運維一體化仿真培訓系統的研究與應用

摘要：隨著虛擬現實、多媒體及網絡通信等計算機技術廣泛應用于電力仿真領域，仿真培訓的優勢和作用日益凸顯。介紹了國網冀北電力有限公司管理培訓中心運維一體化仿真系統的體系架構、主要功能以及在培訓和教學中的應用。此系統不同于傳統的變電站仿真與電網仿真系統，設計與實現著眼于“大檢修”體系建設，功能與特點能夠更好地滿足“大檢修”體系下運維一體化人員的培訓需求。

關鍵詞：大檢修；運維一體化；仿真培訓

中圖分類號：G726 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）12-0166-03

為適應電網日新月異的發展，加快建設“一強三優”現代公司，國家電網公司不斷深化“三集五大”體系建設。[1]“大檢修”作為“五大”體系建設中的重要組成部分，關系到電力系統的安全穩定運行，意義十分重要。按照國家電網公司“大檢修”體系建設的思路和要求，將強化設備全壽命周期管理，實施檢修專業化和運維一體化，全面深化狀態檢修，建立按電壓等級由各級檢修公司（工區）承擔電網設備運維檢修任務的生產體系，提升生產效率、效益，提高供電可靠性。“大檢修”體系建設及運維一體化的實施[2]不僅改變了運行和檢修專業的傳統工作模式與流程，而且要求運維檢修人員既要具備輸變電設備維護檢修能力，又要掌握系統運行方式及電氣設備狀態的操作方法，對其在專業知識結構和業務技術能力方面都提出了更高的要求。因此，大力開展崗位技術培訓，培養“一專多能、一崗多能”的運維檢修人員，為“大檢修”體系建設及運維一體化的實施提供必要的人才支持顯得尤為重要和迫切。

隨著計算機技術和網絡通信技術的發展，仿真培訓的優勢和作用日益明顯，并已成為一種有效的培訓手段，[3，4]越來越受到各電力公司的青睞。但是在國家電網公司“三集五大”改革的背景下，傳統的在變電運行人員培訓中收到良好效果的仿真系統——變電站仿真、變電站綜合自動化仿真以及電網仿真等[5]已經無法完全滿足“大檢修”體系下運維檢修人員的培訓需求。而本文介紹的運維一體化仿真培訓系統針對運維檢修人員工作特點及崗位技能要求，對輸電線路、變電站、配電站及配電線路、設備檢修過程進行全場景仿真，并采用標準化作業流程設計，有助于培訓學員掌握工作技能、提高技術水平、規范作業流程，滿足“大檢修”體系下運維檢修人員的培訓需要。

一、系統構成

1.軟件架構

運維一體化仿真培訓系統是根據運維人員技能水平要求和崗位培訓需要，綜合采用虛擬現實、數據庫、多媒體等計算機技術開發的一個先進的數字化、可視化的交互式仿真培訓平臺。其軟件系統由以下幾個主要部分組成：數字化電網生產管理系統（EAM）及三維GIS系統，變電運維、輸電運檢、配電運維及專業檢修四個仿真子系統，培訓管理系統和仿真支撐平臺。各子系統通過交互式、分布式仿真軟件支撐平臺有機地結合在一起，解決了分布式仿真培訓系統的互操作性、分布性、異構性以及時空一致性問題。系統軟件架構如圖1所示。

2.硬件架構

硬件系統包括仿真服務器、數據庫服務器、教員臺、變電運維中心學員臺、輸電運檢中心學員臺、配電運維中心學員臺、專業檢修中心學員臺以及網絡輔助設備等。運維一體化仿真培訓系統采用對等結構，教員臺和學員臺可以相互替換，通過屏幕分配器可將教員機、學員機中任意一臺切換至投影儀顯示，方便進行教學演示、競賽考評。同時為了能夠讓系統在使用上更加方便、靈活，功能上易于擴展、升級，采用了一機多模的工作方式，教員臺、學員臺上均可實現所有仿真培訓功能，各個計算機可以互相替代，一臺或幾臺計算機出現故障不會影響整個仿真系統的穩定運行。系統的硬件架構如圖2所示。

二、主要功能及特點

運維一體化仿真培訓系統根據國網冀北電力有限公司所轄電網的生產實際與設備現狀，將變電運維仿真培訓功能、輸電運檢仿真培訓功能、配電運維仿真培訓功能以及設備檢修仿真培訓功能進行一體化設計，并與數字化電網生產管理系統、三維GIS系統有機結合，實現電網生產運行、維護、管理的全過程、全范圍、全場景的仿真培訓，滿足“大檢修”體系下國網冀北電力有限公司運維檢修人員的技能與技術培訓需求。主要功能、適用范圍及對象如表1所示。

1.變電運維仿真培訓功能

在“大檢修”體系下，變電運維人員不僅承擔了原變電運行業務，還要負責變電設備的帶電測試、維護檢修等工作。因此，該子系統除了能夠實現傳統變電站仿真系統所具有的一二次設備建模仿真、倒閘操作、運行巡檢、事故及異常處理等功能外，還增加了設備的C、D類檢修、常規試驗、安全工器具使用等仿真培訓功能。新增仿真培訓功能很好地適應了變電運維人員工作模式的轉變，使培訓更加具有針對性。變電運行及變電運維三維仿真場景如圖3所示。

2.輸電運檢仿真培訓功能

該子系統對典型500kV、220kV、110kV輸電線路、輸電電纜等進行仿真建模，對鐵塔、導線、金具、絕緣子等各種輸電設備、線路場景、地理環境以及檢測工具設備等進行全范圍詳細仿真，形成了交互式虛擬場景系統，可以形象地反映出輸電設備的正常、異常及事故狀態。輸電線路運行人員、檢修人員、帶電作業人員以及輸電電纜作業人員可以在相應的仿真工作場景中進行標準化作業訓練，提高受訓人員操作技能。輸電運檢三維仿真場景如圖4所示。

3.配電運維仿真培訓功能

該子系統以10kV及以下城市配電網、配電線路、配電站、配電電纜為對象進行1∶1建模仿真。其中配電站仿真包括各類典型配電站仿真（如開關站、環網站、箱式變電站等）以及各種可操作的一二次設備的仿真（如變電所內斷路器、閘刀、變壓器、繼電保護裝置等）。配電線路仿真包括典型架空線路、電纜線路的仿真以及桿上變壓器、閘刀、跌落保險、避雷器等一次設備的仿真。利用配電運維仿真功能可以對受訓人員進行配電線路運行巡視、配電檢修、配電帶電作業、配電電纜作業等全過程動態仿真培訓。配電運維三維仿真場景如圖5所示。

4.專業檢修仿真培訓功能

該子系統以500kV、220kV、110kV、35kV、10kV電壓等級的變電站典型設備、輔助設備以及儀器儀表等設備為仿真對象，對其整體結構和內部結構進行詳細仿真。以專業檢修（A/B級）和高壓試驗崗位技能為基礎，以實際生產中標準化工作流程為依據，對各項檢修以及高壓試驗工作進行全場景、全過程和全范圍仿真模擬。可以實現專業檢修和高壓試驗基礎理論與基本方法、工作原理、工作流程及工藝標準等內容的仿真培訓。專業檢修三維仿真場景如圖6所示。

5.系統主要特點

運維一體化仿真培訓系統在設計與功能實現上主要具有以下三個特點：

（1）系統設計理念先進。運維一體化仿真系統的設計與實現著眼于“大檢修”體系建設，改變了傳統變電站仿真系統功能相對單一的設計，增加了變電運維、輸電運檢、配電運維、專業檢修的仿真設計，使系統在培訓功能及適用性上具有領先水平。系統大量運用3D可視化技術、虛擬現實技術、多媒體技術等先進計算機技術，把文字、圖形、圖像、聲音、動畫、影像等多種素材進行集成，加之對作業流程的全方位、全過程、全場景的仿真，使系統具有更加豐富的表現力。良好的交互性、可操作性以及沉浸式、體驗式的培訓方式可以進一步強化受訓人員對知識與技能的理解和掌握，提升培訓效果。

（2）培訓功能針對性強。相較于其他傳統的仿真系統，運維一體化仿真系統在培訓功能的設置上更加具有針對性和適用性。根據“大檢修”體系下運維檢修人員的工作特點和崗位技能要求而設計的變電運維、輸電運檢、配電運維、專業檢修四類仿真培訓功能，使系統更加適應電力生產發展的新形勢，更好地滿足運維檢修人員技術與技能培訓的需要。同時系統采用單元制培訓內容管理模式，可以根據學員自身的專業和崗位情況，提供定制的培訓方案，進行有針對性的培訓，提高培訓效率。

（3）培訓模式新穎靈活。傳統的培訓模式忽視了成年人學習的固有規律，沒有把理論與實際生產生動形象的結合起來，從而導致最后的培訓效果不能令人滿意。運維一體化仿真系統采用過關、對抗、自助餐式培訓模式，學員可以自行選擇培訓內容，并以完成任務的方式，進入三維再現的實際生產場景中，進行相應的操作，然后系統根據各個知識點對學員操作內容進行考核。這種培訓模式可以加深學員對理論及正確操作的理解認識，從而達到最佳的培訓效果。

三、仿真系統的培訓應用

1.運維檢修人員培訓

運維檢修隊伍的技術水平和業務素質是保證電網安全運行、保證“大檢修”體系建設順利實施的關鍵。運維一體化仿真培訓系統的主要任務是開展對一線運維檢修人員及相關管理人員的安全生產、標準化作業以及事故分析處理等培訓，使其提高安全生產意識，熟悉設備情況及業務流程，掌握正常工況、異常工況和事故狀態下的操作與處理方法。貼近生產實際的培訓內容以及有針對性的培訓功能設置有助于全面提高運維檢修人員的技術業務素質。

2.競賽比武與技能鑒定

運維一體化仿真系統具有一整套智能考核評價體系以及覆蓋全面、內容豐富的理論和操作題庫，可以對學員進行理論知識、技能操作和事故處理等方面的考核，并且全面科學地記錄學員答題和操作的內容、過程、步驟等，準確、及時、科學、公正地給出評判結果。完善的考核管理與評估管理體系使該系統完全滿足對運維檢修人員進行考核的要求，適用于開展運維檢修人員技能競賽比武及職業技能鑒定等工作。

3.其他人員的培訓

隨著“大運行”體系建設以及無人值班變電站比例的不斷提高，監控人員在變電站值班的機會將越來越少。變電站值班經驗不足導致部分監控人員對站內設備具體情況不甚了解。因此，在變電站內一二次設備的特性及運行特點、繼電保護原理、故障及異常信號產生和上傳原理等內容上，監控人員是存在培訓需求的。運維一體化仿真系統能夠實現變電站一二設備的精細仿真，形象地反映設備的正常、異常、事故狀態及其動作過程，恰好滿足監控人員對該部分專業知識提升的需要，可以作為監控人員業務培訓的有效補充，提高其技術水平與工作能力。同時系統還可用于新上崗人員的崗前培訓，使其提高安全生產意識，在較短的時間內熟悉并掌握日常工作的內容、流程及基本技能。

四、仿真系統的教學應用

運維一體化仿真系統是開展培訓的有效載體和良好平臺，同時先進的系統設計及完善豐富的培訓功能也對培訓師的業務能力提出了更高的要求。打造一支結構合理、經驗豐富，既有深厚理論功底，又對仿真技術有所研究的培訓師隊伍，是運維一體化仿真系統培訓功能能否得到充分發揮，培訓效果能否實現最大化的關鍵。國網冀北電力有限公司管理培訓中心調動內部師資力量進行仿真技術的學習、研究，并成立創新工作室，打造一支由老中青相結合，跨部門、跨專業的高績效團隊，全程參與運維一體化仿真系統的開發、建設、使用及維護。在創新工作室的平臺上，通過激勵機制引導培訓師在仿真技術研究、仿真課程開發、仿真課件制作、仿真教材編寫等方面下功夫，拓展了仿真系統的思路，豐富了仿真培訓內容，高效能地發揮了仿真系統的作用，提升了培訓效果，促進了師資隊伍建設。

五、結論

運維一體化仿真培訓系統相較傳統的仿真系統在培訓功能、培訓模式上都有所創新和突破。變電運維、輸電運檢、配電運檢及專業檢修的培訓功能更加具有針對性，更加貼近運維檢修人員的工作實際，滿足“大檢修”體系對培養“一專多能、一崗多能”運維檢修人員的迫切需求。運維一體化仿真培訓系統在培訓及教學中的廣泛應用，有助于提高運維檢修人員的技術水平和業務素質，為“大檢修”體系建設提供必要的人才支持。

參考文獻：

[1]國家電網公司.國家電網公司“三集五大”體系建設實施方案[Z].2012.

[2]李晨，陳希正，郝艷春.大檢修組織運維一體化人才培養研究[J].中國電力教育，2011，（9）.

[3]張東英，葛亮，楊以涵.500kV綜合自動化變電站仿真培訓系統的實現[J].電網技術，2001，25（6）.

[4]張雨飛，王明春.變電站仿真培訓系統[J].電力自動化設備，2001，21（12）.

[5]張浩，徐紅燕，彭道剛，等.仿真技術在電力系統中的應用[J].系統仿真技術，2005，1（2）.

（責任編輯：孫晴）