換流站調(diào)相機(jī)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

● 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司 張超峰 蔣久松 潘 勁

按照國(guó)家電網(wǎng)有限公司全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施計(jì)劃，“十三五”期間，該公司將建設(shè)一大批特高壓直流輸電工程。隨著交直流特高壓電網(wǎng)混聯(lián)運(yùn)行的出現(xiàn)，若直流系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將從電網(wǎng)吸收大量的無(wú)功，給電網(wǎng)帶來(lái)巨大的無(wú)功沖擊甚至可能引起區(qū)域性電壓凹陷，進(jìn)而破壞交流系統(tǒng)的穩(wěn)定，造成大面積交流電網(wǎng)事故。這就要求直流特高壓輸電工程，必須匹配大規(guī)模動(dòng)態(tài)無(wú)功，以應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的區(qū)域性電壓失調(diào)問(wèn)題。國(guó)家電網(wǎng)有限公司計(jì)劃在22個(gè)換流站（變電站）配置47臺(tái)調(diào)相機(jī)。

近年來(lái)，仿真培訓(xùn)系統(tǒng)由于其在電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、故障處理、人員培訓(xùn)等方面所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在電力系統(tǒng)中得到廣泛運(yùn)用，并且技術(shù)也逐漸成熟，目前形成了一系列以三維可視化技術(shù)為基礎(chǔ)的培訓(xùn)系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)用中也取得良好成效。但是關(guān)于換流站調(diào)相機(jī)這一部分，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有其仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研究，一是近些年來(lái)調(diào)相機(jī)在換流站中并未得到應(yīng)用；二是以前所應(yīng)用到的調(diào)相機(jī)構(gòu)造并不復(fù)雜，靠著現(xiàn)場(chǎng)的教學(xué)與演練就能夠熟練掌握，所以電網(wǎng)公司并未針對(duì)其做一套完整的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。而新一代調(diào)相機(jī)具有無(wú)功容量大、轉(zhuǎn)速快、響應(yīng)速度快、啟動(dòng)與并網(wǎng)復(fù)雜等特點(diǎn)，這就導(dǎo)致了操作人員從了解調(diào)相機(jī)到熟練掌握它的過(guò)程變得十分艱難，所以關(guān)于其仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)也由此展開(kāi)。

1 培訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需求分析

1.1 功能需求

通過(guò)對(duì)電網(wǎng)各類(lèi)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研究以及對(duì)湘潭特高壓直流換流站調(diào)相機(jī)的實(shí)地了解和考察，總結(jié)出其主要的功能需求，它們分別為調(diào)相機(jī)設(shè)備認(rèn)知、基礎(chǔ)操作以及設(shè)備的故障處理。

在設(shè)備認(rèn)知方面，整個(gè)調(diào)相機(jī)由直流電源系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、油系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、SFC系統(tǒng)、啟停裝置、電動(dòng)機(jī)裝置和冷卻系統(tǒng)等組成，每個(gè)部分的結(jié)構(gòu)功能不同但之間互相聯(lián)系，它們都作為三維仿真建?；A(chǔ)部分。學(xué)員可以通過(guò)三維模型全方位的查看設(shè)備外觀和零部件構(gòu)成，由部分到整體熟悉調(diào)相機(jī)系統(tǒng)。

基礎(chǔ)操作方面包含與設(shè)備的啟停相關(guān)的一些操作，繼電保護(hù)和對(duì)設(shè)備的運(yùn)檢維護(hù)。其中設(shè)備的運(yùn)檢維護(hù)主要針對(duì)調(diào)相機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)、SFC系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)部分、冷卻系統(tǒng)及油系統(tǒng)。學(xué)員應(yīng)當(dāng)通過(guò)培訓(xùn)軟件了解各部分的運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，掌握解決方法。

故障處理主要分為2個(gè)方面，一是調(diào)相機(jī)本身的故障，比如定轉(zhuǎn)子故障和各類(lèi)系統(tǒng)的一些與電網(wǎng)無(wú)關(guān)的故障。二是換流站中與調(diào)相機(jī)相關(guān)的故障，其中重點(diǎn)在于交流側(cè)這一部分與電壓失穩(wěn)有關(guān)的故障處理。這一塊的培訓(xùn)需求需要依靠培訓(xùn)軟件的三維動(dòng)畫(huà)模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)，學(xué)員通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示和三維仿真操縱機(jī)器了解并掌握調(diào)相機(jī)的故障處理方法。

1.2 開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)介

在充分考慮培訓(xùn)系統(tǒng)一系列需求的基礎(chǔ)上，本文認(rèn)為在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的工具上，3Ds Max及Unity3D是最好的選擇。3Ds Max在建模與動(dòng)畫(huà)制作方面有著強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)前也是主流；Unity 3D是一款強(qiáng)大的游戲引擎，在培訓(xùn)系統(tǒng)場(chǎng)景編輯和人機(jī)交互等方面都能處理得非常完美。

2 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對(duì)仿真需求進(jìn)行分析之后，程序功能從業(yè)務(wù)角度來(lái)看，操作人員需要熟悉調(diào)相機(jī)的各個(gè)組成部分，掌握啟動(dòng)停止等類(lèi)似的基礎(chǔ)操作，具備應(yīng)對(duì)各種故障的能力，同時(shí)還能熟練的對(duì)調(diào)相機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)檢和維護(hù)；從培訓(xùn)的角度來(lái)看，培訓(xùn)系統(tǒng)需要包含學(xué)員的自身學(xué)習(xí)與考核測(cè)評(píng)2個(gè)部分，增加整個(gè)系統(tǒng)的靈活性和規(guī)范性。綜合分析之后，培訓(xùn)軟件的程序功能如圖1所示。

圖1 培訓(xùn)軟件的程序功能圖

2.2 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 培訓(xùn)系統(tǒng)界面實(shí)現(xiàn)效果圖

此仿真培訓(xùn)軟件采取的培訓(xùn)方式是將實(shí)物通過(guò)三維建模構(gòu)建其虛擬模型，再將操作規(guī)范以3D動(dòng)畫(huà)的形式展示出來(lái)的手段達(dá)到培訓(xùn)的目的，而要構(gòu)建這個(gè)三維虛擬動(dòng)態(tài)過(guò)程，就應(yīng)充分考慮程序設(shè)計(jì)的3個(gè)思想，即模塊化、層次化和結(jié)構(gòu)化。由此可將系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成3層：數(shù)據(jù)資源層、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)層和用戶(hù)交互層。獨(dú)立設(shè)計(jì)相應(yīng)的層級(jí)及模塊，相互之間用預(yù)留接口來(lái)耦合調(diào)用。

3 仿真界面搭建及預(yù)覽

在對(duì)調(diào)相機(jī)仿真培訓(xùn)軟件的需求進(jìn)行充分分析之后，為了更直觀地體現(xiàn)培訓(xùn)需求和內(nèi)容，本文設(shè)計(jì)了一套仿真的界面。培訓(xùn)系統(tǒng)界面實(shí)現(xiàn)效果如圖2所示。

3.1 界面設(shè)計(jì)

考慮到培訓(xùn)軟件需求的多樣性以及實(shí)際培訓(xùn)中所能遇到的問(wèn)題等一些因素，若僅搭建一個(gè)界面并不能充分滿足仿真需求。搭建的界面分別是主登錄界面、模式選擇界面、情景選擇界面和情景加載界面。

（1）主登錄界面。主登錄界面是打開(kāi)培訓(xùn)軟件所看到的第一個(gè)界面，界面作用是登錄人員根據(jù)自身身份有不同的登錄選擇，登錄選擇分為教師登錄和學(xué)員登錄。

（2）模式選擇界面。學(xué)生或教師在主登錄界面登錄過(guò)后，在此界面進(jìn)行模式選擇。教師端主要針對(duì)學(xué)生，選擇教學(xué)或者考核的模式，學(xué)生端針對(duì)自身情況和老師要求，選擇自由學(xué)習(xí)和考試等各種模式。

（3）情景選擇界面。進(jìn)入模式選擇界面之后，學(xué)員便可選擇不同的情景進(jìn)行學(xué)習(xí)，情景大致分為調(diào)相機(jī)的基礎(chǔ)操作，設(shè)備的自由演練等。

（4）場(chǎng)景加載界面。對(duì)于不同三維場(chǎng)景，其加載過(guò)程需要一定的時(shí)間，所以在這段時(shí)間中可以設(shè)計(jì)一個(gè)加載界面來(lái)進(jìn)行視覺(jué)的過(guò)渡。

3.2 界面實(shí)現(xiàn)

2D界面實(shí)現(xiàn)使用Swing框架，Swing提供了許多標(biāo)準(zhǔn)界面組件，可以完成簡(jiǎn)單的界面組件，但是并不能完全滿足設(shè)計(jì)和需求，還需要進(jìn)行一些改進(jìn)。

（1）腳本邏輯?？蚣苤皇翘峁┝税粹o變化、滑動(dòng)條改變等事件響應(yīng)的接口，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完整的控制邏輯。需要對(duì)2D界面與三維場(chǎng)景的相關(guān)的控制邏輯進(jìn)行連接，在界面和組件響應(yīng)時(shí)即可安裝設(shè)定邏輯執(zhí)行。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)連接。由設(shè)計(jì)過(guò)程可以得知，界面中得內(nèi)容需要實(shí)時(shí)更新，比如對(duì)于各種突發(fā)情況的介紹和應(yīng)對(duì)、設(shè)備組件的介紹和實(shí)物圖、培訓(xùn)任務(wù)的變化。程序?qū)崿F(xiàn)不可能對(duì)每一種場(chǎng)景設(shè)計(jì)不同的界面，所以需要利用數(shù)據(jù)庫(kù)讀取本地內(nèi)容進(jìn)行加載。

（3）界面實(shí)現(xiàn)。將數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容讀入相應(yīng)的界面，按照設(shè)計(jì)合理規(guī)劃，初步完成界面設(shè)計(jì)。然后為組件連接相應(yīng)的觸發(fā)腳本，實(shí)現(xiàn)邏輯控制，最終實(shí)現(xiàn)界面的全部功能如圖2所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)新一代的大容量、大功率調(diào)相機(jī)進(jìn)行了充分分析，列出了每一部分的仿真功能需求，同時(shí)對(duì)仿真培訓(xùn)軟件的實(shí)現(xiàn)提出了搭建思路，最后設(shè)計(jì)了一套培訓(xùn)軟件的培訓(xùn)界面并實(shí)現(xiàn)，讓培訓(xùn)軟件更加直觀和具體，充分表現(xiàn)了此軟件開(kāi)發(fā)的可行性及具體效用。