杜欣源, 聶萬慶, 劉喜軍

1.山東科技大學 電氣信息系 濟南 250031

2.勝利油田電力分公司 山東東營 257000

1 電力體感培訓系統(tǒng)建設(shè)概況

在開展電力日常操作培訓時,電力設(shè)備處于正常運行中,而電力消缺、搶修需要在帶電情況下進行作業(yè),由此造成培訓與實際作業(yè)存在脫節(jié)。當前需要培訓的人員多,電力企業(yè)無法提供足夠的設(shè)備進行實際訓練,特別是在大規(guī)模災(zāi)難模式下,由于各種條件限制,無法真實還原現(xiàn)場實際情況[1]。針對這一問題,建設(shè)了勝利油田電力體感培訓系統(tǒng),以現(xiàn)實環(huán)境為基礎(chǔ),應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù),實現(xiàn)了跨步電壓體感、人體電擊模擬、高壓開關(guān)柜操作體感、高空墜物體感、安全帶吊掛體感等功能,具有用戶及權(quán)限管理、虛擬現(xiàn)實場景管理、事故體感、仿真操作、數(shù)據(jù)統(tǒng)計五大模塊。勝利油田電力分公司下屬單位較多,并且分布在勝利油田的各個油區(qū),電力體感培訓系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)建設(shè),可以擴大參訓人員范圍,提高培訓效率。

勝利油田電力體感培訓系統(tǒng)與勝利油田電力分公司信息管理系統(tǒng)緊密融合,成為安全培訓管理模塊中的重要組成部分。這一電力體感培訓系統(tǒng)以不同電壓等級變電站和輸電線路、不同規(guī)格低壓配電柜等為典型作業(yè)場景,以變電站和輸電線路事故實訓、電力調(diào)度實訓、電力修試實訓為主要訓練內(nèi)容,構(gòu)建安全事故處理與作業(yè)操練三維虛擬現(xiàn)實環(huán)境。勝利油田電力分公司下屬各單位人員通過計算機或虛擬現(xiàn)實體感設(shè)備,接入勝利油田局域網(wǎng),即可參加培訓。

2 電力體感培訓系統(tǒng)功能

2.1 跨步電壓體感

《電力安全工作規(guī)程》規(guī)定,高壓設(shè)備發(fā)生接地時,室內(nèi)人員應(yīng)距離故障點4 m以外,室外人員應(yīng)距離故障點8 m以外[2-3]。這是因為接地人員跨步行走時,兩腳之間會產(chǎn)生電位差,在距離故障點過近的情況下,會引發(fā)跨步電壓電擊。高壓設(shè)備發(fā)生接地時,現(xiàn)場人員可以采取雙腳并緊跳出跨步電壓區(qū)域的方式安全撤離。電力體感培訓系統(tǒng)使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬室內(nèi)室外兩種場景,通過腿部傳感器對人體進行模擬電擊刺激,使參訓人員在距離接地點的不同位置感受不同的模擬電擊體驗,并在參訓人員并緊雙腳后消除模擬電擊刺激。距離接地點的遠近由參訓人員腿部佩戴的距離感應(yīng)器采集。

跨步電壓室外模擬場景如圖1所示,室內(nèi)模擬場景如圖2所示。電力體感培訓系統(tǒng)具體可以模擬正常行走時進入跨步電壓區(qū)域體感、單只腳著地退出跨步電壓區(qū)域體感、雙腳并攏退出跨步電壓區(qū)域體感,能夠根據(jù)參訓人員與接地點的距離、電壓等級的高低智能模擬跨步電壓的大小,在屏幕上顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖2 跨步電壓室內(nèi)模擬場景

圖1 跨步電壓室外模擬場景

2.2 人體電擊模擬

通過電力體感培訓系統(tǒng)的人體電擊模擬功能,可以深入了解電擊的原理、危害,掌握防止電擊的方法。人體電擊體感功能通過透明模擬人體演示人體電擊時的電流回路,體現(xiàn)人體電擊未形成回路和形成回路時的區(qū)別,并演示不同電擊電流情況下心臟的工作狀態(tài),以及遭受感知電流、擺脫電流和致命電流時人體的不同反應(yīng)。

圖3 人體電擊模擬

2.3 高壓開關(guān)柜操作體感

高壓開關(guān)柜廣泛應(yīng)用于配電系統(tǒng),通過操作高壓開關(guān)柜,可以根據(jù)電網(wǎng)運行需要使電力設(shè)備和線路投入或退出運行,在電力設(shè)備和線路發(fā)生故障時將故障部分從電網(wǎng)中快速切除,從而保證電網(wǎng)中無故障部分的正常運行。錯誤操作高壓開關(guān)柜,會給作業(yè)人員及設(shè)備帶來危害。根據(jù)《電力安全工作規(guī)程》相關(guān)技術(shù)要求,電力體感培訓系統(tǒng)應(yīng)用聲、光、電、煙仿真技術(shù),具備電弧放電、爆炸、跳閘、柜門沖開、聲光報警、語音提示,實現(xiàn)高壓開關(guān)柜操作體感功能,使參訓人員能夠進行高壓開關(guān)柜運行轉(zhuǎn)檢修和檢修轉(zhuǎn)運行過程中的帶負荷拉刀開關(guān)、帶負荷合刀開關(guān)、帶電合接地刀開關(guān)、帶接地刀開關(guān)合斷路器、操作錯誤編號高壓開關(guān)柜、誤入帶電間隔等錯誤操作體感培訓。高壓開關(guān)柜操作體感場景如圖4所示。

圖4 高壓開關(guān)柜操作體感場景

2.4 高空墜物體感

在電力體感培訓系統(tǒng)中,高空墜物體感場景為現(xiàn)實場景,如圖5所示。由控制開關(guān)控制吊掛鋼球,如圖6所示。在氣缸的作用下,鋼球會產(chǎn)生自由落體運動,撞擊在安全帽上。高空墜物體感現(xiàn)場可供三人培訓,參訓人員身高區(qū)間為158～190 cm。

圖6 吊掛鋼球

圖5 高空墜物體感場景

2.5 安全帶吊掛體感

與高空墜物體感相類似,安全帶吊掛體感場景同樣為現(xiàn)實場景,如圖7所示。安全帶吊掛體感功能的作用為使參訓人員在實驗室中體驗處于高空且懸空時的感受,為未來電力施工做好準備[4]。參訓人員系好安全帶,將安全帶一端的鎖扣固定在吊鉤上,確認安全帶穿戴正確,且各項安全措施無誤。由升降裝置將參訓人員提升到一定高度,人體懸掛在半空中,然后脫鉤使參訓人員下落5～10 cm,直至被防墜器和保護繩拉住,再緩慢下落至地面。

圖7 安全帶吊掛體感場景

3 虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)油田電網(wǎng)的實際運行情況,在電力體感培訓系統(tǒng)中建立220 kV、110 kV、35 kV典型變電站和輸電線路虛擬現(xiàn)實培訓場景,實現(xiàn)對油田電網(wǎng)變電站和輸電線路運行、檢修、搶修,以及違章行為與后果的體感培訓。

電力體感培訓系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖8所示。通過建立虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,實現(xiàn)多個終端的同時訪問。可以訪問變電站和輸電線路的虛擬場景,選擇對不同變電站進行不同操作,選擇對不同輸電線路進行不同作業(yè)。通過勝利油田局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)遠程交互功能,確保電力體感培訓不受人員數(shù)量和地域的影響。

4 電力體感培訓系統(tǒng)模塊

電力體感培訓系統(tǒng)包括用戶及權(quán)限管理、虛擬現(xiàn)實場景管理、事故體感、仿真操作、數(shù)據(jù)統(tǒng)計五大模塊,實現(xiàn)對培訓過程的全面管理與統(tǒng)計,用于分析培訓效果。

4.1 用戶及權(quán)限管理

電力體感培訓系統(tǒng)與勝利油田電力分公司信息管理系統(tǒng)相融合,實現(xiàn)賬號通用登錄,并根據(jù)組織機構(gòu)劃分相應(yīng)的系統(tǒng)權(quán)限,對進行培訓的人員進行網(wǎng)絡(luò)實名認證。

4.2 虛擬現(xiàn)實場景管理

根據(jù)不同的仿真操作任務(wù),為參訓人員提供不同的培訓場景,并在場景內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的事故體感,形成一個逼真的虛擬現(xiàn)實操作環(huán)境。參訓人員可以自行選擇操作場景、操作內(nèi)容和事故類型,管理員可以通過后臺添加操作任務(wù)、操作場景、操作內(nèi)容、事故類型等。所有虛擬現(xiàn)實場景均以勝利油田下屬變電站及變電站內(nèi)不同電壓等級、不同型號設(shè)備為基礎(chǔ)構(gòu)建,現(xiàn)實場景與虛擬現(xiàn)實場景無縫連接,如圖9所示[5]。對參訓人員的操作全過程進行記錄、分析,辨識可能存在的風險因素,后期逐步構(gòu)建自分析自研判的智慧安全仿真平臺。

圖9 電力體感培訓系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實場景

4.3 事故體感

設(shè)置事故發(fā)生前背景,使參訓人員通過第一人稱視角和第三人稱視角體驗事故過程,最后進行事故解析,以試題的形式提示事故的直接原因、主要原因和整改措施,使參訓人員強化對電力事故的重視。帶電安裝接地線事故虛擬現(xiàn)實場景如圖10所示。

圖10 帶電安裝接地線事故虛擬現(xiàn)實場景

4.4 仿真操作

根據(jù)不同崗位職責設(shè)置相應(yīng)的安全標準化操作內(nèi)容,使參訓人員嚴格按照安全標準化操作內(nèi)容進行操作,同時配有視覺、聽覺、觸覺提示[6]。以變電站值班員倒閘操作為例,其安全標準化操作內(nèi)容如圖11所示。

圖11 變電站值班員倒閘安全標準化操作內(nèi)容

通過虛擬現(xiàn)實場景模擬操作流程,結(jié)合操作過程中的風險提示和防范措施,在每一個操作節(jié)點根據(jù)規(guī)程要求為參訓人員提供多個場景,使參訓人員進行選擇。當參訓人員選擇違章操作時,系統(tǒng)給出相應(yīng)后果。結(jié)合實際情況編制了工作票據(jù)辦理、設(shè)備日常巡視、設(shè)備缺陷處理、設(shè)備清掃、缺陷處理等的安全標準化操作內(nèi)容,用于電力體感培訓系統(tǒng)的仿真操作。

4.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊得到參訓人員的培訓數(shù)據(jù),包括培訓次數(shù)、培訓時長、具體操作內(nèi)容、操作熟練程度、操作正確率等,基于培訓數(shù)據(jù)可以根據(jù)崗位和工作職責對參訓人員進行有針對性的考核。

5 電力體感培訓系統(tǒng)基本模型

電力體感培訓系統(tǒng)基本模型包括變電站和輸電線路兩部分。在建立基本模型時,先根據(jù)實際設(shè)備型號與電壓等級建立配件數(shù)據(jù)庫。在配件數(shù)據(jù)庫中選取相應(yīng)配件,便可建立基本模型所需的設(shè)備,確保虛擬現(xiàn)實場景中所建立的變電站、輸電線路基本模型與現(xiàn)場一致[7]。

變電站基本模型中,一次設(shè)備包括斷路器、刀開關(guān)、電容器、電抗器、站用變壓器、主變壓器、避雷器等,二次設(shè)備包括保護裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、通信設(shè)備、小電流接地選線設(shè)備等,安全工器具包括絕緣手套、絕緣靴、安全帽、接地線、遮攔、布幔等。

以35 kV輸電線路為例,輸電線路基本模型包括電桿、上導(dǎo)線橫擔、下導(dǎo)線橫擔、上吊桿、下吊桿、二合抱箍、上導(dǎo)線橫擔抱箍、下導(dǎo)線橫擔抱箍、起動精制螺栓、旋轉(zhuǎn)精制螺栓、拉線環(huán)、楔形線夾、UT型線夾、鋼絞線、拉線棒、拉線盤、底盤、懸式絕緣子、直角掛板、球頭掛環(huán)、單聯(lián)碗頭、導(dǎo)線懸垂線夾、導(dǎo)線防振錘、U形掛環(huán)、避雷線懸垂線夾、避雷線防振錘等配件?；诓煌呐浼?可以建立不同的輸電線路基本模型設(shè)備,以電桿為例,可以建立直線單桿/雙桿、耐張單桿/雙桿、轉(zhuǎn)角單桿/雙桿、轉(zhuǎn)角跨越桿等。

6 結(jié)束語

勝利油田電力體感培訓系統(tǒng)以現(xiàn)實環(huán)境為基礎(chǔ),應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù),實現(xiàn)了跨地域的電力體感培訓。通過規(guī)程和操作手冊要求,編制安全標準化操作內(nèi)容,使參訓人員規(guī)范日常操作,并針對違章操作展現(xiàn)對應(yīng)后果,實現(xiàn)正向培訓與逆向培訓的結(jié)合。勝利油田電力體感培訓系統(tǒng)應(yīng)用以來,取得了良好的效果,具有推廣價值。