一种带继电保护设备的电缆线路运检培训方法及系统与流程

1.本发明涉及电力系统仿真技术领域，尤其是涉及一种带继电保护设备的电缆线路运检培训方法及系统。


背景技术：

2.随着碳中和目标的不断实施，电网作为清洁能源的传输通路将不断加强，电力电缆凭借其独特的优势在电网中更会被普遍采用。保证电力电缆作业质量和效率是电网安全稳定的因素之一，因而迫切需求对电力电缆的作业进行培训。
3.传统的电力电缆作业技能培训，主要是通过举办多种形式的学习班、培训班进行理论学习，播放视频录像或应用电子课件进行知识巩固，或在实训场地和作业现场进行实际设备的参观学习。在教学过程中存在很多局限性，如形式单一，过程枯燥，视频录像及电子课件在情境性、交互性、体验性等方面存在一定的差距，实训场地受设备条件等因素制约，规模化培训难以开展，培训成本极高。因此，现有的培训模式和手段已经不能满足企业发展需要，亟待改进和升级。
4.在电力电缆作业技能培训中已开始采用三维虚拟仿真、人机交互、培训管理等多种先进技术，为电网生产及相关从业人员建立运行、维护、检修等方面的高逼真度培训环境，来满足电网运检人员线路巡视、倒闸操作、停电检修、带电作业等培训的需要。
5.这种基于三维虚拟技术进行的电力电缆作业技能培训，虽使培训人员能沉浸在vr和dr所构建的虚拟场景中，但在作业过程中对电网其它设备及整个作业区域电网的影响还是不能明晰地体会到，需要引入作业区域电网的一些真实设备来加深培训培训人员的理解。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种带继电保护设备的电缆线路运检培训方法及系统，将真实的线路保护设备引入电力电缆作业技能培训中，从而更好地提高电力电缆作业的培训质量和效果。
7.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：本发明提供一种带继电保护设备的电缆线路运检培训方法，包括：构建数字电网；在数字电网中引入二次保护装置构建数字物理混合仿真系统；基于数字物理混合仿真系统构建线路检修场景；基于待检修线路在相应的线路检修场景中进行运检培训。
8.进一步的，基于图模一体化构建数字电网。
9.进一步的，通过接口系统将二次保护装置引入数字电网，进行数字物理混合的实时电网仿真计算，构建数字物理混合仿真系统；所述接口系统包括da转换卡，开关量输入卡和功率放大器。
10.进一步的，通过在二次保护装置的开入开出回路、自动装置的开入开出回路、测控装置的开入开出回路、变压器辅助设备控制回路、信号回路、交流回路、直流系统和电流电压回路中任意一个回路中，串联或并联各种节点、电阻或电容来模拟各种断线、接地、短路、错线、线圈烧毁、接触不好、熔断器熔断和寄生电容故障，进行数字物理混合的实时电网仿真计算。
11.进一步的，进行数字物理混合的实时电网仿真计算过程中，对电力系统元件采用电磁暂态模型，并利用瞬时值方式来进行仿真计算。
12.进一步的，所述构建线路检修场景，包括：将线路场景进行分割处理，建立层次结构；建立各层次的实体模型；将各层次的实体模型进行组合和集成，形成线路检修场景的整体模型。
13.进一步的，所述建立各层次的实体模型包括天空及远景建模、实体建模和环境景观建模。
14.进一步的，运检培训过程中，同一个线路检修场景中包括组长和组员，组长在客户端进行旁路操作或倒闸操作，通过数字物理混合仿真系统驱动二次保护装置动作，并将电网的变化信息推送给所有组员；各组员在线路检修场景中进行协同检修作业；检修作业完成后由组长通知数字物理混合仿真系统驱动二次保护装置及开关动作。
15.进一步的，所述组员在线路检修场景中进行协同检修作业包括：组员通过客户端把操作信息发送给数字物理混合仿真系统所在的服务端的同时，根据客户端的状态、上下文信息预测服务端的反馈结果，并根据预测结果立即执行动作，同时也将预测结果发送给服务端；服务端对反馈结果和预测结果进行比较，如果相同，将不再发响应包给客户端；如果不同，则发送反馈结果返回客户端，并通知客户端进行回滚，返回到执行该操作动作之前的状态，并根据反馈结果执行相应动作；还包括，组员通过客户端把操作信息发送给数字物理混合仿真系统所在的服务端的同时，将预测结果广播给同一线路检修场景中的其他组员所对应的客户端，使所有组员所看到的内容与发出操作信息的组员客户端画面一致。
16.本发明还提供一种带继电保护设备的电缆线路运检培训系统，包括客户端，服务端和搭载于服务端的数字物理混合仿真系统；所述客户端用于用户进行运检操作，并将操作信息传递至服务端；所述数字物理混合仿真系统用于根据用户操作指令进行数字物理混合的实时电网仿真计算，并将计算结果推送给客户端供用户查看；所述数字物理混合仿真系统包括数字电网，二次保护装置和接口系统，所述二次保护装置通过接口系统接入数字电网；所述数字物理混合仿真系统中搭建线路检修场景。
17.本发明的有益效果为：
本发明针对电力电缆作业技能培训中所采用的三维虚拟仿真、人机交互、培训管理等多种虚拟化技术进行了功能的扩充，将培训所在电网的线路保护设备及整个作业区域电网运行状态引入到电力电缆作业技能培训中。因构建了数字化的区域电网及放置了各种真实的二次保护装置，使电网运检人员进行线路巡视时，可以在计算机屏幕上了解整个区域电网的运行状态；培训人员进行倒闸操作前后，也可从屏幕上了解整个区域电网一次设备的运行状态以及线路二次保护装置的动作变化；在停电检修前，培训人员可在数字化的区域电网进行故障分析或按计划进行倒闸操作，之后再转向三维虚拟场景中进行线路作业；在带电作业之前，培训人员可在数字化的区域电网进行旁路作业，当建立了旁路后再转向三维虚拟场景中进行线路作业。
18.本发明为电网生产及相关从业人员建立了全方位、全过程、全场景的运行、维护、检修等方面的高逼真度培训环境，来满足电网运检人员线路巡视、倒闸操作、停电检修、带电作业等多层次、全方位、个性化的培训需要，从而能更好地提升电网作业相关技能的培训水平。
附图说明
19.图1 为本发明实施例中基于图模一体化构建数字电网；图2为本发明实施例中数字物理混合的电网实时仿真计算流程；图3为本发明实施例中数字物理混合仿真系统架构。
具体实施方式
20.下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
21.本发明的一个实施例提供一种带继电保护设备的电缆线路运检培训方法，包括以下内容：构建数字电网；在数字电网中引入二次保护装置构建数字物理混合仿真系统；基于数字物理混合仿真系统构建线路检修场景；基于待检修线路在相应的线路检修场景中进行运检培训。
22.本发明实施例中，基于图模一体化构建数字电网。
23.电力系统构建数字电网多采用图模一体化技术，且国网总部已将全国电网的结构信息存入了图模一体数据库中，故可以通过在客户端浏览器上拖动相关电力元器件图标来构建数字电网，如图1所示。
24.本发明实施例中，通过进行数字物理混合的实时电网仿真计算，将二次保护装置引入数字电网，构建数字物理混合仿真系统。
25.实时电网仿真的模型完备性和计算精度直接决定着变电站数字物理混合仿真系统的整体性能，本发明对电力系统元件采用电磁暂态模型，采用交互式、全过程电磁暂态仿真技术，并利用瞬时值方式来进行计算，从而可以分析微秒级的电压、电流瞬时变化情况，如图2所示。该电网实时仿真不仅可以计算系统的工频电量，而且考虑非周期和高频分量以及快速的动态过程。同时，在仿真计算中采用修正阻尼梯形法保证了在电网发生故障和有
开关操作时，不会产生不衰减的非原型数值振荡，也保证了算法的精度，提高了电磁暂态仿真计算的连续稳定运行能力。采用输电线路任意点故障在线仿真算法，实现了各类设备故障的在线交互设置，且无须预先设置以重新进行初始值及稳态计算，保证了电磁暂态仿真计算的在线交互性。计算中采用综合友元建模方法，与友元建模法相比，计算矩阵的阶数降低30％左右，能显著的提高仿真计算的速度。图2中，建立长线模型为算法专业名称，参见陈超英等，输电线路任意点故障的数字仿真，中国电机工程学报，15卷6期，和王庆平等，耦合双回线路任意点故障的仿真，电力系统自动化，25卷15期，34
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38页。图2中，建立系统其他部分模型为算法专业名称，参见中国发明专利公开号cn104316792b“一种基于综合友元模型的死区故障模拟方法”。修正阻尼梯形法为算法专业名称，参见刘益青等，用以消除数值振荡的阻尼梯形法误差分析与修正，中国电机工程学报，23卷7期。
26.本发明实施例中，整个数字物理混合仿真系统采用了多核多处理器架构、微秒级的实时操作系统、高速同步数字模拟量转换技术以及智能化、模块化的功率放大技术。系统无需给一次设备加载真实一次电压和电流（存在危及人身安全问题），通常用功率放大器模拟实际变电站的电流、电压互感器二次侧，直接驱动变电站保护及自动装置；同时采用网络化智能型断路器及刀闸模拟装置，这些模拟装置具有真实设备的所有回路、接点、接入设备端子，与断路器端子箱共同组屏，不但可以模拟断路器、刀闸及操作机构的正常操作和动作情况，而且可以模拟断路器拒动、非全相、慢分、辅助接点不对应等各种异常、故障情况。
27.数字电网与二次设备之间的接口系统所采用的实时开入/开出（简称i/o）接口设备，由i/o信号扩展转换箱，高速、高精度同步输出数字模拟转换器，高速通信及开关量输入系统组成，如图3所示。通过在继电二次保护装置的开入开出回路、自动装置的开入开出回路、测控装置的开入开出回路、变压器辅助设备控制回路、信号回路、交流回路、直流系统、电流电压回路等二次回路中串联或并联各种节点、电阻、电容等来模拟各种断线、接地、短路、错线、线圈烧毁、接触不好、熔断器熔断、寄生电容等故障。装置通过软件实现对输入信号、输出信号加载及解除故障的控制和管理。其中，自动装置，测控装置，变压器辅助设备都是变电站内二次设备，其从数字电网中通过ct/pt来获取电网的参数，并进行相关控制。
28.本发明实施例中，二次保护装置可以含变电站常见二次保护设备，包括线路保护、主变保护、母线保护、电容器保护、电抗器保护及站用变保护等真实设备。为使培训更贴合当地电网的环境，可以配置当地变电站常用的不同厂家、不同型号的保护设备以满足培训需要。
29.线路作业包含线路巡视、倒闸操作、架空线路带电作业、停电检修和电缆不停电作业。本发明实施例中，首先构建线路作业的三维虚拟场景，在场景地形、地貌构建的基础上，分块完成每一分区中的具体实体建模和环境景观的几何建模，大到广阔的天空，小到地面的花草。
30.场景实体模型的构建是按照场景层次结构的划分来进行的，各层次实体模型构建完以后需要进行组合和集成，最终形成虚拟场景的整体模型。
31.首先单独建模的实体模型要逐个添加到整体场区模型里，主要包括天空及远景建模、实体建模、环境景观的建模，实体建模是通过三维建模工具来建立三维实体模型，包括培训人员和电力设备等实体。其次对三维建模进行优化，优化结果的好坏将直接制约系统的运行效率和显示速度。优化技术是贯穿在整个建模过程中的，具体包括：结构优化、纹理
优化、模型优化和场景优化。
32.（1）结构优化对初始化虚拟场景，按照场景分块（或模型分割）原则使用单元分割技术进行处理，建立层次结构。然后按照调整层次建模原则进行处理，进行结构调整。
33.（2）纹理优化将资料预处理过的纹理，按照建模的实际需求进行处理，如处理成简单分量纹理、进行纹理格式优化和纹理拼接等。
34.（3）模型优化将创建好的模型，使用可见消隐技术、纹理映射技术、实例化技术和lod技术等进行处理，简化多边形数目，进行模型优化。
35.（4）场景优化将所有建立好的模型（系统内或系统外），使用纹理映射技术、实例化技术、lod 技术和外部引用技术等进行整个场景的优化处理。
36.最后对三维模型及场景进行调度，以充分保证系统的实时性。对于多边形较多的复杂场景来说，都要进行分块调度，先将整个地形分割成若干个边数较少的多边形形状的小单元地形，并存成不同的地形模型文件，再以外部引用的方式分别调用（包括地形上的地物），重新构成一个完整的地形模型。这样可以根据视点所看到的区域，动态地选择小单元地形模型进行调用，不需要调用整个地形模型，能有效地提高系统输出视景的实时性。
37.对于场景复杂的系统而言，有时仅仅采用场景地形分块调度技术并不能保证达到良好的效果，当实体密集时，如果一小块地形上的地物模型都要同时绘制的话，也会极大地影响系统的实时性。所以，对场景模型也必须实行动态调度，以减少一帧渲染的多边形数量。通过采用基于视点视域的场景渲染与调度方式，系统每帧只需绘制落在视域体内的场景模型，大大减少了实时渲染的工作量，能够有效地提高绘制速度。
38.本发明利用以上三维视景技术，构建了具有3d可视效果的、可用于交互培训的电网运检作业的三维仿真模型和相应的操作场景，在虚拟场景中再现电网线路巡视、倒闸操作、架空线路运检作业、停电检修、电缆不停电作业等配电网运检作业的真实环境。同时对设备、工器具、材料、作业环境进行全范围详细仿真（详细的1:1仿真）并建立三维虚拟场景，全面仿真电网设备各种工况下的静态、动态信息和检修更换过程，使培训人员不受时间空间限制地交流沟通，大幅度提高培训人员的技能水平和协同水平，同时保护了培训人员和电力设备安全。
39.电网线路运检作业仿真操作过程是在虚拟仿真形式约束下对实际电力作业过程的抽象与描述，本质是通过建立操作流程、操作行为及虚拟操作元件和响应状态之间的逻辑关系模型，控制用户的仿真操作行为及其与仿真操作对象间的操作响应逻辑，使用户能够在计算机提供的虚拟仿真环境中按照实际作业流程及设备的动作行为和状态变化约朿条件下完整、正确地执行仿真操作，从而学习相关操作技能。
40.电网线路运检作业项目作业过程的虚拟交互实现主要从三个方面着手：一是虚拟交互模型能够描述用户的复杂操作，支持用户的开放式操作行为；二是层次划分符合电力作业过程特点，利于模型的重用和组合；三是层次模型描述方法的选择从契合描述对象的行为特点、易于形式化描述、利于软件实现和计算机快速处理等方面综合考虑。
41.所以，本发明实施例中对线路进行运检培训，首先针对电力生产作业规范设计了电网线路运检作业项目培训过程；其次实现了虚拟交互的层次分析和抽象；再将虚拟仿真操作过程进行混合异构层次化建模，实现了虚拟交互在任务层、作业层和设备层各层的建模描述和仿真算法；最后基于情景上下文的碰撞检测加速算法，来提高虚拟交互的实时性，并以此实现了电网线路运检作业项目作业过程的虚拟交互。
42.培训人员对三维问题情境进行仔细观察，通过判断虚拟现场环境或与任务相对应的设备初始状态、现场情境和相关约束规则确定任务的完成方法，其中电力约束规则主要为操作规范、安全规程和电气连接约束。仿真培训系统提供认知工具帮助培训人员了解任务内容和情境，如提供小地图和电气接线图帮助受训人员明确配电系统的地理及电气连接关系。
43.仿真培训系统采用三维仿真、人机交互、计算机网络等先进技术，使得多名培训人员可以根据任务内容选择各类工种的虚拟角色，并通过自身登录的计算机屏幕控制所扮演虚拟角色的动作行为，同时也能看到其他培训人员所扮演虚拟角色的动作行为，在同一个三维虚拟场景中，为达到共同培训目标合作完成相关工作任务，从而对该任务进行全方位掌握，更好地深入到电力电缆运检作业环境中，提高培训人员的分析能力、判断能力及应变能力，促进专业化水平提高。这种基于角色扮演的虚拟现实交互技术的核心是建立在网络通信上的同步机制，主要包含2个方面：（1）用户到服务端的同步，即用户通过客户端向服务端发送操作信息，控制虚拟角色的过程。
44.（2）用户到其他用户的同步，即用户的操作信息通过服务端转发给其他用户的客户端，使其显示相应状态变化的过程。无论哪种同步机制，都需要减少网络延时问题，使所有参与者在任何时刻对同一仿真对象都拥有完全一致的视图，保证多人协作过程中时间和空间的一致性。
45.用户到服务端的同步使用一种行为预测方法。客户端把操作信息发送给服务端的同时，根据客户端的状态、上下文信息预测服务端的反馈结果，并根据预测结果立即执行动作，同时也将预测结果发送给服务端。服务端对反馈结果和预测结果进行比较，如果相同，将不再发响应包给客户端。如果不同，则发送反馈结果返回客户端，并通知客户端进行回滚，返回到执行该动作之前的状态，并根据反馈结果执行相应动作。
46.用户到其他用户的同步使用一种区域推测方法。客户端把操作信息发送给服务端的同时，根据客户端的可视范围推测所控制的虚拟人物周围区域有多少其他虚拟工种角色，然后将上述行为预测结果广播给这些虚拟工种角色所对应的客户端，使其他用户所看到的内容与发出操作信息的用户客户端画面一致。如果客户端预测结果与反馈结果不同，则将立即产生修正动作信息，并广播给其他相关的虚拟工种角色的客户端。
47.实际运检培训过程中，教员和培训人员都可在本发明的客户端三维虚拟场景中漫游，当教员需要为培训人员指定某条线路进行检修时，他利用客户端三维应用程序来设置需要检修的线路以及完成检修的几个组员（几个培训人员构成一组，共同完成作业），并通过局域网络将消息发送给在该组的几个组员。
48.先由该组的组长在客户端三维应用程序进行旁路操作或倒闸操作，服务端的数字物理混合仿真程序驱动保护装置动作，并将电网的变化信息推送给所有的培训人员。随后
该组的各组员在统一的三维场景中进行协同检修作业，期间客户端三维应用程序负责将每个组员的动作信息发布到网上其它的培训人员，使得每个培训人员看到一致的行为动作画面。最后作业完成后由组长通知服务端的数字物理混合仿真程序来驱动保护装置及开关动作，从而完成对线路的检修作业。
49.本发明的另一个实施例提供一种带继电保护设备的电缆线路运检培训系统，包括客户端，服务端和搭载于服务端的数字物理混合仿真系统；其中，客户端用于用户进行运检操作，并将操作信息传递至服务端。
50.数字物理混合仿真系统用于根据用户操作指令进行数字物理混合的实时电网仿真计算，并将计算结果推送给客户端供用户查看；数字物理混合仿真系统包括数字电网，二次保护装置和接口系统，所述二次保护装置通过接口系统接入数字电网；所述数字物理混合仿真系统中搭建线路检修场景。
51.值得指出的是，该系统实施例是与上述方法实施例对应的，上述方法实施例的实现方式均适用于该系统实施例中，并能达到相同或相似的技术效果，故不在此赘述。
52.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd
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rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
53.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
54.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
55.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
56.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。