电网调度业务操作可视化仿真培训系统

深圳供电局有限公司 李腾飞

对电网资源的调度是建立在实际用电需求基础上的，高效准确的业务操作是提高资源调度及时性的重要条件。与其他类型的业务操作相比，电网调度对执行效率的要求更高，也由于电网系统本身的传输效率较高，因此对操作的容错性相对较低，这就要求业务操作具有更好的准确性。电网在运行时危险性极高，一旦操作不当，不仅可能产生故障影响电力经济，还可能危害人身安全。电网实地培训时，还需要花费大量资金购买设备，耗费人力物力维护，并且，仅能承载单人操作，培训效率低下。通过课堂授课的方式进行电网调度业务操作培训，仅能基于文字和图片进行作业现场的展示，真实感不足，难以激发学生的学习兴趣和积极性。上述多种原因导致实地培训这种操作能力的成本较高，风险也相对较大，难以达到预期效果。因此设计相应的培训系统是十分必要的[1]。

虚拟现实技术（VR）是利用计算机技术生成虚拟环境，借助多种虚拟现实设备，用户佩戴设备即可从视觉、听觉等多种感官上沉浸到虚拟环境中，并通过在虚拟环境中进行各种操作，实现交互。虚拟现实可视化技术不仅可更加具象化地展现信息内容，同时也可提高系统用户的专注度。近年来计算机技术的发展演化出了更具现实价值的仿真软件，其可通过参数设置显示出多样化的数据环境，满足不同的应用需求。考虑到电网调度业务的多样化和复杂化，将其应用到培训系统设计中，让学生身临其境，加强对电网调度业务知识、技能的学习，通过交互式的操作，使学生熟练应用操作技巧，最大限度地降低事故的发生几率，将会极大程度满足培训需求[2]。

1 电网调度业务操作可视化仿真培训系统总体架构

电网调度业务操作可视化仿真培训系统是通过计算机构建一个仿真系统，模拟各种调度操作后系统的响应情况，为学生提供更加逼真的学习环境，加强学生的应变能力。在总体规划时，主要以学生平台和教师平台及工作平台三方面角度进行设计，学生平台可以实现SCADA/EMS的实时数据的控制，通过网络通信上传至系统；教师平台主要包含运动设备控制功能，可以调控并模拟电力系统的运行情况；工作平台除包括网络通信系统等外，将虚拟现实系统作为子系统接入了平台，实现了三维模拟操作。

2 硬件设计

2.1 处理器

考虑到本文设计的可视化仿真培训系统需满足用户对信息的视觉展示需求，因此，对于部分非视图化的信息需转化为图像的形式[3]。基于此，本文选用的处理器为STM32MP1通用微处理器，该处理器混合了双Arm Cortex-A7核和Cortex-M4核在架构上的优势，因此对信息的处理效率更高，能满足更加多样化的信息转化新需求。不仅如此，其在满足多种应用灵活性需求的同时，产生的功耗相对较低，这就意味着其对实际运行环境的要求较低，可适用于不同的场景。

此外，Cortex-A7内核允许Linux、Android等开源操作系统的控制操作，这就使得处理器在Cortex-M4内核所在的STM32 MCU生态系统中能对不同应用的自主开发。以此为基础，STM32MP1通用微处理器可满足STM32Cube固件库和嵌入式软件包的安装请求，搭载的高级HMI开发数据包支持3D图形处理单元(GPU)对最佳物料清单(BOM)的高效计算。为便于外部装置的连接，处理器带有丰富的数字与模拟外设集，为数据的安全提供了可靠保障。受STM32MP1通用微处理器高集成性的特征影响，在对数据进行封装处理时兼容性更高，执行成本低至4(PTH)PCB。处理器自带的专用电源管理IC确保系统在断电情况下也可实现稳定运行。

2.2 存储器

本文设计的系统为可视化仿真系统，导致系统运行期间会涉及大量的数字化转型需求，由于原始数据类型较为丰富，数据规模也相对庞大，因此存储装置为深信服分布式存储EDS，其构架是以全对称分布的形式存在的，满足三节点起步条件时即可实现对块、文件、对象的存储服务。其中，块存储池的承载性能受数据的结构化特征影响，通用容量通用呈现出海量非结构化发展趋势。不仅如此，为了适应长期应用需求，存储器支持的最大扩展空间可 达 到EB级。iSCSI、NFS、CSI、HDFS、S3等多种存储协议可满足不同原始数据的存储需求。

不仅如此，分布式存储EDS在数据管理方面也有明显优势，其上层可实现对应用的兼容，下层满足硬件的解耦需求，这种数据管理方式可实现数据中心的单独存储需求。在性能方面，分布式存储EDS的业务应用协议以实际应用需求为基础作出了针对性的性能优化，在降低系统硬件投入的前提下，对数据生命周期进行闭环处理，以期提高培训数据在安全方面的可靠性，内置的存储杀毒也对高级威胁具有较高的清除效果。

2.3 虚拟现实设备

电网调度业务可视化仿真培训系统中引入了虚拟现实技术，通过构建虚拟现实场景使学生置身于电网调度操作仿真环境中，增强学生的学习积极性。虚拟现实设备主要包括Oculus Rift头戴式设备，使学生的视觉感官进入培训场景中。另外，还选择了Kinect for Win-dows作为虚拟现实交互式设备，通过3D体感传感器跟踪学生姿态，实现动态捕捉，从而将学生的操作传入系统。另外还配有高性能电脑、显示大屏、定位器三角支架等辅助设备，结合佩戴穿戴式的虚拟现实设备，学生可以从任何角度观察电网操作平台的构造，沉浸式地体验电网调度的操作过程和电力系统的响应结果。

3 软件设计

3.1 构建培训数据库

电网调度是一项复杂、涉及内容广泛的工作，因此相应的培训也需从多方面进行，为满足与实际业务操作相契合，本文首先在系统中构建了培训数据库。数据库的基本构成包括调度业务档案管理、调度业务演练、调度业务主题管理、每日业务答题、专项业务答题、挑战业务答题。各个部分的测试体主要是通过在大数据中集成得到的，集成后的数据经过TM32MP1通用微处理器的接口传输到系统内部，并暂存于深信服分布式存储EDS的初级节点中。

在对数据进行分类时，首先按照各自的属性特征，利用STM32Cube固件库实现对其的类别划分，初步划分后的数据并不能直接适应，需要借助处理器的最佳物料清单识别出数据中的非可视化内容，最后利用3D图形处理单元将识别结果转化为系统可直接利用的形式。再根据上述的分类将其对应到各自的数据库中，并存储于深信服分布式存储EDS的二级节点中。

3.2 三维可视化场景构建

电网调度业务操作可视化培训系统中嵌入虚拟现实子系统，通过构建三维电网调度操作平台，将调度指令及操控按键、操控杆等以虚拟场景的模式呈现在学生面前，通过VR交互设备向子系统传递操作命令，子系统接收到命令后反馈给教师平台，由教师平台进行操作合格与否的判定。虚拟现实子系统基于Unity3D 5.6.4版本实现开发，采用Revit三维建模软件、3D MAX模型处理软件，采用C#作为开发语言，在Win 10系统上实现系统发布，由此实现虚拟场景与仿真培训系统的交互连接。

将电网调度业务操作可视化的构建分为几何建模、结构建模和流程建模三个部分。其中，几何建模主要参考电力系统业务调度平台的物理特性，如形状、尺寸等；结构建模需要参考电力系统内部构造，确定电网中电气设备的连通关系等，设备是否带电、位于辐射网或环网，均可以采用不同的颜色显示；流程建模是参考历史电力系统正常运行或发生故障时的调度业务操作交互流程，根据教学的需要，还可以增加设备维护保养、故障检测等功能。

3.3 执行可视化仿真培训

用户在使用系统进行专项技能培训时，为了提高培训效果，使用户以更高的集中度关注在培训资源上，本文在处理器中嵌入了Simulator数据包，以此实现对数据的仿真展示。当用户进入系统确定训练内容后，处理器从想用的存储装置中提取出对应的资源后，利用端口将其传输到Simulator数据包中，由于数据本身就具有可视化属性，因此Simulator数据包对其的转化主要将目标参数嵌入到仿真软件中，其过程可表示为x(a,b,c)=(P)。其中，x表示Simulator数据包实现数据仿真展示所需的信息，a、b、c分别表示不同的参数数值，p表示可视化数据的维度，P表示待展示的可视化数据。

以此为基础实现可视化仿真测试。培训的目的是提升员工的实际操作能力，因此，本文在系统中构建了单个用户的测试结果分析模块，其中统计了任意单次测试的结构以及一定时间内测试结果的变化趋势。结果的评定是完成测试的时间、准确率。通过这样的方式，进一步提高系统的应用价值。

4 系统应用分析

为了测试本文设计系统的实际应用效果，进行了应用测试。

应用环境。本文将系统应用于某智能变电站中，该智能变电站是依托于IEC61850标准搭建的，鉴于IEC61850在设计思想上的先进性，在实际供电过程中面向的对象也更加全面化，因此信息建模技术的应用相对广泛。对于未来电力发展需求所展现出的开放性更高。在本文测试应用中的IEC61850标准变电站具有三层架构，分别为站控层、间隔层、过程层，在此三层设备基础上搭建站控层网络和过程层网络。变电站对数据的传输方式分为网采网跳、直采直跳两种。网采网跳出传输方式是建立在过程层网络的基础上实现的，通过获取或输出信息控制相关设别的运行，在此过程中，数据的传输节点过程层线路、母线、母联、变压器智能组件柜。本文以220kV运输功率下电网的资源调度需求为测试对象，分析历经系统训练前后对母线，母联本侧、对侧单元、间隔层、控制柜、故障录波、网络分析仪以及站控层的数据服务器业务操作的效果。

测试结果。在上述基础上，对比了训练前后的操作效果，从表1可看出，经过培训后，对于不同业务的操作时间均有明显缩减，且出现错误的概率基本稳定在1.2%以内。表明本文设计的培训系统对于提高业务操作具有实际价值。

表1 测试结果对比表

5 结语

电网调度的核心是根据实际的用电需求对电能的供应方式进行调节，确保电能资源的价值最大化，在充分满足用电需求的基础上，降低能源的异常消耗。现阶段已初步实现了对电能资源使用需求的智能化计算和管理，但电网的调度主要还是以人工方式进行的。为减少由于操作不规范或不及时引起的电网资源调度异常，进行相关业务操作的培训是十分必要的。本文设计了一种电网调度业务操作可视化仿真培训系统，提高了培训的效果。通过本文的研究，以期为更加系统化地培训管理提供有价值的帮助。