智能變電站二次回路增強現(xiàn)實職業(yè)技能仿真培訓系統(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，運用現(xiàn)代信息技術(shù)改進教學方式方法，推進虛擬工廠等網(wǎng)絡(luò)學習空間建設(shè)和普遍應(yīng)用。改進傳統(tǒng)以理論教學為主的模式，強化技能培訓，突出實際操作能力培訓，提高培訓質(zhì)量和效率。

1 智能變電站二次系統(tǒng)仿真培訓現(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標準的字符串描述，實現(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維人員了解智能站二次回路的結(jié)構(gòu)和二次功能實現(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)，運維人員面對實際運行中出現(xiàn)的智能變電站二次回路故障或異常，時常不能快速定位故障點，不能準確描述故障現(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維工作質(zhì)量和消缺時間。

目前，國內(nèi)已開發(fā)的變電站培訓仿真系統(tǒng)對變電站運行專業(yè)的培訓發(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行功能仿真，尚未實現(xiàn)對智能站二次回路的基于實際原理的仿真，不能真實再現(xiàn)智能變電站二次回路的實際工作過程細節(jié)，無法對繼電保護專業(yè)進行有效的培訓。同時，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)字仿真模擬方式實現(xiàn)。采用增強現(xiàn)實(AR)技術(shù)，融合虛擬世界和真實場景，可以實現(xiàn)難模擬、難重現(xiàn)、難考評的實訓項目，可突破實訓場地的約束，還可借助人機自然交互技術(shù)，為受訓人員提供培訓過程導引和輔助知識提示，以及虛擬操作演練的受訓環(huán)境，實現(xiàn)智能變電站二次功能的全方位全過程仿真培訓。

因此，需研發(fā)一套智能變電站二次系統(tǒng)增強現(xiàn)實仿真實訓系統(tǒng)，為運維人員提供自主學習、知識講解、操作演練、考試培訓等功能，以提高運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自動裝置設(shè)備及二次回路運維質(zhì)量，對保證系統(tǒng)安全可靠運行，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個電壓等級，220kV、110kV部分設(shè)計為雙母線接線方式，10kV為單母分段。變電站包含1臺容量180MVA（220kV/110kV/10kV）主變壓器，220kV進線1回，110kV出線3回，10kV無功補償電容器組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，學校建設(shè)基于“互聯(lián)網(wǎng)+”智能變電站一次設(shè)備仿真實訓系統(tǒng)開發(fā)項目，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。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”虛擬仿真智慧學習平臺架構(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)增強現(xiàn)實仿真實訓系統(tǒng)。系統(tǒng)提供可進行智能變電站二次系統(tǒng)增強現(xiàn)實仿真培訓的平臺，構(gòu)建典型標準化的智能站二次回路圖紙案例，實現(xiàn)智能變電站二次回路圖紙動態(tài)化仿真培訓，開展識圖和缺陷查找培訓、演練，借助增強現(xiàn)實手段可實現(xiàn)仿真培訓全過程的導引和知識輔助，受訓人員可在虛擬環(huán)境中進行操作演練。系統(tǒng)可滿足相關(guān)人員的培訓、考核、競賽、技能鑒定等業(yè)務(wù)需求，使運行維護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，提升各級調(diào)度人員、監(jiān)控人員、變電站運維人員的智能變電站二次回路認知和分析處理能力。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)增強現(xiàn)實建模識別技術(shù)

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

3.2 研究智能變電站二次系統(tǒng)增強現(xiàn)實交互方法

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

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)和圖模庫一體化實現(xiàn)技術(shù)，按照實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)仿真培訓的虛實結(jié)合培訓管理技術(shù)

研究智能變電站二次系統(tǒng)仿真培訓多場景信息互聯(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)等進行記錄，用于數(shù)據(jù)分析、回放展示及行為評價。

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)圖紙的圖模一體計算分析技術(shù)、智能變電站二次回路識圖培訓技術(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行仿真計算，實現(xiàn)二次回路識圖培訓，可設(shè)置二次回路的各類典型缺陷和缺陷查找仿真，提供二次回路培訓和實操仿真培訓功能。

3.6 研究智能變電站二次系統(tǒng)培訓講解技術(shù)

為便于教員開展培訓考核和學員自主學習，培訓指導與考核系統(tǒng)模塊提供培訓案例，培訓案例提供指導功能，學員可利用培訓案例進行自主學習。通過培訓案例，借助于增強現(xiàn)實技術(shù)和知識輔助導引提示等，既可學習仿真系統(tǒng)的使用，也可學習專業(yè)技能。在指導模式下，針對二次系統(tǒng)功能實現(xiàn)的步驟的視覺引導，實現(xiàn)引導式學習。培訓案例預先設(shè)置了不同級別、不同難度的典型題目，學員可根據(jù)自己的需求選擇題目進行練習，教員也可根據(jù)培訓需要選擇合適的題目供學員練習。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)增強現(xiàn)實仿真實訓系統(tǒng)

以學校220kV智能實訓變電站為仿真對象，建立智能變電站二次系統(tǒng)增強現(xiàn)實仿真實訓系統(tǒng)，系統(tǒng)既支持線上學習考試和聯(lián)合反事故演習，同時，也支持線下應(yīng)用AR設(shè)備進行實景教學和實操培訓。

4 結(jié)語

根據(jù)方案研究的成果將為變電運行人員、繼電保護專業(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)人員的培訓效率，實現(xiàn)電網(wǎng)的安全生產(chǎn)，經(jīng)濟、社會效益顯著。同時，方案構(gòu)建具備增強現(xiàn)實人機交互能力的面向智能變電站保護及二次回路的模型，形成滿足變電運維需求的智能變電站二次系統(tǒng)仿真實訓系統(tǒng)，打造快速提升變電運維人員生產(chǎn)技能和綜合素質(zhì)的學習平臺，能夠滿足目前的電網(wǎng)運行技能培訓工作，沖破傳統(tǒng)的培訓理念，實現(xiàn)線上線下結(jié)合的培訓模式，不僅可單獨實現(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)運行人員進行全方位、全過程、全場景的仿真培訓，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。