CN107180569A - 一种面向主网电力系统的智能仿真培训系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种面向主网电力系统的智能仿真培训系统和方法，仿真系统有效开展主变旁路带路等主网系统复杂操作模拟，通过软硬件相结合的仿真操作方式，创新还原压板投退、把手切换、空开投退、指示灯变换等二次保护硬件操作体验，同时提供友好人机交互界面控制主要实现电气一次操控，配合图像视频强化还原实操场景，解决二次保护方面长期培训欠缺的问题。同时提供评分纠正系统让培训者后续跟踪了解实操过程中的风险点及存在问题，全面提升培训对象的实操水平。

Description

一种面向主网电力系统的智能仿真培训系统和方法

技术领域

本发明涉及主力电网的培训系统技术领域，更具体地，涉及一种面向主网电力系统的智能仿真培训系统和方法。

背景技术

目前主网电力系统的一些复电气操作，如主变旁路代路等，存在协调性要求高、二次保护切换步骤复杂、二次回路细节操作点多等特点，对主网变电站运行操作人员要求十分高，一旦操作有误将导致设备损坏、社会大面积停电乃至危机人身安全等重大后果。此类复杂操作是日常工作中较少进行的操作项目，运行人员面对此类操作普遍存在生疏和恐惧心理，误操作风险较高。

现阶段主网变电站值班人员的操作培训偏向于书面上的知识技能层面，实操基地较少，因此变电站操作人员的实操培训条件有限，实操能力有待加强。本发明开发一套面向主网电力系统复杂操作的智能仿真培训系统和方法，通过该系统让实操培训对象方便地操作空气开关、保护压板等实际控制物件，并利用人机交互面板完成整个操作步骤，实现复杂电气操作的高度真实仿真，使得运行操作人员在一个安全、便利的模拟环境下熟练掌握复杂操作的整个过程，并且重点强化二次设备的实操技能，从而提高复杂电气操作的可靠性和安全性。

发明内容

现有主网操作培训系统较多采用基于PC电脑软件的仿真平台，然而软件系统侧重于训练操作步骤的逻辑仿真，省略步骤较多，细节处理不足，实操体验及训练效果差。集中体现以下三点问题。

1）实操体验感不强，人员在实际操作时的响应效果差。操作人员的仿真培训全程通过鼠标点击软件系统上的界面按钮，缺少实物的控制体验，操作过程远离实操情况，不利于操作人员掌握物理控件的感官认识，真正面对时容易对操作对象的把握不到位。

2）继电保护的细节处理不足。二次继电保护系统是主网电气操作的重要对象，错投压板、保护控制字设置不到位等细节问题将严重影响到电气一次供电的安全稳定，也常常是操作人员技能薄弱点，容易疏忽大意。然而目前所有培训软件对保护型号及功能操作千篇一律，不利于操作人员正确认识不同型号设备的工作原理，容易造成实际操作中的误、漏操作。

3）操作引起的设备变量响应少。复杂电气操作如线路刀闸切换母线，操作人员在母线刀闸拉开后需及时观察母线保护指示灯亮以明确刀闸动作是否关联二次保护到位，现有仿真系统对设备及相应保护的响应功能设置不足，极大影响复杂电气操作的有效模拟，培训效果侧重一次设备，二次保护训练不足。

另外，实操基地少，操作人员前往实操基地培训操作的条件有限，同时实操基地的设备型号固定，难以满足不同工作场所的培训要求，也是制约提高主网操作培训质量的一个问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种面向主网电力系统的智能仿真培训系统和方法，其所采用的技术方案是：一种面向主网电力系统的智能仿真培训系统，其包括仿真处理模块、二次系统控制模块、人机交互模块、控件标识切换模块。

仿真处理模块是对所有物理控件响应、反馈控制及算法程序运行的中枢计算模块。

二次系统控制模块提供变电站继保室二次继电保护及自动化设备的主要控制按钮及控制系统，并与仿真处理模块互联。

人机交互模块提供人机交互面板操作及显示功能。

控件标识切换模块包括显示单元及分析处理单元；显示单元嵌入至二次系统控制模块中，实时更新替换各压板、信号复归按钮、指示灯、切换把手的显示编号；分析处理单元接收仿真处理模块的信号指令，计算出显示单元所需的显示代码，并反馈至仿真处理模块，实现标识定义与控制特性的精准对应。

告警响应模块具备声光报警功能，当仿真处理模块计算操作步骤或操作内容有误时，传输告警指令到告警响应模块，启动指示灯频闪，并现场鸣笛报警。

进一步，仿真处理模块判定操作者动作响应转化而成的信号代码是否符合操作逻辑，同时根据算法输出响应指令至二次系统控制模块、人机交互模块，并结合控件标识切换模块递进更新二次系统控制模块的控件标识，以此生成对应操作项目所需的二次操作对象，当操作者的动作输入不符合操作逻辑时，仿真处理模块输出告警指令启动告警响应模块，并自启动评分统计算法以记录操作问题点。

进一步，二次系统控制模块内嵌物理控件及相应的控制配件，操作人员根据操作内容对物理控件执行一步操作后，二次系统控制模块将输出响应信号到仿真处理模块，并接收经仿真处理模块计算处理后的控制指令，对二次系统控制模块的物理部件状态进行修正，同时操作者对物理部件采取动作反馈后，二次系统控制模块将动作信息反馈到仿真处理模块。

进一步，人机交互模块根据操作者的选择输入启动程序指令，以事件中断方式告知仿真处理模块进行操作逻辑判定，并最终接收仿真处理模块的反馈响应指令，根据指令从图像视频库中调用相应动画或数据，以此完成人机交互进程。

一种使用所述面向主网电力系统的智能仿真培训系统的方法，包括以下步骤：

1）首先操作者通过人机交互模块选择好操作训练项目，仿真培训系统根据操作者的输入选择启动仿真处理模块；

2）仿真处理模块根据操作训练项目内容从数据库导入预先设定好的操作步骤逻辑代码，接着通过运行操作步骤顺序算法执行操作步骤逻辑代码，对人机交互响应模块、二次系统控制模块、控件标识切换模块发出相应的控制指令；

3）接着有以下三个模块同时启动工作：

人机交互响应模块根据仿真处理模块发出的控制指令，从图像视频库中调用相应动画或数据反馈到显示界面，并提供操作者操作下一步，数据显示完毕后反馈信号到仿真处理模块；

二次系统控制模块根据仿真处理模块发出的控制指令，对二次系统控制模块的物理部件状态进行修正，状态修正完毕后反馈信号到仿真处理模块；

控件标识切换模块根据仿真处理模块发出的控制指令，计算得出显示单元所需的显示代码，并更新替换出目前操作步骤下各物理控件的显示编号，发出完成信号到二次系统控制模块，纳入到反馈信号中；

4）上述步骤完成后，仿真处理模块接收人机交互响应模块和二次系统控制模块的反馈信号，通过运行操作步骤顺序算法读取识别操作步骤逻辑代码，判断是否需要操作者执行操作，若操作步骤已结束则执行8），若没结束，需要操作者继续操作，执行5）；

5）操作者根据操作任务自行对人机交互响应模块和二次系统控制模块进行控制输入；

6）操作者控制输入完成后，仿真处理模块将接收到操作者在人机交互响应模块中输入的操作完成信号，以此为截止时间，开始启动操作步骤判断算法，将操作步骤逻辑代码与动作信息匹配对比，判断操作内容是否正确，不正确将执行7），正确将进一步执行2），读取执行操作步骤逻辑代码下一步；

7）执行启动告警响应模块，对错误内容发出短时限的告警声音，并启动评分统计，存储错误分数和步骤内容，并进一步执行2），读取执行操作步骤逻辑代码下一步；

8）运行操作步骤顺序算法完成后，显示训练评分结果及存在问题，最后结束本次智能仿真培训，等待操作者通过人机交互响应模块开展其它仿真培训。

进一步，步骤5）中的控制输入有以下操作内容：

操作者结合人机交互响应模块的显示内容点击触屏，人机交互响应模块将动作信息反馈到仿真处理模块，由仿真处理模块存储记录动作信息；

操作者对二次系统控制模块中的物理部件开展手动操作，每一次动作完成后二次系统控制模块将动作信息反馈到仿真处理模块，由仿真处理模块存储记录动作信息。

与现有技术相比，有益效果是：

1. 在软件仿真平台上融入物理控件反馈，高度还原二次保护及自动化设备方面的物理模拟，有效模拟真实操作环境，提高仿真系统培训体验感；

2. 应用控件标示切换系统，可通过修改操作项目数据库，以对不同的保护型号设备灵活修正二次系统物理控件（压板、切换把手）的标识与控制属性，扩宽了复杂电气操作项目内容，满足不同二次厂家设备原理上的精细化区别处理要求，创新开展主网二次系统操作的强化培训；

3. 引入评分统计系统，便捷操作者了解操作薄弱点及操作过程存在的风险点。

附图说明

图1是本发明各个模块的连接逻辑图。

图2是智能仿真培训系统的运行工作原理逻辑图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，面向主网电力系统复杂操作的智能仿真培训系统各模块的连接逻辑为：仿真处理模块分别与二次系统控制模块、人机交互模块、控件标识切换模块、告警响应模块相连，各模块主要通过仿真处理模块实现信号互联与控制，设备切换处理模块直接内嵌控制二次系统控制模块中的显示单元。

面向主网电力系统复杂操作的智能仿真培训系统组成：包括仿真处理模块、二次系统控制模块、人机交互模块、控件标识切换模块、告警响应模块、功能配置模块。

仿真处理模块：仿真处理模块是对所有物理控件响应、反馈控制及算法程序运行的中枢计算模块。负责接收二次系统控制模块和人机交互模块的控制命令及信号开入，判定操作者动作响应转化而成的信号代码是否符合操作逻辑，同时根据算法输出响应指令至二次系统控制模块、人机交互模块，并结合控件标识切换模块递进更新二次系统控制模块的控件标识，以此生成对应操作项目所需的二次操作对象。当操作者的动作输入不符合操作逻辑时，仿真处理模块输出告警指令启动告警响应模块，并自启动评分统计算法以记录操作问题点。

二次系统控制模块：该模块提供变电站继保室二次继电保护及自动化设备的主要控制按钮及控制系统，并与仿真处理模块互联。二次系统控制模块内嵌40组二次压板、4组切换把手、4组信号复归按钮、20组指示灯等物理控件及相应的控制配件。操作人员根据操作内容对物理控件执行一步操作后（如投入保护压板），二次系统控制模块将输出响应信号到仿真处理模块，并接收经仿真处理模块计算处理后的控制指令，对二次系统控制模块的物理部件状态进行修正，如保护压板经人为投入后需恢复退出状态时，触发继电器启动电机将保护压板转动复位，或者指示灯由亮转灭等。同时操作者对物理部件采取动作反馈后，如投入某个压板，二次系统控制模块将动作信息反馈到仿真处理模块。

人机交互模块：该模块提供人机交互面板操作及显示功能，提供菜单包含环境、间隔、设备对象、二级设备和操作动作内容选项，根据操作者的选择输入启动程序指令，以事件中断方式告知仿真处理模块进行操作逻辑判定，并最终接收仿真处理模块的反馈响应指令，根据指令从图像视频库中调用相应动画或数据，以此完成人机交互进程。

控件标识切换模块：该模块包括显示单元及分析处理单元，显示单元嵌入至二次系统控制模块中，实时更新替换各压板、信号复归按钮、指示灯、切换把手的显示编号。分析处理单元接收仿真处理模块的信号指令，计算出显示单元所需的显示代码，并反馈至仿真处理模块，实现标识定义与控制特性的精准对应，由此可根据不同的电气操作项目的二次设备需求灵活改变二次系统控制模块中的物理控件定义，每一电气操作步骤完成后，皆可改变控件定义，如失灵启动压板可更改为跳闸出口压板，扩展了培训系统的应用范围。

告警响应模块具备声光报警功能，当仿真处理模块计算操作步骤或操作内容有误时，传输告警指令到告警响应模块，启动指示灯频闪，并现场鸣笛报警。启动后反馈至仿真处理模块进一步启动评分统计算法。

功能配置模块：包括电源供应、通信转换接口、传输总线，为各模块提供配套服务。

如图2所示，智能仿真培训系统的运行工作原理逻辑图。

1）首先操作者（培训对象）通过人机交互模块选择好操作训练项目，仿真培训系统根据操作者的输入选择启动仿真处理模块；

2）仿真处理模块根据操作训练项目内容从数据库导入预先设定好的操作步骤逻辑代码，接着通过运行操作步骤顺序算法执行操作步骤逻辑代码，对人机交互响应模块、二次系统控制模块、控件标识切换模块发出相应的控制指令；

3）接着有以下三个模块同时启动工作：

人机交互响应模块根据仿真处理模块发出的控制指令，从图像视频库中调用相应动画或数据反馈到显示界面，并提供操作者操作下一步，数据显示完毕后反馈信号到仿真处理模块；

二次系统控制模块根据仿真处理模块发出的控制指令，对二次系统控制模块的物理部件状态进行修正，如指定某个保护压板为投入状态时，检查保护压板是否为投入，没投入的话触发继电器启动电机将保护压板转动复位，再者如指示灯再该步骤为亮状态，控制处罚指示灯变亮。状态修正完毕后(限定在接收命令后2秒内完成)后反馈信号到仿真处理模块。

控件标识切换模块根据仿真处理模块发出的控制指令，计算得出显示单元所需的显示代码，并更新替换出目前操作步骤下各二次压板、信号复归按钮、指示灯、切换把手的显示编号，该过程与二次系统控制模块的状态修正过程同时执行，限定在接收命令后2秒内完成，发出完成信号到二次系统控制模块，纳入到反馈信号中。

4）上述步骤完成后，仿真处理模块接收人机交互响应模块和二次系统控制模块的反馈信号，通过运行操作步骤顺序算法读取识别操作步骤逻辑代码，判断是否需要操作者执行操作，若操作步骤已结束则执行8）。若没结束，需要操作者继续操作，执行5）。

5）操作者根据操作任务自行对人机交互响应模块和二次系统控制模块进行控制输入，主要有以下操作内容：

操作者结合人机交互响应模块的显示内容点击触屏，人机交互响应模块将动作信息反馈到仿真处理模块，由仿真处理模块存储记录动作信息（包括动作内容和动作时间）。

操作者对二次系统控制模块中的物理部件开展手动操作，如退出某个保护压板，每一次动作完成后二次系统控制模块将动作信息反馈到仿真处理模块，由仿真处理模块存储记录动作信息（包括动作内容和动作时间）。

6）操作者控制输入完成后，仿真处理模块将接收到操作者在人机交互响应模块中输入的操作完成信号，以此为截止时间，开始启动操作步骤判断算法，将操作步骤逻辑代码与动作信息匹配对比，判断操作内容是否正确。不正确将执行7），正确将进一步执行2），读取执行操作步骤逻辑代码下一步。

7）执行启动告警响应模块，对错误内容发出短时限的告警声音，并启动评分统计，存储错误分数和步骤内容，并进一步执行2），读取执行操作步骤逻辑代码下一步。

8）算法步骤完成后，显示训练评分结果及存在问题，最后结束本次智能仿真培训，等待操作者通过人机交互响应模块开展其它仿真培训。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面向主网电力系统的智能仿真培训系统，其包括：仿真处理模块、二次系统控制模块、人机交互模块、控件标识切换模块；

仿真处理模块是对所有物理控件响应、反馈控制及算法程序运行的中枢计算模块；

二次系统控制模块提供变电站继保室二次继电保护及自动化设备的主要控制按钮及控制系统，并与仿真处理模块互联；

人机交互模块提供人机交互面板操作及显示功能；

控件标识切换模块包括显示单元及分析处理单元；显示单元嵌入至二次系统控制模块中，实时更新替换各压板、信号复归按钮、指示灯、切换把手的显示编号；分析处理单元接收仿真处理模块的信号指令，计算出显示单元所需的显示代码，并反馈至仿真处理模块，实现标识定义与控制特性的精准对应；

告警响应模块具备声光报警功能，当仿真处理模块计算操作步骤或操作内容有误时，传输告警指令到告警响应模块，启动指示灯频闪，并现场鸣笛报警。

2.根据权利要求1所述的智能仿真培训系统，其特征在于，所述仿真处理模块判定操作者动作响应转化而成的信号代码是否符合操作逻辑，同时根据算法输出响应指令至二次系统控制模块、人机交互模块，并结合控件标识切换模块递进更新二次系统控制模块的控件标识，以此生成对应操作项目所需的二次操作对象，当操作者的动作输入不符合操作逻辑时，仿真处理模块输出告警指令启动告警响应模块，并自启动评分统计算法以记录操作问题点。

3.根据权利要求1或2所述的智能仿真培训系统，其特征在于，二次系统控制模块内嵌物理控件及控制配件，操作人员根据操作内容对物理控件执行一步操作后，二次系统控制模块将输出响应信号到仿真处理模块，并接收经仿真处理模块计算处理后的控制指令，对二次系统控制模块的物理部件状态进行修正，同时操作者对物理部件采取动作反馈后，二次系统控制模块将动作信息反馈到仿真处理模块。

4.根据权利要求1所述的智能仿真培训系统，其特征在于，人机交互模块以事件中断方式告知仿真处理模块进行操作逻辑判定，并最终接收仿真处理模块的反馈响应指令，根据指令从图像视频库中调用相应动画或数据，以此完成人机交互进程。

5.一种使用如权利要求1至4之一所述的智能仿真培训系统的方法，包括以下步骤：

1）首先操作者通过人机交互模块选择好操作训练项目，仿真培训系统根据操作者的输入选择启动仿真处理模块；

2）仿真处理模块根据操作训练项目内容从数据库导入预先设定好的操作步骤逻辑代码，接着通过运行操作步骤顺序算法执行操作步骤逻辑代码，对人机交互响应模块、二次系统控制模块、控件标识切换模块发出相应的控制指令；

3）接着有以下三个模块同时启动工作：

人机交互响应模块根据仿真处理模块发出的控制指令，从图像视频库中调用相应动画或数据反馈到显示界面，并提供操作者操作下一步，数据显示完毕后反馈信号到仿真处理模块；

二次系统控制模块根据仿真处理模块发出的控制指令，对二次系统控制模块的物理部件状态进行修正，状态修正完毕后反馈信号到仿真处理模块；

控件标识切换模块根据仿真处理模块发出的控制指令，计算得出显示单元所需的显示代码，并更新替换出目前操作步骤下各物理控件的显示编号，发出完成信号到二次系统控制模块，纳入到反馈信号中；

4）上述步骤完成后，仿真处理模块接收人机交互响应模块和二次系统控制模块的反馈信号，通过运行操作步骤顺序算法读取识别操作步骤逻辑代码，判断是否需要操作者执行操作，若操作步骤已结束则执行步骤8），若没结束，需要操作者继续操作，执行步骤5）；

5）操作者根据操作任务自行对人机交互响应模块和二次系统控制模块进行控制输入；

6）操作者控制输入完成后，仿真处理模块将接收到操作者在人机交互响应模块中输入的操作完成信号，以此为截止时间，开始启动操作步骤判断算法，将操作步骤逻辑代码与动作信息匹配对比，判断操作内容是否正确，不正确将执行步骤7），正确将进一步执行步骤2），读取执行操作步骤逻辑代码下一步；

7）执行启动告警响应模块，对错误内容发出短时限的告警声音，并启动评分统计，存储错误分数和步骤内容，并进一步执行步骤2），读取执行操作步骤逻辑代码下一步；

8）运行操作步骤顺序算法完成后，显示训练评分结果及存在问题，最后结束本次智能仿真培训，等待操作者通过人机交互响应模块开展其它仿真培训。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤5）中的控制输入有以下操作内容：

操作者结合人机交互响应模块的显示内容点击触屏，人机交互响应模块将动作信息反馈到仿真处理模块，由仿真处理模块存储记录动作信息；

操作者对二次系统控制模块中的物理部件开展手动操作，每一次动作完成后二次系统控制模块将动作信息反馈到仿真处理模块，由仿真处理模块存储记录动作信息。