虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高壓斷路器仿真培訓(xùn)中的應(yīng)用

文/車玉秋 郭丹蕊 趙東輝 時存 王云霞

在現(xiàn)代高壓輸配電領(lǐng)域，SF6高壓斷路器是常用的主要設(shè)備。其具有控制正常負荷電流及短路電流開斷的作用，能夠通過快速滅弧來保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行，因此對電網(wǎng)的可靠運行起重要作用。與傳統(tǒng)斷路器相比，SF6斷路器具有滅弧功能強、工作氣壓低、循環(huán)能力好的優(yōu)點，綜合能力及環(huán)境適應(yīng)能力好，使其在運作功能上具有明顯的優(yōu)勢。若SF6斷路器在電網(wǎng)運行過程中發(fā)生故障，會對電力系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生嚴重影響。

培訓(xùn)是提高電力系統(tǒng)檢修人員素質(zhì)及保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的重要手段之一。由于電力系統(tǒng)的特殊性，檢修人員很難使用實際運行的設(shè)備進行培訓(xùn)，因此為保證檢修人員及設(shè)備的安全，提高檢修效率，開發(fā)與實際SF6斷路器結(jié)構(gòu)相同的虛擬系統(tǒng)供檢修人員開展培訓(xùn)具有重要的現(xiàn)實意義。

現(xiàn)階段，電力系統(tǒng)非實物檢修培訓(xùn)方式普遍采用二維可視化技術(shù)。由于SF6斷路器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圖片缺乏立體感與動態(tài)感，會降低檢修人員對設(shè)備結(jié)構(gòu)的認識和理解。

檢修仿真系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育培訓(xùn)中的具體應(yīng)用。與實物檢修系統(tǒng)相比，虛擬仿真系統(tǒng)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(diào)動檢修培訓(xùn)人員的積極性和主動性，提高培訓(xùn)效果。

（2）降低硬件投入的同時豐富設(shè)備資源庫，便于設(shè)備升級換代。

（3）更為安全可靠。

（4）節(jié)省測試時間和試驗場地，提高檢修效率。

因此應(yīng)用前景十分廣闊。

本文對基于3dmax建立的斷路器進行三維模型優(yōu)化和算法分析，開發(fā)了基于VR（虛擬現(xiàn)實）技術(shù)的SF6斷路器檢修仿真培訓(xùn)系統(tǒng)（以下簡稱“系統(tǒng)”）。該系統(tǒng)的開發(fā)實現(xiàn)了SF6斷路器的三維可視化展示，并包含設(shè)備結(jié)構(gòu)拆解、工作原理展示、模擬檢修流程三個模塊供檢修人員學(xué)習(xí)。該系統(tǒng)運用在電力技能培訓(xùn)中可減少因不熟悉設(shè)備結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的設(shè)備返廠檢修次數(shù)，節(jié)約檢修時間和成本，提高生產(chǎn)效率。也可降低對培訓(xùn)設(shè)備場地的要求，同時提高檢修人員對設(shè)備的理解，提高業(yè)務(wù)水平。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

本系統(tǒng)通過虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)實現(xiàn)，具有較強的沉浸感，配合使用HTC vive設(shè)備及立體音響，可以給檢修培訓(xùn)人員身臨其境的實地操作體驗。本系統(tǒng)基于Unity3D軟件搭建虛擬平臺環(huán)境，使用C#及JavaScript語言進行程序編寫，并在Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下運行。通過直接運行可執(zhí)行程序，檢修培訓(xùn)人員可以實現(xiàn)在不同設(shè)備上學(xué)習(xí)，不受場地和時間的制約。

本系統(tǒng)中的SF6斷路器采用河南平高集團生產(chǎn)的自能式LW35-252型號高壓斷路器，用于額定電壓252KV的電力系統(tǒng)中。由于SF6氣體的絕緣和滅弧特性，使其具有絕緣水平高、機械可靠性高、電氣壽命長的特點，被廣泛應(yīng)用高電壓等級電力系統(tǒng)中。根據(jù)實物設(shè)備進行測繪，在3dmax中建立各零部件的1:1模型，并完成所有機構(gòu)動畫、材質(zhì)和燈光的渲染，導(dǎo)入Unity3D中進行交互設(shè)計。

本系統(tǒng)為實現(xiàn)較為真實的虛擬交互體驗，對硬件設(shè)備有較高要求，計算機需要具有較高的圖形處理能力，基于Windows系統(tǒng)運行增強了其通用性，便于設(shè)備升級換代。配合專用VR設(shè)備及立體音響，沉浸感強、體驗性好，可加深檢修培訓(xùn)人員對設(shè)備的理解。如圖1所示為系統(tǒng)組成。

2 系統(tǒng)功能介紹

電力技能培訓(xùn)是電力專業(yè)學(xué)生以及電力企業(yè)一線員工踏上工作崗位前的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)是專門針對電力系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備-SF6斷路器開發(fā)的，在虛擬場景下對設(shè)備進行三維可視化展示，實現(xiàn)斷路器結(jié)構(gòu)拆解、工作原理展示并模擬檢修流程。是一套基于虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。

3 三維可視化展示及結(jié)構(gòu)拆解

根據(jù)LW35-252型號高壓斷路器實際結(jié)構(gòu)，建立三維仿真模型，并通過Unity3D交互語言，模擬檢修仿真人員在檢修設(shè)備之前對設(shè)備的環(huán)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，并通過VR頭盔轉(zhuǎn)換視角，以調(diào)整至最合適的觀察位置。

圖1：SF6斷路器檢修仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

圖2：斷路器仿真系統(tǒng)界面

通過操作手柄可以實現(xiàn)斷路器整體設(shè)備的透明化，并對設(shè)備外殼和主要部件拆解演示，檢修培訓(xùn)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(jié)構(gòu)，操作機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成。斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

結(jié)構(gòu)拆解過程伴隨文字及語音提示，介紹SF6斷路器的結(jié)構(gòu)特點及其在電力系統(tǒng)中的作用，并運用圖片的形式提醒檢修人員在進入設(shè)備現(xiàn)場進行檢修時的安全要求，包括服裝要求及操作注意事項。

4 工作原理展示

系統(tǒng)在三維模型展示的基礎(chǔ)上，通過3dmax中設(shè)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(gòu)儲能機構(gòu)、電磁系統(tǒng)、機械系統(tǒng)之間的配合動作；

（3）液壓操作機構(gòu)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，展示各機構(gòu)的特點，加深檢修仿真人員對結(jié)構(gòu)原理的理解。并學(xué)習(xí)當(dāng)機構(gòu)操作出現(xiàn)故障時，能正確對異?，F(xiàn)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(fā)生拒不分斷、閉合后拒動現(xiàn)象，需要在坐車相對應(yīng)處理及提出解決辦法前，了解拒動產(chǎn)生的原因，包括二次回路發(fā)生短路、彈簧儲能故障或機械部分安裝不正確等問題。

本系統(tǒng)針對常見的二次回路故障、電路連接錯誤、SF6氣壓不足設(shè)置檢修流程。通過對照虛擬斷路器中發(fā)生故障的部分，配合文字、語音、圖片及視頻的運用，講述每項檢修流程的具體步驟，包含：

（1）前期準(zhǔn)備工作（工具材料、人員配備、環(huán)境要求）；

（2）辦理相關(guān)工作票；

（3）檢查故障部件。

同時對SF6氣體泄露、二次回路及機械故障的注意事項予以強調(diào)。通過交互動作設(shè)計，令檢修培訓(xùn)人員必須按照正確的操作步驟才能完成全部檢修流程，使其在日常操作和設(shè)備維護中高度重視薄弱環(huán)節(jié)，同時提高了整個設(shè)備的檢修質(zhì)量。

本系統(tǒng)具有如下特點：

（1）主觀沉浸性：使用者能任意探索整個環(huán)境，不受時間限制，不受觀察角度限制，操作簡單、快捷。

（2）交互性：通過虛擬現(xiàn)實環(huán)境實現(xiàn)沉浸感交互體驗，有針對性的啟發(fā)和解決使用者在實物設(shè)備操作中所遇到的問題。

（3）可替換性：通過升級替換模型，可以增加不同型號的斷路器供檢修培訓(xùn)使用，極大的降低了培訓(xùn)成本和開發(fā)時間。

6 結(jié)語

隨著電力技術(shù)的不斷發(fā)展，SF6斷路器在電力系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛的使用，針對運行維護中所出現(xiàn)的問題，需要在崗位培訓(xùn)中不斷訓(xùn)練。本文對常用的LW35-252型號高壓斷路器進行三維建模，基于VR技術(shù)建立仿真檢修培訓(xùn)系統(tǒng)，為檢修培訓(xùn)人員提供一個與真實場景相同的虛擬環(huán)境，增強學(xué)習(xí)的樂趣，提高學(xué)習(xí)的積極性。通過交互式體驗，學(xué)習(xí)斷路器中各操作機構(gòu)的動作原理，并通過流程式學(xué)習(xí)方式，完成對斷路器檢修流程的訓(xùn)練，以提高技術(shù)人員的檢修水平，提升檢修效率。

該系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，將優(yōu)化高壓斷路器檢修方面的培訓(xùn)方式，使理論實踐內(nèi)容與多媒體新技術(shù)相結(jié)合，為電力培訓(xùn)提供新的解決方案，提升電力從業(yè)人員的職業(yè)能力及素養(yǎng)。