電網(wǎng)調(diào)度業(yè)務(wù)操作可視化仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

深圳供電局有限公司 李騰飛

對電網(wǎng)資源的調(diào)度是建立在實際用電需求基礎(chǔ)上的，高效準確的業(yè)務(wù)操作是提高資源調(diào)度及時性的重要條件。與其他類型的業(yè)務(wù)操作相比，電網(wǎng)調(diào)度對執(zhí)行效率的要求更高，也由于電網(wǎng)系統(tǒng)本身的傳輸效率較高，因此對操作的容錯性相對較低，這就要求業(yè)務(wù)操作具有更好的準確性。電網(wǎng)在運行時危險性極高，一旦操作不當(dāng)，不僅可能產(chǎn)生故障影響電力經(jīng)濟，還可能危害人身安全。電網(wǎng)實地培訓(xùn)時，還需要花費大量資金購買設(shè)備，耗費人力物力維護，并且，僅能承載單人操作，培訓(xùn)效率低下。通過課堂授課的方式進行電網(wǎng)調(diào)度業(yè)務(wù)操作培訓(xùn)，僅能基于文字和圖片進行作業(yè)現(xiàn)場的展示，真實感不足，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。上述多種原因?qū)е聦嵉嘏嘤?xùn)這種操作能力的成本較高，風(fēng)險也相對較大，難以達到預(yù)期效果。因此設(shè)計相應(yīng)的培訓(xùn)系統(tǒng)是十分必要的[1]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）是利用計算機技術(shù)生成虛擬環(huán)境，借助多種虛擬現(xiàn)實設(shè)備，用戶佩戴設(shè)備即可從視覺、聽覺等多種感官上沉浸到虛擬環(huán)境中，并通過在虛擬環(huán)境中進行各種操作，實現(xiàn)交互。虛擬現(xiàn)實可視化技術(shù)不僅可更加具象化地展現(xiàn)信息內(nèi)容，同時也可提高系統(tǒng)用戶的專注度。近年來計算機技術(shù)的發(fā)展演化出了更具現(xiàn)實價值的仿真軟件，其可通過參數(shù)設(shè)置顯示出多樣化的數(shù)據(jù)環(huán)境，滿足不同的應(yīng)用需求?？紤]到電網(wǎng)調(diào)度業(yè)務(wù)的多樣化和復(fù)雜化，將其應(yīng)用到培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計中，讓學(xué)生身臨其境，加強對電網(wǎng)調(diào)度業(yè)務(wù)知識、技能的學(xué)習(xí)，通過交互式的操作，使學(xué)生熟練應(yīng)用操作技巧，最大限度地降低事故的發(fā)生幾率，將會極大程度滿足培訓(xùn)需求[2]。

1 電網(wǎng)調(diào)度業(yè)務(wù)操作可視化仿真培訓(xùn)系統(tǒng)總體架構(gòu)

電網(wǎng)調(diào)度業(yè)務(wù)操作可視化仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是通過計算機構(gòu)建一個仿真系統(tǒng)，模擬各種調(diào)度操作后系統(tǒng)的響應(yīng)情況，為學(xué)生提供更加逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，加強學(xué)生的應(yīng)變能力。在總體規(guī)劃時，主要以學(xué)生平臺和教師平臺及工作平臺三方面角度進行設(shè)計，學(xué)生平臺可以實現(xiàn)SCADA/EMS的實時數(shù)據(jù)的控制，通過網(wǎng)絡(luò)通信上傳至系統(tǒng)；教師平臺主要包含運動設(shè)備控制功能，可以調(diào)控并模擬電力系統(tǒng)的運行情況；工作平臺除包括網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)等外，將虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)作為子系統(tǒng)接入了平臺，實現(xiàn)了三維模擬操作。

2 硬件設(shè)計

2.1 處理器

考慮到本文設(shè)計的可視化仿真培訓(xùn)系統(tǒng)需滿足用戶對信息的視覺展示需求，因此，對于部分非視圖化的信息需轉(zhuǎn)化為圖像的形式[3]?；诖耍疚倪x用的處理器為STM32MP1通用微處理器，該處理器混合了雙Arm Cortex-A7核和Cortex-M4核在架構(gòu)上的優(yōu)勢，因此對信息的處理效率更高，能滿足更加多樣化的信息轉(zhuǎn)化新需求。不僅如此，其在滿足多種應(yīng)用靈活性需求的同時，產(chǎn)生的功耗相對較低，這就意味著其對實際運行環(huán)境的要求較低，可適用于不同的場景。

此外，Cortex-A7內(nèi)核允許Linux、Android等開源操作系統(tǒng)的控制操作，這就使得處理器在Cortex-M4內(nèi)核所在的STM32 MCU生態(tài)系統(tǒng)中能對不同應(yīng)用的自主開發(fā)。以此為基礎(chǔ)，STM32MP1通用微處理器可滿足STM32Cube固件庫和嵌入式軟件包的安裝請求，搭載的高級HMI開發(fā)數(shù)據(jù)包支持3D圖形處理單元(GPU)對最佳物料清單(BOM)的高效計算。為便于外部裝置的連接，處理器帶有豐富的數(shù)字與模擬外設(shè)集，為數(shù)據(jù)的安全提供了可靠保障。受STM32MP1通用微處理器高集成性的特征影響，在對數(shù)據(jù)進行封裝處理時兼容性更高，執(zhí)行成本低至4(PTH)PCB。處理器自帶的專用電源管理IC確保系統(tǒng)在斷電情況下也可實現(xiàn)穩(wěn)定運行。

2.2 存儲器

本文設(shè)計的系統(tǒng)為可視化仿真系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)運行期間會涉及大量的數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求，由于原始數(shù)據(jù)類型較為豐富，數(shù)據(jù)規(guī)模也相對龐大，因此存儲裝置為深信服分布式存儲EDS，其構(gòu)架是以全對稱分布的形式存在的，滿足三節(jié)點起步條件時即可實現(xiàn)對塊、文件、對象的存儲服務(wù)。其中，塊存儲池的承載性能受數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化特征影響，通用容量通用呈現(xiàn)出海量非結(jié)構(gòu)化發(fā)展趨勢。不僅如此，為了適應(yīng)長期應(yīng)用需求，存儲器支持的最大擴展空間可 達 到EB級。iSCSI、NFS、CSI、HDFS、S3等多種存儲協(xié)議可滿足不同原始數(shù)據(jù)的存儲需求。

不僅如此，分布式存儲EDS在數(shù)據(jù)管理方面也有明顯優(yōu)勢，其上層可實現(xiàn)對應(yīng)用的兼容，下層滿足硬件的解耦需求，這種數(shù)據(jù)管理方式可實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的單獨存儲需求。在性能方面，分布式存儲EDS的業(yè)務(wù)應(yīng)用協(xié)議以實際應(yīng)用需求為基礎(chǔ)作出了針對性的性能優(yōu)化，在降低系統(tǒng)硬件投入的前提下，對數(shù)據(jù)生命周期進行閉環(huán)處理，以期提高培訓(xùn)數(shù)據(jù)在安全方面的可靠性，內(nèi)置的存儲殺毒也對高級威脅具有較高的清除效果。

2.3 虛擬現(xiàn)實設(shè)備

電網(wǎng)調(diào)度業(yè)務(wù)可視化仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中引入了虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過構(gòu)建虛擬現(xiàn)實場景使學(xué)生置身于電網(wǎng)調(diào)度操作仿真環(huán)境中，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。虛擬現(xiàn)實設(shè)備主要包括Oculus Rift頭戴式設(shè)備，使學(xué)生的視覺感官進入培訓(xùn)場景中。另外，還選擇了Kinect for Win-dows作為虛擬現(xiàn)實交互式設(shè)備，通過3D體感傳感器跟蹤學(xué)生姿態(tài)，實現(xiàn)動態(tài)捕捉，從而將學(xué)生的操作傳入系統(tǒng)。另外還配有高性能電腦、顯示大屏、定位器三角支架等輔助設(shè)備，結(jié)合佩戴穿戴式的虛擬現(xiàn)實設(shè)備，學(xué)生可以從任何角度觀察電網(wǎng)操作平臺的構(gòu)造，沉浸式地體驗電網(wǎng)調(diào)度的操作過程和電力系統(tǒng)的響應(yīng)結(jié)果。

3 軟件設(shè)計

3.1 構(gòu)建培訓(xùn)數(shù)據(jù)庫

電網(wǎng)調(diào)度是一項復(fù)雜、涉及內(nèi)容廣泛的工作，因此相應(yīng)的培訓(xùn)也需從多方面進行，為滿足與實際業(yè)務(wù)操作相契合，本文首先在系統(tǒng)中構(gòu)建了培訓(xùn)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的基本構(gòu)成包括調(diào)度業(yè)務(wù)檔案管理、調(diào)度業(yè)務(wù)演練、調(diào)度業(yè)務(wù)主題管理、每日業(yè)務(wù)答題、專項業(yè)務(wù)答題、挑戰(zhàn)業(yè)務(wù)答題。各個部分的測試體主要是通過在大數(shù)據(jù)中集成得到的，集成后的數(shù)據(jù)經(jīng)過TM32MP1通用微處理器的接口傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)部，并暫存于深信服分布式存儲EDS的初級節(jié)點中。

在對數(shù)據(jù)進行分類時，首先按照各自的屬性特征，利用STM32Cube固件庫實現(xiàn)對其的類別劃分，初步劃分后的數(shù)據(jù)并不能直接適應(yīng)，需要借助處理器的最佳物料清單識別出數(shù)據(jù)中的非可視化內(nèi)容，最后利用3D圖形處理單元將識別結(jié)果轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可直接利用的形式。再根據(jù)上述的分類將其對應(yīng)到各自的數(shù)據(jù)庫中，并存儲于深信服分布式存儲EDS的二級節(jié)點中。

3.2 三維可視化場景構(gòu)建

電網(wǎng)調(diào)度業(yè)務(wù)操作可視化培訓(xùn)系統(tǒng)中嵌入虛擬現(xiàn)實子系統(tǒng)，通過構(gòu)建三維電網(wǎng)調(diào)度操作平臺，將調(diào)度指令及操控按鍵、操控桿等以虛擬場景的模式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，通過VR交互設(shè)備向子系統(tǒng)傳遞操作命令，子系統(tǒng)接收到命令后反饋給教師平臺，由教師平臺進行操作合格與否的判定。虛擬現(xiàn)實子系統(tǒng)基于Unity3D 5.6.4版本實現(xiàn)開發(fā)，采用Revit三維建模軟件、3D MAX模型處理軟件，采用C#作為開發(fā)語言，在Win 10系統(tǒng)上實現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)布，由此實現(xiàn)虛擬場景與仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的交互連接。

將電網(wǎng)調(diào)度業(yè)務(wù)操作可視化的構(gòu)建分為幾何建模、結(jié)構(gòu)建模和流程建模三個部分。其中，幾何建模主要參考電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)調(diào)度平臺的物理特性，如形狀、尺寸等；結(jié)構(gòu)建模需要參考電力系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)造，確定電網(wǎng)中電氣設(shè)備的連通關(guān)系等，設(shè)備是否帶電、位于輻射網(wǎng)或環(huán)網(wǎng)，均可以采用不同的顏色顯示；流程建模是參考歷史電力系統(tǒng)正常運行或發(fā)生故障時的調(diào)度業(yè)務(wù)操作交互流程，根據(jù)教學(xué)的需要，還可以增加設(shè)備維護保養(yǎng)、故障檢測等功能。

3.3 執(zhí)行可視化仿真培訓(xùn)

用戶在使用系統(tǒng)進行專項技能培訓(xùn)時，為了提高培訓(xùn)效果，使用戶以更高的集中度關(guān)注在培訓(xùn)資源上，本文在處理器中嵌入了Simulator數(shù)據(jù)包，以此實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的仿真展示。當(dāng)用戶進入系統(tǒng)確定訓(xùn)練內(nèi)容后，處理器從想用的存儲裝置中提取出對應(yīng)的資源后，利用端口將其傳輸?shù)絊imulator數(shù)據(jù)包中，由于數(shù)據(jù)本身就具有可視化屬性，因此Simulator數(shù)據(jù)包對其的轉(zhuǎn)化主要將目標參數(shù)嵌入到仿真軟件中，其過程可表示為x(a,b,c)=(P)。其中，x表示Simulator數(shù)據(jù)包實現(xiàn)數(shù)據(jù)仿真展示所需的信息，a、b、c分別表示不同的參數(shù)數(shù)值，p表示可視化數(shù)據(jù)的維度，P表示待展示的可視化數(shù)據(jù)。

以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)可視化仿真測試。培訓(xùn)的目的是提升員工的實際操作能力，因此，本文在系統(tǒng)中構(gòu)建了單個用戶的測試結(jié)果分析模塊，其中統(tǒng)計了任意單次測試的結(jié)構(gòu)以及一定時間內(nèi)測試結(jié)果的變化趨勢。結(jié)果的評定是完成測試的時間、準確率。通過這樣的方式，進一步提高系統(tǒng)的應(yīng)用價值。

4 系統(tǒng)應(yīng)用分析

為了測試本文設(shè)計系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果，進行了應(yīng)用測試。

應(yīng)用環(huán)境。本文將系統(tǒng)應(yīng)用于某智能變電站中，該智能變電站是依托于IEC61850標準搭建的，鑒于IEC61850在設(shè)計思想上的先進性，在實際供電過程中面向的對象也更加全面化，因此信息建模技術(shù)的應(yīng)用相對廣泛。對于未來電力發(fā)展需求所展現(xiàn)出的開放性更高。在本文測試應(yīng)用中的IEC61850標準變電站具有三層架構(gòu)，分別為站控層、間隔層、過程層，在此三層設(shè)備基礎(chǔ)上搭建站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)。變電站對數(shù)據(jù)的傳輸方式分為網(wǎng)采網(wǎng)跳、直采直跳兩種。網(wǎng)采網(wǎng)跳出傳輸方式是建立在過程層網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，通過獲取或輸出信息控制相關(guān)設(shè)別的運行，在此過程中，數(shù)據(jù)的傳輸節(jié)點過程層線路、母線、母聯(lián)、變壓器智能組件柜。本文以220kV運輸功率下電網(wǎng)的資源調(diào)度需求為測試對象，分析歷經(jīng)系統(tǒng)訓(xùn)練前后對母線，母聯(lián)本側(cè)、對側(cè)單元、間隔層、控制柜、故障錄波、網(wǎng)絡(luò)分析儀以及站控層的數(shù)據(jù)服務(wù)器業(yè)務(wù)操作的效果。

測試結(jié)果。在上述基礎(chǔ)上，對比了訓(xùn)練前后的操作效果，從表1可看出，經(jīng)過培訓(xùn)后，對于不同業(yè)務(wù)的操作時間均有明顯縮減，且出現(xiàn)錯誤的概率基本穩(wěn)定在1.2%以內(nèi)。表明本文設(shè)計的培訓(xùn)系統(tǒng)對于提高業(yè)務(wù)操作具有實際價值。

表1 測試結(jié)果對比表

5 結(jié)語

電網(wǎng)調(diào)度的核心是根據(jù)實際的用電需求對電能的供應(yīng)方式進行調(diào)節(jié)，確保電能資源的價值最大化，在充分滿足用電需求的基礎(chǔ)上，降低能源的異常消耗?，F(xiàn)階段已初步實現(xiàn)了對電能資源使用需求的智能化計算和管理，但電網(wǎng)的調(diào)度主要還是以人工方式進行的。為減少由于操作不規(guī)范或不及時引起的電網(wǎng)資源調(diào)度異常，進行相關(guān)業(yè)務(wù)操作的培訓(xùn)是十分必要的。本文設(shè)計了一種電網(wǎng)調(diào)度業(yè)務(wù)操作可視化仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，提高了培訓(xùn)的效果。通過本文的研究，以期為更加系統(tǒng)化地培訓(xùn)管理提供有價值的幫助。