基于TTS引擎的廠站中央信號系統動態模擬仿真

莫仕勛， 楊富淋， 黃智博， 李裕進

(1.廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004； 2.廣西送變電建設公司，廣西 南寧 530031；3.廣西電網有限責任公司玉林供電局，廣西 玉林 537000； 4.國電南寧發電有限責任公司，廣西 南寧 530317)

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基于TTS引擎的廠站中央信號系統動態模擬仿真

莫仕勛1， 楊富淋2， 黃智博3， 李裕進4

(1.廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004； 2.廣西送變電建設公司，廣西 南寧 530031；3.廣西電網有限責任公司玉林供電局，廣西 玉林 537000； 4.國電南寧發電有限責任公司，廣西 南寧 530317)

針對發電廠和變電站的二次系統展開式原理圖內容多、復雜、邏輯描述困難等特點，運用應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系，精確地描述在計算機屏幕上，并利用計算機多媒體技術對展開式原理圖進行動態的描述，通過Microsoft Speech SDK集成的TTS引擎嵌入相應的語音講解，復雜的邏輯一目了然，為電力系統二次部分的培訓教程提供了新思路。

中央信號系統； 動態模擬仿真； TTS； MFC； COM

0 引 言

發電廠(變電站)的二次系統是對一次系統實施測量、保護和控制功能的系統。隨著電力系統的不斷完善，對二次系統的要求也提出更高的要求，實現的功能也越來越多，隨之而來的就是其維護工作量也越來越大。長期以來，人們習慣的思維都認為一次部分的接線圖(主接線圖)相對清晰明了，由于二次系統與生俱來的特點，一直被冠以復雜、繁瑣等標簽。在仿真培訓實踐中，往往忽視了運行人員對二次系統的學習，利用計算機技術，增加二次系統結構、原理、動態模擬等內容，可以使運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效果[1-7]。

二次設備檢修維護人員關心的重點是電力系統與自動化設備的互動關系(即二次接線)和自動化系統內部工作過程，以往的變電站運行仿真培訓系統雖可以逼真地仿真出變電運行人員所關心的人機操作界面和信息，但是都繞過二次回路和自動化系統的內部工作過程[8-10]。廠站二次設備檢修維護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)工作的原理以及動作過程中的邏輯關系。而動作的過程主要是由掛接在廠站的直流電源系統的控制、信號母線提供的直流電源產生的電流驅動器件(繼電器)完成的，所以要弄懂中央信號系統的工作原理應該首先弄清楚電流的流經的路徑、所觸發的器件(繼電器)。反映中央信號系統的工作原理的圖紙大多采用展開式原理圖，它是設計、施工和運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、獨立繪制，同時也將儀表、繼電器等的線圈、觸點分別繪制在所屬的回路中。與集中式原理圖相比較，其特點是線路清晰、易于理解整套裝置的動作程序和工作原理，特別是當接線裝置二次設備較多時，其優點更加突出。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：當斷路器事故跳閘時，事故小母線WFA會與負極電源接通，正電源通過線圈K1，電容C及線圈K2，對電容充電，使沖擊繼電器1KAI起動。在充電期間，繼電器線圈中流過電流使銜鐵動作，帶動觸點閉合。充電完畢后，線圈中電流消失，銜鐵保持在動作位置，觸點可靠閉合。1KAI的觸點閉合后，便啟動中間繼電器1KC，它有兩對動合(常開)觸點分別是1KC(9-11)和1KC(13-15)，其中1KC(13-15)觸點閉合后，便起動時間繼電器3KT，作為音響信號自動復歸回路的延時，經過整定值時間后，帶延時閉合的常開觸點3KT(4-12)閉合，使得3KC線圈通電，它的常開觸點3KC(9-11)閉合，音響信號自動復歸。另外一對觸點1KC(9-11)接通蜂鳴器HAL，發出音響，表明已發生事故。

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，對整個動作回路非常的熟悉，才能很好地運用展開式原理圖對二次系統進行分析和維護。

1.3 難點

展開式原理圖通過描述電路中電流流過的路徑，驅動相應的器件(繼電器)來帶動常開或者常閉觸點動作，從而實現使電路能表達所需要的邏輯，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重要的。一個器件(繼電器)組成不外乎是由電阻、電容和電感三種元件組成，但如何有機組合就很有講究。

2 動態模擬仿真設計

針對1.3 提出的兩個難點問題，可以考慮用動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為紅色加以區別，并配以相應的文字符號說明。對于器件的工作原理可以綜合運用文字閃動和語音講解，因為繼電器的線圈和觸點很有可能分別屬于不同的回路中，當繼電器的線圈通電時，由于其線圈和觸點用相同的文字符號標注，這時在畫面上在線圈和觸點的回路采用相同的顏色產生閃爍來說明。

如果單從動畫方面的需要可以考慮采用目前流行的Adobe Flash或者Authorware，但二者只是一個動畫制作工具，無法嵌入其他的資源，如語音。基于這樣的考慮，采用應用程序方式來解決這兩個難點問題，應用程序可以有效整合各種資源。擬采用Windows 平臺下微軟強大的Microsoft?VC++6.0 作為開發工具。

2.1 動態模擬的實現

由Microsoft 提供的MFC，在單文檔窗體上利用相對坐標，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)函數完成。值得注意的是，在進行繪圖之前，最好先自定義好各種元器件的繪制函數，這樣，在繪圖過程中多次用到該元件時，調用起來就更為方便。函數定義時還可以加入各種功能，方便后面將要進行的動態效果演示控制。

通過SetTimer( )函數創建定時器，然后由其響應函數OnTimer( )結合KillTimer( )函數來實現對各元器件的動作控制。但OnTimer( )并不是CElectricView類的成員函數，為此必須先把OnTimer( )的消息響應添加到CElectricView類中。

動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，以造成活動的感覺。所以利用定時器一定時間間隔觸發的消息來調用GDI函數進行圖形漸變輸出就能夠構成理想的動畫效果，其實現流程如圖2所示。

圖2 動畫形成的流程圖

2.2 語音講解的實現

隨著語音技術的發展，微軟也推出了相應的語音開發工具，即Microsoft Speech SDK，這個SDK中包含了語音應用設計接口(SAPI)、微軟的連續語音識別引擎(MCSR)以及微軟的語音合成(TTS)引擎等[12]。其中的 TTS(text-to-speech)引擎可以用于實現語音合成，通過TTS引擎可以分析文本內容并且將其朗讀出。實現TTS技術的方法有很多種， 現在主要采用3種：連詞技術、語音合成技術、子字連接技術。目前的5.1版本的SDK一共可以支持3種語言的識別 (英語，漢語和日語)以及2種語言的合成(英語和漢語)。其中還包括對于低層控制和高度適應性的直接語音管理、訓練向導、事件、語法編譯、資源、語音識別 (SR)管理以及TTS管理等強大的設計接口[13]。

當應用程序需要發聲時就調用語音合成引擎(Speech Synthesis Engine)進行語言合成，將文本處理后通過揚聲器用近似于人的聲音“讀”出來，通常還可以通過改變對語音引擎的設置改變“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聲音的影響。計算機通過語音合成發出的聲音效果聽起來就象是錄音磁帶發出的聲音[14]。

微軟SAPI5.1實現Text-To-Speech的核心是對COM接口IspVoice的應用，所以應用TTS技術最好要了解一下COM編程技術[15]。SAPI 的API接口封裝得很好，不需要了解任何發聲引擎底層的工作細節。例如一旦在程序中創建了一個IspVoice對象,就可以通過調用ISpVoice::Speak實現文本朗讀，通過調用ISpVoice::SetRate實現對朗讀速度的控制，以及通過調用ISpVoice::SetVoice實現對朗讀聲音的不同人物或語言控制(男聲/女生,中文/英文)等。事實上掌握對這個接口的應用就可以實現大多數TTS的應用。下面是微軟的TTS引擎對展開式原理圖動動作過程進行語音講解的步驟。

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

(2) 建立語音對象實例。CoCreateInstance；

(3) 調用Speak方法。

(4) 設置感興趣的事件。SetInterest；

設定SAPI返回的消息：setnotifywindowmessage；

(5) 消息到來，確定事件類型。GetEvents；

清除事件結構：SpClearEvent；

(6) 相應事件。用GetStatus確定SAPI狀態。

3 動態模擬仿真系統的優勢

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

(3) 采用動畫的形式標注電流流過的路徑(動作過程描述形象生動)；

(4) 電流流過的器件的文字符號以閃爍形式顯示(標注清晰)；

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

(6) 用閃爍箭頭指明因觸點閉合引起其他支路的線圈通電而產生的動作(關聯提示，線圈和觸點關聯一致)；

(7) 以MID文件的形式播放喇叭響(事故信號)和電鈴響(預告信號)(聲行并舉，與真實環境相符)；

(8) 背景配以普通話語音講解功能(語音講解，讓讀者理解更透切)；

(9) 最終以文字形式給出相關說明(歸納總結，讓用戶記憶深刻)。

仿真軟件界面如圖3所示。

圖3 動態模擬仿真界面

4 結 語

通過運用應用程序方式將廠站的二次系統的原理圖整合起來，可以看出有以下的優點：①基于Windows 平臺，通用性強；②準確表達控制邏輯和動作過程；③豐富的人機交互界面；④效果圖文并茂，聲形并舉；⑤易于整合和控制資源，擴展方便；⑥不受運行環境的限制，無需插件支持，使用方便；⑦易于保護知識產權，保護開發者的利益；⑧軟件短小精悍，易于存儲。

這樣的仿真系統除了用于員工的培訓以外，稍加擴展就可以作為事故分析和事故反演的工具。同時也為電力系統二次部分的培訓工作拓展了新的思路。

[1] 仝全利.鄭州500 kV變電站仿真培訓系統設計[D].保定：華北電力大學電氣工程學院(保定)，2007.

[2] 王 銳，曹麗璐，楊東海，等.數字化變電站網絡化二次系統研究與應用[J].電力系統保護與控制，2010，38(12)：59-64.

[3] 張明亮，許沛豐，陳延昌，等.數字化變電站二次系統仿真測試方案[J].電力系統自動化，2010，34(10)：90-92.

[4] 曾 玉，馬進霞，張立平.某電廠二次系統安全防護方案的設計與實現[J]. 電力系統保護與控制，2009，37(8)：72-76.

[5] 張清枝，魏 勇，趙成功.變電站網絡化二次系統關鍵技術研究及應用[J].電力系統保護與控制，2009，37(8)：47-52.

[6] 金學成，孫 煒，梁 野，等.電力二次系統內網安全監視平臺的設計和實現[J].電力系統自動化，2011，35(16)：99-101.

[7] 湯 涌.電力系統數字仿真技術的現狀與發展[J].電力系統自動化，2002，26(17)：66-70.

[8] 王 勇，王邦志，林昌年.電氣試驗數字仿真與網絡培訓系統的設計與實現[J].電力系統自動化，2008，32(9)：100-103.

[9] 葉廷路，王曉蔚，高 駿，等.電力系統全數字仿真裝置在河北電網的應用調試[J].電力系統保護與控制，2009, 37(13)：104-108.

[10] 韓念杭，王 蘇，張惠剛，等.面向維護人員的變電站自動化技術培訓系統[J].電力系統自動化，2007，31(2)：88-90.

[11] 王輯祥.電氣工程實踐訓練[M].北京：中國電力出版社，2007：22.

[12] 袁 嵩.一個TTS 系統的實現方案[J].計算機工程與應用，2004, 21(8)：121-123.

[13] 章 森，劉 磊，刁麓弘.大規模語音語料庫及其在TTS中應用的幾個問題[J].計算機學報，2010，33(4)：121-123.

[14] 畢曉君, 靜廣宇, 徐先鋒. 利用TTS技術實現文本文件的語音合成[J].自動化技術與應用，2004，23(9)： 49-51.

[15] 黃 華，仲元昌. TTS在智能公交報站系統中的應用[J].自動化儀表，2012，33(4)：24-29.

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

廣西大學實驗室建設與實驗教學改革立項項目(20110206)

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

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

TM 6

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1006-7167(2015)05-0083-03