电力计量回路虚拟现实培训系统模拟

曹永进 刘钊 范祺红

摘 要：电力计量在电力系统发送、输出、供电过程中有着重要作用，电力计量回路一旦出现故障，就会严重影响电力供应。为此，电力系统需要消耗大量的人力物力资源对员工进行定期培训。传统的现场培训模式不仅效率低下，而且存在安全隐患，使用虚拟现实技术可以解决这一问题。首先生成计量系统常见模型，然后搭建三维教学环境，使用语音技术设计交互模式和考试模式。该系统可降低80%的培训时间成本，提高了培训效率，方便学员进行系统培训和考核。

关键词：电力计量回路;虚拟现实;模拟操作;培训系统

DOI：10. 11907/rjdk. 191511 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP319文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2020）008-0178-04

Abstract：
In electric power system， electric power measurement plays an important role in the process of electric power transmit， electric output and electric supply. Once the electric power metering circuit breaks down， peoples daily life will be seriously affected. In order to address the above problem， electric power department takes large amount of resources to carry out training tasks periodically. The tradational on-the-job training pattern is not only inefficient but also has security threat. A training system for simulating electric metering circuit by means of virtual reality technique has been proposed. First， the common model of the power metering system is generated to construct the three-dimensional teaching environment. And the voice technology is used to implement the interaction pattern and exam pattern. The designed training system can improve the teaching efficiency and reduce 80% of time cost.

Key Words：
electric power metering circuit; virtual reality; simulating operation; training system

0 引言

電力计量是电力系统发送、输出、供电工程中至关重要的环节，电能计量的准确性决定电能是否能合理调度，满足生产与生活需求[1-2]。电能计量不但是电力市场交易和营销的基本技术支撑与基础数据来源，同时也是生产技术单位判断设备是否经济运行的基础数据来源。通过准确的计量核算，可以分析电力变压器等电网设备损耗是否超过允许值，对高损耗电网设备可进行处理或更换，降低单位能耗[3-4]。然而在现实生活中，由于设备的自然损耗、人为破坏、自然灾害等因素，电能计量回路故障时有发生。为了在发生故障后迅速恢复正常供电，电力部门需要耗费大量的人力物力进行培训工作。

目前，国家电网公司营销装表接电专业主要培训方式是理论讲授与现场操作相结合。梁永昌等[5]设计一个多功能装表接电培训装置，集成了装表接电、错误接线的培训功能;岳瑞华等[6]基于专家系统，从计量学培训的意义和方法论述了计量培训系统;祝唯微等[7]在分析电力计量系统工作原理和检测原理基础上，通过与BP网络诊断测试对比进行电力计量故障诊断及仿真研究;古丽华[8]对接线位置和状态等问题进行深入分析，优化检查技术方法，进一步提升计量准确性;单增礼等[9]通过论述当前供电企业使用电力计量装置过程中发生的常见问题，对其产生原因进行分析，给出相关监测方法，促进电力计量及监测的自动化建设。

随着时代的发展，社会对安全生产及施工质量越来越重视，对营销计量装表接电现场作业要求也越来越高。而传统营销计量培训主要以正确导向为原则，一些现场计量事故往往通过视频录像等资料复现，且现场事故资料不齐全，很难形成系统性影像，因而不利于后续故障分析。

电力系统事故具有极大的危险性和破坏性[10-11]，因而各类安全隐患的排查显得极为重要。营销计量现场具有分布广、数量多、涉及范围大等特点，要求改革营销装表接电培训方式。计算机技术和虚拟现实（Virtual Reality，以下简称：VR）技术的快速发展使模拟现实环境实时动态显示三维立体逼真图像[12-13]成为可能。利用基于VR技术的模拟仿真及故障再现技术，还原实际操作工况，通过故障模拟、动态展示，对一线人员进行施工规范培训，避免因操作失误导致人身伤亡及财产损失。

本文在高、低压领域借助计算机技术、虚拟现实技术对电力计量回路装置、原理构成及接线方法等进行模拟操作与培训，通过构建一个与实际电力计量回路原理、装置构成、接线方法无限接近的虚拟环境，利用720°沉浸式互动体验，完成对接线方法操控与模拟演练;开发教学演练、故障排除、模拟考试3个模式，对受训者进行训练与考核，实现零风险、低成本的培训效果。

1 虚拟现实培训系统

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实技术是20世纪末兴起的一门崭新的综合性信息技术，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，大大推进了计算机技术的发展。虚拟现实并不是真实的世界，而是一种可交互的环境，人们通过计算机等各种媒介进入该环境进行交流和互动。从超脱不同的应用背景来看，虚拟现实技术可把抽象、复杂的计算机数据空间转化为直观的、用户熟悉的事物，实质是提供一种高级人机接口。利用VR技术产生的局部世界是人造和虚构的，但当用户进入这一局部世界时，在感觉上与现实世界却是基本相同的。因此，虚拟现实技术改变了人与计算机之间枯燥、生硬和被动交互的现状，给用户提供了一个趋于人性化的虚拟信息空间。

虚拟现实是一种最有效模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术，它以模拟方式为使用者创造了一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图像世界，在视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验中，使参与者直接参与和探索虚拟对象所处环境。虚拟现实技术是多种技术的结合，包括实时三维计算机图形技术、宽视野广角立体显示技术、对观察者头、眼和手的跟踪技术以及触觉反馈系统、网络传输、语音输入输出技术等[14]。它利用计算机生成模拟环境，是一种多源信息融合、交互式的三维动态视景和实体行为系统仿真，使用户沉浸到该环境中[15]。

1.2 系统模型建立

首先通过三维建模，构建与实物1∶1比例的开关柜柜体、电流互感器、电压互感器、接线盒、电能表（三相四线制、三相三线制等）、电能采集终端等仿真模型，并最大程度还原产品本身的颜色与纹理，为后续搭建系统场景作准备[16-17]。采用可复现技术，对可能出现的各种故障类型进行数据库维护和仿真输出，形成具有指导意义的可视化产出，便于后期教学培训。图1为现场计量柜设备仿真示意图，图2展示了电能计量线路中的三相三线智能电能表。

1.3 模型搭建场景

通过生成系统中的各个单独模型，按照实际现场培训方式组成一套完整的计量装置并放置在专用计量柜内，构建出一个专用计量场景。本文分别实现了电力计量的所有方式，包括高供高计计量方式、高供低计计量方式以及低供低计计量方式，分别将3种方式展示如图3所示[18-20]。3个场景的培训模式全部采用“语音、文字引导”和“虚拟特效”方式，语音播报每个设备时，时间间隔保证3秒钟，让用户有停顿观察时间。在语音播报设备名称时，对应设备叠加突出特效和设备名称，用户可直观认识对应设备。

通过上述方式模拟装表接电主要操作步骤，让学员在虚拟场景中自行完成对相关知识的掌握和运用，最终将整个现场场景配置为一个720°视角的虚拟仿真场景，虚拟场景尺寸为10m×5m×6m，如图4所示。

2 培训交互

学员佩戴VR头镜，沉浸在构建的虚拟教室场景中进行观察，同时配备有语音提示，可根据语音提示完成相应的虚拟线路选择、连接和故障排查等教学培训 [21-23]，交互场景如图5所示。当需要完成A相电压采样信号接线时，受训者需要根据语音提示“连接A相电压型号Ua：A相电压互感器二次端子a至接线盒A相电压槽”、“连接A相电压信号Ua：接线盒A相电压槽至电表2#接点”，完成A相电压从电压互感器二次侧—接线盒—电表的两根线自动连接，虚拟线路连接如图6所示。培训模式内，系统具有暂停和重新开始等功能。学员可以选择 “暂停/继续”按钮，暂停或者继续培训内容，或者点击“重新开始”按钮重新开始进行培训。

在进行装表接电操作时，需要按照标准与规范选择正确的颜色与线径导线，如A、B、C三相连接导线分别选用黄、绿、红色单股铜芯导线，零线可选用蓝色或者黑色单股铜芯导线，接地线为黄绿双色线。RS485通讯导线，红色代表正极性端、蓝色代表负极性端。对于导线线径选择，电流连接导线须选用4mm2及以上规格导线，电压连接导线须选用2.5 mm2及以上规格导线，RS485通讯线选用0.75 mm2专用通讯线。

电压、电流互感器至联合接线盒间的模拟接线操作如下：首先连接电压互感器至接线盒的电压导线，三相三线电压互感器采用V/V接线。具体操作如下：①连接A相电压线：连接A相电压互感器二次端子a至接线盒A相电压槽;②短接B相电压线：连接A相电压互感器二次端子b（或x）至C相电压互感器二次端子a并工作接地;③连接B相电压线：连接A相电压互感器二次端子b（或x）至接线盒B相电压槽;④连接C相电压线：连接C相电压互感器二次端子b（或x）至接线盒C相电压槽[24-26]。然后，连接电流互感器至接线盒的电流导线，该步骤采用两相四线制接法。最后，将A、C相电流互感器二次端子1S2 分别保护接地。

系统还具有考试和故障模式。在考试模式中，语音提示被关闭，学员进行实际操作训练。根据掌握的作业流程进行接线作业，完成后提交，系统自动判断是否正确，如果错误会给予相关提示，引导学员纠正。当系统切换到故障模式时，培训系统会随机生成错误线路由学员进行修正，学员利用所学知识进行判别，然后修正错误线路。

该系统基于现场无法再现的故障现象，通过动态展示装表接电流程，结合故障现象和二次運行信息反推一次运行关系，形成营配数据贯通一致的重要节点性典型经验。

3 系统优势

本文使用虚拟现实技术将原来的电力计量回路培训模式场景模拟生成为虚拟现实环境，与现场培训方式比较具有如下优势：

（1）传统现场培训模式需要学员亲自动手操作，而现场带电操作有可能发生事故，极具危险性。虚拟现实培训系统只需佩戴VR头显设备就可轻松进行学习，可降低现场操作风险，有效避免事故发生，使培训变得安全可控。

（2）现场培训通常需要调动大量师资力量并采购相关操作设备，耗费大量人力和物力资源。而虚拟现实培训系统可以提前将培训内容和考试内容录入操作系统，配置语音提示和纠错功能，学员可根据语音提示完成相应的教学培训，完成虚拟线路的选择、连接和故障排查等操作，不仅节省了大量师资，而且学员可以随时随地学习。因此，本文开发的培训系统相较于传统培训更有效更便捷。学员熟悉各种电力计量场景至少需要数月甚至更长的时间，该系统极大缩短了这一周期，可缩短至1个月左右。

（3）传统培训模式中，学员只能接触到局部设备。本培训系统能够生成720°全景虚拟环境，通过佩戴VR头显设备，学员能感受到如同现实环境中的各种设备，因而能全面系统地了解电力计量回路的整体构造和工作原理。另外，虚拟现实培训系统可方便地编辑培训和考试内容，将硬件操控与软件逻辑控制结合起来，实现零延迟模拟接线操作，具有更高的可拓展性。

4 结语

传统营销计量专业培训主要以正确导向为原则，一些现场计量事故往往都是通过视频录像等资料复现，但现场事故资料往往不全，很难形成系统性影像。针对上述状况，本文利用虚拟现实技术构建了电能计量过程中各个装置的实体仿真模型，将这些模型组成虚拟环境模拟现实培训场景，实现了一种模拟电力计量回路原理的培训系统。该系统只需学员佩戴VR眼镜，根据语音提示即可随时随地进行学习和考试，具有更高的安全性和便捷性，培训成本低，具有重要的现实意义，值得推广。

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（责任编辑：杜能钢）