郭連仲 ，張紀(jì)平，唐振江，王英杰 ，李海生 , 甄 利

(1．河北省電力公司保定培訓(xùn)中心，河北 保定 071051；2.保定供電公司，河北 保定 071000；3.河北省電力公司，石家莊 050021)

隨著氣體絕緣金屬封閉式開關(guān)(Gas Insulated Metal-enclosed Switchgear，GIS)設(shè)備的不斷發(fā)展成熟，其以封閉性好、占地少、受環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)在全國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。但由于GIS設(shè)備的封閉性，在檢修工作中，必須根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)制定正確的檢修方案，調(diào)整運(yùn)行方式，而不能照搬變電站的常規(guī)工作方法，否則將引起不必要的事故,因此對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行GIS相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)十分必要。為解決以上問題，開發(fā)了基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)的GIS變電仿真系統(tǒng)，通過VR-platform三維技術(shù)和Windows程序進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了變電站綜合自動(dòng)化仿真和GIS設(shè)備三維動(dòng)畫仿真功能。

1 GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)及存在的問題

GIS主要由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成[1]，這些設(shè)備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中，在其內(nèi)部充有一定壓力的SF6絕緣氣體，故也稱SF6全封閉組合電器[2]。

GIS設(shè)備的封閉性為運(yùn)行、維護(hù)及檢修等工作帶來的不便之處主要體現(xiàn)在以下幾方面。

a. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)不明確。由于金屬外殼的包圍，使運(yùn)行及檢修人員無法直接判斷內(nèi)部導(dǎo)體的工作狀態(tài)，而只能通過外部指示裝置進(jìn)行間接信息判斷，因此當(dāng)設(shè)備指示裝置不精確時(shí)容易出現(xiàn)誤判斷。

b. 運(yùn)行方式同常規(guī)變電站有差異。由于GIS設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)體被SF6氣體密封并經(jīng)組裝而成，每一個(gè)元件設(shè)備之間用封閉的盆式絕緣子隔離，因此在進(jìn)行故障檢修時(shí)，其停電方式比較嚴(yán)格，停電操作方案不同于常規(guī)變電站。

c. 拆卸安裝不方便。由于GIS變電站設(shè)備的拆卸和安裝工作普遍由生產(chǎn)廠家指派專業(yè)人員進(jìn)行，因此作為GIS設(shè)備用戶的各供電公司工作人員無法完全掌握GIS設(shè)備拆卸和安裝流程及工藝，不僅增加了維護(hù)成本，而且也降低了整個(gè)GIS變電站的安全性及運(yùn)行效率。例如在更換斷路器時(shí)，常規(guī)變電站只需斷開其兩側(cè)隔離開關(guān)即可，但對(duì)于GIS變電站，還需將I母線進(jìn)行停電操作，否則，當(dāng)打開斷路器下方的氣體隔離開關(guān)時(shí)，1號(hào)隔離開關(guān)氣室壓力降低，由于I母上方的氣體隔離開關(guān)絕緣子同1號(hào)隔離開關(guān)靜觸頭為一體，會(huì)造成閃絡(luò)，擴(kuò)大事故范圍。

2 GIS變電站仿真系統(tǒng)建立的流程

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱“VR”)[3]技術(shù)在社會(huì)生活的許多方面有著很好的發(fā)展前景， 其目的是使信息系統(tǒng)盡可能地滿足人的需要，人機(jī)的交互更加人性化。

VR技術(shù)中廣泛應(yīng)用的基本技術(shù)就是三維立體仿真，其基本步驟為：首先建立目標(biāo)對(duì)象三維模型及動(dòng)畫內(nèi)容，其次導(dǎo)入VR-platform編輯器設(shè)置交互式仿真內(nèi)容。

由于GIS變電站的特殊性及復(fù)雜性，利用現(xiàn)有VR軟件的基礎(chǔ)上，在實(shí)現(xiàn)GIS變電站三維仿真場(chǎng)景的同時(shí)，利用Delphi語言及數(shù)據(jù)庫編程技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)變電站二維監(jiān)控仿真系統(tǒng)，并最終實(shí)現(xiàn)二維及三維界面的互動(dòng)操作。

GIS變電站仿真系統(tǒng)建立的主要流程見圖1。

圖1 GIS變電站仿真系統(tǒng)建立的主要流程

根據(jù)圖1的流程，整體仿真系統(tǒng)分為兩部分，即三維系統(tǒng)和二維系統(tǒng)。三維系統(tǒng)中，首先用3D MAX進(jìn)行GIS變電站整體模型的建立，包括GIS設(shè)備主體、GIS內(nèi)部元件、變壓器外觀、電抗/容器及變電站其他主要設(shè)施等，模型烘焙之后導(dǎo)入VR-platfrom編輯器進(jìn)行互動(dòng)操作的設(shè)置，并利用SDK二次開發(fā)包進(jìn)行更為專業(yè)的互動(dòng)內(nèi)容開發(fā)。二維仿真系統(tǒng)則首先建立二維監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，通過Delphi編寫變電站監(jiān)控及運(yùn)行狀態(tài)邏輯代碼，針對(duì)主要元件統(tǒng)一命名之后建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，三維及二維系統(tǒng)通過各自的接口讀寫公共數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3 GIS變電站仿真系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 GIS變電站三維仿真系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

由于培訓(xùn)的需要，該系統(tǒng)同時(shí)配備了服務(wù)器終端及教師機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。學(xué)員機(jī)同時(shí)運(yùn)行二維和三維程序，對(duì)于共有設(shè)備，通過訪問公用的接口數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)2個(gè)程序中設(shè)備狀態(tài)的同步；通過訪問SQL Server 2000的學(xué)員庫，完成登錄、獲取操作題目和交卷工作。教師機(jī)運(yùn)行教師監(jiān)控(出題收卷)程序，通過訪問SQL Server 2000，完成用戶分發(fā)、出題、收卷、存檔、打印等任務(wù)。

4 GIS變電站仿真系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)具有GIS變電站三維場(chǎng)景，可實(shí)現(xiàn)GIS設(shè)備內(nèi)部透明、GIS設(shè)備拆卸和安裝、氣室壓力監(jiān)視及報(bào)警、氣室充放氣演示、地線掛接和拆除操作、保護(hù)操作關(guān)聯(lián)、考核等功能。

4.1 GIS設(shè)備內(nèi)部透明

同實(shí)際設(shè)備比較，該仿真系統(tǒng)GIS設(shè)備的內(nèi)部是透明的，如圖3所示。

圖3 GIS設(shè)備內(nèi)部透明示意

4.2 三維系統(tǒng)與二維系統(tǒng)的互動(dòng)操作

三維仿真系統(tǒng)和二維監(jiān)控仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)互動(dòng)操作，如圖4所示。通過二維監(jiān)控界面將149斷路器斷開之后，三維系統(tǒng)立即變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，而利用就地(三維系統(tǒng))操作小開關(guān)打開149-5隔離開關(guān)，二維界面通過讀取數(shù)據(jù)庫更新數(shù)據(jù)顯示斷開，由此實(shí)現(xiàn)三維系統(tǒng)與二維系統(tǒng)的互動(dòng)。

圖4 三維系統(tǒng)與二維系統(tǒng)互動(dòng)操作示意

4.3 GIS設(shè)備的拆卸和安裝

由于實(shí)際GIS設(shè)備拆卸與安裝操作十分復(fù)雜，且涉及到設(shè)備安全運(yùn)行等問題，導(dǎo)致檢修人員了解和掌握設(shè)備拆裝流程及工藝的機(jī)會(huì)較少，而通過此仿真手段，可便捷地向?qū)W員提供設(shè)備拆卸和安裝技術(shù)的培訓(xùn)。雙擊拆卸和安裝培訓(xùn)界面中的TA兩端螺絲之后，點(diǎn)擊“拆裝工具”界面中的拆卸或安裝，便可模擬設(shè)備拆卸和安裝過程。

4.4 氣室壓力監(jiān)控及報(bào)警

GIS設(shè)備是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，每一個(gè)間隔有若干個(gè)氣室，一般用紅色的盆式絕緣子標(biāo)示。不同設(shè)備氣室內(nèi)的SF6氣體壓力不同，并且都有對(duì)應(yīng)的壓力檢測(cè)裝置(密度繼電器)，該系統(tǒng)除具備三維場(chǎng)景中必要的氣室模型外，在二維監(jiān)控界面中也設(shè)有對(duì)氣室壓力進(jìn)行監(jiān)控的按鈕。在該界面中，選取220 kV母聯(lián)開關(guān)的電流互感器氣室進(jìn)行監(jiān)視及操作，分別可以監(jiān)控該氣室的當(dāng)前壓力、報(bào)警壓力、閉鎖壓力和閃絡(luò)壓力等。為了讓學(xué)員方便地觀測(cè)到氣室壓力變化對(duì)系統(tǒng)的影響，通過調(diào)節(jié)“設(shè)置壓力”可以看到相應(yīng)的系統(tǒng)報(bào)警或動(dòng)作信息。

4.5 氣室充放氣演示

該仿真系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)二維界面某氣室壓力值，可以根據(jù)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫來實(shí)時(shí)更新三維場(chǎng)景中對(duì)應(yīng)壓力表的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)氣室數(shù)據(jù)的交互；同時(shí)，通過三維動(dòng)畫的方式展示了設(shè)備某氣室進(jìn)行充氣和放氣的演示，使學(xué)員了解實(shí)際工作中進(jìn)行GIS設(shè)備絕緣氣體充放的過程。

4.6 地線掛接和拆除操作

系統(tǒng)在二維模塊中設(shè)計(jì)了地線，采用鼠標(biāo)拖拽方法實(shí)現(xiàn)對(duì)地線的掛接和拆除操作，系統(tǒng)自動(dòng)記錄地線狀態(tài)并有敏感反應(yīng)。如在帶電設(shè)備上掛接地線或給掛有地線的設(shè)備送電，保護(hù)會(huì)有相應(yīng)動(dòng)作和信號(hào)。該功能為學(xué)員進(jìn)行仿真練習(xí)提供了一種自行設(shè)置故障的方法，亦可進(jìn)行“檢查XXX設(shè)備上有無接地短路線”的常規(guī)操作項(xiàng)目。

4.7 保護(hù)操作關(guān)聯(lián)

該仿真系統(tǒng)二維監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)了變壓器、母線、線路等各種保護(hù)壓板操作界面，相當(dāng)于實(shí)際變電站的軟壓板，可以通過鼠標(biāo)進(jìn)行各保護(hù)功能壓板和出口壓板的投、退操作。保護(hù)壓板的狀態(tài)與相應(yīng)設(shè)備故障情況下的動(dòng)作行為相關(guān)聯(lián)，當(dāng)功能壓板在退出狀態(tài)時(shí)，該保護(hù)不啟動(dòng)；當(dāng)功能壓板投入而出口壓板在退出狀態(tài)時(shí)，保護(hù)啟動(dòng)但不能跳閘。另外，通過邏輯圖的方式將保護(hù)壓板聯(lián)絡(luò)成有機(jī)的整體，是該系統(tǒng)的特點(diǎn)，是從培訓(xùn)需要出發(fā)專門設(shè)計(jì)的，用以增強(qiáng)學(xué)員對(duì)保護(hù)的整體認(rèn)知，操作界面見圖5。

圖5 保護(hù)壓板操作界面

4.8 考核

系統(tǒng)具有考核功能，設(shè)計(jì)了教師端監(jiān)控模塊，用以實(shí)現(xiàn)出題、收卷；學(xué)員端模塊提供變電站二維畫面和三維場(chǎng)景，可以模擬變電站的“遠(yuǎn)方”和“就地”操作，系統(tǒng)自動(dòng)順序記錄操作步驟及事故情況下的保護(hù)動(dòng)作等事件，該記錄可作為答卷提交，由教師端收取存檔或打印，作為對(duì)學(xué)員考核評(píng)價(jià)的依據(jù)。

5 GIS變電站仿真系統(tǒng)的應(yīng)用效果

該系統(tǒng)于2009年1月正式安裝于河北省電力公司保定培訓(xùn)中心變電運(yùn)行實(shí)訓(xùn)室。該實(shí)訓(xùn)室的計(jì)算機(jī)裝配有2 GB內(nèi)存、512 MB顯存和19英寸LED顯示屏，并采用一機(jī)雙屏配置，可分別為二維監(jiān)控和三維場(chǎng)景提供顯示，實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)方”和“就地”操作訓(xùn)練。

經(jīng)反復(fù)調(diào)試修改，系統(tǒng)于2009年4月正式投入培訓(xùn)使用。到目前為止，共培訓(xùn)7個(gè)班次，包括變電站值班員高級(jí)工鑒定前培訓(xùn)班、變電站值班員中級(jí)工鑒定班、電力調(diào)度員高級(jí)工鑒定班和4期電力調(diào)度員培訓(xùn)，累計(jì)培訓(xùn)321人次。

培訓(xùn)應(yīng)用取得了良好效果，受到學(xué)員普遍好評(píng)，尤其三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)提供的直觀、透明、交互動(dòng)作的GIS變電站場(chǎng)景，以及對(duì)封裝于GIS密室內(nèi)部的斷路器、開關(guān)、互感器、避雷器、母線等設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的剖析、拆裝功能。系統(tǒng)的二維監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)“遠(yuǎn)方”操作的仿真及其與三維模塊的有機(jī)結(jié)合，為變電站操作提供了有效交互式培訓(xùn)手段。

系統(tǒng)在培訓(xùn)應(yīng)用中也顯示出了不足和需要改進(jìn)的地方，如三維模塊就地設(shè)備的檢查功能有缺陷，針對(duì)檢修工作中的仿真內(nèi)容需進(jìn)一步細(xì)化，同時(shí)，為增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行效果，還需對(duì)三維模塊進(jìn)行優(yōu)化，以降低系統(tǒng)運(yùn)行使用門檻。

6 結(jié)束語

利用3D MAX建模工具及VR互動(dòng)平臺(tái)，同Windows軟件編程工具及數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合，完成了GIS變電站三維仿真系統(tǒng)的研究。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于GIS變電站仿真培訓(xùn)，不但能夠模擬運(yùn)行人員的工作流程，還可以模擬變電站檢修工作基本內(nèi)容。培訓(xùn)應(yīng)用情況表明，系統(tǒng)研究成果為GIS變電站相關(guān)培訓(xùn)提供了一種有效的培訓(xùn)手段。

參考文獻(xiàn):

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