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题目：基于虚拟现实技术的电力系统二次回路仿真系统
一、背景及研究意义
1.1背景
电力系统运行是电力安全生产的重要环节，其高度可靠性和高度安全性对运行、检修人员提出了较高的要求。 对于电力生产人员，不仅需要掌握相关理论知识，还需要在理论基础上锻炼其实际应用和操作能力，因此，多年来 电力系统仿真一直是电力行业科研人员研究的重要课题。我国自八十年代引进第一套300MW火电机组仿真培训系统 以来，已先后开发了核电站仿真培训系统、变电站仿真培训系统、电网调度仿真培训系统等，这些系统为提高电力 操作人员的技术水平，保证电力安全、优质、高效地生产做出了很大的贡献[1,2,3].
但随着计算机技术的快速发展，原来的培训学习系统以逐渐不适应数字时代的发展。比如基于物理的培训系统 ,需要专用设备实现，设备不仅相对复杂，需要相对较大的空间，而且价格昂贵，学习人员不得花费大量的时间和 精力到专门的培训部门学习。这在一定程度上限制了学习人数和质量[4].因此，近年来虚拟显示技术被逐渐引入到 了电力系统计算机仿真教学培训中。
1.2意义
在电力行业中，由于电是很危险的，每一个生产环节中都可能存在安全隐患，并且不是每一个生产现场都可以 进去的；同时电力设备的昂贵，一旦发生事故则损失惨重。利用虚拟现实技术虚拟电力培训系统，不仅能节省资金 ,降低危险，还能使这些环节联系更加密切，使受训员工进入每个部分进行深入了解，往往会学到现实当中无法接 触的东西[5,6].本课题利用计算机在虚拟现实环境中，模拟二次回路故障现场情况，并可以与实际的二次装置相连 接，使学员能够在虚拟与现实相结合的环境下，进行所有二次项目的判断、查找以及故障处理的训练。
二、国内外研究现状与存在的主要问题
电力系统中仿真的应用有着至关重要的作用和意义，无论实在计算潮流、稳定性分析、系统规划、事故分析， 还是对电力系统工作人员的培训等方面，都离不开电力系统仿真，对于电力系统的仿真现在大致可分为三种：
一、主要针对电力系统电磁暂态及机电暂态分析的仿真，其主要由一些仿真软件来实现，如Matlab、PSASP、 EMTP、PSCAD、BPA等，这些软件具有强大的模块分析的功能，用程序模块实现电力系统装置各种可能的功能元件， 在仿真时用图形操作将这些功能元件按被试装置的实际结构组成装置的软件框图，根据电力系统的运行结构和参数 ,对系统各种情况下稳定性及动态特性进行分析、研究[7,8,9,10,11].
二、为物理操作方面的仿真，这种仿真技术在电力系统中主要分为三大块：电站仿真、电网仿真和变电站仿真 ,其主要是由仿真机来实现的。
一般仿真机主要由三个部分组成：仿真计算机、I/O接口系统和控制操作盘台。运行技术人员通过控制操作盘 台上的模拟操作器、逻辑操作器或按钮、开关把手等进行所需的有关操作例如增加或降低某些设备的负荷，也可能 是启动或停止某些设备。这些操作信号经过I/O接口的输入通道进入仿真计算机，仿真计算机按照输入值的变化， 根据所编制的程序进行数学模型运算或逻辑判断，把运算和判断结果通过I/O接口输出通道送到控制操作盘台上的 显示设备，显示出整个发电机组各参数的动态变化规律[12],例如各参数点的压力、温度、流量、汽包水位、汽轮 机转速、发电功率等，以及各个主、副设备的运转状态，如某设备正在运行中或处于停止状态等。
仿真机一般用于电厂、变电站和电网调度运行操作人员的培训，且已经取得了非常好的效果。仿真机的主要任 务是培训运行操作人员、管理人员、技术干部，使其熟悉掌握机组的全部操作，包括正常工况、异常工况和事故状 态的操作与处理，以及自动控制系统投入运行和切除条件下的操作。其可以为学员创造一种身临其境、完全真实的 建构主义学习环境，为实现“学生中心，从做中学”提供了理想的条件[13,14,15].
仿真机的应用主要有以下特点[16]:
1、经济性
在仿真机出现以前，电站机组的运行人员往往只能通过理论知识和实际机组的跟班操作，即“师傅带徒弟”的 模式，才能获得对机组的操作与控制能力。而仿真机在实际投运后，极大地缩短了培训周期，减少了培训费用。同 时增强了培训效果运行人员在培训的时段内，可以自由地操作控制虚拟的机组。能够予以各种运行设置，有练习机 组突发事故的机会。它所带来的是机组运行的新概念与全新操作感受。
2、安全性
仿真机问世后，可以放心地在仿真机进行大量故障设置，针对事故的紧急排除，及早消除隐患。由于是软件操 作，不存在任何的安全问题。在培训期间，运行人员的安全，可以给培训人员提供较为宽松的环境，提升培训效果 ,让运行人员在真正的事故中处理起来更加得心应手。这样，就为电站的运行安全增加安全系数。
3、灵活性
在实际运行的机组上进行运行人员的培训，一般都会受具体环境制约培训。而如今的培训阶段，教练员又可以 依据相关的情况。例如运行人员的运行水平和机组的特性，合理地安排培训范围与培训内容。在培训课上，教练员 能够方便的确定机组运路线、安排启停机、故障的预设置、仿真速度的调节、事故追忆的多次练习等。
其缺点是只有二维画面，无法给使用者以真实的三维感觉；使用专用设备来实现物理仿真，导致了仿真培训系 统的庞大、复杂及昂贵；仿真培训系统难以随真实系统的变化而变化等。
三、应用虚拟现实技术的仿真培训系统
虚拟现实（VR:VirtualReality）技术是20世纪80年代末90年代初崛起的一种实用技术，它是一种综合计算机 图形技术、人工智能、仿真技术等多种学科而发展起来的新技术[17,18,19,20,21].它由计算机硬件、软件以及各 种传感器构成三维信息的人工环境--虚拟环境，以模拟方式为使用者创造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、触等感知行为的逼真体验中，参与者可以直接探索虚拟对象在所处环境中的作用和变化 ,仿佛置身于一个虚拟的世界中[22,23,24].
与以往的仿真培训系统相比，基于虚拟现实技术的电力系统仿真培训系统具有以下优点[25,26,27,28,29]:① 充分利用文本、图形、三维影像、三维动画和声音等多媒体表现形式刺激学员的视觉、听觉神经，调动学员的积极 性和主动性，从而改善了培训效果；②既可以降低培训系统的硬件投资，又能方便及时地反应电厂、变电站等的变 化。因此采用虚拟仿真培训系统有助于实现对于不可视、不可摸、不可入的危险场所的仿真以及解决培训设备不足 、型号落后且难以更新换代等困难。
虚拟现实技术所具有的主要特点是[30,31]:
沉浸性（Immersion）：指计算机操作人员作为人机环境的主导者溶入于虚拟环境中，通过多维方式与计算机 所创造的虚拟环境进行交互，能使参与者全身心地沉浸在计算机所生成的三维虚拟环境中，产生身临其境的感觉。
交互性（Interaction）：是指操作者与虚拟环境中所遇到的各种对象的相互作用的能力，它是人机和谐的关 键性因素。交互性包含对象的可操作程度及用户从环境中得到反馈的自然程度、虚拟场景中对象依据物理学定律运 动的程度等。
构想性（Imagination）：是通过虚拟现实，从定性和定量综合集成环境中结合，引导人们去深化概念和萌发 新意，抒发人们的创造力。
目前美国、加拿大等国家已经开发了基于虚拟现实技术的电厂、变电站仿真培训系统[31],我国在这方面也取 得了一定的突破，国内的一些大学和电力公司已经开发出了虚拟变电站、电厂仿真培训系统，如江西赣东北供电公 司的110kV东风变电站虚拟变电站仿真培训系统[2].但这些仿真系统都是针对电厂、变电站的运行、巡视等方面的 培训[33].
对于电力系统二次回路检修的培训，至今仍停留在“师傅带徒弟”的模式在实际系统上现场培训，由于电厂、 变电站始终处于稳定工况下连续运行，受训人员的检修知识只能从理论学习或师傅的口头传授上获得，很难在头脑 里建立起具体的认识，只有在某一设备出现故障的情况下，受训人员才能在老师傅的带领下进行故障处理，受训人 员很少有自己动手操作的机会，尤其是对于一些极少发生的故障处置就更难有机会学习。
3主要内容
目前，虚拟现实的开发软件主要用OPENGL[1,4]、VRML[3]、VRP等，本课题利用虚拟现实平台（VRP）软件，根 据丰满电站的实际系统建立与实际一致的虚拟现场，再根据所收集到的各种故障及其所对应的状态、信号和现场表 现，在虚拟模型中将这些现象表现出来，力求与实际现象相一致，使受训人员能够在虚拟现实中得到与实际现场一 样的训练。其具体步骤如下：
1、教员平台和故障显示平台的建立
此步工作可分为教员平台和故障显示平台两部分，分别由两台显示器显示。
教员平台可以由教员设置故障的类型和地点，并观看学员的操作过程，对学员的操作打分，回放故障发生及保 护动作过程。在第二步工作完成后，教员平台还可以通过仿真软件将设置的故障信号输出给实际保护装置。
故障显示平台可以显示在运行值班室所反映出的故障信号，及相应的光字牌。
2、计算机仿真与实际保护装置的连接
在教员平台中建立大型电力系统电磁暂态仿真计算系统，将教员平台设置的故障信号转换成模拟信号输出给保 护装置，并将保护装置的动作情况反映到故障显示平台上。
3、虚拟现场的建立
利用一台显示器构建出一个与实际现场环境基本一致的虚拟现场，对应教员平台所设置的故障，在故障地点显 示出相应得故障形式，并将该故障所对应的信号、报警以及光字牌反映到故障显示平台上，学员根据故障信号，通 过学员机选择所需工具，在虚拟现场根据处理方案，查找、处理故障。
四、工作计划进度
20xx年xx月至20xx年xx月：学习VRP软件，并构建教员机平台和故障显示平台。
20xx年xx月至20xx年，建立大型电力系统电磁暂态仿真计算系统，并通过实时仿真进程控制系统使其与继电保 护装置相连接。
20xx年xx月至20xx年xx月，建立虚拟现场，并添加各种故障现象。
五、研究中可能遇到的困难和解决办法
本课题最主要的问题就是工作量大，这就要求我必须提高效率，端正工作态度，确保已完成任务的质量，并勤 与导师沟通，力求仿真系统的真实性和人性化，便于日后对系统得扩充与升级。
六、参考文献
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