智能變電站二次回路增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)職業(yè)技能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研究

侯娟，劉星潔，李春林，吳娟娟

（鄭州電力高等?？茖W(xué)校，河南 鄭州 450002）

2019年，國務(wù)院印發(fā)《國家職業(yè)教育改革實(shí)施方案的通知》，明確提出要適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育”發(fā)展需求，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)改進(jìn)教學(xué)方式方法，推進(jìn)虛擬工廠等網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間建設(shè)和普遍應(yīng)用。改進(jìn)傳統(tǒng)以理論教學(xué)為主的模式，強(qiáng)化技能培訓(xùn)，突出實(shí)際操作能力培訓(xùn)，提高培訓(xùn)質(zhì)量和效率。

1 智能變電站二次系統(tǒng)仿真培訓(xùn)現(xiàn)狀

智能站二次系統(tǒng)的信號采集和控制方式與傳統(tǒng)變電站有所不同，二次系統(tǒng)的測量、控制、信號等回路的傳統(tǒng)變電站的電纜被光纜替代，光纜中信號的傳遞采用數(shù)字信號，與傳統(tǒng)的電纜連接相比，信息傳遞的內(nèi)容和路徑均無法采用傳統(tǒng)的萬用表測試儀等方式獲取。目前，對智能站二次回路的識別大多利用SCD解析工具軟件，通過IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的字符串描述，實(shí)現(xiàn)信息的甄選和二次回路虛端子對應(yīng)關(guān)系的查找。這種工具軟件需要運(yùn)維人員了解智能站二次回路的結(jié)構(gòu)和二次功能實(shí)現(xiàn)的原理，并掌握一定的虛端子描述知識。隨著智能站的全面建設(shè)，運(yùn)維人員面對實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的智能變電站二次回路故障或異常，時(shí)常不能快速定位故障點(diǎn)，不能準(zhǔn)確描述故障現(xiàn)象并找出故障原因，需要廠家配合，這些都影響了智能變電站的運(yùn)維工作質(zhì)量和消缺時(shí)間。

目前，國內(nèi)已開發(fā)的變電站培訓(xùn)仿真系統(tǒng)對變電站運(yùn)行專業(yè)的培訓(xùn)發(fā)揮了較好的作用，但由于其面向傳統(tǒng)變電站二次回路，且對二次回路大多進(jìn)行功能仿真，尚未實(shí)現(xiàn)對智能站二次回路的基于實(shí)際原理的仿真，不能真實(shí)再現(xiàn)智能變電站二次回路的實(shí)際工作過程細(xì)節(jié)，無法對繼電保護(hù)專業(yè)進(jìn)行有效的培訓(xùn)。同時(shí)，智能站二次回路異常現(xiàn)象不易模擬，除光纜通斷外，其余大部分二次回路異常均需采用數(shù)字仿真模擬方式實(shí)現(xiàn)。采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)，融合虛擬世界和真實(shí)場景，可以實(shí)現(xiàn)難模擬、難重現(xiàn)、難考評的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，可突破實(shí)訓(xùn)場地的約束，還可借助人機(jī)自然交互技術(shù)，為受訓(xùn)人員提供培訓(xùn)過程導(dǎo)引和輔助知識提示，以及虛擬操作演練的受訓(xùn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)智能變電站二次功能的全方位全過程仿真培訓(xùn)。

因此，需研發(fā)一套智能變電站二次系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，為運(yùn)維人員提供自主學(xué)習(xí)、知識講解、操作演練、考試培訓(xùn)等功能，以提高運(yùn)維人員對智能站二次系統(tǒng)的掌握程度，提高智能站繼電保護(hù)自動裝置設(shè)備及二次回路運(yùn)維質(zhì)量，對保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，具有重要意義。

2 確立研究方案

我校于2018年投產(chǎn)建設(shè)220kV雁園智能變電站，變電站一次系統(tǒng)包含220kV、110kV、10kV 3個(gè)電壓等級，220kV、110kV部分設(shè)計(jì)為雙母線接線方式，10kV為單母分段。變電站包含1臺容量180MVA（220kV/110kV/10kV）主變壓器，220kV進(jìn)線1回，110kV出線3回，10kV無功補(bǔ)償電容器組2回，站用變1回，變電站二次系統(tǒng)采用北京四方變電站綜自系統(tǒng)。2021年，學(xué)校建設(shè)基于“互聯(lián)網(wǎng)+”智能變電站一次設(shè)備仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目，由北京科東電力控制有限公司開展研究和系統(tǒng)研制，該系統(tǒng)可開展面向智能變電站一次設(shè)備的仿真培訓(xùn)。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”虛擬仿真智慧學(xué)習(xí)平臺架構(gòu)與核心技術(shù)基礎(chǔ)上，再開發(fā)一套智能變電站二次系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。系統(tǒng)提供可進(jìn)行智能變電站二次系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)的平臺，構(gòu)建典型標(biāo)準(zhǔn)化的智能站二次回路圖紙案例，實(shí)現(xiàn)智能變電站二次回路圖紙動態(tài)化仿真培訓(xùn)，開展識圖和缺陷查找培訓(xùn)、演練，借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)手段可實(shí)現(xiàn)仿真培訓(xùn)全過程的導(dǎo)引和知識輔助，受訓(xùn)人員可在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作演練。系統(tǒng)可滿足相關(guān)人員的培訓(xùn)、考核、競賽、技能鑒定等業(yè)務(wù)需求，使運(yùn)行維護(hù)人員了解智能站各種二次回路缺陷發(fā)生的現(xiàn)象、原因及變化過程，總結(jié)積累智能站二次回路缺陷判斷，查找經(jīng)驗(yàn)，提升各級調(diào)度人員、監(jiān)控人員、變電站運(yùn)維人員的智能變電站二次回路認(rèn)知和分析處理能力。因此，方案的確立是迫切和必要的。

3 方案關(guān)鍵技術(shù)

3.1 研究智能變電站二次系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)建模識別技術(shù)

研究智能變電站二次系統(tǒng)虛實(shí)融合的培訓(xùn)環(huán)境建設(shè)方法，研究算法、采樣范圍和采樣步驟，通過人工標(biāo)識特征提取與匹配方法實(shí)現(xiàn)對智能變電站二次系統(tǒng)目標(biāo)物的快速識別方法，再通過跟蹤注冊匹配虛擬模型與現(xiàn)場真實(shí)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)虛擬元素在統(tǒng)一的三維坐標(biāo)系的精準(zhǔn)定位。

3.2 研究智能變電站二次系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)交互方法

通過視覺圖像識別技術(shù)可以對運(yùn)維人員多種手勢的組合進(jìn)行識別，通過對系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)，確定系統(tǒng)內(nèi)主要應(yīng)用的手勢指令為點(diǎn)選、拖拽和旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識別出手勢，并能夠快速正確的響應(yīng)設(shè)定的行為動作，對目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行自然人機(jī)交互。通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，培訓(xùn)學(xué)員可在智能變電站真實(shí)的設(shè)備與環(huán)境上疊加虛擬信息與狀態(tài)，進(jìn)行虛擬操作查看設(shè)備狀態(tài)與數(shù)據(jù)，從而達(dá)到真實(shí)的站內(nèi)培訓(xùn)體驗(yàn)。

3.3 研究智能變電站二次系統(tǒng)圖紙可視化建模技術(shù)

研究智能變電站二次系統(tǒng)設(shè)備的三維建模技術(shù)，構(gòu)造智能變電站二次系統(tǒng)設(shè)備的三維模型，組建智能變電站二次系統(tǒng)三維工作場景。研究智能變電站二次系統(tǒng)圖紙的可視化畫面編輯技術(shù)、圖符編輯技術(shù)和圖模庫一體化實(shí)現(xiàn)技術(shù)，按照實(shí)際智能變電站二次系統(tǒng)工程圖，解析SCD文件，經(jīng)過圖元建模形成動態(tài)二次系統(tǒng)工程圖紙模型，構(gòu)建二次功能實(shí)現(xiàn)的圖形化建模及展示工作平臺，建立設(shè)備與圖紙、輔助信息的動態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3.4 研究智能變電站二次系統(tǒng)仿真培訓(xùn)的虛實(shí)結(jié)合培訓(xùn)管理技術(shù)

研究智能變電站二次系統(tǒng)仿真培訓(xùn)多場景信息互聯(lián)互通技術(shù)，研究智能變電站二次系統(tǒng)仿真培訓(xùn)多場景互動技術(shù)，研究智能變電站二次系統(tǒng)三維模型和二維圖紙模型的可視化監(jiān)控技術(shù)、交互操作管理技術(shù)、記錄管理技術(shù)和智能變電站二次系統(tǒng)知識的可視化展示技術(shù)等，在智能變電站動態(tài)二次系統(tǒng)工程圖紙模型基礎(chǔ)上，監(jiān)視圖紙的圖元工作狀態(tài)，分類展示圖紙中圖元動作事件順序記錄，著色展示元件的激活狀態(tài)和回路激活狀態(tài)，并對監(jiān)視數(shù)據(jù)、信息、圖元狀態(tài)等進(jìn)行記錄，用于數(shù)據(jù)分析、回放展示及行為評價(jià)。

3.5 研究智能變電站二次系統(tǒng)圖紙仿真技術(shù)

研究智能變電站二次系統(tǒng)圖紙的圖模一體計(jì)算分析技術(shù)、智能變電站二次回路識圖培訓(xùn)技術(shù)、智能變電站二次回路典型缺陷仿真和缺陷查找技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能變電站動態(tài)二次回路工程圖紙模型仿真功能，對圖紙模型的二次回路進(jìn)行仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)二次回路識圖培訓(xùn)，可設(shè)置二次回路的各類典型缺陷和缺陷查找仿真，提供二次回路培訓(xùn)和實(shí)操仿真培訓(xùn)功能。

3.6 研究智能變電站二次系統(tǒng)培訓(xùn)講解技術(shù)

為便于教員開展培訓(xùn)考核和學(xué)員自主學(xué)習(xí)，培訓(xùn)指導(dǎo)與考核系統(tǒng)模塊提供培訓(xùn)案例，培訓(xùn)案例提供指導(dǎo)功能，學(xué)員可利用培訓(xùn)案例進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。通過培訓(xùn)案例，借助于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和知識輔助導(dǎo)引提示等，既可學(xué)習(xí)仿真系統(tǒng)的使用，也可學(xué)習(xí)專業(yè)技能。在指導(dǎo)模式下，針對二次系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的步驟的視覺引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)式學(xué)習(xí)。培訓(xùn)案例預(yù)先設(shè)置了不同級別、不同難度的典型題目，學(xué)員可根據(jù)自己的需求選擇題目進(jìn)行練習(xí)，教員也可根據(jù)培訓(xùn)需要選擇合適的題目供學(xué)員練習(xí)。教員可在題庫中增加、修改或者刪除題目，也可直接在仿真系統(tǒng)中設(shè)置題庫里沒有的題目。

3.7 研制智能變電站二次系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

以學(xué)校220kV智能實(shí)訓(xùn)變電站為仿真對象，建立智能變電站二次系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，系統(tǒng)既支持線上學(xué)習(xí)考試和聯(lián)合反事故演習(xí)，同時(shí)，也支持線下應(yīng)用AR設(shè)備進(jìn)行實(shí)景教學(xué)和實(shí)操培訓(xùn)。

4 結(jié)語

根據(jù)方案研究的成果將為變電運(yùn)行人員、繼電保護(hù)專業(yè)人員、自動化專業(yè)人員、直流專業(yè)人員提供智能變電站二次回路的網(wǎng)絡(luò)化仿真培訓(xùn)環(huán)境，提供一套高效、專業(yè)的智能變電站二次回路仿真系統(tǒng)，將有效提高相關(guān)人員的培訓(xùn)效率，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)、社會效益顯著。同時(shí)，方案構(gòu)建具備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互能力的面向智能變電站保護(hù)及二次回路的模型，形成滿足變電運(yùn)維需求的智能變電站二次系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，打造快速提升變電運(yùn)維人員生產(chǎn)技能和綜合素質(zhì)的學(xué)習(xí)平臺，能夠滿足目前的電網(wǎng)運(yùn)行技能培訓(xùn)工作，沖破傳統(tǒng)的培訓(xùn)理念，實(shí)現(xiàn)線上線下結(jié)合的培訓(xùn)模式，不僅可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)智能變電站二次系統(tǒng)仿真，還可將二次系統(tǒng)仿真與變電站仿真集于一體，反映電網(wǎng)和變電站之間相互作用、相互影響的關(guān)系，可以對電網(wǎng)運(yùn)行人員進(jìn)行全方位、全過程、全場景的仿真培訓(xùn)，為智能電網(wǎng)建設(shè)提供高質(zhì)量人才保障和安全生產(chǎn)保障。