高低压供配电系统综合实训装备的研制

胡永胜

摘 要：本文针对高低压供配电系统操作维护训练中缺少实装的实际需求，综合采用虚拟现实、信息采集、人机交互和硬件仿真等技术，运用模块化设计理念，研制了一套高低压供配电系统综合实训装备，实现了高低压供配电系统运行原理仿真演示、模拟供配电系统供电模式转换与系统常见故障，并通过信息管理平台远程监测供配电系统故障状态，为高低压供配电系统运行试验、操作使用、维护保养、故障排除等电工技能训练与鉴定考核提供支撑。

关键词：供配电系统；综合实训装备；技能培养；教学训练

一、研究背景

高低压供配电系统是城市电网的核心组成部分，其操作与维护能力是电工高级工与技师专业技能形成的重要基础，但该系统结构复杂，集成度高，設备造价昂贵，而用于企业专项训练和职业院校教学训练的模拟训练装备和虚拟仿真训练系统比较缺乏。同时，从事日常电气设备维护的人员一般对高低压供配电系统运行原理比较陌生，难以形成较强的高低压供配电系统操作维护与故障排除技能。为解决电工培训学生在高低压供配电系统操作维护教学训练中的难点问题，改善教学训练保障条件，实现高低压供配电系统“教学做”一体化，提高学生的实装化操作维护技能，研制了一套贴紧工作实际的高低压供配电系统综合实训装备。

该项目完成后，不仅用于电工培训学生的理论教学，填补高低压供配电设备教学内容的不足，增强教学的针对性、直观性；还能够解决学生技能训练的现实需求，节约训练成本，提高训练效益，推动学生技能训练从设备的操作维护向故障分析、设备维修的层次发展，弥补高低压供配电设备维护实训条件的不足。

二、主要研究内容

该综合实训装备主要由高低压配电模拟训练系统、高低压配电柜故障排除实训系统、供配电三维虚拟仿真训练系统三部分组成。

其中：高低压配电模拟训练系统主要包括高压进线柜、高压出线柜、低压进线柜、双电源切换柜、低压出线柜、无功功率补偿柜和母联柜等共计7个模拟训练装置，实现了高低压供配电系统运行原理仿真演示。

高低压配电柜故障排除实训系统对应上面高压进线柜、高压出线柜、低压进线柜、双电源切换柜、低压出线柜、无功功率补偿柜和母联柜模拟训练装置分别配备1个故障排除柜，用于模拟供配电系统供电模式转换与系统常见故障，并通过信息管理平台远程监测供配电系统故障状态。

供配电三维虚拟仿真训练系统主要包括供配电系统简介、外部线路漫游、供配电设备讲解、故障排除训练四个模块。用于实现虚拟操作与模拟装备的无缝连接，即在虚拟软件中能够随机设置控制线路故障，通过三维驱动软件控制模拟装备产生相应故障，操作人员进行实装排故训练，虚拟软件通过故障排除柜监测排故状态给予评分并进行记录。

三、采用关键技术

（一）三维虚拟场景建模与场景优化技术

该系统中核心部分是构建10kV外部架线模型，实现外部漫游。首先对三维虚拟场景区域，采集三维建模所需的相关基础数据，然后再通过三维建模技术建立场景三维模型。其次三维模型需要进一步加工处理，因为一个逼真且流畅的三维虚拟场景不仅要有逼真的模型，而且需要有流畅的运行效果，这就对三维场景模型有了更为严格的要求，模型要尽量优化而且不影响整体效果，三维场景优化技术在这个过程中起到关键作用。最后三维虚拟场景在烘焙处理后，通过三维互动仿真平台进行实时渲染绘制和立体显示，实现交互漫游等功能。

（二）动态实体构建技术

建立好实体模型之后需要进行动态节点的设定，即需要动态建模。要建立一个逼真的虚拟现实系统，需要对模型对象进行交互，这个最主要体现在对模型动态节点的设置。通过在Visual Studio平台下利用C#语言对节点进行控制代码的编写来实现操作者对节点的交互控制。

（三）信息实时处理和串口通信技术

三维虚拟场景通过人机交互界面与实物模拟装备存在着直接的信息传输。利用信息采集装置将实物模拟装备现场产生的状态信息通过网络通信方式实时传送到系统管理平台，再利用C#编程、动态链接库技术与信息采集装置，对实物模拟装备进行实时控制。

四、主要创新点

一是实现高低压供配电系统运行原理仿真演示与虚拟操作、模拟高低压供配电系统常见故障、实现远程故障设置与故障状态监测，并可进行上述系统的运行试验、操作使用、维护保养、故障排除等技能训练，可用于电工高级工、技师等培训学生的理论教学，弥补高低压供配电设备教学条件的不足，增强教学的针对性和直观性；还可解决技能训练的现实需求，推动学生技能训练从设备的操作维护向故障分析的层次发展。

二是该装备采用虚拟现实、三维仿真驱动技术与信息采集、人机交互、硬件模拟技术相结合，运用模块化设计理念，大幅节约训练成本、提高训练效益。该项目设计完善、结构新颖，技术先进，实用可靠，具有极高的训练应用价值和经济效益。

五、解决的主要问题

本项目依据先进性、实用性、系统性的原则，根据高低压供配电系统及设备的组成结构特点，采用虚拟现实、三维仿真驱动技术与信息采集、人机交互、硬件模拟技术等技术手段，实现了对高低压供配电系统及设备基本功能的模拟，以及高低压供配电系统的实装训练功能，达到了在训练系统上实现与实装操作基本一致的演示训练效果，实现了训练装备的全功能设计。训练完全按照实装操作规程进行，可以用于电工高级工、技师等培训学生的教学训练与技能鉴定考核，填补装备教学训练空白，改善电工技能训练保障条件，弥补高低压供配电实训条件不足的突出矛盾，解决电工高级工、技师等培训过程中缺少实装用于教学与训练的问题。

参考文献

[1]任清晨编著.《电气控制柜设计与制作——结构与工艺篇》，电子工业出版社.

[2]任清晨编著.《电气控制柜设计与制作——电路篇》，电子工业出版社.