★南方电网储能股份有限公司孔吉宏

★四川省武都引水工程运管中心黄昆

★南方电网储能股份有限公司丘恩华，吕毅松

★中冶武勘智诚（武汉）工程技术有限公司王宇轩

关键词：水电站检修；辅助决策；沉浸式；虚拟现实系统

因为水电站的特殊性，电站的建设受到环境的限制较大，不能像火电、核电等可以按照现代化工业流程进行标准化建设，导致各个电站的设备、设施差别较大。同时因为水电站的特殊性，设备不能随意拆卸了解内部结构，二维图纸苦涩难懂需要较高识图基础。过去在水电站内必须依靠相当熟悉现场结构的工作人员参与才能制定一套相对可执行的检修方案，然后随着检修次数增加来不断对原检修方案进行修正，一旦重要零部件需要临时性检修时，则需要较大精力去制定一套与之对应的检修方案，为确保检修质量，往往会延长检修周期，扩大检修范围。本文提出基于沉浸式虚拟现实系统搭建一个与真实水电站设备、设施完全一致的虚拟环境，不限时间、不限空间地进行检修预演，快速地为真实水轮发电机组检修提供辅助决策依据，以达到缩短检修周期、提高检修质量的目的。

1　水电站检修概述

水电站检修^[1]是为保持或恢复水轮发电机组设计的性能而进行的检查和修理。它一般包括水轮发电机组扩大性大修、大修、小修、抢修和小型技术改造。

1.1　水电站检修等级

现行水电站检修等级规定是以检修规模和停机时间为指标，共分为A、B、C、D四个等级。A修：对水轮发电机组进行全面的拆卸、维修；B修：针对机组某个部件存在的问题，进行机组部分解体检查、维修；C修：根据设备实际磨损及规律，重点地检查、修理、清扫；D修：对机组及相关辅助设备进行缺陷处理。

1.2　检修等级组合方式

常规水电站水轮发电机组根据实际运行中面临的综合因素确定A修间隔一般为5～10年。在两次A级检修之间，安排1次机组B级检修，除有A、B级检修年外，每年安排1次C级检修，并可视情况，每年增加1次D级检修。

2　沉浸式虚拟现实系统介绍

常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统（VR）、完全沉浸多通道单面显示系统（CAVE）。

沉浸式虚拟现实其明显的特点是：利用头盔显示器或完全沉浸多通道单面显示系统把使用人员的视觉封闭起来，产生虚拟视觉，完全对真实场景进行再现。

2.1　沉浸式虚拟环境硬件组成

本文采用的硬件显示方案为多通道单面沉浸式系统，如图1所示。系统由四部分组成：LED显示系统、动作捕捉系统、图像数据处理系统、虚拟外设装置。其中LED显示系统是由顶幕、正幕、地幕、左幕、右幕共计5个平面组成的立体环境，给使用者呈现一个可同时观看的由5个平面组成的3D图像，使其完全沉浸在图像组成的虚拟空间内。

图1 多通道单面沉浸式系统

2.2　沉浸式虚拟环境系统功能

沉浸式虚拟环境系统是由驱动核心功能实现的软件及与支持功能实现的硬件外设共同组成的。软件采用模块化架构，支持多线程技术，不仅可以驱动高性能图形卡的多种渲染器，还可以通过自身模型实现模型导入、动态干涉检查、实时分析、动画及渲染等复杂功能。

3　沉浸式虚拟环境搭建流程

3.1　采用1:1比例构建三维模型

本文介绍的方案是以实物水电站所有机电设备为最小单位建模单元分块，然后采用工业三维建模软件制作开发三维精细化模型^[2]。精确建模流程如图2所示。

图2 设备精确三维建模流程图

首先是辨识最小物理单位设备在三维精细化模型上所表达出的特征量，例如：一颗螺栓、一个带孔的盖子、一个旋转轴等。

其次是参照实物机电设备组合状态，给相应最小物理单位的三维模型添加相应约束关系，例如：两面重合、两个轴同心、孔和轴同心等，装配组合成最小功能单元的部件。部件是由下级零件装配而成，既可以由单独的零件组合而成，也可以由子部件组成。然后按照水电站机电设备实际结构，将各部件最终组合装配成为完整的一套与实际相同的水电站机电模型，如图3所示。

图3 精确三维部件装配流程

最后是模型管理分析，将结合现实设备为三维装配体添加自由度、设备质量特征等物理属性，并同时开展干涉检查，以确保相关联的各个三维模型间无重叠现象。

3.2　基于沉浸式虚拟现实系统进行三维精确模型成果应用

模型设备属性^[3]定义：对载入沉浸式虚拟环境系统的水电厂设备模型进行名称属性定义，导入设备模型数据信息（包括：设备/元件名称、编号、材质、厂家信息等），可实现场景化对设备或设备元件属性信息的交互呈现。

通过操作人员在沉浸式虚拟环境系统^[4]装配建模模式下对载入的三维模型场景引导拆装，可在装配体中动态、直观地将零部件进行移动和碰撞检测。最后，基于“可拆即可装”的假定，将拆卸顺序和路径予以“反演”，即可得到电厂设备检修的装配顺序和路径。

4　检修辅助决策中的应用

4.1　电站待检修设备故障情况

某水电站在正常发电中，巡检人员发现在水轮机室内，其用于控制进入水轮机水流大小的动力设备主接力器后缸盖漏油。该接力器重量为6.2吨，内部压力油工作压力4.0Mpa，长此以往继续漏油，将可能造成：工作压力降低，接力动作不灵活，甚至在整个水轮发电机组出现故障时，不能及时停机等后果；长此以往将油液漏至下游河道，将对生态环境造成污染。

此机组故障属于不能长期带病运行故障，需安排适当的检修周期进行彻底处理。

4.2　传统检修方案

由于水车室内空间狭小，接力器后缸盖又处于一个混凝土孔洞内，在重量大、外部接线管路复杂、其装配体本身对安装工艺要求很高的情况下，以往类似缺陷处理经验，相关技术人员都是制定扩大范围的检修方案：将整台套水轮发电机组转入A修状态，拆吊出水轮机室上方所有零部件（发电机转子、上机架、下机架、推力轴承等），然后采用起吊设备将待维修接力器吊出机坑，完成相应检修后，再对所有拆卸的零部件进行回装。

因为缺乏相应工程信息做支持，即使耗费大量人力、财力编制出在水车室内的检修方案，也没有一个切实可行的验证手段来验证检修方案，盲目采用新方案将可能造成不可控的设备损伤、人员伤亡等。

4.3　辅助决策制定检修方案

基于本文所介绍的沉浸式虚拟现实系统中已载入该电站三维精确模型，技术人员通过在沉浸式虚拟现实系统内对故障设备进行反复拆装、维修演练等操作，可以让使用者体验到虚拟检修所带来的便捷性，也可以即时验证以往只能停留在想法中的检修方案。经多方案验证，最终形成新的检修方案：

首先拆开接力器外部连接管路，然后将控制环顺时针旋转30度（控制环为接力器前部操作动作传动设备），第三步是选择合理吊点及吊具将接力器在水机室内吊出接力器座，第四步是将接力器整理逆时针旋转获得最大操作空间，如图4所示。

图4 主接力器检修方案示意

4.4　实际检修效果

该电站最终采用通过沉浸式虚拟现实系统模拟出的新检修方案，将检修工作缩短在4天内就完成原计划50天的检修任务，极大缩短了检修工期，为电站节约了检修费用，增加了发电收益。实施新方案达到了原预期所有检修目的。

作者简介：

孔吉宏（1987-），男，广东梅州人，高级工程师，学士，现就职于南方电网储能股份有限公司，研究方向为水电站检修运行虚拟现实仿真。

黄　昆（1982-），男，四川绵阳人，高级工程师，硕士，现就职于四川省武都引水工程运管中心，研究方向为水电站检修、运行与控制。

丘恩华（1980-），男，广西玉林人，高级工程师，硕士，现就职于南方电网储能股份有限公司，研究方向为水电站检修运行虚拟现实仿真。

吕毅松（1986-），男，河南三门峡人，高级工程师，本科，现就职于南方电网储能股份有限公司，研究方向为水电站检修运行虚拟现实仿真。

王宇轩（1990-），男，湖北仙桃人，工程师，本科，现就职于中冶武勘智诚（武汉）工程技术有限公司，研究方向为水电站检修运行虚拟现实仿真。

参考文献：

[1] 陈涛, 郭海峰, 孙廷昌. 基于SolidWorks开发常规水电站虚拟样机及其应用[J]. 科技风, 2019 : (3).

[2] 丘恩华, 郭海峰, 吕毅松. 基于eDrawings的三维虚拟可移动实验室研究与实现[J]. 科技与创新, 2019 : (1).

[3] 盛国林. 水电站机组设备及运行[M]. 北京: 化学工业出版社, 2010.

[4] 二代龙震工作室. SolidWorks+Motion+Simulation建模/机构/结构综合实训教程 (第二版) [M]. 北京: 清华大学出版社, 2009.

摘自《自动化博览》2024年5月刊