智能電能表及其檢定仿真培訓軟件的研制

吳 琦， 馬璐瑤， 李婷婷

(1.國網(wǎng)安徽省電力公司培訓中心，安徽 合肥 230022；2.安徽電氣工程職業(yè)技術學院，安徽 合肥 230022；3.安徽南瑞中天電力電子有限公司，安徽 合肥 230000)

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智能電能表及其檢定仿真培訓軟件的研制

吳 琦1，2， 馬璐瑤1，2， 李婷婷3

(1.國網(wǎng)安徽省電力公司培訓中心，安徽 合肥 230022；2.安徽電氣工程職業(yè)技術學院，安徽 合肥 230022；3.安徽南瑞中天電力電子有限公司，安徽 合肥 230000)

文章提出了一種智能電能表及其檢定仿真培訓軟件的研制方法，以三維仿真技術為核心，通過采用獨創(chuàng)的演示文件和場景文件與三維設計平臺相分離的系統(tǒng)架構，實現(xiàn)項目各類功能。

用電信息采集系統(tǒng)、智能電能表、三維仿真

0 引 言

智能電能表作為當前電網(wǎng)智能化中的一個重要計量器具，近年來，在電網(wǎng)中得到了廣發(fā)的應用。對于這種新型的計量設備，需要計電能計量人員能夠掌握智能采集計量設備的檢定、檢測過程以及原理及構造，迅速有效的判斷出存在的問題，制定解決方案。

針對智能電能表的結構知識、各種自動化檢定流程、人工檢定臺的操作技能、計量設備的裝接規(guī)范等，設計了一套智能電能表及其檢定仿真培訓軟件。本系統(tǒng)直觀性強，且具有一定參與性和交互性，是一套既可滿足計量設備結構學習、模擬安裝的操作技能及安裝規(guī)范等功能，又能深入直觀了解計量檢定檢測過程的教學培訓軟件。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)通過展示智能采集計量設備結構，深化智能采集計量設備知識，采用基于3D動畫仿真的方式，全方位立體詮釋智能采集計量設備的原理及構造。通過立體漫游呈現(xiàn)人工檢定檢測和三線一庫的檢定過程，深入體現(xiàn)計量設備質量分析評價標準，從而使培訓學員總體對整個計量業(yè)務體系有全方位的概念和理解。整體系統(tǒng)業(yè)務模塊如圖1所示。

1.2 采集系統(tǒng)設計

電能計量與用電信息采集系統(tǒng)從模擬主站、信道、終端、采集點等幾個層面對系統(tǒng)進行邏輯分類，為下面各層次的設計提供理論基礎。

(1)智能電表及采集系統(tǒng)。在邏輯上分為主站層、通信信道層、采集設備層3個層次。系統(tǒng)通過接口的方式，統(tǒng)一與營銷應用系統(tǒng)和其它應用系統(tǒng)進行接口，營銷應用系統(tǒng)指“SG186”營銷管理業(yè)務應用系統(tǒng)，除此之外的系統(tǒng)稱之為其它應用系統(tǒng)。

(2)主站層。分為業(yè)務應用、數(shù)據(jù)采集、控制執(zhí)行、前置通信調度、數(shù)據(jù)庫管理幾大部分。業(yè)務應用實現(xiàn)系統(tǒng)的各種應用業(yè)務邏輯；數(shù)據(jù)采集負責采集終端的用電信息，并負責協(xié)議解析；控制執(zhí)行是對帶控制功能的終端執(zhí)行有關的控制操作；前置通信調度是對各種與終端的遠程通信方式進行通信的管理和調度等。

(3)通信信道層。它是主站和采集設備的紐帶，提供了各種可用的有線和無線的通信信道，為主站和終端的信息交互提供鏈路基礎。主要采用的通信信道有：光纖網(wǎng)絡專網(wǎng)、230MHz無線專網(wǎng)。

(4)采集設備層。它是智能電表及采集系統(tǒng)的信息底層，負責收集和提供整個系統(tǒng)的原始用電信息，該層可分為終端子層和計量設備子層，對于低壓集抄部分，可能有多種形式，包括集中器+電能表和集中器+采集器+電能表等。終端子層收集用戶計量設備的信息，處理和凍結有關數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)與上層主站的交互；計量設備層實現(xiàn)用電計量等功能。

1.3 采集主站軟件設計

用電信息采集主站軟件采用分布式多層結構，分為表現(xiàn)層、應用層、服務層、數(shù)據(jù)層。根據(jù)本系統(tǒng)業(yè)務特點 ，應用層進一步細分為采集子層和業(yè)務子層、對外接口。

(1)表現(xiàn)層。提供統(tǒng)一的業(yè)務應用操作界面和信息展示窗口，是系統(tǒng)直接面向操作用戶的部分。

(2)業(yè)務層。實現(xiàn)具體業(yè)務邏輯，是系統(tǒng)主站的核心層，根據(jù)系統(tǒng)的應用特點，業(yè)務層可分為采集子層、業(yè)務子層、對外接口。

(3)服務層。提供全局通用的業(yè)務服務、安全服務等組件服務支持，并實現(xiàn)本系統(tǒng)專用的業(yè)務邏輯服務，為業(yè)務層提供通用的技術支撐。

(4)數(shù)據(jù)層。實現(xiàn)海量信息的存儲、訪問、整理，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的管理支持。

1.4 三維仿真設計

系統(tǒng)三維仿真設計由三維體驗平臺、三維演示平臺、場景庫、設備元件庫、場景交互信息和演示腳本等幾大部分組成，如圖2所示，其中三維體驗平臺和三維演示平臺是系統(tǒng)的功能核心和設計平臺。

三維體驗平臺可以從場景庫中讀取場景文件，加載到系統(tǒng)中并生成相應的三維場景，同時可以從設備元件庫中讀取設備元件并在當前場景中的指定坐標生成。三維體驗平臺還提供了豐富的場景設計功能允許對各三維場景進行交互信息設計，包括任務設計、角色設計、用戶界面設計和空間觸發(fā)設計等。

三維演示平臺可從設備元件庫中讀取設備模型，加載到演示場景中并生成。三維演示平臺同時提供了豐富的演示設計功能，可以對計量設備模型的外觀和部件進行控制，并允許圖片、視頻、音頻多媒體信息的加載，從而實現(xiàn)計量設備結構演示流程的編輯。

場景庫是各種三維場景的集合，它包括單相電能表自動檢定系統(tǒng)場景、三相電能表自動檢定系統(tǒng)場景、電流互感器自動檢定系統(tǒng)場景、智能立庫場景、單相電能表人工檢定臺場景、三相電能表人工檢定臺場景、采集終端人工檢定臺場景、高壓計量柜和低壓計量柜安裝場景等。場景庫具有良好的擴展功能，新的場景可以很方便的添加到場景庫中，已有場景也可以隨時從場景庫中刪除。

設備元件庫是各種設備模型元件的集合，它包括了各種典型的計量設備如單相電能表、三相電能表、電流互感器和采集終端等設備模型。設備元件庫具有良好的擴展功能，新的設備元件可以很方便的添加到庫中，已有設備元件也可以隨時從庫中刪除。

場景交互信息交互括場景中所有的體驗信息，如空間觸發(fā)信息、用戶界面信息、任務信息和角色信息等。

演示腳本負責將一個個的演示步驟按照一定時序排列起來，成為一個流暢的演示片段。

2 系統(tǒng)功能

2.1 用電信息采集仿真功能

用電能信息采集系統(tǒng)從功能上完全覆蓋SG186營銷業(yè)務應用中電能信息采集業(yè)務中所有相關功能，包括采集點設置、數(shù)據(jù)采集管理、控制執(zhí)行、運行管理，為SG186營銷業(yè)務應用中的其他業(yè)務提供用電信息數(shù)據(jù)源和用電控制手段。 同時用電能信息采集系統(tǒng)作為涵蓋購電側、供電側、售電側3個環(huán)節(jié)電能信息的完善的電能信息數(shù)據(jù)平臺，還可以提供SG186營銷業(yè)務應用之外的綜合應用分析功能，如配電業(yè)務管理、電量統(tǒng)計、決策分析、增值服務等功能，并為其他專業(yè)系統(tǒng)如SG186生產(chǎn)管理系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)、配電自動化系統(tǒng)等提供基礎數(shù)據(jù)。

2.2 計量業(yè)務三維仿真教學功能

計量業(yè)務三維仿真教學功能包括計量設備結構、裝接和檢定檢測仿真，以先進的三維仿真技術為核心，結合可擴展標記語言(XML)技術、文件處理技術及其他相關技術，通過采用獨創(chuàng)的演示文件和場景文件與三維設計平臺相分離的系統(tǒng)架構，全面實現(xiàn)項目中所需的所有功能。借助計算機 3D技術的優(yōu)勢，可實現(xiàn)對建筑、設備、人物及人物動作等現(xiàn)實生活中的各種元素的仿真模擬，從而提高了系統(tǒng)中展示內容的效果，同時強化了培訓環(huán)節(jié)的培訓效果。

(1)計量設備結構仿真。計量設備結構仿真演示系統(tǒng)實現(xiàn)各種典型計量設備(如單相電能表、三相電能表、采集器、集中器等)的外觀結構演示、各典型計量設備的內部電路模塊演示以及各典型計量設備的信號及工作狀態(tài)模擬,電能表三維結構圖,如圖3所示。

(2)計量設備裝接仿真。計量屏柜安裝仿真培訓系統(tǒng)實現(xiàn)各種典型計量屏柜安裝現(xiàn)場的模擬；場景漫游功能；計量表選擇功能；計量表安裝功能；安裝流程考核。電能計量柜三維安裝接線圖,如圖4所示。

(3)計量設備人工檢定臺仿真。人工檢定仿真培訓系統(tǒng)實現(xiàn)各種典型計量設備人工檢定工作場景的模擬；場景漫游功能；人工檢定流程的模擬；檢定設備儀器模擬；檢定儀器操作界面模擬；檢定儀器操作模擬；檢定流程考核。智能電能表檢定仿真示意圖,如圖5所示。

(4)計量設備自動化檢定線仿真。自動化檢定仿真培訓系統(tǒng)實現(xiàn)各種典型計量設備(如單相電能表、三相電能表和互感器)自動化檢定場景模擬；場景漫游功能；自動化檢定設備模擬；檢定環(huán)節(jié)交互式教學。

設計再現(xiàn)安徽計量中心三線一庫檢定自動化流水線。涵蓋單相電能表流水線、三相電能表流水線、互感器流水線及智能立庫展示。對三線一庫中的機械設備工作過程及流程進行了3D 展示，可以多角度、多層次的進行跟蹤和觀察。 如圖6所示智能電能表自動化檢定仿真場景圖。

3 系統(tǒng)特點

本軟件綜合利用計算機圖形技術、多媒體技術、并行實時計算技術、人工智能、仿真技術等多種學科技術的人機交互技術.它以模擬方式為使用者創(chuàng)造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維圖像世界，借助視、聽、觸、嗅等感知行為，用戶可以對虛擬中的系統(tǒng)客體進行操作和訓練。

3.1 實時三維展示模式

本項目中，將以實時三維的形式將計量檢定現(xiàn)場的環(huán)境在電腦屏幕上展現(xiàn)出來，與以往的演示視頻的最大不同點就在于，實時三維技術搭建出的是一個由電腦實時計算并延續(xù)存在的三維場景，其最大特點就是可進入，用戶可以第一人稱視角進入到該三維環(huán)境當中的任意角落進行觀察。

3.2 場景交互設計

利用三維交互設計模塊，可以方便的進行各種三維交互設計，包括空間觸發(fā)的設計、用戶界面的設計以及操作邏輯的設計等，如用戶可以為設備制作出對應的操作面板，通過操作面板模擬對設備狀態(tài)的操控等，進而可以在三維場景中實現(xiàn)工作流程的模擬。

3.3 角色扮演

通過角色設計模塊，可以設計各種角色，并進行相應的配置，如本項目中可以設計進行人工檢定工作的角色，從而作為用戶在三維場景的虛擬替身，并控制其完成各種三維交互操作。

3.4 實時考評系統(tǒng)

通過任務考評模塊，可以設計各種交互式模擬任務，并為任務的每一個操作項設置操作角色和分值等，用戶可以扮演特定角色并進行某項任務的培訓和考核，系統(tǒng)將自動對考核結果進行評分，并保存為歷史記錄，以便進行數(shù)據(jù)查詢和分析。

4 結束語

本系統(tǒng)為計量業(yè)務體系工作的日常培訓教學提供一個從實體環(huán)境模擬到虛擬三維場景的完整的培訓平臺，通過模擬現(xiàn)場設備的運行工況，最大限度地滿足計量人員的技能培訓需求，提高其業(yè)務技能和工作效率。同步依托逼真的三維展示和三維交互空間為背景，通過三維仿真技術以最大限度的還原計量檢定現(xiàn)場環(huán)境，通過角色扮演模式及三維實景演練，實現(xiàn)各類檢定流程及計量業(yè)務知識仿真演練，通過供電企業(yè)近一年的運用，訓練效果得到了進一步的提升。

[1] 吳琦.數(shù)字化配電室仿真培訓系統(tǒng)的研制[J].低壓電器，2012，(8):29-32.

[2] 吳 琦.互感器檢定仿真實訓軟件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].自動化與儀器儀表，2012，(3):78-80.

[3] 吳 琦.電能計量與裝表接電[M]．北京:中國電力出版社，2014.

[4] 陳哲星.基于Web新技術的變電站仿真軟件圖模庫一體化研究[J].華北電力大學學報,2012，(10):25-28.

(責任編輯 陳化鋼)

The development of smart electricity meter and its verification simulation training software

WU Qi1，2， MA Lu-yao1，2， LI Ting-ting3

(1.Anhui Provincial Eletric Power Company Training Center,Hefei 230022,China; 2.Anhui Electric Engineering Technical College, Hefei 230022,China; 3.Anhui Nanri Zhongtian Power Electronics Company, Hefei 230000, China)

A new development method for smart electricity meter and its verification simulation training software is proposed in this paper, which is based on three-dimensional simulation technology. By using the original creation demo and scene files, together with the system architecture which is separated from the three-dimensional design platform, in order to realize various function of the project.

electric energy data acquire system; smart electricity meter; three-dimensional simulation

2015-10-20；

2015-10-22

吳 琦(1966-)，男，安徽合肥人，碩士，教授，從事能源管理及電力市場營銷的教學與研究。

10.3969/j.issn.1671-6221.2015.04.016

TH7

A

1671-6221(2015)04-0047-05