張衛(wèi)君，王德寬，張顯兵，毛　琦，鄧子夜

（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

應(yīng)用于職業(yè)教育培訓(xùn)的水電仿真系統(tǒng)平臺

張衛(wèi)君，王德寬，張顯兵，毛琦，鄧子夜

（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

摘要：主要介紹了OTS2000培訓(xùn)仿真系統(tǒng)在國網(wǎng)湖南省電力公司培訓(xùn)中心的應(yīng)用及功能實現(xiàn)情況。該系統(tǒng)以三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)為手段，以水電仿真系統(tǒng)為載體，虛擬水電廠系統(tǒng)運行、調(diào)試、事故處理等工作，具備集中培訓(xùn)、個性化培訓(xùn)特點；可綜合進行操作、理論等考核，實時評價并反饋培訓(xùn)效果；可接入LCU柜實時采集物理模型信號，實現(xiàn)調(diào)試操作。滿足了職業(yè)教育培訓(xùn)中心對培訓(xùn)、考核、技能鑒定、技術(shù)比武等多功能綜合性要求。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；OTS2000；水電仿真；職業(yè)教育培訓(xùn)；技能鑒定

0　引言

國網(wǎng)湖南省電力公司培訓(xùn)中心作為省電力公司的綜合性教育培訓(xùn)基地，在水電相關(guān)業(yè)務(wù)方面，承擔(dān)省公司下屬鳳灘、東江、柘溪三個水電廠的新進員工培訓(xùn)、職工技能培訓(xùn)、技能考核鑒定、技術(shù)比武等任務(wù)，以往都采用理論講解、筆試、考官問答、現(xiàn)場實操等方式實現(xiàn)，每次考核或競賽都需組織大量人力、物力，且受到場地、時間等限制，難以滿足培訓(xùn)中心作為省公司教育培訓(xùn)基地的職能需求，亟需采用現(xiàn)代化的培訓(xùn)考核手段，提高培訓(xùn)考核的效率及效果。為此，培訓(xùn)中心采用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司自主開發(fā)的OTS2000水電廠培訓(xùn)仿真系統(tǒng)[1，2，3]，建設(shè)一套針對培訓(xùn)、考核、技能鑒定、技術(shù)比武等多功能目標的水電仿真系統(tǒng)平臺。

平臺仿真對象以鳳灘水電廠為原型，結(jié)合其他兩廠的設(shè)備特性及運行規(guī)程，利用三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)[4]，實現(xiàn)廠房、開關(guān)站、機組及相關(guān)系統(tǒng)、廠用電、公用系統(tǒng)等組成的虛擬水電廠，仿真系統(tǒng)運行、調(diào)試、事故處理等工作，并通過網(wǎng)絡(luò)方式連接實訓(xùn)場地LCU柜實時采集物理模型信號，實現(xiàn)實訓(xùn)調(diào)試操作。

1　設(shè)計目標

培訓(xùn)中心水電仿真系統(tǒng)平臺建設(shè)主要是為滿足省公司所屬水電廠生產(chǎn)運行維護人員的技能培訓(xùn)、鑒定與競賽等的需要。通過以水電仿真系統(tǒng)為載體，虛擬水電廠系統(tǒng)運行工作，提高水電廠運行維護人員的系統(tǒng)運行能力、調(diào)試能力、事故處理能力，進一步規(guī)范水電廠運行與管理工作。也為組織水電廠運行維護人員進行技能鑒定與競賽提供平臺。

1.1分層級培訓(xùn)目標

按照水電廠運行人員鑒定等級劃分，將培訓(xùn)對象分為：初級或新員工、中級工、高級工、技師及高級技師。根據(jù)各層級的技能要求，確定不同層級的培訓(xùn)目標和仿真培訓(xùn)實現(xiàn)方式，實現(xiàn)員工分層培訓(xùn)。

1.2技能鑒定及競賽目標

以水電仿真系統(tǒng)為平臺，理論方面以理論題庫方式隨機抽題與組卷，實操方面則以標準工況為基礎(chǔ)，進行正常操作或事故處理，然后評分系統(tǒng)自動評分。題目的難易程度則按考核對象層級不同進行分級，實現(xiàn)不同等級被鑒定人員在給定的不同工況、不同故障下的運行操作、事故處理，操作處理過程與生產(chǎn)現(xiàn)場一致。

競賽功能與鑒定的實現(xiàn)方式相同，在競賽模式下，實現(xiàn)分組競賽。

1.3二次開發(fā)功能目標

系統(tǒng)作為一個應(yīng)用平臺，學(xué)習(xí)課件庫、案例庫、理論題庫、故障庫、模型庫等都應(yīng)具有開放的接口，可編輯、可添加，用戶能利用系統(tǒng)的接口工具軟件進行二次開發(fā)。

2　平臺體系結(jié)構(gòu)

2.1硬件結(jié)構(gòu)

培訓(xùn)中心水電仿真系統(tǒng)平臺采用物理仿真與數(shù)字仿真兩種方式實現(xiàn)，物理仿真利用中心現(xiàn)有實訓(xùn)場地設(shè)備，組建一套機組LCU及物理模型，數(shù)字仿真模擬機組、開關(guān)站及相關(guān)設(shè)備。系統(tǒng)配置60套學(xué)員站（雙屏顯示）、1套大屏投影系統(tǒng)、1套教員站、1套數(shù)據(jù)服務(wù)器、1套模型服務(wù)器和1套工程師站，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1硬件結(jié)構(gòu)配置

2.2軟件結(jié)構(gòu)

OTS2000培訓(xùn)仿真系統(tǒng)平臺軟件分為四大部分，分別是人機聯(lián)系軟件、應(yīng)用平臺軟件、數(shù)據(jù)接口軟件、數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)管理軟件。人機聯(lián)系軟件包括供學(xué)員、教員、開發(fā)人員及維護人員使用的軟件；應(yīng)用平臺軟件基于H9000V4.0監(jiān)控平臺，并開發(fā)有教員子系統(tǒng)、學(xué)員子系統(tǒng)、仿真模型驅(qū)動引擎及三維虛擬現(xiàn)實平臺；數(shù)據(jù)庫包括歷史數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫及模型算法庫；數(shù)據(jù)接口軟件為數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用平臺間提供數(shù)據(jù)交互服務(wù)。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 OTS2000軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3　平臺功能

3.1學(xué)習(xí)培訓(xùn)及管理

培訓(xùn)仿真系統(tǒng)平臺對所有注冊學(xué)員信息進行管理，包括用戶名、密碼、個人身份信息、技能水平等級等，并對學(xué)員學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)時間進行統(tǒng)計。學(xué)員登錄系統(tǒng)并進入學(xué)習(xí)模式后，能進行理論學(xué)習(xí)或操作學(xué)習(xí)，學(xué)員可見學(xué)習(xí)內(nèi)容由其技能等級確定。理論學(xué)習(xí)內(nèi)容包括資料文檔、圖紙、教學(xué)課件等；操作學(xué)習(xí)包括監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)屏及操作，虛擬現(xiàn)場（三維系統(tǒng)）監(jiān)盤、抄表、設(shè)備操作、巡視檢查、事故處理等內(nèi)容。在學(xué)習(xí)模式下系統(tǒng)能給出相應(yīng)的操作提示。通過學(xué)習(xí)培訓(xùn)，學(xué)員能充分掌握電廠各種理論知識、設(shè)備工作原理、正常操作流程、故障及事故處理流程。

3.2考核競賽及管理

考核功能是作為學(xué)習(xí)效果的檢驗和崗位定級的手段，分為理論知識考試和操作考試。理論知識考試內(nèi)容包括電廠各個專業(yè)及管理崗位，題型分為判斷、單選、多選、填空、問答，考試完成后系統(tǒng)自動評分并能給出標準答案。操作考試前，由考官通過教員站設(shè)定已登錄學(xué)員進入考核模式后，學(xué)員自動退出學(xué)習(xí)模式，此模式下操作提示功能關(guān)閉?？脊俳o學(xué)員下發(fā)操作任務(wù)、當前工況，如果是正常操作任務(wù)，學(xué)員接收任務(wù)后即開始考試；如果任務(wù)是事故故障處理，考官需同時下發(fā)事故故障點，任務(wù)接收后學(xué)員通過查看SimuOIX實時信息、虛擬現(xiàn)場設(shè)備實時狀態(tài)進行分析判斷，確定故障源，進行相關(guān)匯報、檢查、虛擬現(xiàn)場操作處理?？荚囃瓿珊?，系統(tǒng)能自動評分并記錄每步操作的得失分情況，考官根據(jù)考試過程中的所有操作及信息記錄對系統(tǒng)自動評分進行修正，形成最終成績。

競賽作為考核的另一種方式，具備分組競賽功能。參賽人員進入此模式后，教員可對登錄學(xué)員進行分組并指定每一競賽組組長，同組學(xué)員在多臺學(xué)員站（界面見圖3）數(shù)據(jù)信息共享，協(xié)同操作完成競賽任務(wù)。

圖3學(xué)員站主界面

3.3學(xué)習(xí)資料及題庫管理

教員按專業(yè)及面向不同等級學(xué)員，對學(xué)習(xí)資料進行分類存放，資料庫內(nèi)容包括專業(yè)理論知識文檔、設(shè)備原理資料、圖紙資料、系統(tǒng)運行手冊/規(guī)程、視頻資料、培訓(xùn)課件等。

題庫包括理論題庫和操作題庫，教員可對題庫進行增減、編輯、組卷。理論知識考試題庫涵蓋基礎(chǔ)知識、管理、機械專業(yè)、電氣專業(yè)、自動專業(yè)等試題，每道試題包括試題編號、難易度等級、所屬專業(yè)目錄、試題、答案等內(nèi)容。操作考試題庫分為正常操作和事故故障處理操作，正常操作如手動開停機、設(shè)備檢修轉(zhuǎn)運行/運行轉(zhuǎn)檢修、倒廠用電、接力器充/排油、零起升壓、倒母線等。事故故障處理試題包括發(fā)變組、直流、廠用電、開關(guān)站、水輪機、輔助設(shè)備、調(diào)速器、快速門、保護等相關(guān)操作處理，如各種保護動作、變壓器著火、發(fā)電機著火、集水井水位異常升高、發(fā)電機震蕩、母線電壓消失、短路故障、機組過速、瓦溫過高故障、剪斷銷剪斷、頂蓋淹水等。

3.4水電廠系統(tǒng)仿真

培訓(xùn)仿真系統(tǒng)通過建立一個閉環(huán)的實時動態(tài)系統(tǒng)，才能更好的模擬、還原生產(chǎn)現(xiàn)場，使培訓(xùn)達到最佳的效果。仿真實時數(shù)據(jù)有兩種：一種是通過LCU采集物理仿真模型數(shù)據(jù)，操作命令通過LCU下發(fā)到物理模型；另一種是通過純數(shù)字仿真方式，建立水電廠各系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（水輪機及調(diào)試系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、發(fā)電機及勵磁系統(tǒng)、主變、開關(guān)站、繼電保護、廠用交直流系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等），通過模型運算，執(zhí)行操作命令及返回狀態(tài)數(shù)據(jù)。

仿真模型能實現(xiàn)機組各種運行工況的仿真，包括各種啟停操作、正常運行、工況轉(zhuǎn)換和故障運行工況的仿真，運行人員在仿真系統(tǒng)上的操作結(jié)果（正確操作或誤操作）與實際設(shè)備相一致，能夠完全復(fù)現(xiàn)實際設(shè)備的動態(tài)過程、邏輯關(guān)系，包括控制邏輯、各種聯(lián)鎖保護邏輯等。

4　主要技術(shù)特點[5，6，7]

4.1基于監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與運行

培訓(xùn)仿真系統(tǒng)平臺以計算機監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對物理仿真模型設(shè)備的數(shù)據(jù)實時采集及控制，并可以獲得生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)。根據(jù)仿真電廠實際應(yīng)用監(jiān)控系統(tǒng)界面，通過組態(tài)開發(fā)，實現(xiàn)培訓(xùn)仿真系統(tǒng)人機操作界面（SimuOIX）與監(jiān)控高度一致，很好的滿足運行操作習(xí)慣。

4.2按照物理機理的仿真建模

仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型按物理機理建立，以對象原型的結(jié)構(gòu)、特性及參數(shù)為依據(jù)，嚴格遵守能量、質(zhì)量和動量守恒定律。

4.3三維虛擬現(xiàn)實全電廠仿真

采用三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立三維交互式虛擬化電廠，可模擬進行設(shè)備巡視、屏柜檢查與設(shè)備操作，模擬設(shè)備的工作原理、事故故障場景，模擬驗電、測電壓、測絕緣、掛地線、設(shè)置護欄、掛牌等檢測及安全防護操作。

4.4豐富的組態(tài)與二次開發(fā)工具

為方便用戶維護及二次開發(fā)，平臺提供有二維畫面集成、三維建模、數(shù)據(jù)庫編輯、可視化仿真建模等豐富的組態(tài)及開發(fā)工具。

5　結(jié)束語

本文介紹的水電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)平臺已投入運行，基于此平臺已成功舉辦了多期培訓(xùn)班。平臺系統(tǒng)功能齊全、學(xué)習(xí)內(nèi)容豐富、與生產(chǎn)現(xiàn)場相似度高，可快速有效的提高學(xué)員知識技能并客觀準確的評判學(xué)員水平。本培訓(xùn)仿真系統(tǒng)使用對象不針對某一特定電廠，在設(shè)計開發(fā)及集成過程中充分考慮多個電廠共性及差異，對流域公司、發(fā)電集團建設(shè)通用化的培訓(xùn)仿真平臺具有較高的借鑒意義。

參考文獻：

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中圖分類號：TP391.9

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）07-0062-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.018

收稿日期：2015-04-30

作者簡介：張衛(wèi)君（1980-），男，工程師，從事水電廠培訓(xùn)仿真系統(tǒng)研究開發(fā)工作。