vive硬件設備后，將一個多感官的沉浸式體驗的虛擬現實110 kV變電站呈現在使用者面前，并且可交互性操作，實現零危險性電工培訓。

綜上所述，本培訓平臺成功利用虛擬現實技術，充分發揮其技術沉浸性、交互性、構想性等特性，使得110 kV變電站虛擬仿真培訓平臺給學員多感官的沉浸式體驗。在克服電工培訓長期存在高危險性這一弱點的同時，以其高沉浸感、真實感、交互性以及趣味性促進了學員注意力的集中，加深了學員對相關理論知識的記憶，提高學員對知識探求的渴望，而且可完成“高危險性、不可達性、不可見性”的實踐性技能培訓，可為受訓人員打下扎實的實踐操作基礎。

4? 結? 論

本110 kV變電站VR虛擬仿真系統，主要針對電工培訓，但由于時間有限，相關技術仍在發展階段，該VR虛擬仿真系統還可進一步完善，現提出以下幾點建議，可在今后工作學習中繼續改進：

（1）建模工作煩瑣，今后可建立元件庫，因為建模工作量巨大，從器件選取到資料分析，到確定尺寸，然后進行建模會耗費大量時間。如果有成熟的元件庫，會讓VR培訓平臺建設事半功倍，并且便于進行設備調整。

（2）繼續完善考核系統。本設計根據任務書，著重于培訓系統在設備認知、漫游巡視及人機交互等功能實現工作，考核系統作為一個新的功能，在考核機制及評分系統方面仍有繼續改進完善的空間。

（3）更加標準化。隨著技術的發展，今后可更加優化系統設計，添加更多新功能，使VR虛擬仿真培訓平臺更加貼近現實變電站的運行管理，確保培養出技術強、專業精、努力超越，追求卓越的電力從業者。

參考文獻：

[1] 王豪.500 kV變電站虛擬現實仿真系統研究 [D].鄭州：鄭州大學，2019.

[2] RADIANTI J，NAJCHRZAK T A，FROMM J，et al. A systematic review of immersive virtual reality applications for higher education：Design elements，lessons learned，and research agenda [J/OL].Computers & Education，2020，147：103778[2021-10-25].https：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360131519303276

[3] 王鑫元.基于VR的配電檢修仿真培訓系統研究 [J].自動化與儀器儀表，2017（8）：58-60.

[4] 李軍鋒，熊山，劉曉，等.VR和AR技術助力電力仿真培訓 [J].中國電力教育，2017（2）：22-27.

[5] 王志剛.220kV半高型變電站虛擬現實仿真系統研究 [D].鄭州：鄭州大學，2019.

[6] 郭力源.VR技術在煤礦安全生產中的應用 [J].科學技術創新，2018（27）：152-153.

[7] 劉建明，施明泰，莊玉琳，等.增強現實、虛擬現實和混合現實技術在電力系統的應用研究 [J].電力信息與通信技術，2017，15（4）：4-11.

[8] 顧永軍，齊敬敬.基于VR技術的煤礦安全仿真系統的設計與實現 [J].煤炭技術，2012，31（10）：149-151.

[9] 范宇，湯曉青，陳立.情景式VR培訓提升電力企業員工技術教育之實效 [J].中國成人教育，2019（13）：74-76.

[10] 陳爽，王強.VR技術在采礦實踐教學中的應用 [J].采礦技術，2017，17（2）：84-87.

[11] 馮文勝，彭瑞華.VR技術助力南方電力職業培訓創新實踐 [J].中國電力教育，2017（2）：32-37.

[12] 陳鶴.基于虛擬現實技術的變電站可視化管理系統研制 [D].北京：華北電力大學（北京），2015.

[13] 劉安平，邵文冕，苑鵬濤，等.Unity3D技術在電氣工程實訓教學中的應用 [J].教育現代化，2019，6（A3）：148-150.

[14] 岳井峰.采用Unity3D引擎開發建筑類三維虛擬仿真實訓系統研究 [J].中國管理信息化，2019，22（24）：182-183.

[15] 謝成.基于虛擬實境技術的變電站三維仿真培訓平臺的研制 [D].上海：上海交通大學，2009.

作者簡介：劉昊洋（1999—），男，漢族，陜西榆林人，助理工程師，學士學位，研究方向：電力系統。