智能变电站二次回路增强现实职业技能仿真培训系统的研究

侯娟，刘星洁，李春林，吴娟娟

（郑州电力高等专科学校，河南 郑州 450002）

2019年，国务院印发《国家职业教育改革实施方案的通知》，明确提出要适应“互联网+职业教育”发展需求，运用现代信息技术改进教学方式方法，推进虚拟工厂等网络学习空间建设和普遍应用。改进传统以理论教学为主的模式，强化技能培训，突出实际操作能力培训，提高培训质量和效率。

1 智能变电站二次系统仿真培训现状

智能站二次系统的信号采集和控制方式与传统变电站有所不同，二次系统的测量、控制、信号等回路的传统变电站的电缆被光缆替代，光缆中信号的传递采用数字信号，与传统的电缆连接相比，信息传递的内容和路径均无法采用传统的万用表测试仪等方式获取。目前，对智能站二次回路的识别大多利用SCD解析工具软件，通过IEC61850标准的字符串描述，实现信息的甄选和二次回路虚端子对应关系的查找。这种工具软件需要运维人员了解智能站二次回路的结构和二次功能实现的原理，并掌握一定的虚端子描述知识。随着智能站的全面建设，运维人员面对实际运行中出现的智能变电站二次回路故障或异常，时常不能快速定位故障点，不能准确描述故障现象并找出故障原因，需要厂家配合，这些都影响了智能变电站的运维工作质量和消缺时间。

目前，国内已开发的变电站培训仿真系统对变电站运行专业的培训发挥了较好的作用，但由于其面向传统变电站二次回路，且对二次回路大多进行功能仿真，尚未实现对智能站二次回路的基于实际原理的仿真，不能真实再现智能变电站二次回路的实际工作过程细节，无法对继电保护专业进行有效的培训。同时，智能站二次回路异常现象不易模拟，除光缆通断外，其余大部分二次回路异常均需采用数字仿真模拟方式实现。采用增强现实(AR)技术，融合虚拟世界和真实场景，可以实现难模拟、难重现、难考评的实训项目，可突破实训场地的约束，还可借助人机自然交互技术，为受训人员提供培训过程导引和辅助知识提示，以及虚拟操作演练的受训环境，实现智能变电站二次功能的全方位全过程仿真培训。

因此，需研发一套智能变电站二次系统增强现实仿真实训系统，为运维人员提供自主学习、知识讲解、操作演练、考试培训等功能，以提高运维人员对智能站二次系统的掌握程度，提高智能站继电保护自动装置设备及二次回路运维质量，对保证系统安全可靠运行，具有重要意义。

2 确立研究方案

我校于2018年投产建设220kV雁园智能变电站，变电站一次系统包含220kV、110kV、10kV 3个电压等级，220kV、110kV部分设计为双母线接线方式，10kV为单母分段。变电站包含1台容量180MVA（220kV/110kV/10kV）主变压器，220kV进线1回，110kV出线3回，10kV无功补偿电容器组2回，站用变1回，变电站二次系统采用北京四方变电站综自系统。2021年，学校建设基于“互联网+”智能变电站一次设备仿真实训系统开发项目，由北京科东电力控制有限公司开展研究和系统研制，该系统可开展面向智能变电站一次设备的仿真培训。

在“互联网+”虚拟仿真智慧学习平台架构与核心技术基础上，再开发一套智能变电站二次系统增强现实仿真实训系统。系统提供可进行智能变电站二次系统增强现实仿真培训的平台，构建典型标准化的智能站二次回路图纸案例，实现智能变电站二次回路图纸动态化仿真培训，开展识图和缺陷查找培训、演练，借助增强现实手段可实现仿真培训全过程的导引和知识辅助，受训人员可在虚拟环境中进行操作演练。系统可满足相关人员的培训、考核、竞赛、技能鉴定等业务需求，使运行维护人员了解智能站各种二次回路缺陷发生的现象、原因及变化过程，总结积累智能站二次回路缺陷判断，查找经验，提升各级调度人员、监控人员、变电站运维人员的智能变电站二次回路认知和分析处理能力。因此，方案的确立是迫切和必要的。

3 方案关键技术

3.1 研究智能变电站二次系统增强现实建模识别技术

研究智能变电站二次系统虚实融合的培训环境建设方法，研究算法、采样范围和采样步骤，通过人工标识特征提取与匹配方法实现对智能变电站二次系统目标物的快速识别方法，再通过跟踪注册匹配虚拟模型与现场真实环境，实现虚拟元素在统一的三维坐标系的精准定位。

3.2 研究智能变电站二次系统增强现实交互方法

通过视觉图像识别技术可以对运维人员多种手势的组合进行识别，通过对系统功能的设计，确定系统内主要应用的手势指令为点选、拖拽和旋转。经过编程实现系统能够准确识别出手势，并能够快速正确的响应设定的行为动作，对目标设备进行自然人机交互。通过增强现实技术，培训学员可在智能变电站真实的设备与环境上叠加虚拟信息与状态，进行虚拟操作查看设备状态与数据，从而达到真实的站内培训体验。

3.3 研究智能变电站二次系统图纸可视化建模技术

研究智能变电站二次系统设备的三维建模技术，构造智能变电站二次系统设备的三维模型，组建智能变电站二次系统三维工作场景。研究智能变电站二次系统图纸的可视化画面编辑技术、图符编辑技术和图模库一体化实现技术，按照实际智能变电站二次系统工程图，解析SCD文件，经过图元建模形成动态二次系统工程图纸模型，构建二次功能实现的图形化建模及展示工作平台，建立设备与图纸、辅助信息的动态关联关系。

3.4 研究智能变电站二次系统仿真培训的虚实结合培训管理技术

研究智能变电站二次系统仿真培训多场景信息互联互通技术，研究智能变电站二次系统仿真培训多场景互动技术，研究智能变电站二次系统三维模型和二维图纸模型的可视化监控技术、交互操作管理技术、记录管理技术和智能变电站二次系统知识的可视化展示技术等，在智能变电站动态二次系统工程图纸模型基础上，监视图纸的图元工作状态，分类展示图纸中图元动作事件顺序记录，着色展示元件的激活状态和回路激活状态，并对监视数据、信息、图元状态等进行记录，用于数据分析、回放展示及行为评价。

3.5 研究智能变电站二次系统图纸仿真技术

研究智能变电站二次系统图纸的图模一体计算分析技术、智能变电站二次回路识图培训技术、智能变电站二次回路典型缺陷仿真和缺陷查找技术，实现智能变电站动态二次回路工程图纸模型仿真功能，对图纸模型的二次回路进行仿真计算，实现二次回路识图培训，可设置二次回路的各类典型缺陷和缺陷查找仿真，提供二次回路培训和实操仿真培训功能。

3.6 研究智能变电站二次系统培训讲解技术

为便于教员开展培训考核和学员自主学习，培训指导与考核系统模块提供培训案例，培训案例提供指导功能，学员可利用培训案例进行自主学习。通过培训案例，借助于增强现实技术和知识辅助导引提示等，既可学习仿真系统的使用，也可学习专业技能。在指导模式下，针对二次系统功能实现的步骤的视觉引导，实现引导式学习。培训案例预先设置了不同级别、不同难度的典型题目，学员可根据自己的需求选择题目进行练习，教员也可根据培训需要选择合适的题目供学员练习。教员可在题库中增加、修改或者删除题目，也可直接在仿真系统中设置题库里没有的题目。

3.7 研制智能变电站二次系统增强现实仿真实训系统

以学校220kV智能实训变电站为仿真对象，建立智能变电站二次系统增强现实仿真实训系统，系统既支持线上学习考试和联合反事故演习，同时，也支持线下应用AR设备进行实景教学和实操培训。

4 结语

根据方案研究的成果将为变电运行人员、继电保护专业人员、自动化专业人员、直流专业人员提供智能变电站二次回路的网络化仿真培训环境，提供一套高效、专业的智能变电站二次回路仿真系统，将有效提高相关人员的培训效率，实现电网的安全生产，经济、社会效益显著。同时，方案构建具备增强现实人机交互能力的面向智能变电站保护及二次回路的模型，形成满足变电运维需求的智能变电站二次系统仿真实训系统，打造快速提升变电运维人员生产技能和综合素质的学习平台，能够满足目前的电网运行技能培训工作，冲破传统的培训理念，实现线上线下结合的培训模式，不仅可单独实现智能变电站二次系统仿真，还可将二次系统仿真与变电站仿真集于一体，反映电网和变电站之间相互作用、相互影响的关系，可以对电网运行人员进行全方位、全过程、全场景的仿真培训，为智能电网建设提供高质量人才保障和安全生产保障。