基于VR虛擬仿真技術(shù)的變電運行課程教學(xué)設(shè)計

程序　張興然

【摘 要】變電站運行工作需要較強的實踐能力，然而目前的變電站運行實訓(xùn)教學(xué)受資金，場地的限制，還不能真正地滿足學(xué)生的需求，因此本文通過分析變電站運行課程建設(shè)和教學(xué)現(xiàn)狀，得出使用傳統(tǒng)教學(xué)模式實施變電站運行課程的主要難題，以“變電站巡視”項目為例探討變電站運行教學(xué)模式的設(shè)計及應(yīng)用，提出了基于VR技術(shù)和虛擬仿真的實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】VR技術(shù)；虛擬仿真；變電站巡視；教學(xué)設(shè)計

中圖分類號： G712；U41-4；U44-4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）31-0181-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.087

0 引言

《變配電運行》課程是發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè)、供用電技術(shù)專業(yè)的必修核心課程。主要培養(yǎng)學(xué)生具有本專業(yè)所包含的中（或高）級變電站值班員所必需的專業(yè)知識和專業(yè)技能，培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作、溝通表達、工作責(zé)任心、職業(yè)規(guī)范和職業(yè)道德等綜合素質(zhì)和能力，為從事供電企業(yè)、工礦企業(yè)供用電相關(guān)技術(shù)工作做準備。通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握變電站一次系統(tǒng)主接線及二次接線，掌握變電站開關(guān)、線路、主變、母線和旁路代路的運行監(jiān)控和倒閘操作，掌握變電站線路、主變、母線事故分析處理，掌握變電站線路、主變、母線事故分析處理，掌握變電站小接地系統(tǒng)的運行監(jiān)控和故障運行處理，掌握變電站設(shè)備巡視制度、項目以及異常情況處理等知識和技能。本文以變電站巡視項目教學(xué)為例，說明了目前變電運行教學(xué)中存在問題，VR技術(shù)和變電站虛擬仿真技術(shù)的基本情況以及基于VR技術(shù)和變電站虛擬仿真技術(shù)的實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計。

變電站巡視檢查工作是運行人員日常工作中的一項重要內(nèi)容，設(shè)備巡視的質(zhì)量直接影響著變電站的安全運行；有人值班的變電站對全站一、二次設(shè)備每天要進行3次檢查。設(shè)備巡視的工具和方法是影響巡檢工作效率的一個主要因素，在一個側(cè)面上反映現(xiàn)場的生產(chǎn)管理水平。為了監(jiān)視設(shè)備的運行情況，及時發(fā)現(xiàn)和消除設(shè)備缺陷，預(yù)防事故發(fā)生，確保設(shè)備安全運行，每個運行人員必須嚴格按照規(guī)程要求，認真負責(zé)，一絲不茍地做好設(shè)備檢查工作。

1 變電運行教學(xué)中存在的問題

1.1 帶電變電站實訓(xùn)場地難以在校園實現(xiàn)

變電站的功能是變換電壓，將電壓由低壓變?yōu)楦邏夯蛘哂筛邏鹤優(yōu)榈蛪海请娏ο到y(tǒng)“發(fā)變輸配用”五大環(huán)節(jié)中的一部分。而電壓等級的選擇是根據(jù)電能輸送距離、用電量等因素，學(xué)校、企業(yè)等單位的輸入電壓通常是10kV或35kV，所以對于高電壓等級的變電站想在學(xué)校中實現(xiàn)首先就是沒有相應(yīng)的電壓等級。其次，一個變電站的占地面積多則幾萬平方米，投資甚至需要上億。這樣的成本與代價，對于學(xué)校只是作為教學(xué)用途來說顯然也是不可能實現(xiàn)的。如果與企業(yè)合作，去真實變電站進行實訓(xùn)，只能進行參觀學(xué)習(xí)，無法操作否則將會影響供電。

1.2 高壓危險難以實物操作

變電站中必然有高壓側(cè)，高壓側(cè)最低也有10kV，對于大型變電站更是高達500kV、1000kV，而人體能夠承受的安全電壓是36V。特別是對于1kV以上的電壓等級稱為高壓，人體不僅不能接觸而且不能靠近。對于作為初學(xué)者的高校學(xué)生在這種環(huán)境中學(xué)習(xí)顯然太危險了，同時面對一個班的學(xué)生往往有幾十人作為老師想要保障所有學(xué)生的安全恐怕困難重重，相比企業(yè)中常是師傅只帶一個或幾個徒弟，為實物操作帶來了可能但是效率不高。

2 VR技術(shù)和變電站虛擬仿真技術(shù)

2.1 VR技術(shù)和變電站虛擬仿真技術(shù)介紹

變電站虛擬仿真系統(tǒng)采用先進的仿真支撐技術(shù)、仿真建模技術(shù)，建立變電站一次系統(tǒng)、二次測控系統(tǒng)、保護系統(tǒng)、自動裝置系統(tǒng)的全物理、全過程的精確數(shù)學(xué)模型，逼真的模擬變電站各種運行工況和各種故障現(xiàn)象。VR是英文單詞Virtual Reality的縮寫，意思是虛擬現(xiàn)實技術(shù)。它是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真使用戶沉浸到該環(huán)境中。使用 VR 可以為各級學(xué)校的學(xué)生提供身臨其境的多感官的體驗，比起傳統(tǒng)的講課、字卡圖卡、或教科書等方法更有效。學(xué)生們可以在VR眼鏡中近距離觀察變電站每種設(shè)備的外觀、銘牌，接線方式以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。還可以與實物結(jié)合，操作手柄實物，在眼鏡中模擬效果現(xiàn)象，例如，進行拉合隔離開關(guān)操作，無需制造整個隔離開關(guān)，只需制造把手和開關(guān)通過傳感裝置和仿真，使人即可以體驗到如何真實的控制操作又可以看到虛擬的逼真隔離開關(guān)開合過程。

2.2 VR技術(shù)和變電站虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于變電站巡視實訓(xùn)的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的面授課堂中，難免會存在時空情景、邏輯思維上的局限，學(xué)生對教學(xué)難點吸收困難，教學(xué)效率低。VR的優(yōu)點在于提供空間場中的交互，營造沉浸式的感官，能將相對抽象復(fù)雜的內(nèi)容可視化、形象化。VR訓(xùn)練場和實驗臺就是在虛擬世界中構(gòu)建出實驗場所來供學(xué)習(xí)者進行活動與操作。由于操作對象從實際存在的物體變成了虛擬世界中的模型，允許操作方式會隨著教學(xué)設(shè)計者的設(shè)計精細程度而增加或者減少（一般是減少），設(shè)計者可以給出較為精簡的操作流程提示告知學(xué)習(xí)者應(yīng)當(dāng)怎樣控制和處理“眼前”的對象。同時，即使學(xué)習(xí)者由于失誤導(dǎo)致實驗失敗，也不會造成實際的財產(chǎn)損毀甚至生命危險，是一種相對安全的訓(xùn)練方法。

3 基于VR技術(shù)和變電站虛擬仿真技術(shù)的實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計

3.1 課前準備巡視卡

課前由教師發(fā)放變電站資料，包括主變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、互感器、避雷器、母線、電力電纜、電容器、電抗器、耦合電容器、室內(nèi)設(shè)備等變電站所有設(shè)備的基本信息。學(xué)生根據(jù)這些信息提前設(shè)計編寫巡視卡。巡視卡的內(nèi)容就是列出所有要巡視的設(shè)備以及設(shè)備上要巡視的部位和項目，并留出記錄參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)的空格。

3.2 組班組分任務(wù)定計劃

電力系統(tǒng)的各類實際操作工作都要求有工作負責(zé)人，監(jiān)護人，操作人，記錄人等角色組成的工作班組，經(jīng)過人員分配、任務(wù)分配、班前會班后會等一系列環(huán)節(jié)后，由完善的組織措施保障才可以實施。所以教師可以將總的巡視設(shè)備配給各學(xué)生組成的小組，每組再進行分工。巡視時，運行人員應(yīng)兩人進行。并對照設(shè)備巡視標準逐項檢查，每檢查完一項，隨即在“巡視檢查卡”對應(yīng)檢查結(jié)果欄內(nèi)打“√”、“×”或填入相應(yīng)數(shù)據(jù)。打“×”的設(shè)備，其異常、缺陷內(nèi)容應(yīng)及時記錄，認真分析，正確處理，并匯報有關(guān)部門。

3.3 “真實”巡視做記錄

在工作過程的實施階段時，首先教師要像實際工作一樣進行巡視危險點分析和安全措施介紹。教師與學(xué)生進行角色扮演，模擬實際電廠生產(chǎn)過程中運行人員值班過程，使學(xué)生仿佛置身于真實的生產(chǎn)場景，而且使學(xué)生對變電站值班人員的分工與職責(zé)更加明確。小組工作任務(wù)完成之后，由小組長選出代表向教師和全班同學(xué)演示匯報本組的成果，并說明為什么這么做。由教師和其他小組的學(xué)生來進行評判、糾錯。培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、表達能力、總結(jié)能力等。巡視高壓設(shè)備必須按照巡視路線進行巡視，并不得移開或越過遮欄從事其它工作。運行人員根據(jù)巡視類別及微機系統(tǒng)的巡檢提示，進行正常巡視檢查。遇有特殊情況時，要進行特殊巡視。運行人員巡視后，應(yīng)及時記錄檢查情況和巡視時間。

3.4 游戲模式評價體系

利用軟件的編寫可以實現(xiàn)將學(xué)習(xí)任務(wù)嵌入到游戲模式中，每一游戲關(guān)卡為一個學(xué)習(xí)單元，完成即為通過，沒有完成則被淘汰，特別是變電站工作危險，一旦工作錯誤常常面臨著設(shè)備損壞。給學(xué)生呈現(xiàn)電力生產(chǎn)企業(yè)所發(fā)生的典型事故案例，展示事故后果，讓學(xué)生分析事故原因，學(xué)習(xí)現(xiàn)場處理事故的流程。案例真實可靠，具有代表性，且結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場，給學(xué)生的頭腦形成比較大的沖擊力，使學(xué)生充分認識到發(fā)電廠電氣值班員崗位職責(zé)的重要性。對于學(xué)生完成的任務(wù)，設(shè)置榮譽殿堂、榮譽徽章等獎勵符號，也就是將以前的評分具體化形象化，激發(fā)學(xué)生興趣，吸引學(xué)生眼球。

4 總結(jié)

目前在課程教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)得到了大量的應(yīng)用，特別是像變電運行這種實物難以實現(xiàn)、危險度高、內(nèi)容不易想象理解的課程，虛擬仿真技術(shù)即節(jié)省資金，又生動形象，大大幫助了學(xué)生理解，幫助了教師實施教學(xué)。當(dāng)增加了VR技術(shù)以及豐富了仿真內(nèi)容后，使得教學(xué)效果更加擴展，如何將技術(shù)充分利用，讓教學(xué)設(shè)計更加合理有效，更加適應(yīng)實際應(yīng)用的發(fā)展是教師們不同于傳統(tǒng)教學(xué)需要更多去思考的內(nèi)容。

【參考文獻】

[1]戴士弘.職業(yè)院校整體教改[M].北京：清華大學(xué)出版社， 2012.1-16.