智能电能表及其检定仿真培训软件的研制

吴 琦， 马璐瑶， 李婷婷

(1.国网安徽省电力公司培训中心，安徽 合肥 230022；2.安徽电气工程职业技术学院，安徽 合肥 230022；3.安徽南瑞中天电力电子有限公司，安徽 合肥 230000)



智能电能表及其检定仿真培训软件的研制

吴 琦1，2， 马璐瑶1，2， 李婷婷3

(1.国网安徽省电力公司培训中心，安徽 合肥 230022；2.安徽电气工程职业技术学院，安徽 合肥 230022；3.安徽南瑞中天电力电子有限公司，安徽 合肥 230000)

文章提出了一种智能电能表及其检定仿真培训软件的研制方法，以三维仿真技术为核心，通过采用独创的演示文件和场景文件与三维设计平台相分离的系统架构，实现项目各类功能。

用电信息采集系统、智能电能表、三维仿真

0 引 言

智能电能表作为当前电网智能化中的一个重要计量器具，近年来，在电网中得到了广发的应用。对于这种新型的计量设备，需要计电能计量人员能够掌握智能采集计量设备的检定、检测过程以及原理及构造，迅速有效的判断出存在的问题，制定解决方案。

针对智能电能表的结构知识、各种自动化检定流程、人工检定台的操作技能、计量设备的装接规范等，设计了一套智能电能表及其检定仿真培训软件。本系统直观性强，且具有一定参与性和交互性，是一套既可满足计量设备结构学习、模拟安装的操作技能及安装规范等功能，又能深入直观了解计量检定检测过程的教学培训软件。

1 系统设计

1.1 系统总体设计

本系统通过展示智能采集计量设备结构，深化智能采集计量设备知识，采用基于3D动画仿真的方式，全方位立体诠释智能采集计量设备的原理及构造。通过立体漫游呈现人工检定检测和三线一库的检定过程，深入体现计量设备质量分析评价标准，从而使培训学员总体对整个计量业务体系有全方位的概念和理解。整体系统业务模块如图1所示。

1.2 采集系统设计

电能计量与用电信息采集系统从模拟主站、信道、终端、采集点等几个层面对系统进行逻辑分类，为下面各层次的设计提供理论基础。

(1)智能电表及采集系统。在逻辑上分为主站层、通信信道层、采集设备层3个层次。系统通过接口的方式，统一与营销应用系统和其它应用系统进行接口，营销应用系统指“SG186”营销管理业务应用系统，除此之外的系统称之为其它应用系统。

(2)主站层。分为业务应用、数据采集、控制执行、前置通信调度、数据库管理几大部分。业务应用实现系统的各种应用业务逻辑；数据采集负责采集终端的用电信息，并负责协议解析；控制执行是对带控制功能的终端执行有关的控制操作；前置通信调度是对各种与终端的远程通信方式进行通信的管理和调度等。

(3)通信信道层。它是主站和采集设备的纽带，提供了各种可用的有线和无线的通信信道，为主站和终端的信息交互提供链路基础。主要采用的通信信道有：光纤网络专网、230MHz无线专网。

(4)采集设备层。它是智能电表及采集系统的信息底层，负责收集和提供整个系统的原始用电信息，该层可分为终端子层和计量设备子层，对于低压集抄部分，可能有多种形式，包括集中器+电能表和集中器+采集器+电能表等。终端子层收集用户计量设备的信息，处理和冻结有关数据，并实现与上层主站的交互；计量设备层实现用电计量等功能。

1.3 采集主站软件设计

用电信息采集主站软件采用分布式多层结构，分为表现层、应用层、服务层、数据层。根据本系统业务特点 ，应用层进一步细分为采集子层和业务子层、对外接口。

(1)表现层。提供统一的业务应用操作界面和信息展示窗口，是系统直接面向操作用户的部分。

(2)业务层。实现具体业务逻辑，是系统主站的核心层，根据系统的应用特点，业务层可分为采集子层、业务子层、对外接口。

(3)服务层。提供全局通用的业务服务、安全服务等组件服务支持，并实现本系统专用的业务逻辑服务，为业务层提供通用的技术支撑。

(4)数据层。实现海量信息的存储、访问、整理，为系统提供数据的管理支持。

1.4 三维仿真设计

系统三维仿真设计由三维体验平台、三维演示平台、场景库、设备元件库、场景交互信息和演示脚本等几大部分组成，如图2所示，其中三维体验平台和三维演示平台是系统的功能核心和设计平台。

三维体验平台可以从场景库中读取场景文件，加载到系统中并生成相应的三维场景，同时可以从设备元件库中读取设备元件并在当前场景中的指定坐标生成。三维体验平台还提供了丰富的场景设计功能允许对各三维场景进行交互信息设计，包括任务设计、角色设计、用户界面设计和空间触发设计等。

三维演示平台可从设备元件库中读取设备模型，加载到演示场景中并生成。三维演示平台同时提供了丰富的演示设计功能，可以对计量设备模型的外观和部件进行控制，并允许图片、视频、音频多媒体信息的加载，从而实现计量设备结构演示流程的编辑。

场景库是各种三维场景的集合，它包括单相电能表自动检定系统场景、三相电能表自动检定系统场景、电流互感器自动检定系统场景、智能立库场景、单相电能表人工检定台场景、三相电能表人工检定台场景、采集终端人工检定台场景、高压计量柜和低压计量柜安装场景等。场景库具有良好的扩展功能，新的场景可以很方便的添加到场景库中，已有场景也可以随时从场景库中删除。

设备元件库是各种设备模型元件的集合，它包括了各种典型的计量设备如单相电能表、三相电能表、电流互感器和采集终端等设备模型。设备元件库具有良好的扩展功能，新的设备元件可以很方便的添加到库中，已有设备元件也可以随时从库中删除。

场景交互信息交互括场景中所有的体验信息，如空间触发信息、用户界面信息、任务信息和角色信息等。

演示脚本负责将一个个的演示步骤按照一定时序排列起来，成为一个流畅的演示片段。

2 系统功能

2.1 用电信息采集仿真功能

用电能信息采集系统从功能上完全覆盖SG186营销业务应用中电能信息采集业务中所有相关功能，包括采集点设置、数据采集管理、控制执行、运行管理，为SG186营销业务应用中的其他业务提供用电信息数据源和用电控制手段。 同时用电能信息采集系统作为涵盖购电侧、供电侧、售电侧3个环节电能信息的完善的电能信息数据平台，还可以提供SG186营销业务应用之外的综合应用分析功能，如配电业务管理、电量统计、决策分析、增值服务等功能，并为其他专业系统如SG186生产管理系统、GIS系统、配电自动化系统等提供基础数据。

2.2 计量业务三维仿真教学功能

计量业务三维仿真教学功能包括计量设备结构、装接和检定检测仿真，以先进的三维仿真技术为核心，结合可扩展标记语言(XML)技术、文件处理技术及其他相关技术，通过采用独创的演示文件和场景文件与三维设计平台相分离的系统架构，全面实现项目中所需的所有功能。借助计算机 3D技术的优势，可实现对建筑、设备、人物及人物动作等现实生活中的各种元素的仿真模拟，从而提高了系统中展示内容的效果，同时强化了培训环节的培训效果。

(1)计量设备结构仿真。计量设备结构仿真演示系统实现各种典型计量设备(如单相电能表、三相电能表、采集器、集中器等)的外观结构演示、各典型计量设备的内部电路模块演示以及各典型计量设备的信号及工作状态模拟,电能表三维结构图,如图3所示。

(2)计量设备装接仿真。计量屏柜安装仿真培训系统实现各种典型计量屏柜安装现场的模拟；场景漫游功能；计量表选择功能；计量表安装功能；安装流程考核。电能计量柜三维安装接线图,如图4所示。

(3)计量设备人工检定台仿真。人工检定仿真培训系统实现各种典型计量设备人工检定工作场景的模拟；场景漫游功能；人工检定流程的模拟；检定设备仪器模拟；检定仪器操作界面模拟；检定仪器操作模拟；检定流程考核。智能电能表检定仿真示意图,如图5所示。

(4)计量设备自动化检定线仿真。自动化检定仿真培训系统实现各种典型计量设备(如单相电能表、三相电能表和互感器)自动化检定场景模拟；场景漫游功能；自动化检定设备模拟；检定环节交互式教学。

设计再现安徽计量中心三线一库检定自动化流水线。涵盖单相电能表流水线、三相电能表流水线、互感器流水线及智能立库展示。对三线一库中的机械设备工作过程及流程进行了3D 展示，可以多角度、多层次的进行跟踪和观察。 如图6所示智能电能表自动化检定仿真场景图。

3 系统特点

本软件综合利用计算机图形技术、多媒体技术、并行实时计算技术、人工智能、仿真技术等多种学科技术的人机交互技术.它以模拟方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图像世界，借助视、听、触、嗅等感知行为，用户可以对虚拟中的系统客体进行操作和训练。

3.1 实时三维展示模式

本项目中，将以实时三维的形式将计量检定现场的环境在电脑屏幕上展现出来，与以往的演示视频的最大不同点就在于，实时三维技术搭建出的是一个由电脑实时计算并延续存在的三维场景，其最大特点就是可进入，用户可以第一人称视角进入到该三维环境当中的任意角落进行观察。

3.2 场景交互设计

利用三维交互设计模块，可以方便的进行各种三维交互设计，包括空间触发的设计、用户界面的设计以及操作逻辑的设计等，如用户可以为设备制作出对应的操作面板，通过操作面板模拟对设备状态的操控等，进而可以在三维场景中实现工作流程的模拟。

3.3 角色扮演

通过角色设计模块，可以设计各种角色，并进行相应的配置，如本项目中可以设计进行人工检定工作的角色，从而作为用户在三维场景的虚拟替身，并控制其完成各种三维交互操作。

3.4 实时考评系统

通过任务考评模块，可以设计各种交互式模拟任务，并为任务的每一个操作项设置操作角色和分值等，用户可以扮演特定角色并进行某项任务的培训和考核，系统将自动对考核结果进行评分，并保存为历史记录，以便进行数据查询和分析。

4 结束语

本系统为计量业务体系工作的日常培训教学提供一个从实体环境模拟到虚拟三维场景的完整的培训平台，通过模拟现场设备的运行工况，最大限度地满足计量人员的技能培训需求，提高其业务技能和工作效率。同步依托逼真的三维展示和三维交互空间为背景，通过三维仿真技术以最大限度的还原计量检定现场环境，通过角色扮演模式及三维实景演练，实现各类检定流程及计量业务知识仿真演练，通过供电企业近一年的运用，训练效果得到了进一步的提升。

[1] 吴琦.数字化配电室仿真培训系统的研制[J].低压电器，2012，(8):29-32.

[2] 吴 琦.互感器检定仿真实训软件系统的设计与实现[J].自动化与仪器仪表，2012，(3):78-80.

[3] 吴 琦.电能计量与装表接电[M]．北京:中国电力出版社，2014.

[4] 陈哲星.基于Web新技术的变电站仿真软件图模库一体化研究[J].华北电力大学学报,2012，(10):25-28.

(责任编辑 陈化钢)

The development of smart electricity meter and its verification simulation training software

WU Qi1，2， MA Lu-yao1，2， LI Ting-ting3

(1.Anhui Provincial Eletric Power Company Training Center,Hefei 230022,China; 2.Anhui Electric Engineering Technical College, Hefei 230022,China; 3.Anhui Nanri Zhongtian Power Electronics Company, Hefei 230000, China)

A new development method for smart electricity meter and its verification simulation training software is proposed in this paper, which is based on three-dimensional simulation technology. By using the original creation demo and scene files, together with the system architecture which is separated from the three-dimensional design platform, in order to realize various function of the project.

electric energy data acquire system; smart electricity meter; three-dimensional simulation

2015-10-20；

2015-10-22

吴 琦(1966-)，男，安徽合肥人，硕士，教授，从事能源管理及电力市场营销的教学与研究。

10.3969/j.issn.1671-6221.2015.04.016

TH7

A

1671-6221(2015)04-0047-05