基于自適應(yīng)學(xué)習(xí)技術(shù)的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

王鈺 萬潤楠 孫睿

摘要：在現(xiàn)代智能學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展背景下，變電站培訓(xùn)系統(tǒng)也在逐漸實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級，而針對于傳統(tǒng)系統(tǒng)與學(xué)員個性化學(xué)習(xí)需求所存在的不足之處，以智能化的自適應(yīng)學(xué)習(xí)技術(shù)為研究基礎(chǔ)，提出一種可以綜合考慮用戶模型有關(guān)特征，集合“教學(xué)、學(xué)習(xí)、聯(lián)系、考核和評價”為一身的多種教學(xué)模式，依托于智能化與“互聯(lián)網(wǎng)+”的智慧學(xué)習(xí)平臺要求，為提升變電站運(yùn)維人員的日常工作效率與質(zhì)量以及處理緊急異常情況的工作能力、個性化學(xué)習(xí)培訓(xùn)需求提供有效的仿真培訓(xùn)方案。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)學(xué)習(xí)技術(shù)??變電站??仿真培訓(xùn)系統(tǒng)??系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TM74

Design?and?Application?of?the?Substation?Simulation?Training?System?Based?on?Adaptive?Learning?Technology

WANG?Yu??WANG?Runnan??SUN?Rui

（Electric?Power?Research?Institute，?State?Grid?Inner?Mongolia?East?Electric?Power?Co.，?Ltd.，?Hohhot，?Inner?Mongolia?Autunomous?Region，?028001?China）

Abstract：?In?the?context?of?the?development?of?modern?intelligent?learning?technology，?the?substation?training?system?is?also?gradually?upgrading?its?technology.?However，?in?response?to?the?shortcomings?of?traditional?systems?and?personalized?learning?needs?of?students，?this?article?takes?intelligent?adaptive?learning?technology?as?research?basis，?and?proposes?a?variety?of?teaching?modes?that?can?comprehensively?consider?the?relevant?characteristics?of?user?models?and?integrate?"teaching，?learning，?connection，?assessment?and?evaluation"，?which?rely?on?the?requirements?of?intelligent?and?"Internet+"?intelligent?learning?platforms?to?provide?effective?simulation?training?programs?for?improving?the?daily?work?efficiency?and?quality?of?substation?operation?and?maintenance?personnel，?as?well?as?their?working?ability?to?deal?with?emergencies?and?abnormal?situations?and?personalized?learning?and?training?needs.

Key?Words：?Adaptive?learning?technology;?Substation;?Simulation?training?system;?System?design

變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)從實(shí)體仿真階段，過渡到實(shí)體與虛擬相結(jié)合的仿真，再發(fā)展到純數(shù)字仿真，到目前的3D虛擬現(xiàn)實(shí)模擬的變電站仿真，歷時大約30年時間。目前的變電站模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，存在著一些問題，如理論與實(shí)際脫節(jié)、缺少趣味等問題，不能適應(yīng)變電站人員的個性化學(xué)習(xí)需要。因此迫切需要一種集多種教學(xué)模式于一體的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)來滿足變電站長遠(yuǎn)創(chuàng)新發(fā)展的需要。

1?變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

本文研究以某地區(qū)500kV的變電站仿真訓(xùn)練系統(tǒng)為例對其進(jìn)行深入分析，采用了層、面向服務(wù)和構(gòu)件化的體系結(jié)構(gòu)，對基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)層、仿真應(yīng)用層和人機(jī)展示層等四個層次的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面探討[1]。其中，底層由服務(wù)器、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、存儲等組成，能夠?yàn)樵骗h(huán)境下的仿真工作提供必要的硬件支持。

底層的業(yè)務(wù)主要由數(shù)據(jù)、平臺管理、功能模塊等組成，采用一種包含一些即時歷史數(shù)據(jù)、授權(quán)數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)以及平臺管理數(shù)據(jù)的基于業(yè)務(wù)的體系結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)全過程的全過程控制奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，提出了一種面向?qū)ο蟮?、面向?qū)ο蟮拿嫦驅(qū)ο蟮姆椒āＴ谌藱C(jī)呈現(xiàn)層中，視覺化的人機(jī)界面是其核心部分，它包括了對虛擬現(xiàn)實(shí)的建模，對虛擬現(xiàn)實(shí)的可視化，對電力網(wǎng)絡(luò)的仿真監(jiān)控的演示等，它可以為整個系統(tǒng)提供一個具有良好的人機(jī)互動與顯示的接口。

2?自適應(yīng)學(xué)習(xí)功能設(shè)計

通過對自適應(yīng)學(xué)習(xí)功能的研究，給出了一種基于目標(biāo)導(dǎo)向的學(xué)習(xí)功能實(shí)現(xiàn)方法。其中的領(lǐng)域模型是整個自適應(yīng)學(xué)習(xí)功能系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它可對領(lǐng)域知識結(jié)構(gòu)展開詳細(xì)的描述，將每個概念以及概念之間的關(guān)系都包括進(jìn)去，而這個模型實(shí)施目的就是要將領(lǐng)域知識的結(jié)構(gòu)化。而用戶模型是實(shí)現(xiàn)個體化學(xué)習(xí)的核心，也是每個學(xué)習(xí)者個性特征的抽象表示，該模型包含如個人的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)成績、能力狀況等[2]。在此基礎(chǔ)上，用戶模型可針對不同的個體特點(diǎn)進(jìn)行不同的設(shè)計，并結(jié)合教學(xué)模型來實(shí)現(xiàn)二者緊密連接的目標(biāo)。教學(xué)模型能向使用者傳送有自適應(yīng)的指令，并向使用者提供有針對性的學(xué)習(xí)資料。然而自適應(yīng)學(xué)習(xí)引擎其可通過使用適應(yīng)性學(xué)習(xí)的方法，實(shí)現(xiàn)基于個體特征的動態(tài)行為分析。其流程是：該體系對學(xué)生的學(xué)習(xí)行為和學(xué)習(xí)狀況進(jìn)行了采集，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上，對學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容做出了相應(yīng)的調(diào)節(jié)，并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為和反饋，不斷地對其進(jìn)行更新，在此基礎(chǔ)上，對該模型作進(jìn)一步的改進(jìn)。本項(xiàng)目將在IEEEPAPI和CELTS-11標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)習(xí)方式、認(rèn)知水平和學(xué)習(xí)歷史等特征，研究符合電網(wǎng)運(yùn)行管理人員學(xué)習(xí)特征的個性化學(xué)習(xí)內(nèi)容推薦方法。在這些特征中，學(xué)員的學(xué)習(xí)方式特點(diǎn)包括：學(xué)員對教學(xué)方式的認(rèn)識、教學(xué)方式的投入等。知識概念的形成與發(fā)展是知識概念形成的基礎(chǔ)，而知識概念的形成與發(fā)展又是知識概念形成的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)歷程主要有快速、重復(fù)兩個方面。

針對變電所操作人員個體化的問題，提出了一種新的變電所操作規(guī)程。本系統(tǒng)采用兩種方式來進(jìn)行個體化的推薦技術(shù)：一種是基于個體化的內(nèi)容推薦，二是個性化的內(nèi)容推薦導(dǎo)航。而個性化的內(nèi)容，則是針對各種媒介的特性，將所需要的信息，自動的與用戶相匹配。根據(jù)用戶的學(xué)習(xí)風(fēng)格、認(rèn)知水平和興趣偏好，對用戶進(jìn)行個性化的推薦內(nèi)容引導(dǎo)。其中，整體導(dǎo)航主要是由領(lǐng)域知識樹狀結(jié)構(gòu)來表現(xiàn)，通過學(xué)習(xí)狀態(tài)標(biāo)記來表示使用者目前對知識的掌握程度，因此，讓不同層次的使用者能夠更加清楚地認(rèn)識到自己目前所學(xué)的東西在知識系統(tǒng)中的地位。而里面蘊(yùn)含的知識和概念，可以使使用者更有條理地掌握所學(xué)內(nèi)容。

3?變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

3.1案例制作

在這個方案中，教員將登陸到教師模式狀態(tài)，使用這個系統(tǒng)來完成個案的生成，即教員要設(shè)定主題，之后按照問題需要，執(zhí)行正確運(yùn)算。最后將運(yùn)算后的答案進(jìn)行編輯并保存起來，具體的實(shí)例制造的模塊流程如下圖1所示。

且本系統(tǒng)還支持分類題目的類別、難以程度等操作，可以更快地收集每一位學(xué)員學(xué)習(xí)風(fēng)格與認(rèn)知水平、學(xué)習(xí)歷史等資料，從而可以有目標(biāo)地將合適的題目推薦給學(xué)員，便于學(xué)員在學(xué)習(xí)中循序漸進(jìn)。

3.2系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)實(shí)際變電站的運(yùn)行情況分析，仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行方面、暫態(tài)性與實(shí)時性、系統(tǒng)資源的可靠程度、充裕程度等方面需要滿足一定的指標(biāo)。

3.2.1暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

該指標(biāo)需要保障系統(tǒng)能夠正常計算，并將計算過程不能夠違背實(shí)際物理情況、結(jié)果收斂正常作為基礎(chǔ)，如保護(hù)與自動裝置的動作、故障與擾動情況系統(tǒng)的現(xiàn)象、仿真系統(tǒng)的報警與報文等；且后續(xù)的潮流計算和儀表誤差應(yīng)當(dāng)將其控制在合理的范圍之內(nèi)[3]。

3.2.2實(shí)時性指標(biāo)

該指標(biāo)需要保障過程快、滿等模型的運(yùn)行周期分別小于0.02和0.01s；整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)刷新周期≤1s；斷路器變位警告的相應(yīng)時間應(yīng)當(dāng)≤2s；系統(tǒng)多媒體調(diào)用的相應(yīng)時間應(yīng)當(dāng)≤2s?[4]。

3.2.3系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)

無論是整個仿真計算機(jī)平均沒有故障的工作時間還是軟件的沒有故障的工作時間，都可以保障在長時間下運(yùn)行，一般都要求二者＞3萬h；整個系統(tǒng)的可用率不能小于99.99%；系統(tǒng)發(fā)生故障的頻率每一年不能高于1次。

3.2.4資源充裕度指標(biāo)

計算機(jī)的CPU在正常工作狀態(tài)下，其對于系統(tǒng)的評價指標(biāo)最為重要的兩項(xiàng)是任意5min的負(fù)荷率與任意1s內(nèi)的負(fù)荷率。結(jié)合本系統(tǒng)分析結(jié)果，要求這兩項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值分別為25%和40%；且備用的內(nèi)存與外存容量分別要高于50%和80%[5]。

3.3學(xué)習(xí)模式

當(dāng)學(xué)員進(jìn)入到學(xué)校模式后，可以在3D仿真中進(jìn)入到所模擬的站點(diǎn)區(qū)域來選取一個情景，并且可以在這個情景中漫游，如圖2所示。學(xué)員可以自己選取試題進(jìn)行練習(xí)，并能在全過程中將每一道試題的正確練習(xí)過程給學(xué)員演示出來。而且，為了讓學(xué)員可以清楚地知道自己要進(jìn)行哪些操作，現(xiàn)在，在這個過程中，所使用到的所有儀器和設(shè)備，都會以突出顯示出來，這樣可以讓學(xué)員在學(xué)會如何進(jìn)行正確操作之后，更好地了解要進(jìn)行哪些儀器和設(shè)備。而且，每一步的動作，都會有一段錄音。

3.4練習(xí)模式

練習(xí)模式能使學(xué)員熟悉并熟悉該模型的訓(xùn)練過程，使其工作過程標(biāo)準(zhǔn)化，并能收集并儲存學(xué)員的學(xué)習(xí)行為資料。在實(shí)踐方式中，從工具間取出頭盔的方法如圖3所示。

在練習(xí)模式中，學(xué)員需要先做正確的動作然后再做題，若操作的步驟和次序與正確操作要求不一致，則會出現(xiàn)相應(yīng)的錯誤標(biāo)記，并將其扣分。為了避免做錯的動作會影響到正確的答案，做錯的動作將不會順暢地進(jìn)行，比如在一個3D界面上進(jìn)行一個操作將某個斷路器拉開，假如這個操作是一個錯誤的操作；然后，這個斷路器就不會被打開，當(dāng)其工作正常時，這個斷路器就會打開。另外，為使訓(xùn)練過程順暢，訓(xùn)練方式下設(shè)有提醒系統(tǒng)，提醒學(xué)員下一步該如何做，學(xué)員可以根據(jù)提示的作用，也可以根據(jù)正確的動作程序進(jìn)行動作。

3.5考試模式

考試模式是通過在一定的時限之內(nèi)，以執(zhí)行所需的運(yùn)輸檢驗(yàn)環(huán)節(jié)來檢驗(yàn)學(xué)員的技術(shù)水平。當(dāng)學(xué)員進(jìn)入到測試狀態(tài)時，整個動作都會在系統(tǒng)監(jiān)視下進(jìn)行，并且會根據(jù)學(xué)員進(jìn)行的動作和事先輸入正確動作進(jìn)行對比，從而給學(xué)員打分[6]。與訓(xùn)練模式不同的地方在于，在考試模式中每一步動作都不會出現(xiàn)任何提示，就算出現(xiàn)錯誤的動作系統(tǒng)也會做出反應(yīng)并進(jìn)行相應(yīng)的步驟，在考試結(jié)束后，系統(tǒng)會自動給出分?jǐn)?shù)，然后按照正確的程序進(jìn)行答題。

在考試方式中，采用對虛擬角色的運(yùn)行檢查的方式。在一個3D的虛擬環(huán)境中，當(dāng)使用者完成一項(xiàng)工作后，將會得到相應(yīng)的回饋，并得到相應(yīng)的回饋。當(dāng)學(xué)員操作正確時，將會在屏幕底部出現(xiàn)特效。通過及時的反饋和回饋方式，讓參加者有一種沉浸于游戲中之感覺，使得該考試模式具有“模擬訓(xùn)練”和游戲化的模擬仿真的功能特性。

同時在考試的題型方面，需結(jié)合變電站的相關(guān)理論和技能操作給出適合的題型；在考試內(nèi)容方面，要建立包括筆試、實(shí)際操作（例如閘倒閘操作、異常及事故處理、操作票填寫）、設(shè)備巡視及掛接地線等幾個模塊的考試題庫，考題庫的題目要多，要有科學(xué)的結(jié)構(gòu)，要能覆蓋到電力系統(tǒng)和變電所中的大多數(shù)問題。而且試題庫的內(nèi)容也要便于修訂、輸入、擴(kuò)展。在考試方式上可集中或者分散式的選擇，保障整個考試模式系統(tǒng)滿足學(xué)員學(xué)習(xí)與考核的多樣化需求。

3.6智能考核評價

智能化的測試和評價，可以利用預(yù)先輸入的變壓器運(yùn)行檢測正確操作步驟、安全規(guī)范知識、電氣設(shè)備原理的分析等，來建立智能評價對照庫，并設(shè)計智能推理與評價引導(dǎo)算法。如果學(xué)員在培訓(xùn)或參加測試時，后臺會根據(jù)參加者所做的動作，自動判定其操作的正確性。為實(shí)現(xiàn)智能測評系統(tǒng)，將學(xué)員在考試過程中的各種可能情況都考慮在內(nèi)，建立一套全新的考核評價模型。

（1）對全部運(yùn)算事件的要素進(jìn)行集合，形成一種獨(dú)特的識別，以確保每一次運(yùn)算生成的數(shù)據(jù)組合具有唯一性，從而為精確評價提供依據(jù)。

（2）將一個操作記錄建模為一個對象，并將其轉(zhuǎn)化為一個對象，一個對象可以包括一系列的對象，其先決條件可以是有序的，也可以是無序的。在這種模式下，可以將不同運(yùn)算記錄按一定次序進(jìn)行組合，而符合這些次序運(yùn)算記錄就是問題的標(biāo)準(zhǔn)解答。

（3）根據(jù)不同的動作，一個器會被分為兩個類別，一個是“必需操作”，一個是“能夠操作”?！氨仨毑僮鳌钡亩x是，做多或者做少都是不正確的，會被扣掉相應(yīng)的點(diǎn)數(shù)。至于能夠操作，那就是做得多就不會扣分，做得少就會扣分。

（4）根據(jù)操作的基礎(chǔ)邏輯，對整個體系進(jìn)行打分和評定。

3.7系統(tǒng)調(diào)試

（1）低壓配電房開關(guān)柜的運(yùn)行和調(diào)試。低壓室開關(guān)箱工作時，變電站用變壓器的對應(yīng)開關(guān)會發(fā)生改變。

（2）故障排除。將故障排除分成負(fù)載失效和小母線失效兩種情況。當(dāng)負(fù)載失效時，對應(yīng)的冷氣出口空開跳脫。當(dāng)小型母線發(fā)生故障時，則將交流動力箱內(nèi)的空開斷開。

（3）風(fēng)冷式變壓器控制盒的調(diào)試。它包括兩個部件，一個是電源開關(guān)，一個是手柄。

第一，能量的轉(zhuǎn)換。如果打開第一部分的電源空檔，我的工作燈就會熄滅。如果打開第二部分的電源空檔，第二部分的工作燈會熄滅。若拉開電源一、二段電源為空載狀態(tài)。然后電源I動作，電源II動作，風(fēng)扇正常；冷卻設(shè)備的燈光熄滅，風(fēng)機(jī)也會停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

第二，把手。如果把手從手動改為自動，則風(fēng)扇正常，冷卻器正常熄滅，風(fēng)扇停止運(yùn)轉(zhuǎn)。如果把手從人工改為維修，則風(fēng)扇正常，冷卻機(jī)正常，風(fēng)機(jī)熄滅，風(fēng)機(jī)停機(jī)。如果把手從手動改為停機(jī)，則風(fēng)機(jī)正常，冷卻器正常燈熄滅，風(fēng)機(jī)停機(jī)。

（4）設(shè)定過壓并進(jìn)行調(diào)試。在豐汗一號線路上進(jìn)行了過電壓設(shè)定的調(diào)試。當(dāng)?shù)谝淮芜^壓被設(shè)定時，LCD窗口和監(jiān)視器外殼將同時給出相應(yīng)的信號。在液晶窗口上，電流差動保護(hù)面板將點(diǎn)亮相應(yīng)的遠(yuǎn)距離跳閘，過電壓跳閘，過電壓報警指示燈。監(jiān)視屏幕上，對應(yīng)著電壓保護(hù)動作，遠(yuǎn)端跳閘動作指示燈亮起。

4結(jié)語

綜上所述，結(jié)合自適應(yīng)學(xué)習(xí)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)變電站的培訓(xùn)仿真模擬系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用，能夠?yàn)橛脩籼峁┒嘣呐嘤?xùn)功能，適應(yīng)不同能力變電站運(yùn)維人員的個性化學(xué)習(xí)需求，并且也可將“學(xué)習(xí)、練習(xí)、考試與評價”等多個模式結(jié)合，為學(xué)員們提供了理論知識學(xué)習(xí)與練習(xí)、實(shí)踐操作練習(xí)、考核鑒定與自動評估等集成解決方案，從而可以在很大程度上節(jié)約了維護(hù)人員學(xué)習(xí)訓(xùn)練的時間成本，并用自動化監(jiān)督與提示來提高維護(hù)人員的操作水平，提高其發(fā)現(xiàn)與處理異常狀況的能力。保證整個電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全、平穩(wěn)、可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫帥，高峰，馬雁，等.基于自適應(yīng)學(xué)習(xí)技術(shù)的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].電工技術(shù)，2023（8）：95-97.

[2] 祁永超，田銘興，陳小強(qiáng)，等.基于Unity3d的變電站虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)建[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報，2021，40（1）：53-59.

[3] 王輝東，張盛，丁葉強(qiáng)，等.基于智能變電站"三層兩網(wǎng)"框架標(biāo)準(zhǔn)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)研究[J].能源與環(huán)保，2022，44（5）：233-238，248.

[4]王磊，楊國練，陳維，等.VR技術(shù)在變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].自動化儀表，2021，42（9）：25-29.2021（15）：3.

[5] 林培玲，黃龍杰，劉俊英，等.基于VR技術(shù)的智能變電站運(yùn)行仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[J].信息技術(shù)，2022（1）：107-113.

[6] 王曉龍，劉浩.虛擬仿真技術(shù)在變電站教學(xué)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2022，51（1）：144-145.