電力計量回路虛擬現實培訓系統研究范文

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摘要：電力計量在電力系統發送、輸出、供電過程中有著重要作用，電力計量回路一旦出現故障，就會嚴重影響電力供應。為此，電力系統需要消耗大量的人力物力資源對員工進行定期培訓。傳統的現場培訓模式不僅效率低下，而且存在安全隱患，使用虛擬現實技術以解決這一問題。首先生成計量系統常見模型，然后搭建三維教學環境，使用語音技術設計交互模式和考試模式。該系統降低80%的培訓時間成本，提高了培訓效率，方便學員進行系統培訓和考核。

關鍵詞：電力計量回路；虛擬現實；模擬操作；培訓系統

引言

電力計量是電力系統發送、輸出、供電工程中至關重要的環節，電能計量的準確性決定電能是否能合理調度，滿足生產與生活需求［1-2］。電能計量不但是電力市場交易和營銷的基本技術支撐和基礎數據來源，同時也是生產技術單位判斷設備是否經濟運行的基礎數據來源。通過準確的計量核算，可以分析電力變壓器等電網設備損耗是否超過允許值，對高損耗電網設備可進行處理或更換，降低單位能耗［3-4］。然而在現實生活中，由于設備的自然損耗、人為破壞、自然災害等因素，電能計量回路故障時有發生。為了在發生故障后迅速恢復正常供電，電力部門需要耗費大量的人力物力進行培訓工作。目前，國家電網公司營銷裝表接電專業主要培訓方式是理論講授與現場操作相結合。梁永昌等［5］設計一個多功能裝表接電培訓裝置，集成了裝表接電、錯誤接線的培訓功能；岳瑞華等［6］基于專家系統，從計量學培訓的意義和方法論述了計量培訓系統；祝唯微等［7］在分析電力計量系統工作原理和檢測原理基礎上，通過和BP網絡診斷測試對比進行電力計量故障診斷及仿真研究；古麗華［8］對接線位置和狀態等問題進行深入分析，優化檢查技術方法，進一步提升計量準確性；單增禮等［9］通過論述當前供電企業使用電力計量裝置過程中發生的常見問題，對其產生原因進行分析，給出相關監測方法，促進電力計量及監測的自動化建設。隨著時代的發展，社會對安全生產及施工質量越來越重視，對營銷計量裝表接電現場作業要求也越來越高。而傳統營銷計量培訓主要以正確導向為原則，一些現場計量事故往往通過視頻錄像等資料來復現，且現場事故資料不齊全，很難形成系統性影像，這不利于后續對故障進行分析。電力系統的事故具有極大的危險性和破壞性［10-11］。各類安全隱患的排查顯得極為重要。營銷計量現場具有分布廣、數量多、涉及范圍大等特點，這迫使營銷裝表接電培訓方式進行改革。計算機技術和虛擬現實（VirtualReality，以下簡稱：VR）技術的快速發展使模擬現實環境實時動態顯示三維立體逼真圖像［12-13］成為可能。通過基于VR技術的模擬仿真及故障再現技術，還原實際操作工況，通過故障模擬、動態展示，對一線人員進行施工規范培訓，避免因操作失誤導致人身傷亡及經濟財產損失。本文在高、低壓領域借助計算機技術、虛擬現實技術對電力計量回路裝置、原理構成及接線方法等進行模擬操作與培訓，通過構建一個與實際電力計量回路原理、裝置構成、接線方法無限接近的虛擬環境，利用720°沉浸式互動體驗，完成對接線方法操控與模擬演練；開發了教學演練、故障排除、模擬考試3個模式，對受訓者進行訓練與考核，實現零風險、低成本的培訓效果。

1虛擬現實培訓系統

1.1虛擬現實技術

虛擬現實技術是20世紀末興起的一門嶄新的綜合性信息技術，它融合了數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、傳感器技術等多個信息技術分支，大大推進了計算機技術的發展。虛擬現實，并不是真實的世界，而是一種可交互的環境，人們通過計算機等各種媒介進入該環境與之交流和互動。從超脫不同的應用背景來看，虛擬現實技術是把抽象、復雜的計算機數據空間轉化為直觀的、用戶熟悉的事物，實質是提供一種高級的人機接口。利用VR技術產生的局部世界是人造和虛構的，但當用戶進入這一局部世界時，在感覺上與現實世界卻是基本相同的。因此，虛擬現實技術改變了人與計算機之間枯燥、生硬和被動的現狀，給用戶提供了一個趨于人性化的虛擬信息空間。虛擬現實是一種最有效模擬人在自然環境中視、聽、動等行為的高級人機交互技術，它以模擬方式為使用者創造了一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維圖像世界，在視、聽、觸、嗅等感知行為的逼真體驗中，使參與者直接參與和探索虛擬對象所處環境。虛擬現實技術是多種技術的結合，包括實時三維計算機圖形技術、寬視野廣角立體顯示技術，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術以及觸覺反饋系統，網絡傳輸、語音輸入輸出技術等［14］。它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合、交互式的三維動態視景和實體行為系統仿真，使用戶沉浸到該環境中［15］。

1.2系統模型建立

首先通過三維建模，構建與實物1：1比例的開關柜柜體、電流互感器、電壓互感器、接線盒、電能表（三相四線制、三相三線制等）、電能采集終端等仿真模型，并最大程度還原產品本身的顏色與紋理，為后續搭建系統場景做準備［16-17］。采用可復現技術，對可能出現的各種故障類型進行數據庫維護和仿真輸出，形成具有指導意義的可視化產出，便于后期教學培訓。圖1為現場計量柜設備仿真示意圖，圖2展示了電能計量線路中的三相三線智能電能表。

1.3模型搭建場景

通過生成系統中的各個單獨模型，按照實際現場培訓方式將它們組成一套完整的計量裝置并放置在專用計量柜內，構建出一個專用計量場景。本文分別實現了電力計量的所有方式，包括高供高計計量方式、高供低計計量方式以及低供低計計量方式，分別將3種方式展示如圖3所示［18-20］。3個場景的培訓模式全部采用“語音、文字引導”和“虛擬特效”方式，語音播報每個設備時，時間間隔保證3秒鐘，讓用戶有停頓觀察時間。在語音播報設備名稱時，對應設備疊加突出特效和設備名稱，用戶可直觀認識對應設備。通過上述方式模擬裝表接電主要操作步驟，讓學員在虛擬的場景中自行完成對相關知識的掌握和運用，最終將整個現場場景配置為一個720°視角的虛擬仿真場景，虛擬場景尺寸為10m×5m×6m的教室，如圖4所示。

2培訓交互

學員佩戴VR頭鏡，沉浸在構建的虛擬教室場景中進行觀察，同時配備有語音提示，可根據語音提示完成相應的虛擬線路選擇、連接和故障排查等教學培訓［21-23］，交互場景如圖5所示。當需要完成A相電壓采樣信號接線時，受訓者需要根據語音提示“連接A相電壓型號Ua：A相電壓互感器二次端子a至接線盒A相電壓槽”、“連接A相電壓信號Ua：接線盒A相電壓槽至電表2#接點”，完成A相電壓從電壓互感器二次側——接線盒——電表的兩根線自動連接，虛擬線路連接如圖6所示。培訓模式內，系統具有暫停和重新開始等功能。學員可以選擇“暫停/繼續”按鈕，暫停或者繼續培訓內容，或者點擊“重新開始”按鈕從頭開始進行培訓。在進行裝表接電操作時，需要按照標準與規范選擇正確的顏色與線徑導線，如A、B、C三相連接導線分別選用黃、綠、紅色單股銅芯導線，零線可選用藍色或者黑色單股銅芯導線，接地線為黃綠雙色線。RS485通訊導線，紅色代表正極性端、藍色代表負極性端。對于導線線徑選擇，電流連接導線須選用4mm2及以上規格導線，電壓連接導線須選用2.5mm2及以上規格導線，RS485通訊線選用0.75mm2專用通訊線。電壓、電流互感器至聯合接線盒間的模擬接線操作：首先連接電壓互感器至接線盒的電壓導線，三相三線電壓互感器采用V/V接線。各種操作如下：①連接A相電壓線：連接A相電壓互感器二次端子a至接線盒A相電壓槽；②短接B相電壓線：連接A相電壓互感器二次端子b（或x）至C相電壓互感器二次端子a并工作接地；③連接B相電壓線：連接A相電壓互感器二次端子b（或x）至接線盒B相電壓槽；④連接C相電壓線：連接C相電壓互感器二次端子b（或x）至接線盒C相電壓槽［24-26］。然后連接電流互感器至接線盒的電流導線，該步驟采用兩相四線制接法。最后將A、C相電流互感器二次端子1S2分別保護接地。系統還具有考試和故障模式。在考試模式中，語音提示被關閉，學員進行實際操作訓練。根據掌握的作業流程進行接線作業，完成后提交，系統自動判斷是否正確，如果錯誤會給予相關提示引導學員糾正。當系統切換到故障模式時，培訓系統會隨機生成錯誤線路由學員進行修正，學員通過所學內容進行判別，然后將錯誤的線路修正。該系統基于現場無法再現的故障現象，通過動態展示裝表接電流程，結合故障現象和二次運行信息反推一次運行關系，形成營配數據貫通一致的重要節點性典型經驗。

3系統優勢

本文使用虛擬現實技術將原來的電力計量回路培訓模式場景模擬生成為虛擬現實環境，與現場培訓方式比較具有如下優勢：（1）傳統現場培訓模式需要學員親自動手操作，而現場帶電操作就有可能發生事故，極具危險性。虛擬現實培訓系統只需佩戴VR頭顯設備就可輕松進行學習，避免了現場危險操作，有效避免事故發生，使培訓變得安全可控。（2）現場培訓通常需要調動大量的師資力量并采購相關操作設備，耗費大量的人力和物力資源。而虛擬現實培訓系統可以提前將培訓內容和考試內容錄入操作系統，配有語音提示和糾錯功能，學員可根據語音提示完成相應的教學培訓，完成虛擬線路的選擇、連接和故障排查等操作，不僅節省了大量的師資，而且學員可以隨時隨地學習。因此，本文開發的培訓系統相較于傳統培訓更有效更便捷。一般學員要熟悉各種電力計量場景至少需要數月甚至更長的時間，該系統極大縮短了這一周期，可縮短至1個月左右。（3）傳統培訓模式中，學員只能接觸到局部設備。本培訓系統能夠生成720°的全景虛擬環境，通過佩戴VR頭顯設備，學員能感受到如同現實環境中的各種設備，因而能全面系統地了解電力計量回路的整體構造和工作原理。另外，虛擬現實培訓系統可方便地編輯培訓和考試內容，將硬件操控與軟件邏輯控制相互配合，實現零延遲模擬接線操作，具有更高的可拓展性。

4結語

傳統營銷計量專業培訓主要以正確導向為原則，一些現場計量事故往往都是通過視頻錄像等資料來復現，現場事故資料不齊全，很難形成系統性影像。針對上述狀況，本文通過虛擬現實技術構建了電能計量過程中各個裝置的實體仿真模型，將這些模型組成虛擬環境模擬現實培訓場景，實現了一種模擬電力計量回路原理的培訓系統。該系統只需學員佩戴VR頭鏡，根據語音提示即可隨時隨地進行學習和考試，具有更高的安全性和便捷性，培訓成本低，具有重要的現實意義，值得推廣。

作者：曹永進 劉釗 范祺紅 曹雪瑋 許劍 郝愛山 單位：國網天津市電力公司城南供電分公司營銷部