基于TTS引擎的厂站中央信号系统动态模拟仿真

莫仕勋， 杨富淋， 黄智博， 李裕进

(1.广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004； 2.广西送变电建设公司，广西 南宁 530031；3.广西电网有限责任公司玉林供电局，广西 玉林 537000； 4.国电南宁发电有限责任公司，广西 南宁 530317)



基于TTS引擎的厂站中央信号系统动态模拟仿真

莫仕勋1， 杨富淋2， 黄智博3， 李裕进4

(1.广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004； 2.广西送变电建设公司，广西 南宁 530031；3.广西电网有限责任公司玉林供电局，广西 玉林 537000； 4.国电南宁发电有限责任公司，广西 南宁 530317)

针对发电厂和变电站的二次系统展开式原理图内容多、复杂、逻辑描述困难等特点，运用应用程序的方式将展开式原理图通过在屏幕上建立的直角坐标系，精确地描述在计算机屏幕上，并利用计算机多媒体技术对展开式原理图进行动态的描述，通过Microsoft Speech SDK集成的TTS引擎嵌入相应的语音讲解，复杂的逻辑一目了然，为电力系统二次部分的培训教程提供了新思路。

中央信号系统； 动态模拟仿真； TTS； MFC； COM

0 引 言

发电厂(变电站)的二次系统是对一次系统实施测量、保护和控制功能的系统。随着电力系统的不断完善，对二次系统的要求也提出更高的要求，实现的功能也越来越多，随之而来的就是其维护工作量也越来越大。长期以来，人们习惯的思维都认为一次部分的接线图(主接线图)相对清晰明了，由于二次系统与生俱来的特点，一直被冠以复杂、繁琐等标签。在仿真培训实践中，往往忽视了运行人员对二次系统的学习，利用计算机技术，增加二次系统结构、原理、动态模拟等内容，可以使运行人员更加深入和直观地了解和熟悉二次回路，起到事半功倍的培训效果[1-7]。

二次设备检修维护人员关心的重点是电力系统与自动化设备的互动关系(即二次接线)和自动化系统内部工作过程，以往的变电站运行仿真培训系统虽可以逼真地仿真出变电运行人员所关心的人机操作界面和信息，但是都绕过二次回路和自动化系统的内部工作过程[8-10]。厂站二次设备检修维护工作以原理图纸为核心展开，按种类划分还包括端子接线图、集中式原理图和展开式原理图。图纸中隐涵了各器件(继电器)工作的原理以及动作过程中的逻辑关系。而动作的过程主要是由挂接在厂站的直流电源系统的控制、信号母线提供的直流电源产生的电流驱动器件(继电器)完成的，所以要弄懂中央信号系统的工作原理应该首先弄清楚电流的流经的路径、所触发的器件(继电器)。反映中央信号系统的工作原理的图纸大多采用展开式原理图，它是设计、施工和运行中用得最为广泛的二次接线图，从事电气工作的人员必须掌握它[11]。

1 展开式原理图概述

1.1 概念

展开式原理图是按照各个回路的功能布置，将每套装置的交流电流回路、交流电压回路和直流回路等分开表示、独立绘制，同时也将仪表、继电器等的线圈、触点分别绘制在所属的回路中。与集中式原理图相比较，其特点是线路清晰、易于理解整套装置的动作程序和工作原理，特别是当接线装置二次设备较多时，其优点更加突出。如图1所示。

图1 展开式原理图

1.2 工作过程

工作过程如下描述：当断路器事故跳闸时，事故小母线WFA会与负极电源接通，正电源通过线圈K1，电容C及线圈K2，对电容充电，使冲击继电器1KAI起动。在充电期间，继电器线圈中流过电流使衔铁动作，带动触点闭合。充电完毕后，线圈中电流消失，衔铁保持在动作位置，触点可靠闭合。1KAI的触点闭合后，便启动中间继电器1KC，它有两对动合(常开)触点分别是1KC(9-11)和1KC(13-15)，其中1KC(13-15)触点闭合后，便起动时间继电器3KT，作为音响信号自动复归回路的延时，经过整定值时间后，带延时闭合的常开触点3KT(4-12)闭合，使得3KC线圈通电，它的常开触点3KC(9-11)闭合，音响信号自动复归。另外一对触点1KC(9-11)接通蜂鸣器HAL，发出音响，表明已发生事故。

从上述的分析论述中可以看到， 读者必须在搞清楚读图的方法后，对整个动作回路非常的熟悉，才能很好地运用展开式原理图对二次系统进行分析和维护。

1.3 难点

展开式原理图通过描述电路中电流流过的路径，驱动相应的器件(继电器)来带动常开或者常闭触点动作，从而实现使电路能表达所需要的逻辑，因此，弄懂电路电流流过的路径就显得尤为重要。

器件(继电器)的工作原理也是也是至关重要的。一个器件(继电器)组成不外乎是由电阻、电容和电感三种元件组成，但如何有机组合就很有讲究。

2 动态模拟仿真设计

针对1.3 提出的两个难点问题，可以考虑用动画的形式来描述电路中电流流过的路径，电流流过路径颜色变为红色加以区别，并配以相应的文字符号说明。对于器件的工作原理可以综合运用文字闪动和语音讲解，因为继电器的线圈和触点很有可能分别属于不同的回路中，当继电器的线圈通电时，由于其线圈和触点用相同的文字符号标注，这时在画面上在线圈和触点的回路采用相同的颜色产生闪烁来说明。

如果单从动画方面的需要可以考虑采用目前流行的Adobe Flash或者Authorware，但二者只是一个动画制作工具，无法嵌入其他的资源，如语音。基于这样的考虑，采用应用程序方式来解决这两个难点问题，应用程序可以有效整合各种资源。拟采用Windows 平台下微软强大的Microsoft®VC++6.0 作为开发工具。

2.1 动态模拟的实现

由Microsoft 提供的MFC，在单文档窗体上利用相对坐标，用程序精确画出以上展开式原理图。单文档窗体的绘图输出主要靠CElectricView类的OnDraw(CDC* pDC)函数完成。值得注意的是，在进行绘图之前，最好先自定义好各种元器件的绘制函数，这样，在绘图过程中多次用到该元件时，调用起来就更为方便。函数定义时还可以加入各种功能，方便后面将要进行的动态效果演示控制。

通过SetTimer( )函数创建定时器，然后由其响应函数OnTimer( )结合KillTimer( )函数来实现对各元器件的动作控制。但OnTimer( )并不是CElectricView类的成员函数，为此必须先把OnTimer( )的消息响应添加到CElectricView类中。

动画的基本原理是利用人们眼睛的视觉残留作用，通过逐渐变化着的画面，以造成活动的感觉。所以利用定时器一定时间间隔触发的消息来调用GDI函数进行图形渐变输出就能够构成理想的动画效果，其实现流程如图2所示。

图2 动画形成的流程图

2.2 语音讲解的实现

随着语音技术的发展，微软也推出了相应的语音开发工具，即Microsoft Speech SDK，这个SDK中包含了语音应用设计接口(SAPI)、微软的连续语音识别引擎(MCSR)以及微软的语音合成(TTS)引擎等[12]。其中的 TTS(text-to-speech)引擎可以用于实现语音合成，通过TTS引擎可以分析文本内容并且将其朗读出。实现TTS技术的方法有很多种， 现在主要采用3种：连词技术、语音合成技术、子字连接技术。目前的5.1版本的SDK一共可以支持3种语言的识别 (英语，汉语和日语)以及2种语言的合成(英语和汉语)。其中还包括对于低层控制和高度适应性的直接语音管理、训练向导、事件、语法编译、资源、语音识别 (SR)管理以及TTS管理等强大的设计接口[13]。

当应用程序需要发声时就调用语音合成引擎(Speech Synthesis Engine)进行语言合成，将文本处理后通过扬声器用近似于人的声音“读”出来，通常还可以通过改变对语音引擎的设置改变“说话” 的速度，声音频率(低沉或者尖锐)，声音大小，还能模拟口形、唇形和舌位的变化对声音的影响。计算机通过语音合成发出的声音效果听起来就象是录音磁带发出的声音[14]。

微软SAPI5.1实现Text-To-Speech的核心是对COM接口IspVoice的应用，所以应用TTS技术最好要了解一下COM编程技术[15]。SAPI 的API接口封装得很好，不需要了解任何发声引擎底层的工作细节。例如一旦在程序中创建了一个IspVoice对象,就可以通过调用ISpVoice::Speak实现文本朗读，通过调用ISpVoice::SetRate实现对朗读速度的控制，以及通过调用ISpVoice::SetVoice实现对朗读声音的不同人物或语言控制(男声/女生,中文/英文)等。事实上掌握对这个接口的应用就可以实现大多数TTS的应用。下面是微软的TTS引擎对展开式原理图动动作过程进行语音讲解的步骤。

(1) 初始化。COM:CoInitialze 和CoUninitialze；

(2) 建立语音对象实例。CoCreateInstance；

(3) 调用Speak方法。

(4) 设置感兴趣的事件。SetInterest；

设定SAPI返回的消息：setnotifywindowmessage；

(5) 消息到来，确定事件类型。GetEvents；

清除事件结构：SpClearEvent；

(6) 相应事件。用GetStatus确定SAPI状态。

3 动态模拟仿真系统的优势

(1) 以单文档形式，用程序精确画出以上展开式原理图(快速精确画出展开式原理图)；

(2) 设置启动、暂停、终止和工具等按钮，工具按钮可以设置动画的快慢(用户界面友好，交互方便)；

(3) 采用动画的形式标注电流流过的路径(动作过程描述形象生动)；

(4) 电流流过的器件的文字符号以闪烁形式显示(标注清晰)；

(5) 采用闪烁的形式表示电流所流经的线圈通电产生触点闭合(图文并茂，形象生动)；

(6) 用闪烁箭头指明因触点闭合引起其他支路的线圈通电而产生的动作(关联提示，线圈和触点关联一致)；

(7) 以MID文件的形式播放喇叭响(事故信号)和电铃响(预告信号)(声行并举，与真实环境相符)；

(8) 背景配以普通话语音讲解功能(语音讲解，让读者理解更透切)；

(9) 最终以文字形式给出相关说明(归纳总结，让用户记忆深刻)。

仿真软件界面如图3所示。

图3 动态模拟仿真界面

4 结 语

通过运用应用程序方式将厂站的二次系统的原理图整合起来，可以看出有以下的优点：①基于Windows 平台，通用性强；②准确表达控制逻辑和动作过程；③丰富的人机交互界面；④效果图文并茂，声形并举；⑤易于整合和控制资源，扩展方便；⑥不受运行环境的限制，无需插件支持，使用方便；⑦易于保护知识产权，保护开发者的利益；⑧软件短小精悍，易于存储。

这样的仿真系统除了用于员工的培训以外，稍加扩展就可以作为事故分析和事故反演的工具。同时也为电力系统二次部分的培训工作拓展了新的思路。

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The Design of the Central Signal System in Plant and Station's Dynamic Simulation Based on the TTS Engine

MOShi-xun1，YANGFu-lin2，HUANGZhi-bo3，LIYu-jin4

(1.College of Electrical Engineering, Guangxi University，Nanning 530004, China；2. Guangxi Electric Power Transmission and Substation Construction Company，Nanning 530031, China；3. Yulin Power Supply Bureau，Guangxi Power Grid Corporation, Yulin 537000, China；4. Guodian Nanning Power Generation CO., LTD，Nanning 530317, China)

The expansion of principle diagram of secondary system of power plant and substation is very complex, and has lots logic description difficulties etc. The paper uses the screen rectangular coordinate system to describe precisely the principle of the expansion. It can accurately describe on the computer monitor, and then use the computer multimedia technology to carry on the dynamic description of the principle diagram of the expansion. By using Microsoft Speech SDK which is integrated TTS engine, the design uses the corresponding voice at the same time, and make complex logic be clear at a glance For the training of the second part in the power system, it provides a new way.

central signal system; dynamic simulation; MFC； COM； TTS

2014-10-22

广西大学实验室建设与实验教学改革立项项目(20110206)

莫仕勋(1970-)，男，广西柳州人，硕士，副教授，研究方向：电力系统及其自动化。

Tel.:0771-3232264；E-mail:Msxandml@126.com

TM 6

A

1006-7167(2015)05-0083-03