程序　張興然

【摘 要】變電站運(yùn)行工作需要較強(qiáng)的實(shí)踐能力，然而目前的變電站運(yùn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)受資金，場(chǎng)地的限制，還不能真正地滿足學(xué)生的需求，因此本文通過分析變電站運(yùn)行課程建設(shè)和教學(xué)現(xiàn)狀，得出使用傳統(tǒng)教學(xué)模式實(shí)施變電站運(yùn)行課程的主要難題，以“變電站巡視”項(xiàng)目為例探討變電站運(yùn)行教學(xué)模式的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，提出了基于VR技術(shù)和虛擬仿真的實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】VR技術(shù)；虛擬仿真；變電站巡視；教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： G712；U41-4；U44-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）31-0181-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.087

0 引言

《變配電運(yùn)行》課程是發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè)、供用電技術(shù)專業(yè)的必修核心課程。主要培養(yǎng)學(xué)生具有本專業(yè)所包含的中（或高）級(jí)變電站值班員所必需的專業(yè)知識(shí)和專業(yè)技能，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作、溝通表達(dá)、工作責(zé)任心、職業(yè)規(guī)范和職業(yè)道德等綜合素質(zhì)和能力，為從事供電企業(yè)、工礦企業(yè)供用電相關(guān)技術(shù)工作做準(zhǔn)備。通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握變電站一次系統(tǒng)主接線及二次接線，掌握變電站開關(guān)、線路、主變、母線和旁路代路的運(yùn)行監(jiān)控和倒閘操作，掌握變電站線路、主變、母線事故分析處理，掌握變電站線路、主變、母線事故分析處理，掌握變電站小接地系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控和故障運(yùn)行處理，掌握變電站設(shè)備巡視制度、項(xiàng)目以及異常情況處理等知識(shí)和技能。本文以變電站巡視項(xiàng)目教學(xué)為例，說明了目前變電運(yùn)行教學(xué)中存在問題，VR技術(shù)和變電站虛擬仿真技術(shù)的基本情況以及基于VR技術(shù)和變電站虛擬仿真技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)計(jì)。

變電站巡視檢查工作是運(yùn)行人員日常工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，設(shè)備巡視的質(zhì)量直接影響著變電站的安全運(yùn)行；有人值班的變電站對(duì)全站一、二次設(shè)備每天要進(jìn)行3次檢查。設(shè)備巡視的工具和方法是影響巡檢工作效率的一個(gè)主要因素，在一個(gè)側(cè)面上反映現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)管理水平。為了監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除設(shè)備缺陷，預(yù)防事故發(fā)生，確保設(shè)備安全運(yùn)行，每個(gè)運(yùn)行人員必須嚴(yán)格按照規(guī)程要求，認(rèn)真負(fù)責(zé)，一絲不茍地做好設(shè)備檢查工作。

1 變電運(yùn)行教學(xué)中存在的問題

1.1 帶電變電站實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地難以在校園實(shí)現(xiàn)

變電站的功能是變換電壓，將電壓由低壓變?yōu)楦邏夯蛘哂筛邏鹤優(yōu)榈蛪?，是電力系統(tǒng)“發(fā)變輸配用”五大環(huán)節(jié)中的一部分。而電壓等級(jí)的選擇是根據(jù)電能輸送距離、用電量等因素，學(xué)校、企業(yè)等單位的輸入電壓通常是10kV或35kV，所以對(duì)于高電壓等級(jí)的變電站想在學(xué)校中實(shí)現(xiàn)首先就是沒有相應(yīng)的電壓等級(jí)。其次，一個(gè)變電站的占地面積多則幾萬平方米，投資甚至需要上億。這樣的成本與代價(jià)，對(duì)于學(xué)校只是作為教學(xué)用途來說顯然也是不可能實(shí)現(xiàn)的。如果與企業(yè)合作，去真實(shí)變電站進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，只能進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)，無法操作否則將會(huì)影響供電。

1.2 高壓危險(xiǎn)難以實(shí)物操作

變電站中必然有高壓側(cè)，高壓側(cè)最低也有10kV，對(duì)于大型變電站更是高達(dá)500kV、1000kV，而人體能夠承受的安全電壓是36V。特別是對(duì)于1kV以上的電壓等級(jí)稱為高壓，人體不僅不能接觸而且不能靠近。對(duì)于作為初學(xué)者的高校學(xué)生在這種環(huán)境中學(xué)習(xí)顯然太危險(xiǎn)了，同時(shí)面對(duì)一個(gè)班的學(xué)生往往有幾十人作為老師想要保障所有學(xué)生的安全恐怕困難重重，相比企業(yè)中常是師傅只帶一個(gè)或幾個(gè)徒弟，為實(shí)物操作帶來了可能但是效率不高。

2 VR技術(shù)和變電站虛擬仿真技術(shù)

2.1 VR技術(shù)和變電站虛擬仿真技術(shù)介紹

變電站虛擬仿真系統(tǒng)采用先進(jìn)的仿真支撐技術(shù)、仿真建模技術(shù)，建立變電站一次系統(tǒng)、二次測(cè)控系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、自動(dòng)裝置系統(tǒng)的全物理、全過程的精確數(shù)學(xué)模型，逼真的模擬變電站各種運(yùn)行工況和各種故障現(xiàn)象。VR是英文單詞Virtual Reality的縮寫，意思是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。它是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真使用戶沉浸到該環(huán)境中。使用 VR 可以為各級(jí)學(xué)校的學(xué)生提供身臨其境的多感官的體驗(yàn)，比起傳統(tǒng)的講課、字卡圖卡、或教科書等方法更有效。學(xué)生們可以在VR眼鏡中近距離觀察變電站每種設(shè)備的外觀、銘牌，接線方式以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。還可以與實(shí)物結(jié)合，操作手柄實(shí)物，在眼鏡中模擬效果現(xiàn)象，例如，進(jìn)行拉合隔離開關(guān)操作，無需制造整個(gè)隔離開關(guān)，只需制造把手和開關(guān)通過傳感裝置和仿真，使人即可以體驗(yàn)到如何真實(shí)的控制操作又可以看到虛擬的逼真隔離開關(guān)開合過程。

2.2 VR技術(shù)和變電站虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于變電站巡視實(shí)訓(xùn)的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的面授課堂中，難免會(huì)存在時(shí)空情景、邏輯思維上的局限，學(xué)生對(duì)教學(xué)難點(diǎn)吸收困難，教學(xué)效率低。VR的優(yōu)點(diǎn)在于提供空間場(chǎng)中的交互，營(yíng)造沉浸式的感官，能將相對(duì)抽象復(fù)雜的內(nèi)容可視化、形象化。VR訓(xùn)練場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)臺(tái)就是在虛擬世界中構(gòu)建出實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所來供學(xué)習(xí)者進(jìn)行活動(dòng)與操作。由于操作對(duì)象從實(shí)際存在的物體變成了虛擬世界中的模型，允許操作方式會(huì)隨著教學(xué)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)精細(xì)程度而增加或者減少（一般是減少），設(shè)計(jì)者可以給出較為精簡(jiǎn)的操作流程提示告知學(xué)習(xí)者應(yīng)當(dāng)怎樣控制和處理“眼前”的對(duì)象。同時(shí)，即使學(xué)習(xí)者由于失誤導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，也不會(huì)造成實(shí)際的財(cái)產(chǎn)損毀甚至生命危險(xiǎn)，是一種相對(duì)安全的訓(xùn)練方法。

3 基于VR技術(shù)和變電站虛擬仿真技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 課前準(zhǔn)備巡視卡

課前由教師發(fā)放變電站資料，包括主變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、互感器、避雷器、母線、電力電纜、電容器、電抗器、耦合電容器、室內(nèi)設(shè)備等變電站所有設(shè)備的基本信息。學(xué)生根據(jù)這些信息提前設(shè)計(jì)編寫巡視卡。巡視卡的內(nèi)容就是列出所有要巡視的設(shè)備以及設(shè)備上要巡視的部位和項(xiàng)目，并留出記錄參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)的空格。

3.2 組班組分任務(wù)定計(jì)劃

電力系統(tǒng)的各類實(shí)際操作工作都要求有工作負(fù)責(zé)人，監(jiān)護(hù)人，操作人，記錄人等角色組成的工作班組，經(jīng)過人員分配、任務(wù)分配、班前會(huì)班后會(huì)等一系列環(huán)節(jié)后，由完善的組織措施保障才可以實(shí)施。所以教師可以將總的巡視設(shè)備配給各學(xué)生組成的小組，每組再進(jìn)行分工。巡視時(shí)，運(yùn)行人員應(yīng)兩人進(jìn)行。并對(duì)照設(shè)備巡視標(biāo)準(zhǔn)逐項(xiàng)檢查，每檢查完一項(xiàng)，隨即在“巡視檢查卡”對(duì)應(yīng)檢查結(jié)果欄內(nèi)打“√”、“×”或填入相應(yīng)數(shù)據(jù)。打“×”的設(shè)備，其異常、缺陷內(nèi)容應(yīng)及時(shí)記錄，認(rèn)真分析，正確處理，并匯報(bào)有關(guān)部門。

3.3 “真實(shí)”巡視做記錄

在工作過程的實(shí)施階段時(shí)，首先教師要像實(shí)際工作一樣進(jìn)行巡視危險(xiǎn)點(diǎn)分析和安全措施介紹。教師與學(xué)生進(jìn)行角色扮演，模擬實(shí)際電廠生產(chǎn)過程中運(yùn)行人員值班過程，使學(xué)生仿佛置身于真實(shí)的生產(chǎn)場(chǎng)景，而且使學(xué)生對(duì)變電站值班人員的分工與職責(zé)更加明確。小組工作任務(wù)完成之后，由小組長(zhǎng)選出代表向教師和全班同學(xué)演示匯報(bào)本組的成果，并說明為什么這么做。由教師和其他小組的學(xué)生來進(jìn)行評(píng)判、糾錯(cuò)。培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、表達(dá)能力、總結(jié)能力等。巡視高壓設(shè)備必須按照巡視路線進(jìn)行巡視，并不得移開或越過遮欄從事其它工作。運(yùn)行人員根據(jù)巡視類別及微機(jī)系統(tǒng)的巡檢提示，進(jìn)行正常巡視檢查。遇有特殊情況時(shí)，要進(jìn)行特殊巡視。運(yùn)行人員巡視后，應(yīng)及時(shí)記錄檢查情況和巡視時(shí)間。

3.4 游戲模式評(píng)價(jià)體系

利用軟件的編寫可以實(shí)現(xiàn)將學(xué)習(xí)任務(wù)嵌入到游戲模式中，每一游戲關(guān)卡為一個(gè)學(xué)習(xí)單元，完成即為通過，沒有完成則被淘汰，特別是變電站工作危險(xiǎn)，一旦工作錯(cuò)誤常常面臨著設(shè)備損壞。給學(xué)生呈現(xiàn)電力生產(chǎn)企業(yè)所發(fā)生的典型事故案例，展示事故后果，讓學(xué)生分析事故原因，學(xué)習(xí)現(xiàn)場(chǎng)處理事故的流程。案例真實(shí)可靠，具有代表性，且結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，給學(xué)生的頭腦形成比較大的沖擊力，使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到發(fā)電廠電氣值班員崗位職責(zé)的重要性。對(duì)于學(xué)生完成的任務(wù)，設(shè)置榮譽(yù)殿堂、榮譽(yù)徽章等獎(jiǎng)勵(lì)符號(hào)，也就是將以前的評(píng)分具體化形象化，激發(fā)學(xué)生興趣，吸引學(xué)生眼球。

4 總結(jié)

目前在課程教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)得到了大量的應(yīng)用，特別是像變電運(yùn)行這種實(shí)物難以實(shí)現(xiàn)、危險(xiǎn)度高、內(nèi)容不易想象理解的課程，虛擬仿真技術(shù)即節(jié)省資金，又生動(dòng)形象，大大幫助了學(xué)生理解，幫助了教師實(shí)施教學(xué)。當(dāng)增加了VR技術(shù)以及豐富了仿真內(nèi)容后，使得教學(xué)效果更加擴(kuò)展，如何將技術(shù)充分利用，讓教學(xué)設(shè)計(jì)更加合理有效，更加適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展是教師們不同于傳統(tǒng)教學(xué)需要更多去思考的內(nèi)容。

【參考文獻(xiàn)】

[1]戴士弘.職業(yè)院校整體教改[M].北京：清華大學(xué)出版社， 2012.1-16.