GIS变电站仿真系统的开发及其在电力培训中的应用

郭连仲 ，张纪平，唐振江，王英杰 ，李海生 , 甄 利

(1．河北省电力公司保定培训中心，河北 保定 071051；2.保定供电公司，河北 保定 071000；3.河北省电力公司，石家庄 050021)

随着气体绝缘金属封闭式开关(Gas Insulated Metal-enclosed Switchgear，GIS)设备的不断发展成熟，其以封闭性好、占地少、受环境影响小等优点在全国得到了广泛应用。但由于GIS设备的封闭性，在检修工作中，必须根据设备特点制定正确的检修方案，调整运行方式，而不能照搬变电站的常规工作方法，否则将引起不必要的事故,因此对相关人员进行GIS相关技术培训十分必要。为解决以上问题，开发了基于三维虚拟现实仿真技术的GIS变电仿真系统，通过VR-platform三维技术和Windows程序进行设计开发，实现了变电站综合自动化仿真和GIS设备三维动画仿真功能。

1 GIS设备结构及存在的问题

GIS主要由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成[1]，这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，在其内部充有一定压力的SF6绝缘气体，故也称SF6全封闭组合电器[2]。

GIS设备的封闭性为运行、维护及检修等工作带来的不便之处主要体现在以下几方面。

a. 内部结构不明确。由于金属外壳的包围，使运行及检修人员无法直接判断内部导体的工作状态，而只能通过外部指示装置进行间接信息判断，因此当设备指示装置不精确时容易出现误判断。

b. 运行方式同常规变电站有差异。由于GIS设备内部导体被SF6气体密封并经组装而成，每一个元件设备之间用封闭的盆式绝缘子隔离，因此在进行故障检修时，其停电方式比较严格，停电操作方案不同于常规变电站。

c. 拆卸安装不方便。由于GIS变电站设备的拆卸和安装工作普遍由生产厂家指派专业人员进行，因此作为GIS设备用户的各供电公司工作人员无法完全掌握GIS设备拆卸和安装流程及工艺，不仅增加了维护成本，而且也降低了整个GIS变电站的安全性及运行效率。例如在更换断路器时，常规变电站只需断开其两侧隔离开关即可，但对于GIS变电站，还需将I母线进行停电操作，否则，当打开断路器下方的气体隔离开关时，1号隔离开关气室压力降低，由于I母上方的气体隔离开关绝缘子同1号隔离开关静触头为一体，会造成闪络，扩大事故范围。

2 GIS变电站仿真系统建立的流程

虚拟现实(Virtual Reality，简称“VR”)[3]技术在社会生活的许多方面有着很好的发展前景， 其目的是使信息系统尽可能地满足人的需要，人机的交互更加人性化。

VR技术中广泛应用的基本技术就是三维立体仿真，其基本步骤为：首先建立目标对象三维模型及动画内容，其次导入VR-platform编辑器设置交互式仿真内容。

由于GIS变电站的特殊性及复杂性，利用现有VR软件的基础上，在实现GIS变电站三维仿真场景的同时，利用Delphi语言及数据库编程技术可以实现变电站二维监控仿真系统，并最终实现二维及三维界面的互动操作。

GIS变电站仿真系统建立的主要流程见图1。

图1 GIS变电站仿真系统建立的主要流程

根据图1的流程，整体仿真系统分为两部分，即三维系统和二维系统。三维系统中，首先用3D MAX进行GIS变电站整体模型的建立，包括GIS设备主体、GIS内部元件、变压器外观、电抗/容器及变电站其他主要设施等，模型烘焙之后导入VR-platfrom编辑器进行互动操作的设置，并利用SDK二次开发包进行更为专业的互动内容开发。二维仿真系统则首先建立二维监控界面设计，通过Delphi编写变电站监控及运行状态逻辑代码，针对主要元件统一命名之后建立数据库系统，三维及二维系统通过各自的接口读写公共数据库进行数据交换。

3 GIS变电站仿真系统主要结构

系统主要结构见图2。

图2 GIS变电站三维仿真系统主要结构

由于培训的需要，该系统同时配备了服务器终端及教师机监控系统。学员机同时运行二维和三维程序，对于共有设备，通过访问公用的接口数据库，实现2个程序中设备状态的同步；通过访问SQL Server 2000的学员库，完成登录、获取操作题目和交卷工作。教师机运行教师监控(出题收卷)程序，通过访问SQL Server 2000，完成用户分发、出题、收卷、存档、打印等任务。

4 GIS变电站仿真系统主要功能

系统具有GIS变电站三维场景，可实现GIS设备内部透明、GIS设备拆卸和安装、气室压力监视及报警、气室充放气演示、地线挂接和拆除操作、保护操作关联、考核等功能。

4.1 GIS设备内部透明

同实际设备比较，该仿真系统GIS设备的内部是透明的，如图3所示。

图3 GIS设备内部透明示意

4.2 三维系统与二维系统的互动操作

三维仿真系统和二维监控仿真系统可以实现互动操作，如图4所示。通过二维监控界面将149断路器断开之后，三维系统立即变为断开状态，而利用就地(三维系统)操作小开关打开149-5隔离开关，二维界面通过读取数据库更新数据显示断开，由此实现三维系统与二维系统的互动。

图4 三维系统与二维系统互动操作示意

4.3 GIS设备的拆卸和安装

由于实际GIS设备拆卸与安装操作十分复杂，且涉及到设备安全运行等问题，导致检修人员了解和掌握设备拆装流程及工艺的机会较少，而通过此仿真手段，可便捷地向学员提供设备拆卸和安装技术的培训。双击拆卸和安装培训界面中的TA两端螺丝之后，点击“拆装工具”界面中的拆卸或安装，便可模拟设备拆卸和安装过程。

4.4 气室压力监控及报警

GIS设备是一个封闭的系统，每一个间隔有若干个气室，一般用红色的盆式绝缘子标示。不同设备气室内的SF6气体压力不同，并且都有对应的压力检测装置(密度继电器)，该系统除具备三维场景中必要的气室模型外，在二维监控界面中也设有对气室压力进行监控的按钮。在该界面中，选取220 kV母联开关的电流互感器气室进行监视及操作，分别可以监控该气室的当前压力、报警压力、闭锁压力和闪络压力等。为了让学员方便地观测到气室压力变化对系统的影响，通过调节“设置压力”可以看到相应的系统报警或动作信息。

4.5 气室充放气演示

该仿真系统中，通过调节二维界面某气室压力值，可以根据内部数据库来实时更新三维场景中对应压力表的数值，实现气室数据的交互；同时，通过三维动画的方式展示了设备某气室进行充气和放气的演示，使学员了解实际工作中进行GIS设备绝缘气体充放的过程。

4.6 地线挂接和拆除操作

系统在二维模块中设计了地线，采用鼠标拖拽方法实现对地线的挂接和拆除操作，系统自动记录地线状态并有敏感反应。如在带电设备上挂接地线或给挂有地线的设备送电，保护会有相应动作和信号。该功能为学员进行仿真练习提供了一种自行设置故障的方法，亦可进行“检查XXX设备上有无接地短路线”的常规操作项目。

4.7 保护操作关联

该仿真系统二维监控模块设计了变压器、母线、线路等各种保护压板操作界面，相当于实际变电站的软压板，可以通过鼠标进行各保护功能压板和出口压板的投、退操作。保护压板的状态与相应设备故障情况下的动作行为相关联，当功能压板在退出状态时，该保护不启动；当功能压板投入而出口压板在退出状态时，保护启动但不能跳闸。另外，通过逻辑图的方式将保护压板联络成有机的整体，是该系统的特点，是从培训需要出发专门设计的，用以增强学员对保护的整体认知，操作界面见图5。

图5 保护压板操作界面

4.8 考核

系统具有考核功能，设计了教师端监控模块，用以实现出题、收卷；学员端模块提供变电站二维画面和三维场景，可以模拟变电站的“远方”和“就地”操作，系统自动顺序记录操作步骤及事故情况下的保护动作等事件，该记录可作为答卷提交，由教师端收取存档或打印，作为对学员考核评价的依据。

5 GIS变电站仿真系统的应用效果

该系统于2009年1月正式安装于河北省电力公司保定培训中心变电运行实训室。该实训室的计算机装配有2 GB内存、512 MB显存和19英寸LED显示屏，并采用一机双屏配置，可分别为二维监控和三维场景提供显示，实现“远方”和“就地”操作训练。

经反复调试修改，系统于2009年4月正式投入培训使用。到目前为止，共培训7个班次，包括变电站值班员高级工鉴定前培训班、变电站值班员中级工鉴定班、电力调度员高级工鉴定班和4期电力调度员培训，累计培训321人次。

培训应用取得了良好效果，受到学员普遍好评，尤其三维仿真培训系统提供的直观、透明、交互动作的GIS变电站场景，以及对封装于GIS密室内部的断路器、开关、互感器、避雷器、母线等设备内部结构的剖析、拆装功能。系统的二维监控功能，实现了对“远方”操作的仿真及其与三维模块的有机结合，为变电站操作提供了有效交互式培训手段。

系统在培训应用中也显示出了不足和需要改进的地方，如三维模块就地设备的检查功能有缺陷，针对检修工作中的仿真内容需进一步细化，同时，为增强系统运行效果，还需对三维模块进行优化，以降低系统运行使用门槛。

6 结束语

利用3D MAX建模工具及VR互动平台，同Windows软件编程工具及数据库技术相结合，完成了GIS变电站三维仿真系统的研究。将虚拟现实技术应用于GIS变电站仿真培训，不但能够模拟运行人员的工作流程，还可以模拟变电站检修工作基本内容。培训应用情况表明，系统研究成果为GIS变电站相关培训提供了一种有效的培训手段。

参考文献:

[1] 张宗九. 高压断路器技术问答[M]. 北京：中国电力出版社，2007.

[2] 罗学琛. SF6气体绝缘全封闭组合电器(GIS)[M].北京：中国电力出版社，2007.

[3] 李 华，陈伟伟. 基于虚拟现实建模语言的弹道可视化仿真[J]. 探测与控制学报，2009，31(1)：77-80.