胡永勝

摘 要：本文針對高低壓供配電系統(tǒng)操作維護訓(xùn)練中缺少實裝的實際需求，綜合采用虛擬現(xiàn)實、信息采集、人機交互和硬件仿真等技術(shù)，運用模塊化設(shè)計理念，研制了一套高低壓供配電系統(tǒng)綜合實訓(xùn)裝備，實現(xiàn)了高低壓供配電系統(tǒng)運行原理仿真演示、模擬供配電系統(tǒng)供電模式轉(zhuǎn)換與系統(tǒng)常見故障，并通過信息管理平臺遠程監(jiān)測供配電系統(tǒng)故障狀態(tài)，為高低壓供配電系統(tǒng)運行試驗、操作使用、維護保養(yǎng)、故障排除等電工技能訓(xùn)練與鑒定考核提供支撐。

關(guān)鍵詞：供配電系統(tǒng)；綜合實訓(xùn)裝備；技能培養(yǎng)；教學(xué)訓(xùn)練

一、研究背景

高低壓供配電系統(tǒng)是城市電網(wǎng)的核心組成部分，其操作與維護能力是電工高級工與技師專業(yè)技能形成的重要基礎(chǔ)，但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集成度高，設(shè)備造價昂貴，而用于企業(yè)專項訓(xùn)練和職業(yè)院校教學(xué)訓(xùn)練的模擬訓(xùn)練裝備和虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)比較缺乏。同時，從事日常電氣設(shè)備維護的人員一般對高低壓供配電系統(tǒng)運行原理比較陌生，難以形成較強的高低壓供配電系統(tǒng)操作維護與故障排除技能。為解決電工培訓(xùn)學(xué)生在高低壓供配電系統(tǒng)操作維護教學(xué)訓(xùn)練中的難點問題，改善教學(xué)訓(xùn)練保障條件，實現(xiàn)高低壓供配電系統(tǒng)“教學(xué)做”一體化，提高學(xué)生的實裝化操作維護技能，研制了一套貼緊工作實際的高低壓供配電系統(tǒng)綜合實訓(xùn)裝備。

該項目完成后，不僅用于電工培訓(xùn)學(xué)生的理論教學(xué)，填補高低壓供配電設(shè)備教學(xué)內(nèi)容的不足，增強教學(xué)的針對性、直觀性；還能夠解決學(xué)生技能訓(xùn)練的現(xiàn)實需求，節(jié)約訓(xùn)練成本，提高訓(xùn)練效益，推動學(xué)生技能訓(xùn)練從設(shè)備的操作維護向故障分析、設(shè)備維修的層次發(fā)展，彌補高低壓供配電設(shè)備維護實訓(xùn)條件的不足。

二、主要研究內(nèi)容

該綜合實訓(xùn)裝備主要由高低壓配電模擬訓(xùn)練系統(tǒng)、高低壓配電柜故障排除實訓(xùn)系統(tǒng)、供配電三維虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)三部分組成。

其中：高低壓配電模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要包括高壓進線柜、高壓出線柜、低壓進線柜、雙電源切換柜、低壓出線柜、無功功率補償柜和母聯(lián)柜等共計7個模擬訓(xùn)練裝置，實現(xiàn)了高低壓供配電系統(tǒng)運行原理仿真演示。

高低壓配電柜故障排除實訓(xùn)系統(tǒng)對應(yīng)上面高壓進線柜、高壓出線柜、低壓進線柜、雙電源切換柜、低壓出線柜、無功功率補償柜和母聯(lián)柜模擬訓(xùn)練裝置分別配備1個故障排除柜，用于模擬供配電系統(tǒng)供電模式轉(zhuǎn)換與系統(tǒng)常見故障，并通過信息管理平臺遠程監(jiān)測供配電系統(tǒng)故障狀態(tài)。

供配電三維虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)主要包括供配電系統(tǒng)簡介、外部線路漫游、供配電設(shè)備講解、故障排除訓(xùn)練四個模塊。用于實現(xiàn)虛擬操作與模擬裝備的無縫連接，即在虛擬軟件中能夠隨機設(shè)置控制線路故障，通過三維驅(qū)動軟件控制模擬裝備產(chǎn)生相應(yīng)故障，操作人員進行實裝排故訓(xùn)練，虛擬軟件通過故障排除柜監(jiān)測排故狀態(tài)給予評分并進行記錄。

三、采用關(guān)鍵技術(shù)

（一）三維虛擬場景建模與場景優(yōu)化技術(shù)

該系統(tǒng)中核心部分是構(gòu)建10kV外部架線模型，實現(xiàn)外部漫游。首先對三維虛擬場景區(qū)域，采集三維建模所需的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后再通過三維建模技術(shù)建立場景三維模型。其次三維模型需要進一步加工處理，因為一個逼真且流暢的三維虛擬場景不僅要有逼真的模型，而且需要有流暢的運行效果，這就對三維場景模型有了更為嚴(yán)格的要求，模型要盡量優(yōu)化而且不影響整體效果，三維場景優(yōu)化技術(shù)在這個過程中起到關(guān)鍵作用。最后三維虛擬場景在烘焙處理后，通過三維互動仿真平臺進行實時渲染繪制和立體顯示，實現(xiàn)交互漫游等功能。

（二）動態(tài)實體構(gòu)建技術(shù)

建立好實體模型之后需要進行動態(tài)節(jié)點的設(shè)定，即需要動態(tài)建模。要建立一個逼真的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，需要對模型對象進行交互，這個最主要體現(xiàn)在對模型動態(tài)節(jié)點的設(shè)置。通過在Visual Studio平臺下利用C#語言對節(jié)點進行控制代碼的編寫來實現(xiàn)操作者對節(jié)點的交互控制。

（三）信息實時處理和串口通信技術(shù)

三維虛擬場景通過人機交互界面與實物模擬裝備存在著直接的信息傳輸。利用信息采集裝置將實物模擬裝備現(xiàn)場產(chǎn)生的狀態(tài)信息通過網(wǎng)絡(luò)通信方式實時傳送到系統(tǒng)管理平臺，再利用C#編程、動態(tài)鏈接庫技術(shù)與信息采集裝置，對實物模擬裝備進行實時控制。

四、主要創(chuàng)新點

一是實現(xiàn)高低壓供配電系統(tǒng)運行原理仿真演示與虛擬操作、模擬高低壓供配電系統(tǒng)常見故障、實現(xiàn)遠程故障設(shè)置與故障狀態(tài)監(jiān)測，并可進行上述系統(tǒng)的運行試驗、操作使用、維護保養(yǎng)、故障排除等技能訓(xùn)練，可用于電工高級工、技師等培訓(xùn)學(xué)生的理論教學(xué)，彌補高低壓供配電設(shè)備教學(xué)條件的不足，增強教學(xué)的針對性和直觀性；還可解決技能訓(xùn)練的現(xiàn)實需求，推動學(xué)生技能訓(xùn)練從設(shè)備的操作維護向故障分析的層次發(fā)展。

二是該裝備采用虛擬現(xiàn)實、三維仿真驅(qū)動技術(shù)與信息采集、人機交互、硬件模擬技術(shù)相結(jié)合，運用模塊化設(shè)計理念，大幅節(jié)約訓(xùn)練成本、提高訓(xùn)練效益。該項目設(shè)計完善、結(jié)構(gòu)新穎，技術(shù)先進，實用可靠，具有極高的訓(xùn)練應(yīng)用價值和經(jīng)濟效益。

五、解決的主要問題

本項目依據(jù)先進性、實用性、系統(tǒng)性的原則，根據(jù)高低壓供配電系統(tǒng)及設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)特點，采用虛擬現(xiàn)實、三維仿真驅(qū)動技術(shù)與信息采集、人機交互、硬件模擬技術(shù)等技術(shù)手段，實現(xiàn)了對高低壓供配電系統(tǒng)及設(shè)備基本功能的模擬，以及高低壓供配電系統(tǒng)的實裝訓(xùn)練功能，達到了在訓(xùn)練系統(tǒng)上實現(xiàn)與實裝操作基本一致的演示訓(xùn)練效果，實現(xiàn)了訓(xùn)練裝備的全功能設(shè)計。訓(xùn)練完全按照實裝操作規(guī)程進行，可以用于電工高級工、技師等培訓(xùn)學(xué)生的教學(xué)訓(xùn)練與技能鑒定考核，填補裝備教學(xué)訓(xùn)練空白，改善電工技能訓(xùn)練保障條件，彌補高低壓供配電實訓(xùn)條件不足的突出矛盾，解決電工高級工、技師等培訓(xùn)過程中缺少實裝用于教學(xué)與訓(xùn)練的問題。

參考文獻

[1]任清晨編著.《電氣控制柜設(shè)計與制作——結(jié)構(gòu)與工藝篇》，電子工業(yè)出版社.

[2]任清晨編著.《電氣控制柜設(shè)計與制作——電路篇》，電子工業(yè)出版社.