劉昊洋

（國(guó)家電網(wǎng) 國(guó)網(wǎng)榆林供電公司，陜西 榆林 719000）

0 引 言

電力系統(tǒng)是國(guó)家最主要的基礎(chǔ)設(shè)施之一、是國(guó)家發(fā)展規(guī)劃和國(guó)家增長(zhǎng)的基本要素，是國(guó)家生產(chǎn)、人民生活、國(guó)防體系建設(shè)的載體，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的命脈。國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)要求電力系統(tǒng)能夠給用戶提供安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的電力。經(jīng)濟(jì)地滿足國(guó)家生產(chǎn)、人民生活、國(guó)防體系建設(shè)的需求，現(xiàn)代國(guó)家的工業(yè)生產(chǎn)、商品流通、人民生活，計(jì)算機(jī)行業(yè)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)交流都離不開電力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)為國(guó)家的一切經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)予以支持和保障。因此電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性對(duì)于人民正常生活，促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展都有重要意義。

1 設(shè)計(jì)背景

作為最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、技術(shù)最密集、安全風(fēng)險(xiǎn)最高的電力系統(tǒng)，其安全穩(wěn)定運(yùn)行確保了國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)高度智能化和自動(dòng)化，我國(guó)積極增添越來(lái)越多的新設(shè)備，引進(jìn)或研究了更多的新技術(shù)，繼電保護(hù)裝置更加精確，電氣安全技術(shù)愈加成熟。然而，近幾年來(lái)卻不乏重大電氣安全事故。以2014年為例，全國(guó)通報(bào)了電力人身傷亡事故52起，死亡或失蹤93人，電力設(shè)備事故4起，電力安全事故事件17起。電力系統(tǒng)人身事故統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)人身事故統(tǒng)計(jì)

2020年3月，中廣核陽(yáng)江核電有限公司冷卻水旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)堵塞，4臺(tái)機(jī)組相繼自動(dòng)停機(jī)停堆，2臺(tái)機(jī)組隨后主動(dòng)后撤停機(jī)，廠內(nèi)損失出力630萬(wàn)千瓦，經(jīng)濟(jì)損失約為320萬(wàn)元。2019年1月，±1 100 kV吉泉直流輸電工程昌吉換流站發(fā)生極I高端Y/D-C相換流變壓器著火事故，換流變壓器油箱及附件等有不同程度損傷，估算損失約438萬(wàn)元。事故未影響電網(wǎng)供電和安全。

2016年6月，西安南郊變電站發(fā)生爆炸事故。本事故中，1臺(tái)330 kV變壓器、2臺(tái)110 kV變壓器燒損，部分110 kV、35 kV電氣設(shè)備損壞報(bào)廢。根據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，直接經(jīng)濟(jì)損失約400萬(wàn)元人民幣，間接損失近5億元人民幣。究其根本，當(dāng)值電工麻痹大意，玩忽職守，應(yīng)急能力不強(qiáng)也是造成這次事故的原因之一。

同時(shí)，我國(guó)電力行業(yè)對(duì)人才需求量越來(lái)越大，國(guó)內(nèi)16家電力企業(yè)如表1所示，而對(duì)16家電力企業(yè)人力資源總量趨勢(shì)預(yù)測(cè)如圖2所示，正在逐年增加，2020年從事人員可達(dá)2 302 789人，所以，做好電工培訓(xùn)是保證各企業(yè)良好發(fā)展的前提。

表1 國(guó)內(nèi)16家電力企業(yè)

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圖2 16家電力企業(yè)人力資源總量趨勢(shì)預(yù)測(cè)

由此可見，提高工作人員素養(yǎng)，由量變到質(zhì)變已是迫在眉睫，針對(duì)這一問(wèn)題，我們需要加強(qiáng)“電工培訓(xùn)教育”，以此強(qiáng)化電工安全意識(shí)，提高電工職業(yè)道德，鞏固專業(yè)知識(shí)，提升故障應(yīng)急水平。

縱觀電工行業(yè)培訓(xùn)狀況，電力行業(yè)特有的高危險(xiǎn)性始終是電工培訓(xùn)的最大弱點(diǎn)，如圖3所示，這極大地限制了受訓(xùn)人員對(duì)各個(gè)設(shè)備乃至整個(gè)系統(tǒng)更加深入的了解。對(duì)于新老電工而言，老電工的理論知識(shí)往往是模糊的，新興的和成長(zhǎng)中的電工缺乏實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，所以他們不能更好地處理復(fù)雜的工況。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，老電工更傾向于從實(shí)際工作中獲得操作經(jīng)驗(yàn)。他們對(duì)課堂教學(xué)的興趣不大，新員工具有扎實(shí)的理論知識(shí)，但傳統(tǒng)的課堂教學(xué)不能很好地發(fā)揮培養(yǎng)操作能力的作用。

圖3 電工培訓(xùn)實(shí)例

對(duì)于培訓(xùn)方式而言，傳統(tǒng)的電工培訓(xùn)形勢(shì)多為PPT講授、大課堂講授、發(fā)放學(xué)習(xí)手冊(cè)定期考核，或是師帶徒一對(duì)一教學(xué)等等。以PPT講授、大課堂講授、發(fā)放學(xué)習(xí)。手冊(cè)定期考核這類形勢(shì)的培訓(xùn)方式為例，這類培訓(xùn)方式對(duì)于授課者而言，有節(jié)約時(shí)間、方便管理、易于理論知識(shí)傳授與考核等優(yōu)勢(shì)，而對(duì)于學(xué)員來(lái)說(shuō)，有枯燥乏味、對(duì)知識(shí)理解不夠深刻、聽課地理位置影響聽課效率等問(wèn)題。而對(duì)于師帶徒一對(duì)一教學(xué)這種培訓(xùn)方法來(lái)說(shuō)，有益于學(xué)員知識(shí)體系的建立，學(xué)習(xí)者會(huì)更加集中注意力聽課，輔導(dǎo)更具針對(duì)性，學(xué)生有問(wèn)題及時(shí)提問(wèn)，可快速得到解決；但是這種培訓(xùn)方式無(wú)法高效率利用師資、耗時(shí)耗力。因此，我們需要引入一種新的技術(shù)來(lái)解決電力培訓(xùn)當(dāng)下的問(wèn)題。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)用于多種行業(yè)的教學(xué)培訓(xùn)之中，在醫(yī)療培訓(xùn)方面就有顯著的成果，如美國(guó)的Next Galaxy公司，他們開發(fā)了一款針對(duì)醫(yī)務(wù)人員技能培訓(xùn)的軟件，是與邁阿密兒童醫(yī)院合作的，該軟件可加快醫(yī)務(wù)人員對(duì)各類醫(yī)療技術(shù)的理解記憶，從而使醫(yī)護(hù)人員掌握相應(yīng)的專業(yè)技術(shù)。在電工培訓(xùn)方面，我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司，針對(duì)電工開發(fā)設(shè)計(jì)了一些培訓(xùn)系統(tǒng)，可對(duì)500 kV變電站進(jìn)行虛擬觀光學(xué)習(xí)，但是其建模較為粗糙，主要實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)漫游功能，而且國(guó)內(nèi)在110 kV變電站方面的VR虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)都存在功能較少，培訓(xùn)知識(shí)不到位的問(wèn)題。

2 VR技術(shù)概況

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality）簡(jiǎn)稱VR，是一種高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)。它集成了多項(xiàng)技術(shù)，如：CG技術(shù)、人機(jī)交互、人工智能等，所以虛擬現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)綜合性的集成技術(shù)。可利用計(jì)算機(jī)生成三維空間的虛擬世界，為用戶提供多感官的仿真，使人通過(guò)相應(yīng)設(shè)備，即可與虛擬世界進(jìn)行交互操作。當(dāng)使用者發(fā)出動(dòng)作時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)復(fù)雜的運(yùn)算將逼真的三維虛擬世界圖像傳輸回來(lái)，讓人產(chǎn)生身處其境的感覺。作為一種高級(jí)的人機(jī)交互技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)的研究圍繞著提高系統(tǒng)的沉浸感、交互性和多感知性這三個(gè)特性進(jìn)行。同時(shí)，該技術(shù)響應(yīng)了“互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)+電力教育培訓(xùn)”平臺(tái)搭建的政策，如圖4所示，也符合“中國(guó)制造2025”中推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合的戰(zhàn)略目標(biāo)。

圖4 “互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)+電力教育培訓(xùn)”行動(dòng)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)用于多種行業(yè)的教學(xué)培訓(xùn)之中，在醫(yī)療培訓(xùn)方面就有顯著的成果，如美國(guó)的Next Galaxy公司，他們開發(fā)了一款針對(duì)醫(yī)務(wù)人員技能培訓(xùn)的軟件，是與邁阿密兒童醫(yī)院合作的，該軟件可加快醫(yī)務(wù)人員對(duì)各類醫(yī)療技術(shù)的理解記憶，從而使醫(yī)護(hù)人員掌握相應(yīng)的專業(yè)技術(shù)。在電工培訓(xùn)方面，我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司，針對(duì)電工開發(fā)設(shè)計(jì)了一些培訓(xùn)系統(tǒng)，可對(duì)500 kV變電站進(jìn)行虛擬觀光學(xué)習(xí)，但是其建模較為粗糙，主要實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)漫游功能，而且國(guó)內(nèi)在110 kV變電站方面的VR虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)都存在功能較少，培訓(xùn)知識(shí)不到位的問(wèn)題。

3 110 kV變電站虛擬仿真培訓(xùn)平臺(tái)

基于三維模型與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的培訓(xùn)軟件，極大地提升了培訓(xùn)工作的安全水平，對(duì)電力行業(yè)的培訓(xùn)方面產(chǎn)生積極影響，可進(jìn)一步為電力生產(chǎn)保駕護(hù)航。本平臺(tái)通過(guò)對(duì)陜西省某變電站原始資料及電工培訓(xùn)現(xiàn)狀的分析，完成了110 kV變電站VR虛擬仿真設(shè)計(jì)，闡述了運(yùn)用相關(guān)軟件完成該虛擬仿真的開發(fā)過(guò)程，展示了虛擬仿真平臺(tái)在培訓(xùn)方面的妙用。

本次設(shè)計(jì)主要成果體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）完成了110 kV變電站設(shè)備及相關(guān)場(chǎng)景的三維建模工作。如：變壓器、斷路器、開關(guān)柜等。為真實(shí)還原各個(gè)設(shè)備最真實(shí)的狀態(tài)，在模型建設(shè)時(shí)，嚴(yán)格按照各設(shè)備實(shí)物參數(shù)及物理結(jié)構(gòu)1：1建模，建模精度為mm級(jí)，旨在提高模型真實(shí)感，確保人機(jī)交互開發(fā)的順利進(jìn)行，變電站鳥瞰圖如圖5所示。

圖5 變電站鳥瞰圖

（2）完成了110 kV變電站VR虛擬仿真培訓(xùn)平臺(tái)的開發(fā)與調(diào)試。將已經(jīng)完成110 kV設(shè)備及場(chǎng)景三維模型導(dǎo)入設(shè)計(jì)軟件中，利用光照烘焙技術(shù)、shader開發(fā)優(yōu)化場(chǎng)景，強(qiáng)化真實(shí)感，導(dǎo)入各類聲效，利用物理引擎準(zhǔn)確展現(xiàn)各個(gè)設(shè)備電氣動(dòng)作邏輯，惟妙惟肖的展現(xiàn)出一個(gè)110 kV變電站，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備認(rèn)知、運(yùn)維巡視和倒閘操作的功能，并編寫相關(guān)代碼為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互做好準(zhǔn)備，該VR虛擬仿真培訓(xùn)平臺(tái)能滿足電工培訓(xùn)的要求。

關(guān)于設(shè)備認(rèn)知功能：掌握變電站設(shè)備的型號(hào)功能和工作原理，是變電站工作人員的基本功，也是保證自身安全和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的基本技能。因此，變電站設(shè)備學(xué)習(xí)是所有培訓(xùn)系統(tǒng)均具有的項(xiàng)目。以往的學(xué)習(xí)過(guò)程中，主要是通過(guò)講師課堂講解和PPT演示等方法。但是由于變電站電氣設(shè)備眾多，設(shè)備工作原理復(fù)雜，需要記憶量太大。在本系統(tǒng)中，為了解決這個(gè)問(wèn)題，再開發(fā)過(guò)程中將每個(gè)設(shè)備的重要信息保存至系統(tǒng)中，通過(guò)簡(jiǎn)單人機(jī)交互即可展示設(shè)備的重要信息，其中GW4隔離開關(guān)學(xué)習(xí)如圖6所示。結(jié)合設(shè)備模型動(dòng)作，生動(dòng)形象展示工作原理和動(dòng)作原理。避免了文字的枯燥。

圖6 GW4隔離開關(guān)學(xué)習(xí)

（3）實(shí)現(xiàn)考核和人機(jī)交互功能。利用設(shè)計(jì)軟件的GUI控件、腳本調(diào)試優(yōu)化與內(nèi)存管理等功能完成了考核功能的設(shè)計(jì)，可對(duì)電工進(jìn)行多方面考核，其中倒閘操作過(guò)程考核如圖7所示。再將完成的110 kV變電站VR虛擬仿真培訓(xùn)平臺(tái)發(fā)布到Windows端，然后利用Steam應(yīng)用中的VR插件，搭載于HTC Vive硬件設(shè)備后，將一個(gè)多感官的沉浸式體驗(yàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)110 kV變電站呈現(xiàn)在使用者面前，并且可交互性操作，實(shí)現(xiàn)零危險(xiǎn)性電工培訓(xùn)。

圖7 倒閘操作過(guò)程考核展示

綜上所述，本培訓(xùn)平臺(tái)成功利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，充分發(fā)揮其技術(shù)沉浸性、交互性、構(gòu)想性等特性，使得110 kV變電站虛擬仿真培訓(xùn)平臺(tái)給學(xué)員多感官的沉浸式體驗(yàn)。在克服電工培訓(xùn)長(zhǎng)期存在高危險(xiǎn)性這一弱點(diǎn)的同時(shí)，以其高沉浸感、真實(shí)感、交互性以及趣味性促進(jìn)了學(xué)員注意力的集中，加深了學(xué)員對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的記憶，提高學(xué)員對(duì)知識(shí)探求的渴望，而且可完成“高危險(xiǎn)性、不可達(dá)性、不可見性”的實(shí)踐性技能培訓(xùn)，可為受訓(xùn)人員打下扎實(shí)的實(shí)踐操作基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

本110 kV變電站VR虛擬仿真系統(tǒng)，主要針對(duì)電工培訓(xùn)，但由于時(shí)間有限，相關(guān)技術(shù)仍在發(fā)展階段，該VR虛擬仿真系統(tǒng)還可進(jìn)一步完善，現(xiàn)提出以下幾點(diǎn)建議，可在今后工作學(xué)習(xí)中繼續(xù)改進(jìn)：

（1）建模工作煩瑣，今后可建立元件庫(kù)，因?yàn)榻９ぷ髁烤薮?，從器件選取到資料分析，到確定尺寸，然后進(jìn)行建模會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間。如果有成熟的元件庫(kù)，會(huì)讓VR培訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)事半功倍，并且便于進(jìn)行設(shè)備調(diào)整。

（2）繼續(xù)完善考核系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)書，著重于培訓(xùn)系統(tǒng)在設(shè)備認(rèn)知、漫游巡視及人機(jī)交互等功能實(shí)現(xiàn)工作，考核系統(tǒng)作為一個(gè)新的功能，在考核機(jī)制及評(píng)分系統(tǒng)方面仍有繼續(xù)改進(jìn)完善的空間。

（3）更加標(biāo)準(zhǔn)化。隨著技術(shù)的發(fā)展，今后可更加優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，添加更多新功能，使VR虛擬仿真培訓(xùn)平臺(tái)更加貼近現(xiàn)實(shí)變電站的運(yùn)行管理，確保培養(yǎng)出技術(shù)強(qiáng)、專業(yè)精、努力超越，追求卓越的電力從業(yè)者。