基于虚拟现实技术的输配电仿真培训系统的教学

摘要：随着我国经济的飞速发展，我国电力建设日新月异，新的电压等级不断涌现，输（配）电线路里程数的不断增加，运行检修是保证电力设备安全可靠运行的重要环节，带电作业已成为电气设备的常用检修测试方法之一，针对输电线路带电作业培训中遇到的问题，本文设计了基于虚拟现实技术的输电线路带电作业仿真系统，结合带电作业项目案例，挑选输电、配电、关键技术等经典案例进行虚拟仿真培训。此系统，在帮助学生了解实际的带电作业知识前提下，能使学生获得高度仿真的操作体验。

关键词：带电作业 虚拟仿真 高压输配电 教学实践

1 概述

带电作业作为保障线路运行可靠性的重要手段，是一项危险性较大、操作安全水平要求较高的特殊工种，要求作业人员在具备扎实的带电作业理论知识和良好的技术水平的基础上，具有很高的熟练程度。对作业人员要进行有效培训。传统的培训方式是通过理论讲解、多媒体课件等教学形式，同时组织学生到现场进行实践教学、现场观摩。由于实际电路存在诸多安全隐患，且易受到天气、场地、设备等诸多因数的限制，学生实际动手操作机会较少，可供学生学习、识别的典型故障、缺陷类型有限，因此，难以达到很好的培训效果。为了消除带电作业人员对带电设备的恐惧，提升带电作业人员的操作技能，增强带电作业人实际操作能力，针对输电线路带电作业培训中遇到的问题，本输配电带电作业三维仿真培训系统，通过真实的还原作业场景，覆盖典型的带电作业项目，设计了基于虚拟现实技术的输电线路带电作业仿真系统，并对系统实现过程中的关键技术进行分析，配合相应硬件设备建立了仿真培训系统。

虚拟现实技术（Virtual Reality），又称灵境技术，是20世纪末兴起的一门崭新的综合性信息技术。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域。这种技术的特点在于，计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。这种技术的应用，改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式，由于这是一种省钱、安全、有效的培训方法，现在已被推广到各行各业的培训中。目前，虚拟现实已被推广到不同领域中，在科技开发上、商业上、医疗上、娱乐上等得到广泛应用。本文采用虚拟现实技术，建立起输电线路带电作业的仿真培训系统，通过模拟现场作业环境和操作流程，实现基于计算机的仿真培训系统，使学生在虚拟现实的环境中形象、直观地了解并掌握标准的输电线路带电作业方法。

2 高压输配电带电仿真实训的内容

2.1 关键技术仿真

2.1.1 关键技术仿真的实现

目前，带电作业施工的操作培训是基于实物进行的，由于高压导致一定的危险性存在，为了培训操作者的每一步操作都符合规范，使用虚拟操作技术与电路仿真技术相结合，可以建立虚拟的作业工具和绝缘工器具机械的使用方法。本文中，每项关键技术都是根据在网运行的线路为依据，按照国家电网公司配电线路带电作业操作手册，使用三维技术再现带电作业中，以各种关键技术工作为作业背景，演示操作流程和方法，以达到培训的目的。虚拟仿真技术的合理应用与带电作业施工是密不可分的，关键技术项目有很多：打绳结、进工位、绝缘斗臂车、110-220kV更换绝缘子等。

2.1.2 关键技术仿真的具体项目

本文结合带电作业项目案例，仅以关键技术之进入工位为例。本项目以在带电作业施工中在进入工位的时候为作业背景说明利用登高板、脚扣、绝缘斗臂车、绝缘平台、绝缘硬梯进入工位时的使用方法。利用虚拟仿真技术，再现各种工具进入工位时的背景，使用前的准备、检测以及操作步骤。利用立体环幕使学生犹如身临其境，演示完毕，学生再在台式训练仪上模拟考试，模拟进入工位的操作步骤，针对进入工位的注意事项，编辑成若干题目，使学生能掌握正确操作方法而杜绝有可能产生的意外。比如：登高板挂钩时必须正勾，切勿反勾，以免造成脱钩事故；使用脚扣进入工位时，雨天或冰雪天不宜登杆，容易出现滑落伤人事故等等。

2.1.3 拓展项目

利用虚拟操作技术还可以检测安全带、登高板的质量，用人体作冲击荷载实验，检查登高板是否安全可靠，同时对安全带也可用人体作冲击荷载实验。另外，某类作业工具有新款推出时，如斗臂车，可以模拟斗臂车启动，并工作一个循环，检查是否有液体渗出、液压缸有无渗漏、异常噪声、工作失灵、不稳定运动、撞击或其他故障。

2.2 配电线路、输电线路仿真

2.2.1 配电线路和输电线路仿真的必要

电力线路主要分为配电线路和输电线路两种，随着供电质量要求的不断提高，输、配电线路设备实际利用小时数已成为输、配电线路的一项重要考核指标，带电作业已成为输、配检修方式之一。引起线路故障的原因有很多：设计方面、施工方面、客观因素等等，产生一些线路缺陷：塔材丢失、杆塔鸟窝、防护林区、杆塔异物、绝缘子更换等，需及时维护处理。

为培训学生正确的带电作业意识，积累现场作业经验，不仅三维演示项目具体作业步骤，并且包括项目开展前应对现场进行勘查、签发工作票、准备合适的工器具并进行检测合格、核对工作地点线路名称和杆号等等。输配电线路检修项目有很多，从10kV配电线路到500kV输电线路。从检测、更换绝缘子、线夹、间隔棒等常规项目到带电升高、移位杆塔等复杂项目，还有750kV线路和特高压交直流输电线路带电作业。具体的项目有：10kV带电更换跌落式开关、10kV带负荷状态下更换隔离刀闸、10kV带电更换直线电杆、500kV带电安装避雷器、800kV输电线路带电更换耐张任意整串绝缘子。

2.2.2 输配电仿真项目的实现

本文结合带电作业项目为例，利用虚拟操作技术仅以10kV带电清除票挂物为例。本项目根据杆上电气设备布置，准备好作业设备及仪表，将绝缘斗臂车定位于最适于作业的位置，并装置车体接地线，设遮拦网。采用绝缘夹钳，绝缘棘轮大剪夹紧票挂物（比如风筝）。通过大场景的漫游来展示作业现场和线路实况；通过小场景来展示操作细节，真实还原了带电作业流程。学生在台式训练仪上模拟考试时，编辑一些针对本项目注意的一些题型。比如：清除票挂物方法应正确，防止力度过大；绝缘斗臂车复位操作要平稳，规避邻近高压线路、杆塔及各类障碍物。

2.2.3 拓展项目

另外还可以设计典型故障案例：模拟单相接地故障、短路故障等。高压输配电是一个综合电能交互系统，线路故障将会给电力企业及电力用户带来巨大经济损失，通过模拟故障产生，故障快速查找，故障防范的措施，故障的快速切除，对培训人员有深远的实际意义。

2.3 输配电仿真的重要意义

为保证向用户不间断供电，提高供电可靠性；节省检修时间，减轻劳动强度，能够使设备检修对用户影响降低为零。培养操作规范、熟练的带电作业人员显得尤为重要，虚拟仿真技术作为传统培训的有益补充，培训过程不受时间、天气、气候、空间等因素的影响。为带电作业培训提供规范化、常态化、高效率、低成本的培训环境，开拓了培训的新模式。

参考文献：

[1]沈海萍，刘晓伟，等.基于虚拟现实技术的输电线路带电作业仿真培训系统[J].中国水运，2011（5）.

[2]胡毅.输配电线路带电作业技术的研究与发展[J].高电压技术，2006（11）.

[3]周兴，张雪峰，等.基于虚拟现实技术的带电作业仿真培训系统研究[J].水电能源科学，2012（12）.

作者简介：陈雅萍（1966-），女，湖南资兴人，教师，讲师，主要从事电气控制的教学与实训工作。