基于多教学模式的电力仿真培训平台的设计与应用

李春林 赵成杰 李 嫚 杜 涵 胡香玲

（1.郑州电力高等专科学校 2.北京科东电力控制系统有限责任公司）

0 引言

随着以新能源为主的新型电力系统建设的不断推进，对电网运行人员的处置能力提出了更高的要求。然而，由于电力系统对稳定性的特殊要求，在真实运行的系统中进行培训、教学等任务是不切实际的，所以电力系统仿真培训平台就成为电力公司培训及电力院校教学的重要工具。

现有的电力系统仿真培训平台虽然也涉及理论知识与实操培训的结合，但是往往将两者割裂开来，理论学习通常以课件教学视频的形式，存在抽象、单调、枯燥，不便学员理解的问题；在实操教学过程中，大多是播放正确操作的视频，导致学生的体验感、参与感不强，因而已无法满足电网仿真培训的实际需要。因此，迫切需要研发一种集情景教学模式、练习模式、考试模式为一体的电力系统仿真培训平台。

1 电力系统仿真培训平台发展综述

电力系统仿真培训最初产生于对火电厂机组等系统的仿真，之后随着需求的变化和发展，进一步延伸到电网、变电站等领域，现如今已经发展到涉及各个环节的电力系统仿真培训平台，其涵盖的功能越来越全面，实现的方法也经历了从物理仿真阶段、数字仿真的阶段，到现在虚拟场景仿真的时代。

文献［1］采用带盘台的模式，这种模式把实际变电站中的模拟控制盘、配电装置、继电器保护盘、主接线模拟操作盘等装置按照一比一的比例还原出变电站的主控室和保护室，而这些硬件的操作和显示主要由后台计算机来支持，这种模式能够给学员带来较好的真实操作体验，但也存在造价高、维护复杂、可扩充性差、培训效率低等缺点。

文献［2-3］利用计算机多媒体技术，采用纯软件模式，造价低、维护简单、可按用户要求修改软件，方便进行系统扩充。文献［4］基于计算机局域网环境搭建培训仿真系统，使之可以扩展到多学员多任务培训同时在线培训，使得培训效率得到显著提升。

但是传统的二维用户界面比较单调，不能给学员带来身临其境的体验，培训方式缺少可交互性，培训效果不理想。近年来，随着三维仿真技术的不断发展，为电力系统仿真培训平台实现交互式、沉浸式的体验提供了可能［5］。文献［6］通过采用流行的虚拟现实技术，对变压器、断路器等各类电气设备进行建模，进而搭建整个虚拟变电站。除此之外，该文献还将基于Matlab的电力系统仿真软件与VR虚拟变电站结合，使之能够实时、动态地进行变电站运行状态仿真，并可以将对应的状态精准逼真地演示出来。文献［7］在培训系统中将游戏的理念引入，将体验式学习理论充分发挥。该配电网运行仿真培训系统不仅为交互模拟带来强大的体验感，更是寓教于乐，大大提升了学员的学习兴致和自主参与性。

现有的电力系统仿真培训平台侧重于培训电网运行人员的故障处理操作流程，导致平台功能只是简单重现操作步骤，没有充分考虑到学员的认知规律，缺乏面向电力专业学生的教学模式，因此需要一种可以满足不同用户培训需求的基于多教学模式的电力系统仿真培训平台。

2 仿真培训平台功能设计

2.1 情景教学模式

情景教学模式主要用于模拟电力系统的电气设备和场景，帮助学员身临其境地认识场站电气设备、了解其工作原理。学员在该模式下可以在场景内进行自由漫游，以全景方式来查看场站各个区域的虚拟电气设备和整个三维场景。同时学员可以停留在任意设备前，点击设备弹出的菜单选项，选择查看设备的名称、功能、详细资料参数等。

为了帮助学员更好地了解电气设备的内部结构，学员在该模式下还可以通过点击设备将集成的设备拆解成为各个电气元件，每个电气元件都配有相应的讲解，使学员对电气设备的内部构成及各元件的功能有更深刻的理解和认知，图1和图2分别为情景教学模式下电缆室和母线室图解。

图1 情景教学模式下电缆室及介绍

图2 情景教学模式下母线室及介绍

2.2 练习模式

练习模式的主要目的是规范学员的工作流程，学员必须在正确的操作步骤下才能完成练习模式的题目，如图3所示为练习模式下学员进行场景切换，图4为操作小车把手。在练习的过程中，学员还可以选择打开提示功能，用于提示学员下一步骤的正确操作。练习模式下，正确的操作能够获得相应的步骤分，学员如果操作的步骤和正确的操作步骤不符，系统将会弹出对应的错误标志并且扣除分数。同时，为了避免中间步骤的错误影响后面步骤的动作，在练习模式下，错误的步骤是不会操作成功的。

图3 练习模式下的场景切换

图4 练习模式下操作小车把手

2.3 考试模式

如果教员需要通过系统对学员进行考核时，教员针对学员的基本情况从题库中组合出一套试卷，并在指定的时间内让学员进行答题。

系统还增加了面向电力专业学生的考试模式，在该考试模式下，重点考查学生对理论知识的掌握情况。学生在虚拟仿真环境下能够正确识别场站内的设备名称、主要功能、常见型号、应用场景等就算过关，如图5所示，考试模式下学员正确完成挂牌操作后左下角有操作正确的提示。学生通过完成一个个任务来实现培训目标，并通过及时反馈和奖励机制给学生游戏化的学习体验，寓教于乐，使学生主动积极地参与到培训中。

图5 考试模式下挂牌操作正确效果

3 关键技术实现

3.1 智能评价技术

本文研发的基于人工智能技术的电力系统仿真培训平台自动评价模块，具有完善的学员培训过程跟踪、教案调用、培训评估等功能。

在学习和练习模式下，该模块具有语音文字引导功能并配有多媒体文字、图片、视频学习资料展示，同时系统针对违反规程的误操作均可自动生成相应的出错提示。

该智能评价算法以电力系统的基本原理、相关变电运检操作流程、安全运行规程、电气设备知识、安全生产知识等作为分析的素材添加入库，形成了智能评价规则和操作规则，并通过算法不断完善和优化评价体系。

3.2 Unity3D的自动解析技术

传统变电站仿真培训系统的功能中，三维场景和后台仿真模块之间是一个逻辑和展示的关系。基于Unity3D三维可视化场景根据后台仿真模块提供的信息，完成所有对象的信息对应、动作、渲染等。

为了满足学习模式中的自动播放，三维可视化场景系统需要解析所有对象的操作过程中的基本元素，包括对象、坐标、角度、动作等元素。同时开发解析模块，保证解析后的元素可以在界面中呈现和人为操作一样的效果。

3.3 语音生成技术

学习模式的自动播放模式，需要针对每一个操作进行智能的语音解读，为了和电力系统变电运维的专业名词和电力系统中操作票特有发音语音保持一致，本系统调用专用的语音生成技术，同时针对专业性的语音建立了专业的数据库。保证学习模式下系统可以进行演示和解读。

4 结束语

基于多教学模式的电力系统仿真培训平台不仅具备传统电力系统仿真培训平台中的功能，并在此基础上提出面向不同需求用户的模式。通过将情境教学模式、练习模式、考试模式整合，集多种教学模式为一体，不仅有运行人员所需的实操教学，还增加了面向学生的电力系统知识和原理的讲解，多维度、全方位满足学员的学习需求，极大提高了培训的效率和效果。