陳忠，朱迅德，吳靚

（廣東水利電力職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510635）

0 引言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國電網(wǎng)的規(guī)模越來越大，電壓等級不斷上升，電力系統(tǒng)新技術新設備的投入也越來越多。電力系統(tǒng)快速發(fā)展的同時，對電力系統(tǒng)運行安全、電力運維人員的專業(yè)素質提出了更高的要求。為了提高現(xiàn)場試驗人員的素質，培養(yǎng)更多的符合電力系統(tǒng)發(fā)展的專業(yè)素質人才，電力系統(tǒng)部門普遍加大了培訓工作力度，投入巨資建立了培訓基地。大專院校的電氣工程專業(yè)也相繼開設了電氣設備高壓試驗課程，建立了電氣試驗實驗室。然而，目前我國高壓試驗技術培訓與技能鑒定工作還存在很多問題。現(xiàn)行的電氣設備高壓試驗培訓與技能鑒定主要是集中在室內進行理論培訓和一般基地進行技能培訓等形式。由于被試設備、試驗儀器、試驗方法種類繁多,試驗環(huán)境千變萬化，一般的基地難以滿足技能培訓與技能鑒定工作要求，在一般高等院校更難滿足試驗要求[1-3]。

電氣設備高壓試驗有明顯的特殊性，試驗電壓等級高，試驗種類、試驗設備繁多，試驗內容覆蓋面廣，實驗室建設投入巨大，使得現(xiàn)場培訓存在可預見性和不可預見性的困難。比如由于經(jīng)費的限制，實驗室可培訓的試驗內容就較少，達不到完整的試驗培訓效果[4-6]；或者由于培訓現(xiàn)場的條件限制，難以真實的模擬現(xiàn)場試驗背景，難以模擬所有的設備缺陷類型，造成培訓與技能鑒定效果非常不理想，很難實現(xiàn)真正意義的培訓與技能鑒定。另外，傳統(tǒng)的現(xiàn)場技能培訓與鑒定模式需要到指定場所鑒定，不能靈活的選擇時間、項目、工種進行技能考評；鑒定與考評場地需要需占用大量場地，配備各種試驗設施以及監(jiān)考人員和輔助人員，使得費效比很低；而且在培訓和技能鑒定過程中有人為因素影響，使得考評客觀性難以得到保證。

電氣設備高壓試驗三維仿真培訓系統(tǒng)的研發(fā)，解決了以上傳統(tǒng)模式的培訓和評定方式中存在的問題。它費效比高[7-10]，有著安全的試驗環(huán)境，豐富的現(xiàn)場試驗背景。試驗種類繁多，包含了所有的110 kV變電站關鍵設備預防性試驗和配網(wǎng)關鍵設備預防性試驗，能模擬任何試驗現(xiàn)場試驗條件和試驗背景，而且能靈活的選擇試驗時間和試驗種類。最重要的是在培訓過程中能保證培訓人員的人身安全和設備安全。因此，電氣設備高壓試驗三維仿真培訓系統(tǒng)是對傳統(tǒng)的培訓與技能鑒定模式進行改革，具有很強實用性，可以廣泛的推廣應用在電氣設備高壓試驗培訓中[11-13]。

1 系統(tǒng)的研究方向

以《國家電網(wǎng)公司生產(chǎn)技能人員職業(yè)能力培訓專用教材：電氣試驗》為指導，以一個真實110 kV變電站和一條10 kV配網(wǎng)線路進行建模，采用交互式仿真方式研發(fā)一套“電氣設備高壓試驗三維仿真系統(tǒng)”軟件。對變電站等典型設備進行絕緣預防性試驗進行模擬仿真，展現(xiàn)電氣試驗的標準化流程和風險措施等，讓電力從業(yè)人員在三維場景中操作，操作時會有標準化流程的列表提示，操作正確后會播放三維動畫和風險措施的語音提示，所有設備的狀態(tài)都完全還原現(xiàn)實，讓電力從業(yè)人員一目了然的掌握流程和注意事項。

1）建立真實的試驗環(huán)境。按照1:1的比例在三維環(huán)境中創(chuàng)建試驗環(huán)境，比如：110 kV變電站的站內建筑，站內所有的設備，根據(jù)電壓等級劃分有10 kV電壓等級的線路設備，35 kV電壓等級的線路設備，110 kV電壓等級的線路設備等環(huán)境。10 kV配網(wǎng)線路周邊環(huán)境，10 kV線路柱上變壓器，水泥桿，柱上聯(lián)絡開關，開關或變壓器的接地裝置，環(huán)網(wǎng)柜，箱變等設備。開閉所內高壓柜，低壓柜，高壓柜的型號，設備編號，高壓柜的繼電保護室，小車斷路器室，電纜室，小車斷路器，電纜等開閉所內電氣運行設備。

2）模擬設備狀態(tài)。比如變電站內110 kV六氟化硫斷路器開關狀態(tài)，斷電后接地狀態(tài)，線路停電后掛接地線狀態(tài)，設備試驗時接線狀態(tài)；配網(wǎng)變壓器試驗狀態(tài)，聯(lián)絡開關停電檢修狀態(tài)，其接地裝置試驗狀態(tài)，試驗連線狀態(tài)；開閉所內高壓柜、低壓柜運行和檢修狀態(tài)，發(fā)生故障以后高壓柜、低壓柜各種指示燈的狀態(tài)；試驗時高壓柜、低壓柜斷路器開關狀態(tài)，接地狀態(tài)；電纜試驗接線的狀態(tài)等。

3）模擬試驗設備動作。比如測量設備的絕緣電阻時，搖表的動作，對被測設備放電的動作，試驗連線、拆線的動作。測量設備交流耐壓時，耐壓控制箱控制電壓電流對設備升壓、降壓的動作，試驗后對設備放電的動作。

4）模擬設備故障狀態(tài)。比如交流耐壓試驗過程中出現(xiàn)設備擊穿、閃絡等故障。

5）實現(xiàn)實操考核和理論考核。理論考核和實操考核功能，對學員的理論學習和實際操作學習效果進行檢驗和評估。提高運行人員的技術水平和管理水平，運行人員職業(yè)能力鑒定考試能力，使其獲得從事職業(yè)資格準入證。

仿真過程的設計充分考慮電力運行部門和管理部門對員工素質的需求，使受訓人員通過培訓不但可以掌握具體設備的知識和技能，而且能從理論上對高壓試驗的特點和要求有比較深入的理解，即力求使受訓人員掌握怎樣做，理解為什么這樣做，明白這樣做的作用和結果。

2 系統(tǒng)設計標準

本系統(tǒng)依據(jù)《發(fā)電廠及變電站電氣設備》《電氣設備運行與維護》《高電壓技術》等教學大綱實驗實訓要求，全真模擬電氣設備高壓試驗內容。遵循《國家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程》的規(guī)定，以滿足電氣設備高壓試驗培訓，全真模擬110 kV變電站和配網(wǎng)線路電氣設備高壓試驗內容。

3 系統(tǒng)采用的技術

3.1 三維建模技術

在三維建模中應遵循以下原則[14]：

1）真實合理。三維建模實際上是對現(xiàn)實事物的展示，所以在建模過程中應該真實的反應事物的特征，維持事物固有的空間信息及自身特點，保證事物的物理關系。

2）主次分明。在三維建模的過程中應該突出主體，保證主體在整個場景中的展示效果。同時可以適度降低輔助物體的精度，從而體現(xiàn)出整體環(huán)境的主次。

3）建模簡單明了，精細程度適宜。如果在三維建模中，建模過于復雜，模型和場景過于精細，數(shù)據(jù)量過于龐大，就可能無法重現(xiàn)現(xiàn)實中的環(huán)境。所以在三維系統(tǒng)中，應該在保證必須的模型質量的情況下做到數(shù)據(jù)量盡量小，以保證三維模型應用的效果。

4）整體統(tǒng)一。如果同一區(qū)域地塊內，出現(xiàn)兩種及其以上的不同色相地物，其基本原則是以區(qū)域內大面積色調為主色調，個別不同色相地物與主色調相協(xié)調（采用降低突出顏色的飽和度、調整色相以偏向主色調方式）來達到整片區(qū)域的和諧統(tǒng)一。如果同一區(qū)域地塊內，個別地物明度過度突出以致曝光，其基本原則是以區(qū)域內整體明度為中間明度，曝光地物通過降低明度的從而方式向中間明度靠攏。如果出現(xiàn)個別地物明度太低而以致過度偏黑，其基本原則是以區(qū)域內整體明度為中間明度，偏黑地物通過提高明度的方式從而向中間明度靠攏。

3.2 Unity3D游戲引擎進行交互功能的開發(fā)

Unity3D是一個3D開發(fā)工具和游戲引擎套件，其中包括了圖形、音頻、物理、網(wǎng)絡等多方面的引擎支持，并且有一個非常強大的編輯器來整合這一切。Unity3D使用Mono作為腳本引擎的虛擬機，并以C#或者一種類似JavaScript的語言為腳本語言。Unity3D是一款跨平臺的游戲開發(fā)工具，從一開始就被設計成易于使用的產(chǎn)品。用Unity3D作為虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺，開發(fā)效率高，效果逼真，交互能力強，數(shù)據(jù)量小。

使用Unity3D開發(fā)電氣設備高低壓倒閘操作三維仿真系統(tǒng)充分的使用Unity3D高效、易用等優(yōu)秀特性：

1）Unity3D與三維建模軟件很好的對接，可以直接導入Fbx模型文件，模型導入到Unity3D引擎過程完全是自動完成，不需要再做第三方軟件的格式轉換。

2）Unity3D集成了豐富的燈光，動畫，粒子，物理效果，開發(fā)人員不用編輯大部分內容，就可以直接使用。

3） Unity3D編寫和使用交互程序十分簡單。只需要新建一個腳本文件，把執(zhí)行交互動作的代碼編輯成一個函數(shù)，然后把腳本拖拽到需要交互的模型上，然后運行Unity3D就能檢驗交互結果。

4 系統(tǒng)的功能模塊

系統(tǒng)功能模塊圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖Fig.1 System function module figure

4.1 10 kV配網(wǎng)高壓試驗三維仿真模塊

此模塊為10 kV配網(wǎng)關鍵設備預防性試驗提供了一條10 kV配網(wǎng)線路作為背景的試驗環(huán)境，其環(huán)境有室外線路環(huán)境和開閉所內部試驗環(huán)境。提供了仿真試驗需要的任務向導功能，工具選擇功能，現(xiàn)場試驗功能。

1）任務向導功能。由于配網(wǎng)試驗設備眾多，針對設備又有很多種試驗方法和試驗內容，具體的試驗標準和試驗結果又不一樣，任務向導就是引導系統(tǒng)使用者根據(jù)設備選擇相對應的試驗。

2）工器具選擇動能。通過工器具選擇，加強受訓人員的安全意識，掌握安全工器具的檢驗方法，判斷工器具是否能正常工作，分辨工作中需要佩戴的安全工器具的種類，針對不同的設備需要準備相對應的試驗工具。比如不同的設備測量絕緣電阻，就需要不同電壓等級的絕緣電阻表。

3）現(xiàn)場試驗功能。此功能是仿真試驗過程模塊，進入此模塊就進入試驗操作的虛擬場景，在此場景可以觀看現(xiàn)場的設備運行狀態(tài)，試驗設備的工作狀態(tài)，可以按照試驗步驟對設備進行試驗操作。

4.2 110 kV變電站高壓試驗三維仿真模塊

此模塊為110 kV變電站關鍵設備預防性試驗提供了一個仿真背景環(huán)境和試驗操作功能。其環(huán)境有變電站內部各種設備，比如母線，變壓器，斷路器，電壓互感器，電流互感器，隔離開關，避雷器等。提供了仿真試驗需要的任務向導功能，工具選擇功能，現(xiàn)場試驗功能。

1）任務向導功能。由于變電站內試驗設備眾多，針對設備又有很多種試驗方法和試驗內容，具體的試驗標準和試驗結果又不一樣，任務向導就是引導系統(tǒng)使用者根據(jù)設備選擇相對應的試驗。

2）工器具選擇動能。通過工器具選擇，加強受訓人員的安全意識，掌握安全工器具的檢驗方法，判斷工器具是否能正常工作，分辨工作中需要佩戴的安全工器具的種類，針對不同的設備需要準備相對應的試驗工具。

3）現(xiàn)場試驗功能。此功能是變電站仿真試驗過程模塊，進入此模塊就進入高壓試驗操作的變電站虛擬場景，在變電站場景可以觀看變電站內設備運行狀態(tài)，試驗設備的工作狀態(tài)，可以按照試驗步驟對設備進行試驗操作。

4.3 電氣設備高壓試驗在線考核模塊

此模塊是對電氣設備高壓試驗培訓效果的檢驗，主要是針對試驗過程中試驗參數(shù)，試驗安全工器具的選擇，試驗結果判斷等理論內容的考核。

5 系統(tǒng)試驗三維仿真具體實現(xiàn)

系統(tǒng)試驗內容主要包含變壓器，斷路器，電流互感器， 避雷器，電纜等關鍵設備的預防性試驗，試驗的三維仿真采用的是相同的技術方案，區(qū)別只是試驗內容不同。下面通過變壓器絕緣電阻測量試驗為例，建立電氣設備高壓試驗三維仿真培訓系統(tǒng)。

5.1 建立試驗系統(tǒng)的三維虛擬環(huán)境

根據(jù)110 kV變電站的布局，使用3DMAX按照1:1的比例創(chuàng)建變電站三維模型，試驗儀器模型。由于需要考慮系統(tǒng)運行效率，保證流暢的運行三維交互仿真，需要把變電站模型分為低精度模型和高精度模型兩類。變電站中不需要做試驗的設備使用低精度模型,做試驗的設備或者需要重點展示的設備使用高精度模型，單個高精度模型的面數(shù)控制在3萬面以內。如圖2和圖3中，需要做試驗的設備是變壓器，使用高精度變壓器模型，遠處隔離開關、斷路器使用低精度模型。

5.2 實現(xiàn)變壓器絕緣電阻測量試驗三維仿真

圖2 110 kV變電站俯視圖Fig.2 110 kV substation overview

圖3 變壓器模型Fig.3 Transformer model

變壓器絕緣電阻測量試驗三維仿真模擬下列試驗流程：① 選擇試驗任務；② 選擇工器具，包括安全工器具和試驗儀器；③ 高壓試驗。

5.2.1 選擇試驗任務

打開Unity創(chuàng)建選擇試驗任務的場景（Scene），如圖4所示，然后在場景中創(chuàng)建任務列表和任務說明窗口。任務列表包含多個Button控件，每個Button代表一個試驗任務，在Button的Label控件中填寫試驗名稱，為Button控件添加一個NGUΙ類型的UΙButton Message腳本用來響應Button的點擊事件。在響應Button點擊事件的函數(shù)中，實現(xiàn)試驗目的的說明。

圖4 任務選擇界面Fig.4 Task selection interface

5.2.2 選擇工器具

建立一個試驗工具分類列表XML配置文件，在XML文件中按照試驗分類列舉每個高壓試驗所需的安全工器具和試驗儀器。

圖5 工器具選擇Fig.5 Selection of tools

在Unity中創(chuàng)建一個工具選擇場景（Scene）,在場景中創(chuàng)建兩個工器具列表和一個用來渲染三維模型的Render Texture紋理。一個工器具列表（List1）顯示所有的的安全工器具和試驗儀器，另一個工器具列表（List2）顯示被選中的工器具。通過給工器具列表中的工器具添加NGUΙ插件中包含的已有的DragDropΙtem.cs腳本和UΙButtonMessage.cs腳本，使工器具具有拖拽功能，當列表List1中的工器具被拖拽到列表List2中的時候，List1刪掉被拖拽的工器具，List2中添加被拖拽進來的工器具。當工器具選擇完畢以后，把List2中的工器具和試驗工具分類列表XML文件中當前試驗所需工器具進行對比，如果是一樣的，就說明工器具選擇正確，如果不一樣，就說明選擇錯誤，需要重新選擇，如圖5所示。

5.2.3 高壓試驗

分析整個試驗過程中所有設備儀器的動作。變壓器絕緣電阻測量試驗中，兆歐表的手柄在兆歐表短路和開路自測時分別按照順時針每分鐘20轉和每分鐘120轉勻速轉動。測量三繞組變壓器不同電壓等級的絕緣電阻時，兆歐表的指針旋轉的角度也不相同。根據(jù)以上分析結果，在3DMax或者Maya中制作兆歐表手柄和指針的旋轉動畫，完成動畫以后導出為.FBX格式的文件。

分析試驗過程中設備運行狀態(tài)，不同試驗階段，設備的運行狀態(tài)不同，有的設備狀態(tài)是下一步試驗的必要條件。比如安全圍欄的狀態(tài)是收攏未展開狀態(tài)，就不能進行下一步試驗；試驗儀器與設備之間的連線不正確，就不能進行測量操作。分析試驗過程中設備運行狀態(tài)，與試驗步驟相對應，確認每一步試驗的必要條件。分析完畢后，編寫試驗步驟以及與之對應的設備狀態(tài)列表。

在Unity中創(chuàng)建變壓器絕緣電阻測量試驗場景(Scene)，導入試驗系統(tǒng)的三維虛擬環(huán)境，即變電站三維模型；添加天空盒(skybox)的材質，添加Directional Light并調整其參數(shù)，改變光照強度和方向；導入.FBX格式的動畫文件。至此，建立起一個完整的靜態(tài)三維虛擬試驗環(huán)境。

向變壓器絕緣電阻測量試驗場景中添加C#腳本，使靜態(tài)三維虛擬試驗環(huán)境中的設備運行起來，實現(xiàn)人機交互功能。虛擬試驗環(huán)境中添加腳本，可響應鼠標點擊事件、可播放預制動畫。首先確定被點擊的模型添加了物理屬性 BoxCollider，然后添加消息傳遞組件UΙButtonMessage，編寫鼠標點擊事件的函數(shù)，給 UΙButtonMessage組件的 FunctionName屬性賦值為鼠標點擊事件的函數(shù)名。使用Unity3D自帶的動畫播放函數(shù)animation.play播放設備動畫。如果設備只是簡單的旋轉、位移動作，使用Unity3D自帶的transform.Rotate函數(shù)可以使設備旋轉，transform.Translate使設備位移。

圖6 110 kV SF6斷路器絕緣電阻測量試驗現(xiàn)場Fig.6 110 kV SF6 circuit breaker insulation resistance measurement test site

圖7 110 kV SF6斷路器交流耐壓試驗現(xiàn)場Fig.7 110 kV SF6 circuit breakers AC voltage resistance test site

圖8 110 KV 電流互感器交流耐壓試驗現(xiàn)場Fig.8 110 KV current transformer AC pressure resistance test site

電氣設備高壓試驗三維仿真培訓系統(tǒng)的其他內容，如六氟化硫斷路器，絕緣子串，變壓器，避雷器，電流互感器，絕緣油的高壓試驗仿真均按照前面的流程進行開發(fā)。試驗仿真場景如圖6、圖7和圖8所示。

5.3 試驗系統(tǒng)整合

完成所有設備高壓試驗仿真以后進行試驗系統(tǒng)整合，系統(tǒng)整合的過程就是把前面創(chuàng)建的一個個單獨的場景(Scene)整合在一個工程文件中。當一個場景(Scene)中的操作完成以后進入另一個場景(Scene),使用Applicationg.Loadlevel()函數(shù)進行場景（Scene）加載。比如：在任務選擇場景中選擇變壓器絕緣電阻測量試驗，下一步選擇試驗所需的安全工器具和試驗儀器，調用場景加載函數(shù)Application.LoadLevel()進入工器具選擇場景(Scene)；選擇正確的工器具后，調用Application.LoadLevel()進入變壓器絕緣電阻測量試驗場景進行試驗。

6 結論

電氣設備高壓試驗三維仿真系統(tǒng)的研發(fā)內容覆蓋了110 kV變電站關鍵設備試驗和10 kV配網(wǎng)關鍵設備試驗過程的仿真培訓。實現(xiàn)了變電站內關鍵設備和配網(wǎng)線路關鍵設備高壓試驗實操考評與技能鑒定，配合電氣試驗在線考核系統(tǒng)實現(xiàn)電氣設備高壓試驗全方位教學培訓。系統(tǒng)具有以下特點：

1）系統(tǒng)完全仿真模擬電氣設備試驗過程，設置不同的試驗背景條件，設置不同的設備故障，安全不受時間、空間、設備影響地進行學習和考核。

2）以電氣設備高壓試驗過程為主要教學內容，穿插被試設備和試驗設備的原理、結構和試驗導則、規(guī)程，將理論和操作結合起來，有利于提高試驗人員的操作技能和分析判斷能力。