变电站设备检修的仿真培训系统及仿真培训方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 106920432 A(43)申请公布日 2017.07.04

(21)申请号 201710234734.X(22)申请日 2017.04.11

(71)申请人 国网安徽省电力公司培训中心

地址 230001 安徽省合肥市黄山路270号申请人 安徽电气工程职业技术学院　

北京科东电力控制系统有限责任公司　

国家电网公司(72)发明人 吴义纯　周磊　房雪雷　曾宪文　

王兰香　李淼　郭鸿　贺丹丹　张晓林　于传　王蕾　(74)专利代理机构 北京轻创知识产权代理有限

公司 11212

代理人 沈尚林

权利要求书1页 说明书8页 附图4页

(51)Int.Cl.

G09B 9/00(2006.01)

CN 106920432 A(54)发明名称

变电站设备检修的仿真培训系统及仿真培训方法(57)摘要

本发明公开了一种变电站设备检修的仿真培训系统及仿真培训方法。变电站设备检修的仿真培训系统，包括系统服务器、网络连接设备和学员机；系统服务器通过数据线与网络连接设备连接，网络连接设备通过数据线与学员机连接。本发明通过配置检修任务和设备缺陷，实现设备检修虚拟作业场景及三维设备模型的自动生成，实现培训任务可配置，增加了培训的灵活性；通过检修评价模型的建立，实现对受训人员在仿真培训系统上的应用效果更为全面客观的考核，提高了培训的有效性；通过网络缓存机制的建立，降低了仿真培训系统运行延迟，提高了培训效率。

CN 106920432 A

权　利　要　求　书

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1.变电站设备检修的仿真培训系统，其特征在于：包括系统服务器、网络连接设备和学员机；所述系统服务器通过数据线与网络连接设备连接，网络连接设备通过数据线与学员机连接。

2.根据权利要求1所述的仿真培训系统，其特征在于：所述系统服务器包括配置任务模块、配置缺陷模块、生成场景模块、考核管理模块，培训档案模块、人员管理模块；

所述配置任务模块与配置缺陷模块连接，且配置任务模块与配置缺陷模块连接到生成场景模块，所述生成场景模块、考核管理模块，培训档案模块、人员管理模块依次连接。

3.根据权利要求1所述的仿真培训系统，其特征在于：所述网络连接设备包括数据传输模块和数据缓存模块；

所述数据传输模块与数据缓存模块连接，所述数据缓存模块与系统服务器连接，所述数据传输模块与学员机连接。

4.根据权利要求1所述的仿真培训系统，其特征在于：所述学员机包括显示设备、输入设备、渲染处理模块、数据处理模块、流程处理模块；

所述显示设备、输入设备、渲染处理模块、数据处理模块、流程处理模块依次连接。5.变电站设备检修的仿真培训方法，包括以下步骤：

(1)教学人员通过系统服务器的配置任务模块从外部导入变电站接线图描述文件；(2)教学人员通过系统服务器配置检修任务和设备缺陷；

(3)系统服务器通过教学人员设置生成相应的虚拟作业场景及三维设备模型；(4)受训人员通过学员机在虚拟作业场景中进行设备巡视；(5)受训人员通过学员机在虚拟作业场景中发现设备缺陷，进行倒闸操作；(6)受训人员通过学员机在虚拟作业场景中进行安全措施的布置；(7)受训人员通过学员机在虚拟作业场景中进行设备检修的练习；(8)学员机根据评价模型进行自动评分，并提交结果到系统服务器；(9)教学人员通过系统服务器查看练习和考核结果。

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说　明　书

变电站设备检修的仿真培训系统及仿真培训方法

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技术领域[0001]本发明涉及电力培训领域，尤其涉及一种变电站开关设备检修的仿真培训系统及培训方法。

背景技术[0002]随着我国经济的不断发展，电网规模也在不断扩大，变电站设备的运维检修对整个电网的安全运行起着愈发关键的作用，关系着电力企业供电的质量、稳定性和可靠性，对变电站运检人员的技能要求也越来越高。[0003]目前，我国对变电站运检人员的培训基本上是采取理论学习、在厂家集中培训、设备检修时进行现场见习培训等形式开展，这些方法虽然不可缺少，但也有其明显的不足和缺点：理论学习是基础，但是缺乏对实际设备和作业流程的直观理解；厂家进行集中培训的机会不多，而且成本高；设备检修时进行现场见习培训易受天气、场地等条件的，还可能会影响正常检修工作的开展，培训效果十分不理想。[0004]西方发达国家如美国、德国、英国和日本等的大型工业培训中心企业相继采用计算机仿真培训系统进行工人培训，效果十分培训中心显著。90年代以后，我国也成功研制出了多套仿真培训系统，如针对变电站运行人员的变电站仿真培训系统已在各级电力企业中广泛应用，但是针对变电站设备检修的仿真培训，在国内该研究还处于起步阶段。[0005]通过检索获悉，中国专利申请号201310039807.1公开了一种变电设备三维虚拟培训系统，包括处理装置，处理装置通过数据总线连接PC终端，并且处理器通过网络模块连接远程接收终端，实现了变电设备及部件三维立体空间虚拟培训，使检修、运行和试验人员快速掌握变电设备的构造和性能，并将状态信息准确定位到实际变电设备部件，将发现的状态信息准确定位到实际变电设备部件，提高变电设备状态评价的真实性和准确性。但是，该系统无法实现设备缺陷的灵活设置，检修项目相对单一，使受训人员不能对系统提供的模式以外的情况和其他突发状况进行有针对性的训练和处理，因而具有一定的局限性。[0006]再如中国专利申请号201310526838.X公开了一种变电运检一体化培训系统，其包括变电设备状态检测模块、检修仿真培训模块、仿真培训模块、变电运检大数据分析培训模块，对运维人员进行带电状态下设备的预防性试验、故障诊断和设备的检修，使运维人员就不能及时的了解和掌握设备在线运行时的一些信息。但是，该系统不能对受训人员的学习状态进行全面的监控和考核，无法形成教学闭环，只能解决具体工作的技能学习，却无法验证其培训效果的有效性，也无法形成良好的反馈机制，促进受训人员能力的持续提高，具有一定的不足。

发明内容[0007]本发明要解决的技术问题是提供一种变电站设备检修的仿真培训系统。[0008]本发明要解决的另外一个技术问题是提供一种变电站设备检修的仿真培训方法。

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对于仿真培训系统，本发明采用的技术方案是，变电站设备检修的仿真培训系统，

包括系统服务器、网络连接设备和学员机；系统服务器通过数据线与网络连接设备连接，网络连接设备通过数据线与学员机连接。[0010]作为优选，系统服务器包括配置任务模块、配置缺陷模块、生成场景模块、考核管理模块，培训档案模块、人员管理模块；[0011]配置任务模块与配置缺陷模块连接，且配置任务模块与配置缺陷模块连接到生成场景模块，生成场景模块、考核管理模块，培训档案模块、人员管理模块依次连接。[0012]作为优选，网络连接设备包括数据传输模块和数据缓存模块；[0013]数据传输模块与数据缓存模块连接，数据缓存模块与系统服务器连接，数据传输模块与每个学员机连接。[0014]作为优选，学员机包括显示设备、输入设备、渲染处理模块、数据处理模块、流程处理模块；[0015]显示设备、输入设备、渲染处理模块、数据处理模块、流程处理模块依次连接。[0016]对于变电站设备检修的仿真培训方法，本发明采用的技术方案是，包括以下步骤：[0017](1)教学人员通过系统服务器的配置任务模块从外部导入变电站接线图描述文件；[0018](2)教学人员通过系统服务器配置检修任务和设备缺陷；[0019](3)系统服务器通过教学人员所配置的检修任务和设备缺陷，生成相应的虚拟作业场景及三维设备模型；[0020](4)受训人员通过学员机在虚拟作业场景中进行设备巡视；[0021](5)受训人员通过学员机在虚拟作业场景中发现设备缺陷，进行倒闸操作；[0022](6)受训人员通过学员机在虚拟作业场景中进行安全措施的布置；[0023](7)受训人员通过学员机在虚拟作业场景中进行设备检修的练习；[0024](8)学员机根据评价模型进行自动评分，并提交结果到系统服务器；[0025](9)教学人员通过系统服务器查看练习和考核结果。[0026]本发明的有益效果是：[0027]1、通过配置检修任务和设备缺陷，实现设备检修虚拟作业场景及三维设备模型的自动生成，实现培训任务可配置，增加了培训的灵活性；[0028]2、通过检修评价模型的建立，实现对受训人员在仿真培训系统上的应用效果更为全面客观的考核，提高了培训的有效性；[0029]3、通过网络缓存机制的建立，降低了仿真培训系统运行延迟，提高了培训效率。附图说明[0030]下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。[0031]图1是本发明变电站设备检修的仿真培训系统实施例的结构示意图。[0032]图2是本发明变电站设备检修的仿真培训方法实施例的总流程图。[0033]图3是本发明变电站设备检修的仿真培训方法实施例的存储格式结构图。[0034]图4是本发明变电站设备检修的仿真培训方法实施例的生成虚拟作业场景流程图。

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图5是本发明变电站设备检修的仿真培训方法实施例的虚拟作业场景文件中的三

维模型下载流程图。

具体实施方式[0036]图1是一种变电站设备检修的仿真培训系统，由系统服务器、网络连接设备和学员机组成，其中系统服务器通过数据线与网络连接设备连接，网络连接设备通过数据线与学员机连接。[0037]系统服务器由配置任务模块、配置缺陷模块、生成场景模块、考核管理模块，培训档案模块、人员管理模块组成。配置任务模块与配置缺陷模块连接，且配置任务模块与配置缺陷模块连接到生成场景模块，生成场景模块、考核管理模块，培训档案模块、人员管理模块依次连接。[0038]其中配置任务模块用于管理培训任务的设置，包括设备定期巡视路线和具体检修作业内容的设置。配置缺陷模块依照配置任务模块输出的具体检修作业内容进行变电设备标准缺陷的设置，如渗油、漏油、线夹松动、破损、开裂等。生成场景模块依照配置任务模块和配置缺陷模块输出的组合命令将三维元素进行组合，构成面向受训人员的虚拟作业场景。生成场景模块完成场景布置后将场景信息输出到培训档案模块中，构成完整培训项目。若是考核情况下，培训档案模块输出的操作记录将提交到考核管理模块，考核管理模块用于记录、检索和分析受训人员的考核成绩。人员管理模块用于添加、检索和变更受训人员的用户资料信息。[0039]网络连接设备由数据传输模块和数据缓存模块组成，其中数据传输模块与数据缓存模块连接，并且数据缓存模块的另一侧与系统服务器连接，数据传输模块另一侧与每个学员机连接。[0040]上述数据传输模块用于系统服务器和学员机之间的数据交换，数据缓存模块用于下载到学员机的三维设备模型的状态标识。[0041]学员机由显示设备、输入设备、渲染处理模块、数据处理模块、流程处理模块组成，显示设备、输入设备、渲染处理模块、数据处理模块、流程处理模块依次连接。[0042]其中显示设备用于提供系统人机交互界面；输入设备用于提供培训过程中要进行的操作；渲染处理模块用于处理系统服务器中生成场景模块输出的三维场景数据，并渲染显示在显示设备上；数据处理模块用于处理网络数据、用户输入数据及显示输出数据；流程处理模块用于执行具体培训任务流程和判断约束规则。受训人员在学员机上通过显示设备和输入设备完成设备检修培训任务。[0043]利用上述仿真培训系统，可以对学员进行变电站设备检修的仿真培训。如图2所示，该仿真培训方法包括以下步骤：[0044](1)教学人员通过系统服务器的配置任务模块从外部导入变电站接线图描述文件，该文件基于国家电网公司企业标准Q/GDW 624-2011《电力系统图形描述规范》，使用DOM(文档对象模型)技术，遍历读取其图元及其属性信息，并进行转换和存储；[0045]其中，筛选条件是与设备相关的图元及涉及位置的属性信息。设备相关的图元包括：Bus(母线)、CBreaker(断路器)、Disconnector(隔离刀闸)、GroundDisconnector(接地刀闸)、Generator(发电机)、Transformer2(两卷变压器)、Transformer3(三卷变压器)、CT

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(电流互感器)、PT(电压互感器)、Arrester(避雷器)等。位置相关的属性信息包括：w(宽度)、h(高度)、x1(起始点横坐标)、y1(起始点纵坐标)、tfr(坐标变换)；[0046]存储格式使用表结构，定义如下：

[0047]

字段说明EID设备图形IDequipment设备名称SID变电站IDx起始点横坐标y起始点纵坐标width宽度height高度rotate旋转朝向[0048]除变电站ID(SID)为系统自动生成外，其他数据均从变电站接线图描述文件中提取；[0049]例如，变电站接线图描述文件中针对某断路器的图形描述如下：

[0050]

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[0052][0053]

转换和存储后的结果如下：

EIDequipmentSIDxywidthheightrotate100000000CBreaker15056100012000[0054](2)针对导入接线图描述文件的变电站，教学人员通过系统服务器的配置任务模块配置具体培训任务，包括设备定期巡视路线和具体检修作业内容，并进行存储；[0055]存储格式使用表结构，定义如下：

[0056]

字段说明TID培训任务IDSID变电站IDinspection巡视路线maintenance检修任务weather天气条件[0057]培训任务ID(TID)来自系统自动生成；[0058]变电站ID(SID)来自步骤(1)已导入接线图描述文件的某个变电站ID，由教学人员选择指定；[0059]巡视路线、检修任务和天气条件均来自系统预置的数据列表；[0060]例如，配置培训任务为合闸电阻检修：

[0061]

SIDinspectionmaintenanceweather

1定期巡检路线合闸电阻检修晴

[0062](3)教学人员通过系统服务器的配置缺陷模块配置具体培训任务中变电设备的缺陷，如渗油、漏油、线夹松动、破损、开裂等，并进行存储；[0063]存储格式使用表结构，定义如下：

[00]

TID1

字段说明

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TID培训任务IDID设备图形IDequipment设备名称part缺陷部位defect缺陷内容[0065]培训任务ID(TID)来自步骤(2)已生成的某个培训任务ID，由教学人员选择指定；[0066]设备图形ID(ID)及设备名称均来自步骤(1)已存储的某个设备图形ID及设备名称，由教学人员选择指定；[0067]缺陷部位和缺陷内容均来自系统预置的数据列表；[0068]例如，配置缺陷为合闸电阻片破损：

[0069]

IDequipmentpartdefect

100000000CBreaker合闸电阻片破损

[0070](4)加载步骤(1)存储的设备信息、步骤(2)存储的培训任务信息和步骤(3)存储的设备缺陷信息，通过生成场景模块生成虚拟作业场景，并进行存储；[0071]存储格式使用XML文件描述，结构如图3所示。[0072]如图4所示，生成虚拟作业场景由以下4个具体步骤组成：[0073]首先，创建模型节点N。根据步骤(1)存储的设备名称(equipment)从预置三维模型库调用相应的三维设备模型，将其添加到模型节点中；[0074]其次，变更模型节点N，设置缺陷模型。根据步骤(3)存储的设备图形ID定位到欲配置缺陷的模型节点，根据缺陷部位(part)和缺陷内容(defect)从预置三维模型库调用相应的三维缺陷模型，将模型节点的三维设备模型进行变更，实现缺陷配置；[0075]再次、创建模型位置节点P。根据步骤(1)存储的设备位置信息(x、y、width、height、rotate)设置三维设备模型的位置节点；[0076]接着，创建环境节点E。根据步骤(2)存储的天气条件(weather)从预置三维模型库调用相应的三维环境模型，将其添加到环境节点中；[0077]最后，将各模型节点N作为子节点添加到对应的模型位置节点P中，场景根节点添加各模型的位置节点P和环境节点E作为自己的子节点，完成虚拟作业场景的构建。[0078]例如，步骤(1)存储的equipment为CBreaker，类型对应断路器，则从预置三维模型库中载入断路器模型到模型节点N。然后将x、y、width、height添加到变压器的位置节点P中，用来设置断路器三维场景中的位置；将rotate添加到位置节点P中，用来设置断路器在平面上的旋转角度。若步骤(3)存储有同样的设备信息，则通过part和defect，从预置三维模型库中载入缺陷模型，并对模型节点N进行变更。针对所属变电站，步骤(2)存储的weather为晴，则从预置三维模型库中载入晴天环境模型到环境节点E。将模型位置节点P和环境节点E添加到场景根节点，完成虚拟作业场景的构建。[0079](5)生成场景模块完成场景布置后将虚拟作业场景信息输出到培训档案模块中，并进行存储，构成完整培训项目；[0080]存储格式使用表结构，定义如下：

TID1

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[0082]

培训档案ID(DID)来自系统自动生成；

[0084]培训任务ID(TID)来自步骤(2)已生成的某个培训任务ID；[0085]虚拟作业场景ID(VID)来自步骤(4)已生成的相对应的三维场景ID；[0086]受训人员ID(UID)来自登录系统的用户ID；[0087](6)通过网络连接设备的数据传输模块将培训项目的信息传到学员机，通过步骤(5)存储的虚拟作业场景ID将虚拟作业场景文件获取，遍历读取其模型节点、位置节点、环境节点等信息，将信息中指向的三维设备模型下载，同时针对这些模型，网络连接设备的数据缓存模块进行状态标识和存储。[0088]存储格式使用表结构，定义如下：

[00]

[0083]

字段说明

DID培训档案IDTID培训任务IDEID设备图形IDpart缺陷部位defect缺陷内容weather天气条件FLG缓存标识

[0090]如图5所示，针对同一培训任务，若变更缺陷配置或天气条件，当虚拟作业场景文件中的三维模型再次下载学员机，数据缓存模块根据文件节点信息中的缺陷部位、缺陷内容、天气条件等判断与数据缓存表中的信息是否一致，若一致表明设备模型或环境模型没有发生变化，使用已下载的三维模型进行渲染，若不一致则只下载发生变化的三维模型，这样能减轻系统服务器和学员机两侧的压力。[0091](7)下载学员机的三维模型，根据虚拟作业场景文件中位置信息经过渲染处理模块，利用显示设备将虚拟作业场景呈现给受训人员；而其他信息经过流程处理模块形成培训任务流程和判断约束规则；[0092](8)受训人员通过输入设备，按照培训任务流程进行设备巡视作业，并对巡视中发现的缺陷进行记录；[0093](9)流程处理模块判断受训人员在巡视中对缺陷的记录是否正确；

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(10)如果对缺陷的记录正确，受训人员通过输入设备，按照培训任务流程进行设

备倒闸操作，并对操作过程进行记录；[0095](11)流程处理模块判断受训人员在倒闸操作中的操作记录是否正确；[0096](12)如果对倒闸操作的记录正确，受训人员通过输入设备，按照培训任务流程进行安全措施布置模拟操作，并对过程进行记录；[0097](13)流程处理模块判断受训人员在安全措施布置模拟操作的记录是否正确；[0098](14)如果安全措施布置模拟操作的记录符合工序要求，受训人员按照培训任务流程进行设备检修作业，并对操作过程进行记录；[0099](15)判断设备检修作业的每个步骤是否全部完成；[0100](16)如果设备检修作业的所有步骤完成了，操作记录由数据处理模块进行保存后，通过网络连接设备传到系统服务器的考核管理模块进行评价，并给出受训人员的成绩；[0101]考核管理模块评价过程采用评价模型Q进行自动评分；评价模型Q通过以每个操作步骤的错误次数E1、完成程度E2、完成质量E3和完成时间E4作为评价因子，建立面向检修培训仿真系统的评价标准，减少对人员知识和经验的依赖，实现设备检修作业的全面、客观评价。[0102]评价模型公式如下：[0103]Q＝w1E1+w2(1/E2)+w3(1/E3)+w4E4[0104]其中，wi是权重，取值在0到1之间，具体由教学人员根据实际培训任务需求调整。[0105]设备检修培训过程中，错误次数E1越少越好，完成程度E2越高越好，完成质量E3越高越好，完成时间E4越少越好，最终结果Q越小表明该操作步骤评分高，反之评分低。[0106](17)通过学员机的显示设备将评分结果呈现给受训者，整个培训过程结束；[0107](18)教学人员通过系统服务器的人员管理模块对受训者进行用户资料管理，包括添加、变更和删除；也可通过考核管理模块对受训者的培训成绩进行查看和搜索。[0108]本实施例通过采用设备缺陷设置、学习过程监控和考核、运维一体化生产流程整合再现，解决在变电站设备检修仿真培训过程中遇到的灵活性、有效性和完整性所带来的困难问题。[0109]首先，通过配置检修任务和设备缺陷，实现设备检修虚拟作业场景及三维设备模型的自动生成，实现培训任务可配置，增加了培训的灵活性；[0110]其次，通过检修评价模型的建立，实现对受训人员在仿真培训系统上的应用效果更为全面客观的考核，提高了培训的有效性；[0111]最后，通过网络缓存机制的建立，降低了仿真培训系统运行延迟，提高了培训效率。[0112]以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

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图3

图4

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图5

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