胜利油田电力体感培训系统的建设

杜欣源, 聂万庆, 刘喜军

1.山东科技大学 电气信息系 济南 250031

2.胜利油田电力分公司 山东东营 257000

1 电力体感培训系统建设概况

在开展电力日常操作培训时,电力设备处于正常运行中,而电力消缺、抢修需要在带电情况下进行作业,由此造成培训与实际作业存在脱节。当前需要培训的人员多,电力企业无法提供足够的设备进行实际训练,特别是在大规模灾难模式下,由于各种条件限制,无法真实还原现场实际情况[1]。针对这一问题,建设了胜利油田电力体感培训系统,以现实环境为基础,应用虚拟现实技术,实现了跨步电压体感、人体电击模拟、高压开关柜操作体感、高空坠物体感、安全带吊挂体感等功能,具有用户及权限管理、虚拟现实场景管理、事故体感、仿真操作、数据统计五大模块。胜利油田电力分公司下属单位较多,并且分布在胜利油田的各个油区,电力体感培训系统基于网络建设,可以扩大参训人员范围,提高培训效率。

胜利油田电力体感培训系统与胜利油田电力分公司信息管理系统紧密融合,成为安全培训管理模块中的重要组成部分。这一电力体感培训系统以不同电压等级变电站和输电线路、不同规格低压配电柜等为典型作业场景,以变电站和输电线路事故实训、电力调度实训、电力修试实训为主要训练内容,构建安全事故处理与作业操练三维虚拟现实环境。胜利油田电力分公司下属各单位人员通过计算机或虚拟现实体感设备,接入胜利油田局域网,即可参加培训。

2 电力体感培训系统功能

2.1 跨步电压体感

《电力安全工作规程》规定,高压设备发生接地时,室内人员应距离故障点4 m以外,室外人员应距离故障点8 m以外[2-3]。这是因为接地人员跨步行走时,两脚之间会产生电位差,在距离故障点过近的情况下,会引发跨步电压电击。高压设备发生接地时,现场人员可以采取双脚并紧跳出跨步电压区域的方式安全撤离。电力体感培训系统使用虚拟现实技术模拟室内室外两种场景,通过腿部传感器对人体进行模拟电击刺激,使参训人员在距离接地点的不同位置感受不同的模拟电击体验,并在参训人员并紧双脚后消除模拟电击刺激。距离接地点的远近由参训人员腿部佩戴的距离感应器采集。

跨步电压室外模拟场景如图1所示,室内模拟场景如图2所示。电力体感培训系统具体可以模拟正常行走时进入跨步电压区域体感、单只脚着地退出跨步电压区域体感、双脚并拢退出跨步电压区域体感,能够根据参训人员与接地点的距离、电压等级的高低智能模拟跨步电压的大小,在屏幕上显示相关数据。

图2 跨步电压室内模拟场景

图1 跨步电压室外模拟场景

2.2 人体电击模拟

通过电力体感培训系统的人体电击模拟功能,可以深入了解电击的原理、危害,掌握防止电击的方法。人体电击体感功能通过透明模拟人体演示人体电击时的电流回路,体现人体电击未形成回路和形成回路时的区别,并演示不同电击电流情况下心脏的工作状态,以及遭受感知电流、摆脱电流和致命电流时人体的不同反应。

图3 人体电击模拟

2.3 高压开关柜操作体感

高压开关柜广泛应用于配电系统,通过操作高压开关柜,可以根据电网运行需要使电力设备和线路投入或退出运行,在电力设备和线路发生故障时将故障部分从电网中快速切除,从而保证电网中无故障部分的正常运行。错误操作高压开关柜,会给作业人员及设备带来危害。根据《电力安全工作规程》相关技术要求,电力体感培训系统应用声、光、电、烟仿真技术,具备电弧放电、爆炸、跳闸、柜门冲开、声光报警、语音提示,实现高压开关柜操作体感功能,使参训人员能够进行高压开关柜运行转检修和检修转运行过程中的带负荷拉刀开关、带负荷合刀开关、带电合接地刀开关、带接地刀开关合断路器、操作错误编号高压开关柜、误入带电间隔等错误操作体感培训。高压开关柜操作体感场景如图4所示。

图4 高压开关柜操作体感场景

2.4 高空坠物体感

在电力体感培训系统中,高空坠物体感场景为现实场景,如图5所示。由控制开关控制吊挂钢球,如图6所示。在气缸的作用下,钢球会产生自由落体运动,撞击在安全帽上。高空坠物体感现场可供三人培训,参训人员身高区间为158～190 cm。

图6 吊挂钢球

图5 高空坠物体感场景

2.5 安全带吊挂体感

与高空坠物体感相类似,安全带吊挂体感场景同样为现实场景,如图7所示。安全带吊挂体感功能的作用为使参训人员在实验室中体验处于高空且悬空时的感受,为未来电力施工做好准备[4]。参训人员系好安全带,将安全带一端的锁扣固定在吊钩上,确认安全带穿戴正确,且各项安全措施无误。由升降装置将参训人员提升到一定高度,人体悬挂在半空中,然后脱钩使参训人员下落5～10 cm,直至被防坠器和保护绳拉住,再缓慢下落至地面。

图7 安全带吊挂体感场景

3 虚拟现实网络架构

根据油田电网的实际运行情况,在电力体感培训系统中建立220 kV、110 kV、35 kV典型变电站和输电线路虚拟现实培训场景,实现对油田电网变电站和输电线路运行、检修、抢修,以及违章行为与后果的体感培训。

电力体感培训系统虚拟现实网络架构如图8所示。通过建立虚拟现实网络服务器,实现多个终端的同时访问。可以访问变电站和输电线路的虚拟场景,选择对不同变电站进行不同操作,选择对不同输电线路进行不同作业。通过胜利油田局域网的数据远程交互功能,确保电力体感培训不受人员数量和地域的影响。

4 电力体感培训系统模块

电力体感培训系统包括用户及权限管理、虚拟现实场景管理、事故体感、仿真操作、数据统计五大模块,实现对培训过程的全面管理与统计,用于分析培训效果。

4.1 用户及权限管理

电力体感培训系统与胜利油田电力分公司信息管理系统相融合,实现账号通用登录,并根据组织机构划分相应的系统权限,对进行培训的人员进行网络实名认证。

4.2 虚拟现实场景管理

根据不同的仿真操作任务,为参训人员提供不同的培训场景,并在场景内设置相应的事故体感,形成一个逼真的虚拟现实操作环境。参训人员可以自行选择操作场景、操作内容和事故类型,管理员可以通过后台添加操作任务、操作场景、操作内容、事故类型等。所有虚拟现实场景均以胜利油田下属变电站及变电站内不同电压等级、不同型号设备为基础构建,现实场景与虚拟现实场景无缝连接,如图9所示[5]。对参训人员的操作全过程进行记录、分析,辨识可能存在的风险因素,后期逐步构建自分析自研判的智慧安全仿真平台。

图9 电力体感培训系统虚拟现实场景

4.3 事故体感

设置事故发生前背景,使参训人员通过第一人称视角和第三人称视角体验事故过程,最后进行事故解析,以试题的形式提示事故的直接原因、主要原因和整改措施,使参训人员强化对电力事故的重视。带电安装接地线事故虚拟现实场景如图10所示。

图10 带电安装接地线事故虚拟现实场景

4.4 仿真操作

根据不同岗位职责设置相应的安全标准化操作内容,使参训人员严格按照安全标准化操作内容进行操作,同时配有视觉、听觉、触觉提示[6]。以变电站值班员倒闸操作为例,其安全标准化操作内容如图11所示。

图11 变电站值班员倒闸安全标准化操作内容

通过虚拟现实场景模拟操作流程,结合操作过程中的风险提示和防范措施,在每一个操作节点根据规程要求为参训人员提供多个场景,使参训人员进行选择。当参训人员选择违章操作时,系统给出相应后果。结合实际情况编制了工作票据办理、设备日常巡视、设备缺陷处理、设备清扫、缺陷处理等的安全标准化操作内容,用于电力体感培训系统的仿真操作。

4.5 数据统计

通过数据统计模块得到参训人员的培训数据,包括培训次数、培训时长、具体操作内容、操作熟练程度、操作正确率等,基于培训数据可以根据岗位和工作职责对参训人员进行有针对性的考核。

5 电力体感培训系统基本模型

电力体感培训系统基本模型包括变电站和输电线路两部分。在建立基本模型时,先根据实际设备型号与电压等级建立配件数据库。在配件数据库中选取相应配件,便可建立基本模型所需的设备,确保虚拟现实场景中所建立的变电站、输电线路基本模型与现场一致[7]。

变电站基本模型中,一次设备包括断路器、刀开关、电容器、电抗器、站用变压器、主变压器、避雷器等,二次设备包括保护装置、数据采集装置、通信设备、小电流接地选线设备等,安全工器具包括绝缘手套、绝缘靴、安全帽、接地线、遮拦、布幔等。

以35 kV输电线路为例,输电线路基本模型包括电杆、上导线横担、下导线横担、上吊杆、下吊杆、二合抱箍、上导线横担抱箍、下导线横担抱箍、起动精制螺栓、旋转精制螺栓、拉线环、楔形线夹、UT型线夹、钢绞线、拉线棒、拉线盘、底盘、悬式绝缘子、直角挂板、球头挂环、单联碗头、导线悬垂线夹、导线防振锤、U形挂环、避雷线悬垂线夹、避雷线防振锤等配件。基于不同的配件,可以建立不同的输电线路基本模型设备,以电杆为例,可以建立直线单杆/双杆、耐张单杆/双杆、转角单杆/双杆、转角跨越杆等。

6 结束语

胜利油田电力体感培训系统以现实环境为基础,应用虚拟现实技术,实现了跨地域的电力体感培训。通过规程和操作手册要求,编制安全标准化操作内容,使参训人员规范日常操作,并针对违章操作展现对应后果,实现正向培训与逆向培训的结合。胜利油田电力体感培训系统应用以来,取得了良好的效果,具有推广价值。