基于TTS引擎的廠站中央信號系統(tǒng)動態(tài)模擬仿真

莫仕勛， 楊富淋， 黃智博， 李裕進(jìn)

(1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004； 2.廣西送變電建設(shè)公司，廣西 南寧 530031；3.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉林供電局，廣西 玉林 537000； 4.國電南寧發(fā)電有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530317)

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基于TTS引擎的廠站中央信號系統(tǒng)動態(tài)模擬仿真

莫仕勛1， 楊富淋2， 黃智博3， 李裕進(jìn)4

(1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004； 2.廣西送變電建設(shè)公司，廣西 南寧 530031；3.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉林供電局，廣西 玉林 537000； 4.國電南寧發(fā)電有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530317)

針對發(fā)電廠和變電站的二次系統(tǒng)展開式原理圖內(nèi)容多、復(fù)雜、邏輯描述困難等特點(diǎn)，運(yùn)用應(yīng)用程序的方式將展開式原理圖通過在屏幕上建立的直角坐標(biāo)系，精確地描述在計算機(jī)屏幕上，并利用計算機(jī)多媒體技術(shù)對展開式原理圖進(jìn)行動態(tài)的描述，通過Microsoft Speech SDK集成的TTS引擎嵌入相應(yīng)的語音講解，復(fù)雜的邏輯一目了然，為電力系統(tǒng)二次部分的培訓(xùn)教程提供了新思路。

中央信號系統(tǒng)； 動態(tài)模擬仿真； TTS； MFC； COM

0 引 言

發(fā)電廠(變電站)的二次系統(tǒng)是對一次系統(tǒng)實施測量、保護(hù)和控制功能的系統(tǒng)。隨著電力系統(tǒng)的不斷完善，對二次系統(tǒng)的要求也提出更高的要求，實現(xiàn)的功能也越來越多，隨之而來的就是其維護(hù)工作量也越來越大。長期以來，人們習(xí)慣的思維都認(rèn)為一次部分的接線圖(主接線圖)相對清晰明了，由于二次系統(tǒng)與生俱來的特點(diǎn)，一直被冠以復(fù)雜、繁瑣等標(biāo)簽。在仿真培訓(xùn)實踐中，往往忽視了運(yùn)行人員對二次系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，利用計算機(jī)技術(shù)，增加二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理、動態(tài)模擬等內(nèi)容，可以使運(yùn)行人員更加深入和直觀地了解和熟悉二次回路，起到事半功倍的培訓(xùn)效果[1-7]。

二次設(shè)備檢修維護(hù)人員關(guān)心的重點(diǎn)是電力系統(tǒng)與自動化設(shè)備的互動關(guān)系(即二次接線)和自動化系統(tǒng)內(nèi)部工作過程，以往的變電站運(yùn)行仿真培訓(xùn)系統(tǒng)雖可以逼真地仿真出變電運(yùn)行人員所關(guān)心的人機(jī)操作界面和信息，但是都繞過二次回路和自動化系統(tǒng)的內(nèi)部工作過程[8-10]。廠站二次設(shè)備檢修維護(hù)工作以原理圖紙為核心展開，按種類劃分還包括端子接線圖、集中式原理圖和展開式原理圖。圖紙中隱涵了各器件(繼電器)工作的原理以及動作過程中的邏輯關(guān)系。而動作的過程主要是由掛接在廠站的直流電源系統(tǒng)的控制、信號母線提供的直流電源產(chǎn)生的電流驅(qū)動器件(繼電器)完成的，所以要弄懂中央信號系統(tǒng)的工作原理應(yīng)該首先弄清楚電流的流經(jīng)的路徑、所觸發(fā)的器件(繼電器)。反映中央信號系統(tǒng)的工作原理的圖紙大多采用展開式原理圖，它是設(shè)計、施工和運(yùn)行中用得最為廣泛的二次接線圖，從事電氣工作的人員必須掌握它[11]。

1 展開式原理圖概述

1.1 概念

展開式原理圖是按照各個回路的功能布置，將每套裝置的交流電流回路、交流電壓回路和直流回路等分開表示、獨(dú)立繪制，同時也將儀表、繼電器等的線圈、觸點(diǎn)分別繪制在所屬的回路中。與集中式原理圖相比較，其特點(diǎn)是線路清晰、易于理解整套裝置的動作程序和工作原理，特別是當(dāng)接線裝置二次設(shè)備較多時，其優(yōu)點(diǎn)更加突出。如圖1所示。

圖1 展開式原理圖

1.2 工作過程

工作過程如下描述：當(dāng)斷路器事故跳閘時，事故小母線WFA會與負(fù)極電源接通，正電源通過線圈K1，電容C及線圈K2，對電容充電，使沖擊繼電器1KAI起動。在充電期間，繼電器線圈中流過電流使銜鐵動作，帶動觸點(diǎn)閉合。充電完畢后，線圈中電流消失，銜鐵保持在動作位置，觸點(diǎn)可靠閉合。1KAI的觸點(diǎn)閉合后，便啟動中間繼電器1KC，它有兩對動合(常開)觸點(diǎn)分別是1KC(9-11)和1KC(13-15)，其中1KC(13-15)觸點(diǎn)閉合后，便起動時間繼電器3KT，作為音響信號自動復(fù)歸回路的延時，經(jīng)過整定值時間后，帶延時閉合的常開觸點(diǎn)3KT(4-12)閉合，使得3KC線圈通電，它的常開觸點(diǎn)3KC(9-11)閉合，音響信號自動復(fù)歸。另外一對觸點(diǎn)1KC(9-11)接通蜂鳴器HAL，發(fā)出音響，表明已發(fā)生事故。

從上述的分析論述中可以看到， 讀者必須在搞清楚讀圖的方法后，對整個動作回路非常的熟悉，才能很好地運(yùn)用展開式原理圖對二次系統(tǒng)進(jìn)行分析和維護(hù)。

1.3 難點(diǎn)

展開式原理圖通過描述電路中電流流過的路徑，驅(qū)動相應(yīng)的器件(繼電器)來帶動常開或者常閉觸點(diǎn)動作，從而實現(xiàn)使電路能表達(dá)所需要的邏輯，因此，弄懂電路電流流過的路徑就顯得尤為重要。

器件(繼電器)的工作原理也是也是至關(guān)重要的。一個器件(繼電器)組成不外乎是由電阻、電容和電感三種元件組成，但如何有機(jī)組合就很有講究。

2 動態(tài)模擬仿真設(shè)計

針對1.3 提出的兩個難點(diǎn)問題，可以考慮用動畫的形式來描述電路中電流流過的路徑，電流流過路徑顏色變?yōu)榧t色加以區(qū)別，并配以相應(yīng)的文字符號說明。對于器件的工作原理可以綜合運(yùn)用文字閃動和語音講解，因為繼電器的線圈和觸點(diǎn)很有可能分別屬于不同的回路中，當(dāng)繼電器的線圈通電時，由于其線圈和觸點(diǎn)用相同的文字符號標(biāo)注，這時在畫面上在線圈和觸點(diǎn)的回路采用相同的顏色產(chǎn)生閃爍來說明。

如果單從動畫方面的需要可以考慮采用目前流行的Adobe Flash或者Authorware，但二者只是一個動畫制作工具，無法嵌入其他的資源，如語音?；谶@樣的考慮，采用應(yīng)用程序方式來解決這兩個難點(diǎn)問題，應(yīng)用程序可以有效整合各種資源。擬采用Windows 平臺下微軟強(qiáng)大的Microsoft?VC++6.0 作為開發(fā)工具。

2.1 動態(tài)模擬的實現(xiàn)

由Microsoft 提供的MFC，在單文檔窗體上利用相對坐標(biāo)，用程序精確畫出以上展開式原理圖。單文檔窗體的繪圖輸出主要靠CElectricView類的OnDraw(CDC* pDC)函數(shù)完成。值得注意的是，在進(jìn)行繪圖之前，最好先自定義好各種元器件的繪制函數(shù)，這樣，在繪圖過程中多次用到該元件時，調(diào)用起來就更為方便。函數(shù)定義時還可以加入各種功能，方便后面將要進(jìn)行的動態(tài)效果演示控制。

通過SetTimer( )函數(shù)創(chuàng)建定時器，然后由其響應(yīng)函數(shù)OnTimer( )結(jié)合KillTimer( )函數(shù)來實現(xiàn)對各元器件的動作控制。但OnTimer( )并不是CElectricView類的成員函數(shù)，為此必須先把OnTimer( )的消息響應(yīng)添加到CElectricView類中。

動畫的基本原理是利用人們眼睛的視覺殘留作用，通過逐漸變化著的畫面，以造成活動的感覺。所以利用定時器一定時間間隔觸發(fā)的消息來調(diào)用GDI函數(shù)進(jìn)行圖形漸變輸出就能夠構(gòu)成理想的動畫效果，其實現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 動畫形成的流程圖

2.2 語音講解的實現(xiàn)

隨著語音技術(shù)的發(fā)展，微軟也推出了相應(yīng)的語音開發(fā)工具，即Microsoft Speech SDK，這個SDK中包含了語音應(yīng)用設(shè)計接口(SAPI)、微軟的連續(xù)語音識別引擎(MCSR)以及微軟的語音合成(TTS)引擎等[12]。其中的 TTS(text-to-speech)引擎可以用于實現(xiàn)語音合成，通過TTS引擎可以分析文本內(nèi)容并且將其朗讀出。實現(xiàn)TTS技術(shù)的方法有很多種， 現(xiàn)在主要采用3種：連詞技術(shù)、語音合成技術(shù)、子字連接技術(shù)。目前的5.1版本的SDK一共可以支持3種語言的識別 (英語，漢語和日語)以及2種語言的合成(英語和漢語)。其中還包括對于低層控制和高度適應(yīng)性的直接語音管理、訓(xùn)練向?qū)?、事件、語法編譯、資源、語音識別 (SR)管理以及TTS管理等強(qiáng)大的設(shè)計接口[13]。

當(dāng)應(yīng)用程序需要發(fā)聲時就調(diào)用語音合成引擎(Speech Synthesis Engine)進(jìn)行語言合成，將文本處理后通過揚(yáng)聲器用近似于人的聲音“讀”出來，通常還可以通過改變對語音引擎的設(shè)置改變“說話” 的速度，聲音頻率(低沉或者尖銳)，聲音大小，還能模擬口形、唇形和舌位的變化對聲音的影響。計算機(jī)通過語音合成發(fā)出的聲音效果聽起來就象是錄音磁帶發(fā)出的聲音[14]。

微軟SAPI5.1實現(xiàn)Text-To-Speech的核心是對COM接口IspVoice的應(yīng)用，所以應(yīng)用TTS技術(shù)最好要了解一下COM編程技術(shù)[15]。SAPI 的API接口封裝得很好，不需要了解任何發(fā)聲引擎底層的工作細(xì)節(jié)。例如一旦在程序中創(chuàng)建了一個IspVoice對象,就可以通過調(diào)用ISpVoice::Speak實現(xiàn)文本朗讀，通過調(diào)用ISpVoice::SetRate實現(xiàn)對朗讀速度的控制，以及通過調(diào)用ISpVoice::SetVoice實現(xiàn)對朗讀聲音的不同人物或語言控制(男聲/女生,中文/英文)等。事實上掌握對這個接口的應(yīng)用就可以實現(xiàn)大多數(shù)TTS的應(yīng)用。下面是微軟的TTS引擎對展開式原理圖動動作過程進(jìn)行語音講解的步驟。

(1) 初始化。COM:CoInitialze 和CoUninitialze；

(2) 建立語音對象實例。CoCreateInstance；

(3) 調(diào)用Speak方法。

(4) 設(shè)置感興趣的事件。SetInterest；

設(shè)定SAPI返回的消息：setnotifywindowmessage；

(5) 消息到來，確定事件類型。GetEvents；

清除事件結(jié)構(gòu)：SpClearEvent；

(6) 相應(yīng)事件。用GetStatus確定SAPI狀態(tài)。

3 動態(tài)模擬仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢

(1) 以單文檔形式，用程序精確畫出以上展開式原理圖(快速精確畫出展開式原理圖)；

(2) 設(shè)置啟動、暫停、終止和工具等按鈕，工具按鈕可以設(shè)置動畫的快慢(用戶界面友好，交互方便)；

(3) 采用動畫的形式標(biāo)注電流流過的路徑(動作過程描述形象生動)；

(4) 電流流過的器件的文字符號以閃爍形式顯示(標(biāo)注清晰)；

(5) 采用閃爍的形式表示電流所流經(jīng)的線圈通電產(chǎn)生觸點(diǎn)閉合(圖文并茂，形象生動)；

(6) 用閃爍箭頭指明因觸點(diǎn)閉合引起其他支路的線圈通電而產(chǎn)生的動作(關(guān)聯(lián)提示，線圈和觸點(diǎn)關(guān)聯(lián)一致)；

(7) 以MID文件的形式播放喇叭響(事故信號)和電鈴響(預(yù)告信號)(聲行并舉，與真實環(huán)境相符)；

(8) 背景配以普通話語音講解功能(語音講解，讓讀者理解更透切)；

(9) 最終以文字形式給出相關(guān)說明(歸納總結(jié)，讓用戶記憶深刻)。

仿真軟件界面如圖3所示。

圖3 動態(tài)模擬仿真界面

4 結(jié) 語

通過運(yùn)用應(yīng)用程序方式將廠站的二次系統(tǒng)的原理圖整合起來，可以看出有以下的優(yōu)點(diǎn)：①基于Windows 平臺，通用性強(qiáng)；②準(zhǔn)確表達(dá)控制邏輯和動作過程；③豐富的人機(jī)交互界面；④效果圖文并茂，聲形并舉；⑤易于整合和控制資源，擴(kuò)展方便；⑥不受運(yùn)行環(huán)境的限制，無需插件支持，使用方便；⑦易于保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)，保護(hù)開發(fā)者的利益；⑧軟件短小精悍，易于存儲。

這樣的仿真系統(tǒng)除了用于員工的培訓(xùn)以外，稍加擴(kuò)展就可以作為事故分析和事故反演的工具。同時也為電力系統(tǒng)二次部分的培訓(xùn)工作拓展了新的思路。

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The Design of the Central Signal System in Plant and Station's Dynamic Simulation Based on the TTS Engine

MOShi-xun1，YANGFu-lin2，HUANGZhi-bo3，LIYu-jin4

(1.College of Electrical Engineering, Guangxi University，Nanning 530004, China；2. Guangxi Electric Power Transmission and Substation Construction Company，Nanning 530031, China；3. Yulin Power Supply Bureau，Guangxi Power Grid Corporation, Yulin 537000, China；4. Guodian Nanning Power Generation CO., LTD，Nanning 530317, China)

The expansion of principle diagram of secondary system of power plant and substation is very complex, and has lots logic description difficulties etc. The paper uses the screen rectangular coordinate system to describe precisely the principle of the expansion. It can accurately describe on the computer monitor, and then use the computer multimedia technology to carry on the dynamic description of the principle diagram of the expansion. By using Microsoft Speech SDK which is integrated TTS engine, the design uses the corresponding voice at the same time, and make complex logic be clear at a glance For the training of the second part in the power system, it provides a new way.

central signal system; dynamic simulation; MFC； COM； TTS

2014-10-22

廣西大學(xué)實驗室建設(shè)與實驗教學(xué)改革立項項目(20110206)

莫仕勛(1970-)，男，廣西柳州人，碩士，副教授，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。

Tel.:0771-3232264；E-mail:Msxandml@126.com

TM 6

A

1006-7167(2015)05-0083-03