虚拟现实技术在变压器有载分接开关检修培训中的应用

朱金花?赵凯峰

摘要：介绍了运用计算机虚拟现实技术的有载分接开关结构和检修操作流程培训系统。该系统模拟了变压器有载分接开关及其零部件的基本工作原理、设备类型及结构、设备特点，并模拟各种故障以及处理方法，将其运用于对生产技能人员的指导和培训中，可有效地促进检修人员技能水平的提高和故障缺陷处理的训练。

关键词：虚拟仿真；有载分接开关；检修流程培训；技能培训

作者简介：朱金花（1964-），女，江苏徐州人，江苏省电力公司徐州供电公司，高级工程师，高级技师，高级企业培训师；赵凯峰（1976-），男，吉林松原人，江苏省电力公司徐州供电公司，工程师，企业培训师。（江苏?徐州?221003）

基金项目：本文系江苏省电力公司2011年科技项目“基于虚拟现实的有载分接开关结构讲解和检修操作流程培训的实现”（项目编号：J2011024）的研究成果。

中图分类号：G726?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）27-0021-02

一、概述

电力变压器有载分接开关结构复杂，检修技能要求高。长期以来，变压器检修工技术水平的提高只能依赖理论讲解和老师傅的现场示范，受到设备运行带电和设备缺陷类型以及师傅技术水平的制约，难以形成系统的、规范的专业技能提高手段。先进的知识讲解、设备结构演示和技能训练手段的缺乏已经成为阻碍变压器检修工人业务能力提高的重要问题。

国内目前对于虚拟现实方面的研究有很多，在培训方面的应用也已经十分广泛。在电力生产培训中，大多应用于个别变电运行仿真系统。但针对基于虚拟现实的有载分接开关检修方面的研究还没有。运用计算机虚拟现实技术模拟电力变压器有载分接开关及其零部件的基本工作原理、设备类型及结构、设备特点，并模拟各种故障以及处理方法，采用文本、声音、图像、动画、视频等多种表现形式，能对生产技能人员进行很好的现场演示和指导，提高他们消除缺陷的能力。

二、有载分接开关技能培训仿真系统应用对象

分接开关检修是变压器检修工必备技能，但由于生产中的分接开关不能进行频繁性的检修训练，员工尤其是新员工的技能提高受到很大限制。

该系统能够在虚拟现实的环境下训练分接开关检修，解决了分接开关检修训练中设备和空间的限制问题，加快了员工检修技能水平提高的速度，在较短时间内直接提高变压器检修人员的针对有载分接开关检修的技术素质，同时可以承担各种级别的变压器专业的技术比赛、技能考核。另外还可以有效促进检修人员技能水平的提高和故障操作处理的训练。此项目在培训时可以在大部分时间内替代真实的分接开关，节省大量的维护工作及维护成本。

另外，由于项目成果可以推广到个人使用，能节约大量集中培训产生的时间和成本。也可以广泛应用于其他电力工种岗位的培训。

三、系统构成及特点

1.软件系统构成

本系统独立运行在装有WindowsXP的个人电脑上，不需要安装其他软件进行支持。整个系统从功能上分为模型引擎、数据引擎、声音引擎、脚本引擎、逻辑引擎（见图1），每个引擎之间互相关联调用。

2.软件结构体系

本系统采用模块化设计，主要分为教学和考核两大模块。教学模块又细分为设备介绍、检修动画、操作练习三大模块，系统设计操作简单。系统中模拟的两种分接开关具有一定的代表性，在虚拟环境展示的结构是根据真实设备来构建的，其构建的依据就是设备本身和设备的相关设计图纸。项目中涉及到的检修题目和检修流程及相关工器具的模拟则是依据分接开关检修规范或作业指导书，设备的检修导则是项目中题目设计和操作标准流程设计的依据。其系统结构体系如图2所示。

（1）分接开关设备介绍，模拟分接开关的实际物理结构。运用三维建模技术对CV、CM型分接开关的实际物理结构进行模拟，模拟其外观和内部构造（见图3）。介绍CV型和CM型分接开关设备的主要功能和用途，介绍分接开关结构、工作原理等基础知识，能够让不了解分接开关的人认识分接开关。

（2）分接开关正常检修能力的培训，模拟分接开关的操作过程。搭建三维场景，模拟操作涉及到的工器具，为学员提供在三维场景中进行检修操作工作方法，动态展示设备动作过程及检修工作程序，为学员提供工艺工序标准和要求以及检修完成后现场验收的有关要求。见图4。

通过培训使检修人员掌握如下技能：分接开关芯体吊芯检查、维修、调试；分接开关油室的清洗、检漏与维修；驱动机构检查、清扫、加油与维修；储油柜及其附件的检查与维修；油流控制继电器（或气体继电器）、过压力继电器、压力释放装置的检查、维修与校验；自动控制装置的检查；储油柜及油室中绝缘油的处理；电动机构及其他器件的检查、维修与调试；各部位密封检查，渗漏油处理；电气控制回路的检查、维修与调试；分接开关与电动机构的联结校验与调试。

（3）分接开关常见故障检修能力的培训，模拟CV、CM型分接开关的故障。建立两种分接开关故障状态下的三维模型，尤其是有故障零件的模型。模拟故障开关动作状态，故障特征。为学员提供设置故障的界面，并建立设备故障数据库。

通过培训使检修人员掌握如下技能：给上电源即跳闸故障检修；给上电源就起动故障检修；机构停止时级进位置显示盘上的红线偏移故障检修；启动操作后电机保护开关跳闸故障检修；显示器无显示故障检修；电动机构仅能作一个方向分接变换操作故障检修机构故障；手摇操作正常而就地电动操作拒动故障检修；操作机构动作而电压表及电流表均无相应变动故障检修；分接开关储油柜油位异常故障检修；连同变压器测量直流电阻不合格或直流电阻呈不稳定状态故障检修；有载分接开关油室的绝缘油渗漏到变压器本体油中故障检修；有载开关重瓦斯问题分析故障检修；运行中分接开关频繁发信动作故障检修。

（4）分接开关检修能力的考核评估。学员能够通过该系统进行考核评估测试，对前面学习到的分接开关检修知识进行测试，系统会根据学员的操作来进行评估打分，并能够进行考核操作过程回放，帮助学员检验自己的学习成果。

考核内容有：CV型分接开关正常时的检修流程；CM型分接开关正常时的检修流程；给上电源即跳闸故障检修；给上电源就起动故障检修；机构停止时级进位置显示盘上的红线偏移故障检修；启动操作后电机保护开关跳闸故障检修；显示器无显示故障检修；电动机构仅能作一个方向分接变换操作故障检修；手摇操作正常而就地电动操作拒动故障检修；操作机构动作而电压表及电流表均无相应变动故障检修；分接开关储油柜油位异常故障检修；连同变压器测量直流电阻不合格或直流电阻呈不稳定状态故障检修；有载分接开关油室的绝缘油渗漏到变压器本体油中故障检修；有载开关重瓦斯问题分析故障检修；运行中分接开关频繁发信动作故障检修。

四、总结及技术展望

1.培训系统技术特点

（1）基于虚拟现实技术。整个系统场景仿真使用自主研发的三维引擎，使用图像渲染系统对三维真实场景进行仿真，使用动画脚本系统控制培训剧本发展，通过声效引擎模拟声音效果。

（2）全面强大的交互性。在三维环境中，通过鼠标和模型之间的点击、拖动，构建简单方便的人机交互体验，和现实中一样，学员拆卸螺丝需要选择扳手工具，模型拆卸检修有物体干涉碰撞的约束。使学员能够体验到与实物一样的检修体验。

（3）智能化培训方式。相比传统实物教学方式，通过三维仿真技术来模拟的虚拟教学不仅有传统教学的大部分特点，而且可以大大节约成本，突破传统上因为设备数量的限制造成的教学瓶颈。对学员来说，也是一种新鲜并富有乐趣的学习经历，大大提高学员的学习兴趣和效率。

2.软件系统的主要性能

（1）准确把握分接开关检修的内容和技术要领。

（2）充分展现虚拟现实技术的优势，仿真度高、交互灵活、沉浸感强。

（3）系统具有良好的开放性，便于维护升级、运行可靠稳定。

（4）系统建设考虑到整体的和目前分期建设的特点，采用模块化开发技术，各模块或子系统既能相互联系又相对独立，各自能独立运行而发挥自身培训功能。

（5）具有高技术含量和示范效应，在一定时期内保持国内同专业领域技术发展的领先水平。

3.技术展望

基于虚拟现实的有载分接开关的检修技能培训是利用虚拟仿真技术在电力行业的一次重要尝试，使我们对电力行业领域应用有了较深刻的认识。在以后的工作中，我们将继续全心全力开展电力行业虚拟仿真，争取为我国电力行业学员培训、设备仿真展示作出自己微薄的贡献！

（责任编辑：王祝萍）