莫仕勛， 楊富淋， 黃智博， 李裕進(jìn)

(1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004； 2.廣西送變電建設(shè)公司，廣西 南寧 530031；3.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉林供電局，廣西 玉林 537000； 4.國(guó)電南寧發(fā)電有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530317)

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基于TTS引擎的廠站中央信號(hào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬仿真

莫仕勛1， 楊富淋2， 黃智博3， 李裕進(jìn)4

(1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004； 2.廣西送變電建設(shè)公司，廣西 南寧 530031；3.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉林供電局，廣西 玉林 537000； 4.國(guó)電南寧發(fā)電有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530317)

針對(duì)發(fā)電廠和變電站的二次系統(tǒng)展開式原理圖內(nèi)容多、復(fù)雜、邏輯描述困難等特點(diǎn)，運(yùn)用應(yīng)用程序的方式將展開式原理圖通過在屏幕上建立的直角坐標(biāo)系，精確地描述在計(jì)算機(jī)屏幕上，并利用計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)對(duì)展開式原理圖進(jìn)行動(dòng)態(tài)的描述，通過Microsoft Speech SDK集成的TTS引擎嵌入相應(yīng)的語(yǔ)音講解，復(fù)雜的邏輯一目了然，為電力系統(tǒng)二次部分的培訓(xùn)教程提供了新思路。

中央信號(hào)系統(tǒng)； 動(dòng)態(tài)模擬仿真； TTS； MFC； COM

0 引 言

發(fā)電廠(變電站)的二次系統(tǒng)是對(duì)一次系統(tǒng)實(shí)施測(cè)量、保護(hù)和控制功能的系統(tǒng)。隨著電力系統(tǒng)的不斷完善，對(duì)二次系統(tǒng)的要求也提出更高的要求，實(shí)現(xiàn)的功能也越來越多，隨之而來的就是其維護(hù)工作量也越來越大。長(zhǎng)期以來，人們習(xí)慣的思維都認(rèn)為一次部分的接線圖(主接線圖)相對(duì)清晰明了，由于二次系統(tǒng)與生俱來的特點(diǎn)，一直被冠以復(fù)雜、繁瑣等標(biāo)簽。在仿真培訓(xùn)實(shí)踐中，往往忽視了運(yùn)行人員對(duì)二次系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，增加二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理、動(dòng)態(tài)模擬等內(nèi)容，可以使運(yùn)行人員更加深入和直觀地了解和熟悉二次回路，起到事半功倍的培訓(xùn)效果[1-7]。

二次設(shè)備檢修維護(hù)人員關(guān)心的重點(diǎn)是電力系統(tǒng)與自動(dòng)化設(shè)備的互動(dòng)關(guān)系(即二次接線)和自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部工作過程，以往的變電站運(yùn)行仿真培訓(xùn)系統(tǒng)雖可以逼真地仿真出變電運(yùn)行人員所關(guān)心的人機(jī)操作界面和信息，但是都繞過二次回路和自動(dòng)化系統(tǒng)的內(nèi)部工作過程[8-10]。廠站二次設(shè)備檢修維護(hù)工作以原理圖紙為核心展開，按種類劃分還包括端子接線圖、集中式原理圖和展開式原理圖。圖紙中隱涵了各器件(繼電器)工作的原理以及動(dòng)作過程中的邏輯關(guān)系。而動(dòng)作的過程主要是由掛接在廠站的直流電源系統(tǒng)的控制、信號(hào)母線提供的直流電源產(chǎn)生的電流驅(qū)動(dòng)器件(繼電器)完成的，所以要弄懂中央信號(hào)系統(tǒng)的工作原理應(yīng)該首先弄清楚電流的流經(jīng)的路徑、所觸發(fā)的器件(繼電器)。反映中央信號(hào)系統(tǒng)的工作原理的圖紙大多采用展開式原理圖，它是設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行中用得最為廣泛的二次接線圖，從事電氣工作的人員必須掌握它[11]。

1 展開式原理圖概述

1.1 概念

展開式原理圖是按照各個(gè)回路的功能布置，將每套裝置的交流電流回路、交流電壓回路和直流回路等分開表示、獨(dú)立繪制，同時(shí)也將儀表、繼電器等的線圈、觸點(diǎn)分別繪制在所屬的回路中。與集中式原理圖相比較，其特點(diǎn)是線路清晰、易于理解整套裝置的動(dòng)作程序和工作原理，特別是當(dāng)接線裝置二次設(shè)備較多時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)更加突出。如圖1所示。

圖1 展開式原理圖

1.2 工作過程

工作過程如下描述：當(dāng)斷路器事故跳閘時(shí)，事故小母線WFA會(huì)與負(fù)極電源接通，正電源通過線圈K1，電容C及線圈K2，對(duì)電容充電，使沖擊繼電器1KAI起動(dòng)。在充電期間，繼電器線圈中流過電流使銜鐵動(dòng)作，帶動(dòng)觸點(diǎn)閉合。充電完畢后，線圈中電流消失，銜鐵保持在動(dòng)作位置，觸點(diǎn)可靠閉合。1KAI的觸點(diǎn)閉合后，便啟動(dòng)中間繼電器1KC，它有兩對(duì)動(dòng)合(常開)觸點(diǎn)分別是1KC(9-11)和1KC(13-15)，其中1KC(13-15)觸點(diǎn)閉合后，便起動(dòng)時(shí)間繼電器3KT，作為音響信號(hào)自動(dòng)復(fù)歸回路的延時(shí)，經(jīng)過整定值時(shí)間后，帶延時(shí)閉合的常開觸點(diǎn)3KT(4-12)閉合，使得3KC線圈通電，它的常開觸點(diǎn)3KC(9-11)閉合，音響信號(hào)自動(dòng)復(fù)歸。另外一對(duì)觸點(diǎn)1KC(9-11)接通蜂鳴器HAL，發(fā)出音響，表明已發(fā)生事故。

從上述的分析論述中可以看到， 讀者必須在搞清楚讀圖的方法后，對(duì)整個(gè)動(dòng)作回路非常的熟悉，才能很好地運(yùn)用展開式原理圖對(duì)二次系統(tǒng)進(jìn)行分析和維護(hù)。

1.3 難點(diǎn)

展開式原理圖通過描述電路中電流流過的路徑，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的器件(繼電器)來帶動(dòng)常開或者常閉觸點(diǎn)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)使電路能表達(dá)所需要的邏輯，因此，弄懂電路電流流過的路徑就顯得尤為重要。

器件(繼電器)的工作原理也是也是至關(guān)重要的。一個(gè)器件(繼電器)組成不外乎是由電阻、電容和電感三種元件組成，但如何有機(jī)組合就很有講究。

2 動(dòng)態(tài)模擬仿真設(shè)計(jì)

針對(duì)1.3 提出的兩個(gè)難點(diǎn)問題，可以考慮用動(dòng)畫的形式來描述電路中電流流過的路徑，電流流過路徑顏色變?yōu)榧t色加以區(qū)別，并配以相應(yīng)的文字符號(hào)說明。對(duì)于器件的工作原理可以綜合運(yùn)用文字閃動(dòng)和語(yǔ)音講解，因?yàn)槔^電器的線圈和觸點(diǎn)很有可能分別屬于不同的回路中，當(dāng)繼電器的線圈通電時(shí)，由于其線圈和觸點(diǎn)用相同的文字符號(hào)標(biāo)注，這時(shí)在畫面上在線圈和觸點(diǎn)的回路采用相同的顏色產(chǎn)生閃爍來說明。

如果單從動(dòng)畫方面的需要可以考慮采用目前流行的Adobe Flash或者Authorware，但二者只是一個(gè)動(dòng)畫制作工具，無法嵌入其他的資源，如語(yǔ)音?；谶@樣的考慮，采用應(yīng)用程序方式來解決這兩個(gè)難點(diǎn)問題，應(yīng)用程序可以有效整合各種資源。擬采用Windows 平臺(tái)下微軟強(qiáng)大的Microsoft?VC++6.0 作為開發(fā)工具。

2.1 動(dòng)態(tài)模擬的實(shí)現(xiàn)

由Microsoft 提供的MFC，在單文檔窗體上利用相對(duì)坐標(biāo)，用程序精確畫出以上展開式原理圖。單文檔窗體的繪圖輸出主要靠CElectricView類的OnDraw(CDC* pDC)函數(shù)完成。值得注意的是，在進(jìn)行繪圖之前，最好先自定義好各種元器件的繪制函數(shù)，這樣，在繪圖過程中多次用到該元件時(shí)，調(diào)用起來就更為方便。函數(shù)定義時(shí)還可以加入各種功能，方便后面將要進(jìn)行的動(dòng)態(tài)效果演示控制。

通過SetTimer( )函數(shù)創(chuàng)建定時(shí)器，然后由其響應(yīng)函數(shù)OnTimer( )結(jié)合KillTimer( )函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)各元器件的動(dòng)作控制。但OnTimer( )并不是CElectricView類的成員函數(shù)，為此必須先把OnTimer( )的消息響應(yīng)添加到CElectricView類中。

動(dòng)畫的基本原理是利用人們眼睛的視覺殘留作用，通過逐漸變化著的畫面，以造成活動(dòng)的感覺。所以利用定時(shí)器一定時(shí)間間隔觸發(fā)的消息來調(diào)用GDI函數(shù)進(jìn)行圖形漸變輸出就能夠構(gòu)成理想的動(dòng)畫效果，其實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 動(dòng)畫形成的流程圖

2.2 語(yǔ)音講解的實(shí)現(xiàn)

隨著語(yǔ)音技術(shù)的發(fā)展，微軟也推出了相應(yīng)的語(yǔ)音開發(fā)工具，即Microsoft Speech SDK，這個(gè)SDK中包含了語(yǔ)音應(yīng)用設(shè)計(jì)接口(SAPI)、微軟的連續(xù)語(yǔ)音識(shí)別引擎(MCSR)以及微軟的語(yǔ)音合成(TTS)引擎等[12]。其中的 TTS(text-to-speech)引擎可以用于實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音合成，通過TTS引擎可以分析文本內(nèi)容并且將其朗讀出。實(shí)現(xiàn)TTS技術(shù)的方法有很多種， 現(xiàn)在主要采用3種：連詞技術(shù)、語(yǔ)音合成技術(shù)、子字連接技術(shù)。目前的5.1版本的SDK一共可以支持3種語(yǔ)言的識(shí)別 (英語(yǔ)，漢語(yǔ)和日語(yǔ))以及2種語(yǔ)言的合成(英語(yǔ)和漢語(yǔ))。其中還包括對(duì)于低層控制和高度適應(yīng)性的直接語(yǔ)音管理、訓(xùn)練向?qū)?、事件、語(yǔ)法編譯、資源、語(yǔ)音識(shí)別 (SR)管理以及TTS管理等強(qiáng)大的設(shè)計(jì)接口[13]。

當(dāng)應(yīng)用程序需要發(fā)聲時(shí)就調(diào)用語(yǔ)音合成引擎(Speech Synthesis Engine)進(jìn)行語(yǔ)言合成，將文本處理后通過揚(yáng)聲器用近似于人的聲音“讀”出來，通常還可以通過改變對(duì)語(yǔ)音引擎的設(shè)置改變“說話” 的速度，聲音頻率(低沉或者尖銳)，聲音大小，還能模擬口形、唇形和舌位的變化對(duì)聲音的影響。計(jì)算機(jī)通過語(yǔ)音合成發(fā)出的聲音效果聽起來就象是錄音磁帶發(fā)出的聲音[14]。

微軟SAPI5.1實(shí)現(xiàn)Text-To-Speech的核心是對(duì)COM接口IspVoice的應(yīng)用，所以應(yīng)用TTS技術(shù)最好要了解一下COM編程技術(shù)[15]。SAPI 的API接口封裝得很好，不需要了解任何發(fā)聲引擎底層的工作細(xì)節(jié)。例如一旦在程序中創(chuàng)建了一個(gè)IspVoice對(duì)象,就可以通過調(diào)用ISpVoice::Speak實(shí)現(xiàn)文本朗讀，通過調(diào)用ISpVoice::SetRate實(shí)現(xiàn)對(duì)朗讀速度的控制，以及通過調(diào)用ISpVoice::SetVoice實(shí)現(xiàn)對(duì)朗讀聲音的不同人物或語(yǔ)言控制(男聲/女生,中文/英文)等。事實(shí)上掌握對(duì)這個(gè)接口的應(yīng)用就可以實(shí)現(xiàn)大多數(shù)TTS的應(yīng)用。下面是微軟的TTS引擎對(duì)展開式原理圖動(dòng)動(dòng)作過程進(jìn)行語(yǔ)音講解的步驟。

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

(2) 建立語(yǔ)音對(duì)象實(shí)例。CoCreateInstance；

(3) 調(diào)用Speak方法。

(4) 設(shè)置感興趣的事件。SetInterest；

設(shè)定SAPI返回的消息：setnotifywindowmessage；

(5) 消息到來，確定事件類型。GetEvents；

清除事件結(jié)構(gòu)：SpClearEvent；

(6) 相應(yīng)事件。用GetStatus確定SAPI狀態(tài)。

3 動(dòng)態(tài)模擬仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

(1) 以單文檔形式，用程序精確畫出以上展開式原理圖(快速精確畫出展開式原理圖)；

(2) 設(shè)置啟動(dòng)、暫停、終止和工具等按鈕，工具按鈕可以設(shè)置動(dòng)畫的快慢(用戶界面友好，交互方便)；

(3) 采用動(dòng)畫的形式標(biāo)注電流流過的路徑(動(dòng)作過程描述形象生動(dòng))；

(4) 電流流過的器件的文字符號(hào)以閃爍形式顯示(標(biāo)注清晰)；

(5) 采用閃爍的形式表示電流所流經(jīng)的線圈通電產(chǎn)生觸點(diǎn)閉合(圖文并茂，形象生動(dòng))；

(6) 用閃爍箭頭指明因觸點(diǎn)閉合引起其他支路的線圈通電而產(chǎn)生的動(dòng)作(關(guān)聯(lián)提示，線圈和觸點(diǎn)關(guān)聯(lián)一致)；

(7) 以MID文件的形式播放喇叭響(事故信號(hào))和電鈴響(預(yù)告信號(hào))(聲行并舉，與真實(shí)環(huán)境相符)；

(8) 背景配以普通話語(yǔ)音講解功能(語(yǔ)音講解，讓讀者理解更透切)；

(9) 最終以文字形式給出相關(guān)說明(歸納總結(jié)，讓用戶記憶深刻)。

仿真軟件界面如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)模擬仿真界面

4 結(jié) 語(yǔ)

通過運(yùn)用應(yīng)用程序方式將廠站的二次系統(tǒng)的原理圖整合起來，可以看出有以下的優(yōu)點(diǎn)：①基于Windows 平臺(tái)，通用性強(qiáng)；②準(zhǔn)確表達(dá)控制邏輯和動(dòng)作過程；③豐富的人機(jī)交互界面；④效果圖文并茂，聲形并舉；⑤易于整合和控制資源，擴(kuò)展方便；⑥不受運(yùn)行環(huán)境的限制，無需插件支持，使用方便；⑦易于保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，保護(hù)開發(fā)者的利益；⑧軟件短小精悍，易于存儲(chǔ)。

這樣的仿真系統(tǒng)除了用于員工的培訓(xùn)以外，稍加擴(kuò)展就可以作為事故分析和事故反演的工具。同時(shí)也為電力系統(tǒng)二次部分的培訓(xùn)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

廣西大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革立項(xiàng)項(xiàng)目(20110206)

莫仕勛(1970-)，男，廣西柳州人，碩士，副教授，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。

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

TM 6

A

1006-7167(2015)05-0083-03